第2章__医用超声诊断仪器概论2

第二章医用超声诊断仪器概论前言医学超声是超声物理学、电子探测技术和生物医学在发展中相互渗透的产物，具有理、工、医相结合的特点。其研究包括基础物理理论研究、仪器工程开发、图像处理、换能材料研究等相互联系又相互促进的多个方面。它以研究超声波与生物组织媒质互作用规律和生物效应为理论基础，以研制先进的生物医学超声仪器为工具，应用于诊断、康复、监护、普查人体疾病。目录医用超声诊断仪器的发展简史医用超声诊断仪器的性能指标超声诊断仪器的分类、结构、原理医用超声成像技术超声诊断仪器的分类、结构、原理超声诊断利用超声波在人体内不同介质中的传播与反射特性的不同，显示出不同的影像，而达到诊断的目的。超声诊断仪主要通过发射接收超声波信号，并把它们按一定的方式显示，来实现对人体软组织的成像，所以按探头、声束扫描方式和采用的信号显示方式的不同，形成多种超声成像种类。超声诊断仪器根据其原理、任务和设备体系等，可以划分为很多类型。1.以获取信息的空间分类(1)一维信息设备如A型、M型、D型。(2)二维信息设备如扇形、线性、凸阵扫查B型等。(3)三维信息设备即立体超声设备。2.按超声波形分类(1)连续波超声设备如连续波超声多谱勒血流仪。(2)脉冲波超声设备如A型、M型、B型超声诊断仪。3.按利用的物理特性分类(1)回波式超声诊断仪如A型、M型、B型、D型等。(2)透射式超声诊断仪如超声显微镜及超声全息成像系统。4.按医学超声设备体系分类A型、M型、B型、D型、C型、F型等。超声诊断仪器的分类、结构、原理A型诊断仪——幅度调制1A型超声诊断仪因其回声显示采用幅度调制(amplitudemodulation)而得名。A超是利用超声波的反射特性来获得人体组织内的有关信息，从而诊断疾病的。超声诊断仪器的分类、结构、原理A型诊断仪——幅度调制1A型显示是超声诊断仪最基本的一种显示方式，属一维超声，即在阴极射线管的荧光屏上，以横坐标代表被探测物体的深度，纵坐标代表回波脉冲的幅度。t换能器回波信号超声诊断仪器的分类、结构、原理A型诊断仪——幅度调制1提取回波幅度的超声诊断仪器A型诊断仪如图1超声回波信号以波的形式显示，回波信号的强弱由波形幅度的高低，以示波器的纵向Y轴来反映，回波信号的传播时间由示波器横向X坐标轴来显示。根据深度等于声速乘以时间除以2的关系，所以从A型诊断仪上可得到声束某一方向，各个深度点的回波幅度变化的波形图。yx图1A型诊断仪的超声回波信号以波的形式显示在临床上可根据回波密度、幅度，衰减程度,衰减速度，来诊断脏器组织的回波特性，还可根据回波的深度位置，确定脏器的几何尺寸（厚度）。由于A型诊断仪所显示的波形图只能反映某一方向的一维深度各点的回波波形信息，缺少解剖形态，目前除了在眼科超声还在应用外，已很少应用。超声诊断仪器的分类、结构、原理A型诊断仪——幅度调制1超声诊断仪器的分类、结构、原理A型超声诊断仪工作原理的方框图：A型诊断仪——幅度调制1超声诊断仪器的分类、结构、原理A型CRT信号及显示屏各轴标称：A型显示水平（X）垂直（Y）亮度（Z）CRT各控制轴信号深度扫描信号回波脉冲信号正程增灰信号显示屏各轴意义探测深度回波脉冲幅度无A型诊断仪——幅度调制1故由探头(换能器)定点发射获得回波所在的位置可测得人体脏器的厚度、病灶在人体组织中的深度及病灶的大小。根据回波的其他一些特征，如波幅和波密度等，还可在一定程度上对病灶进行定性分析。A型超声诊断仪适应于医学各科的检查，从人的脑部直至体内脏器。其中应用最多的是对肝、胆、脾、肾、子宫的检查。对眼科的一些疾病，尤其是对眼内异物，用A型超声诊断仪比X线透视检查更为方便准确。在妇产科方面，对于妇女妊娠的检查以及子宫肿块的检查，都比较准确和方便。超声诊断仪器的分类、结构、原理A型诊断仪——幅度调制1由于A型显示的回波图，只能反映局部组织的回波信息，不能获得在临床诊断上需要的解剖图形，且诊断的准确性与操作医师的识图经验关系很大，因此其应用价值渐见低落，即使在国内，A型超声诊断仪也很少生产和使用了。尽管A超的重要性已经不及初始阶段，但当今B超在显示断面图像的同时，往往选波束特定指向上的回波幅度在屏幕上同时作A式显示，以配合B式图像的判读。超声诊断仪器的分类、结构、原理M型诊断仪——运动调制2M型超声成像诊断仪适用于对运动脏器如心脏的探查。由于其显示的影像是由运动回波信号对显示器扫描线实行辉度调制，按时间顺序展开而获得一维空间多点运动时序（motion-time）图，故称之为M型超声成像诊断仪，其所得的图像也叫作超声心动图。超声诊断仪器的分类、结构、原理M型诊断仪——运动调制2对于运动脏器，由于各界面反射回波的位置及信号大小是随时间而变化的，如仍用幅度调制的A型显示方式进行显示，所显示波形会随时间而改变，得不到稳定的波形图。M型超声诊断仪采用辉度调制的方法，使深度方向所有界面反射回波，用亮点形式在显示器垂直扫描线上显示出来，随着脏器运动，垂直扫描线上的各点将发生位置上的变动，定时采样这些回波并使之按时间先后逐行在屏上显示出来。时间深度探头皮肤超声诊断仪器的分类、结构、原理M型诊断仪——运动调制2M型超声诊断仪发射和接收工作原理方框图：超声诊断仪器的分类、结构、原理M型诊断仪——运动调制2心脏博动时测定、所获得心脏内各反射界面的活动曲线图。可见，由于脏器的运动变化，活动曲线的间隔亦随之发生变化，如果脏器中某一界面是静止的，活动曲线将变为水平直线。曲线起伏的幅度——反射界面运动中所通过的距离大小。曲线的斜率大小——反射界面运动速度的大小。超声诊断仪器的分类、结构、原理M型诊断仪——运动调制2M型CRT信号及显示屏各轴标称：超声诊断仪器的分类、结构、原理M型显示水平（X）垂直（Y）亮度（Z）CRT各控制轴信号时间扫描信号深度脉冲信号回波脉冲信号显示屏各轴意义探测时间探测深度回波脉冲幅度M型诊断仪——运动调制2M型超声诊断仪对人体中的运动脏器，如心脏、胎儿胎心、动脉血管等功能的检查具有优势，可进行多种心功能参数测量，如心脏瓣膜的运动速度、加速度等。但M型显示仍不能获得解剖图像，它不适用于对静态脏器的诊查。目前，B型显像仪已普遍有M型显像的功能。超声诊断仪器的分类、结构、原理B型诊断仪——亮度调制3为了获得人体组织和脏器解剖影像，B型、P型、BP型、C型和F型超声成像仪又先后问世，由于它们的一个共同特点是实现了对人体组织和脏器的断层显示，通常将这类仪器称超声断层扫描诊断仪。虽然B型超声成像诊断仪因其成像方式采用辉度调制(brightnessmodulation)而得名，其影像所显示的却是人体组织或脏器的二维超声断层图(或称剖面图)，对于运动脏器，还可实现实时动态显示。Fetalprofile超声诊断仪器的分类、结构、原理超声波传播方向生物体探头时间A模式显示亮度调节B模式显示回波强度扫描方向扫描方向B型诊断仪——亮度调制3B型超声成像仪采用辉度调制方式显示深度方向所有界面反射回波，但探头发射的超声声束在水平方向上是以快速电子扫描方法(相当于快速等间隔改变A超探头在人体上的位置)，逐次获得不同位置深度方向所有界面的反射回波，当一帧扫描完成，便可得到一幅由超声声束扫描方向决定的垂直平面二维超声断层影像，称之为线形扫描断层影像。超声诊断仪器的分类、结构、原理B型诊断仪——亮度调制3通过改变探头的角度(机械的或者电子的方法)，从而使超声波束指向方位快速变化，使每隔一定的小角度，被探测方向不同深度所有界面的反射回波，都以亮点的形式显示在对应的扫描线上，便可形成一幅由探头摆动方向决定的垂直扇面二维超声断影像，称之为扇形扫描断层影像。超声诊断仪器的分类、结构、原理B型诊断仪——亮度调制3如果以上2种超声影像，其获取回波信息的波束扫描速度相当快，便可以满足对运动脏器的稳定取样，因而连续不断地扫描，便可以实现实时动态显示，观察运动性脏器的动态情况。线扫式断层B型超声波诊断仪适用于观察腹部脏器，如对肝、胆、脾、肾、子宫的检查，扇扫断层B型超声波诊断仪适用于对心脏的检查。现代B型超声波诊断仪通常同时具备以上2种探查功能，通过配用不同的超声探头，方便地进行转换。超声诊断仪器的分类、结构、原理B型诊断仪——亮度调制3B型超声诊断设备基本组成：超声诊断仪器的分类、结构、原理B型诊断仪——亮度调制3线性B型超声诊断仪——系统结构：主要由主机、标准电视监视器、手车三大部分组成。超声诊断仪器的分类、结构、原理B型诊断仪——亮度调制3线性B型超声诊断仪——系统工作原理方框图：主要由发射/接收电路、数字扫描变换器电路、CPU控制电路三大部分组成。超声诊断仪器的分类、结构、原理接收电路显示器换能器发射电路发生器同步信号B型诊断仪——亮度调制3线性B型超声诊断仪——系统工作原理方框图：主要由发射/接收电路、数字扫描变换器电路、CPU控制电路三大部分组成。超声诊断仪器的分类、结构、原理B型诊断仪——亮度调制3凸阵探头B型超声诊断仪——系统工作原理方框图：超声诊断仪器的分类、结构、原理波束形成电路图像存储器坐标变换电路DSC部件探头显示器B型诊断仪——亮度调制3凸阵探头B型超声诊断仪——模拟部分原理方框图：超声诊断仪器的分类、结构、原理B型诊断仪——亮度调制3凸阵探头B型超声诊断仪——数字部分原理方框图：超声诊断仪器的分类、结构、原理B型诊断仪——亮度调制3B型CRT信号及显示屏各轴标称：超声诊断仪器的分类、结构、原理M型显示水平（X）垂直（Y）亮度（Z）CRT各控制轴信号横向位置信号纵向位置信号回波脉冲信号显示屏各轴意义横向位置纵向位置回波脉冲幅度C型诊断仪——亮度调制4B超图像显示的是声束扫描的人体断面，C型和F型与B型扫描面相差90°，成像画面是与超声束垂直的。C型——图像是与声束垂直的某一等深断面。F型——图像是与声束垂直的某一非等深曲面。换能器C型平面超声诊断仪器的分类、结构、原理D型诊断仪——多普勒效应51842奥地利数学家和天文学家C.Doppler在观察天体运动时发现了一种物理现象，当星球朝向地球或背离地球运动时，来自星球的光色发生了变化，光波发射与接收的频率差和光源与接收器之间相对运动有关。这种物理现象称为多普勒效应。日常生活：火车鸣笛而来，音调增高；呼啸而去，音调降低。这种频率变化称多普勒频移。超声诊断仪器的分类、结构、原理D型诊断仪5D型超声成像诊断仪也即超声多普勒诊断仪，是利用声学多普勒原理，对运动中的脏器和血液反射回波的多普勒频移信号进行检测处理，转换成声音、波形、色彩和辉度信号，从而显示出人体内部器官的运动状态。超声多普勒诊断仪主要分为3种类型：连续式超声多普勒(continuouswavedoppler)成像诊断仪脉冲式超声多普勒(pulsedwavedoppler)成像诊断仪实时二维彩色超声多普勒血流成像(colordopplerflowimage)诊断仪速度信息的提取超声回波幅度信息提取超声诊断仪器的分类、结构、原理D型诊断仪5连续式超声多普勒成像仪被最早应用。它是由探头中的一个换能器发射出某一频率的连续超声波信号，当声波遇到运动目标血流中的红细胞群，则反射回来的信号是变化了频率的超声波。探头内的另外一个换能器将其检测出来转成电信号后送入主机，经高频放大后与原来发射频率电信号进行混频、解调，取出差频信号根据处理和显示方式的不同，可转换成声音、波形或血流图以供诊断。这种方式难以测定距离，不能确定器官组织的位置，给应用诊断造成诸多不便。连续多普勒特点：连续多普勒方法与脉冲多普勒不同之处除了系统不同外，探头也不同，它采用两组探头，一组连续发射脉冲，一组不断接收回波。所以不可能有距离选通功能。因为不存在PRF,故原理上可测速度不受限制。但由于具体线路限制，一般机器给出最大可测血流速度在7m—10m/S之间。Nyquist采样频率限制，即fPRFdmax12超声诊断仪器的分类、结构、原理D型诊断仪5脉冲式超声多普勒成像仪是以断续方式发射超声波信号，因此称为脉冲式。由门控制电路来控制发射信号的产生和选通回声信号的接收与放大，借助截取回声信