超聲知識（蒼松書屋）

1、第三章 醫(yī)學(xué)超聲儀器 物體的機械振動產(chǎn)生波，波的頻率取決于物體的振動頻率。頻率范圍在2104 3108赫茲的波稱為超聲波。 一個多世紀前，科學(xué)家們就發(fā)現(xiàn)石英等晶體薄片具有“壓電效應(yīng)”。1928年，R.W.Wood等人首先應(yīng)用超聲波作為生物學(xué)方面的研究手段。本世紀四十年代，F(xiàn)irestone等人開創(chuàng)了利用超聲波診斷疾病的先例，將工業(yè)無損傷檢測用的超聲脈沖回波技術(shù)，即類似于現(xiàn)代雷達或聲納的回波測距技術(shù)，移用到醫(yī)院診斷方面，也就是A型超聲儀器，開創(chuàng)了超聲顯像診斷的歷史。1凌云書屋 四十年代末，超聲醫(yī)學(xué)作為一門學(xué)科已初具雛形。五十年代，超聲心動圖儀，即M型儀器取代了A型超聲儀器，它可對心臟瓣膜的運動規(guī)

2、律作連續(xù)的動態(tài)描記。在此基礎(chǔ)上，又出現(xiàn)了手動掃描二維斷層成像儀，這為發(fā)明自動掃描二維斷層成像儀即B型超聲儀器打下了基礎(chǔ)。其間，還有人提出將超聲多普勒效應(yīng)用于醫(yī)學(xué)臨床診斷。六十至七十年代是B型超聲儀器出現(xiàn)并極大發(fā)展的時期，出現(xiàn)了機械直線掃描、機械扇形掃描、電子直線掃描及電子扇形掃描等儀器，并且超聲CT的研究工作開始進行，A型超聲儀器也逐漸被淘汰。2凌云書屋 八十年代，隨著微型計算機研究與應(yīng)用的飛速發(fā)展，超聲智能化的步伐加快。利用微機與超聲診斷儀器相結(jié)合，可以簡化臨床操作，實現(xiàn)信號處理、變換、計算和判斷等過程的自動進行。另外，將脈沖超聲多普勒血流儀與B超相結(jié)合，還產(chǎn)生了雙功能超聲診斷儀。進入九十年

3、代，彩色B超誕生，它可以在顯示動態(tài)心臟黑白圖像的同時，顯示動態(tài)多普勒血流的彩色圖像在心臟內(nèi)的分布，不論在圖像的分辨率和清晰度上，還是疾病診查的可靠性上，都達到了相當(dāng)高的水平，是目前醫(yī)院必備的醫(yī)學(xué)診斷儀器。 3凌云書屋 醫(yī)學(xué)診斷上所使用的超聲波頻率一般為0.5MHz15MHz，多是由壓電晶體一類的材料制成的超聲探頭產(chǎn)生的。利用壓電陶瓷或晶體的正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)，可以將其做成超聲波發(fā)射和人體組織反射波接收的器件，即超聲換能器，它是超聲診斷儀器的重要部件，也稱探頭。4凌云書屋壓電效應(yīng)及超聲探頭5凌云書屋 如果知道超聲波的傳播速度與傳播時間，便可算出超聲波在人體內(nèi)傳播的深度，其表達式見公式：c=f

4、 其中，c是超聲波的聲速，是超聲波波長，f是超聲波頻率。 醫(yī)學(xué)上正是通過探查某些組織的深度或大小來判斷病灶的性質(zhì)和狀況。6凌云書屋醫(yī)學(xué)超聲波診斷儀A型超聲波診斷儀M型超聲波診斷儀B型超聲波斷層顯像儀超聲多普勒血流儀、成像儀與彩超 超聲三維成像系統(tǒng)（超聲CT） 7凌云書屋3.1 A型超聲波診斷儀 A型超聲診斷儀是1947年出現(xiàn)的幅度調(diào)制式的儀器，我國于1958年開始生產(chǎn)。A超的同步電路產(chǎn)生幾百Hz到2KHz的正負電脈沖，使發(fā)射電路產(chǎn)生持續(xù)1.55s的高頻電脈沖。探頭在高頻電脈沖的激勵下，產(chǎn)生超聲振動，發(fā)射超聲波。超聲波在人體內(nèi)傳播，遇到不同組織的界面時，產(chǎn)生反射波回波。探頭接收反射波后，將其轉(zhuǎn)換

5、成電脈沖，進入接收電路，再通過檢波和放大等電路，送到示波器的垂直偏轉(zhuǎn)板上，而示波器的水平偏轉(zhuǎn)板上加載的是時基鋸齒波，即掃描電壓。因此，示波器的熒光屏上的橫坐標(biāo)代表超聲波的傳播時間，一般以13.33s為一大格；而縱坐標(biāo)顯示的是回波的幅度與形狀。8凌云書屋 A超可以應(yīng)用于醫(yī)學(xué)各科的檢查，尤其對眼科和婦科疾病方面的病灶深度、大小、臟器厚薄以及病灶的物理性質(zhì)等檢查比較方便準(zhǔn)確。但A超的回波圖只能體現(xiàn)局部組織信息，無法反映解剖形態(tài)，現(xiàn)已被M超和B超取代。 9凌云書屋A型超聲儀器工作原理方框圖 10凌云書屋 同步電路（主控振蕩器）產(chǎn)生同步脈沖來同時觸發(fā)發(fā)射電路和掃描電路，使兩者同時工作。發(fā)射電路在同步電路

6、發(fā)出的觸發(fā)脈沖作用下，產(chǎn)生高頻振蕩波，一方面將此波送入放大電路進行放大，加至示波器的垂直偏轉(zhuǎn)板上顯示發(fā)射波；另一方面激勵探頭產(chǎn)生一次超聲振蕩，并進入人體。人體組織反射回來的微弱的回波信號經(jīng)探頭接收并轉(zhuǎn)換成電脈沖后，由接收電路放大、檢波后，送至示波器的垂直偏轉(zhuǎn)板上并顯示出來。另外，在同步脈沖作用下，在示波器的水平偏轉(zhuǎn)板上加時基鋸齒波電壓掃描電壓，使熒光屏上顯現(xiàn)出回波的波形與變化。 11凌云書屋3.2 M型超聲波診斷儀 M型超聲波診斷儀是繼A超之后發(fā)展出的輝度調(diào)制式儀器，誕生于1954年，至今臨床上還在使用，目前主要用于心臟疾病的診斷，尤其用于觀察心臟瓣膜的活動情況。M超與A超有共同之處，即都是利

7、用探頭向人體發(fā)射超聲脈沖并接收反射脈沖。不同的是M超的發(fā)射波和回波信號加到了示波器的柵極或陰極。信號的強弱控制了到達熒光屏的電子束的強弱，反映到熒光屏上就是光點的明暗，即輝度調(diào)制。 12凌云書屋 示波器的水平和垂直偏轉(zhuǎn)板都被加入鋸齒波電壓，垂直偏轉(zhuǎn)板上的鋸齒波與發(fā)射脈沖同步，水平偏轉(zhuǎn)板上的鋸齒波頻率要低于它。因此熒光屏上光點在垂直方向的距離表示探測深度，在水平方向的移動表示時間的進行，光點的亮度表示回波信號的強弱。M超常用于檢測心臟疾病，當(dāng)心臟收縮和舒張時，其各層組織的界面與固定放置于人體表面的探頭之間的距離隨時改變，導(dǎo)致光點隨之移動，在水平掃描電壓下，光點水平展開，描繪出各層組織結(jié)構(gòu)的活動曲

8、線圖，因此也叫超聲心動圖，它能顯示心臟各部分結(jié)構(gòu)的活動情況、動態(tài)變化、心室排血量以及可以得出室間隔、動脈等結(jié)構(gòu)的定量數(shù)據(jù)等，是臨床心臟疾病診斷中比較準(zhǔn)確實用的工具。13凌云書屋 M型超聲心動圖的產(chǎn)生原理 14凌云書屋 上圖是M超的簡要方框圖。其原理與A超基本相同，只是同步電路控制發(fā)射電路與深度掃描電路同時工作，回波信號為輝度調(diào)制。為便于測量，原來采用照相機將圖像照相后再進行測量的方法逐漸淘汰，現(xiàn)在一般采用由微機控制，利用CRT電視監(jiān)視器顯示圖像，并能夠儲存和自動測量的超聲心動圖儀。15凌云書屋 微機控制的超聲心動圖儀與B超和多普勒血流儀三者合一的多功能的超聲診斷儀，采用了數(shù)字掃描變換技術(shù)，即利

9、用標(biāo)準(zhǔn)電視光柵掃描格式顯示信號。使用此儀器一般先用B超和多普勒儀定位，然后用M超將圖像“凍結(jié)”在一個需要的位置上，用儀器中的測量光標(biāo)或微機自動測量功能獲得各種參數(shù)。 扇形掃描多功能診斷儀的B型與M型的同屏幕顯示16凌云書屋3.3 B型超聲波斷層顯像儀 自從1967年首次出現(xiàn)至今，因其診斷功能強、技術(shù)先進，B超已經(jīng)成為臨床中最常規(guī)和重要的診斷儀器。B超與M超一樣，都是輝度調(diào)制式儀器。但二者也有不同。M超的探頭是固定不變的，而B超的探頭是連續(xù)移動的或是發(fā)射的超聲波束不斷變動發(fā)射方向。前者分為手動掃描和機械掃描，后者為電子掃描。M超顯示的是組織邊界的超聲心動圖像，如要使顯示器上圖跡的位置和病人體內(nèi)某

10、個二維平面中產(chǎn)生回波的結(jié)構(gòu)位置一一對應(yīng)，就能產(chǎn)生體內(nèi)軟組織的斷層圖像。而B超顯示的正是探頭移動線和聲束方向構(gòu)成的平面上人體組織的二維斷層圖像，即超聲影像圖 。17凌云書屋超聲影像圖 18凌云書屋 按掃描方式分類，B超已經(jīng)發(fā)展了四代，包括手動直線掃描、機械掃描、電子直線掃描和電子扇形掃描。 1.手動直線掃描 由醫(yī)務(wù)人員掌握探頭的移動方向，探頭的直線移動導(dǎo)致顯示器在X方向上出現(xiàn)與之對應(yīng)的光點，Y 軸仍為深度軸，回波幅度由圖像輝度表示。圖像就是探頭移動所經(jīng)過直線方向上的二維切面圖，但只能用于觀察靜止的臟器（如肝臟等），此種儀器現(xiàn)已淘汰。19凌云書屋 2.機械掃描 機械掃描是由電機帶動探頭作直線移動、

11、往復(fù)擺動或旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生機械直線掃描、機械扇形掃描和機械圓形掃描三種掃描圖像。其中，直線掃描多用于腹部疾病診斷；扇形掃描適用于心臟和腹部；圓形掃描時，將探頭置于人體體腔（如食道、胃腸、陰道及泌尿道等）或血管內(nèi)，從而獲得某個腔道的圓周掃描斷層圖像。20凌云書屋 腔內(nèi)超聲可以避開胸腹壁、肺組織和腸道內(nèi)氣體等結(jié)構(gòu)對成像的干擾，近距離觀察器官和組織。最新的血管內(nèi)超聲技術(shù)是將小型超聲換能器安裝于心導(dǎo)管頂端，在血管內(nèi)發(fā)射并接收高頻超聲信號，進行血管成像，對冠狀動脈病變進行研究。近期推出的心腔內(nèi)超聲的探頭管體纖細柔軟，可經(jīng)周圍靜脈插入右心系統(tǒng)，并且發(fā)射頻率高，圖像清晰，時相和方位分辨力很好，對觀察心內(nèi)結(jié)構(gòu)和

12、活動情況及輔助穿刺定位等有較高價值。21凌云書屋3. 電子直線掃描 與機械掃描不同，電子掃描儀的探頭是由許多小換能器（小探頭）排列而成，每個小探頭稱為陣元，各陣元的距離相等。用電子開關(guān)按一定時序激勵各陣元組發(fā)射與接收超聲脈沖，回波信號經(jīng)處理后，到達CRT顯示器進行輝度調(diào)制，掃描過程中探頭靜止不動，而超聲波束的發(fā)射與接收是沿一定方向勻速移動的，移動線和聲束方向構(gòu)成的斷面就是所得圖像。 在探頭長度一定的情況下，圖像的質(zhì)量主要決定于陣元的數(shù)量。陣元的數(shù)量越多，垂直掃描線就越多，圖像就越清晰，有的探頭可包括256個小探頭。22凌云書屋電子直線掃描 電子直線掃描原理框圖 23凌云書屋4. 電子扇形掃描（

13、電子相控陣扇形掃描） 如果對探頭各陣元加上依次延遲一定時間的激勵脈沖，則各陣元所產(chǎn)生的脈沖也相應(yīng)延遲，這樣，總的疊加波束方向出現(xiàn)相位改變而產(chǎn)生扇形圖像。此種探頭體積小，無噪聲和振動，壽命比較長，但價格相對較高 。24凌云書屋 為了提高檢測功能和圖像質(zhì)量，B超中應(yīng)用了許多先進的技術(shù)。應(yīng)用數(shù)字圖像技術(shù)，可以隨時凍結(jié)超聲斷層圖像并進行觀察、分析、測量及拍照等，還可以將有意義的圖像存儲下來；應(yīng)用數(shù)字掃描技術(shù)，可以使用電視監(jiān)視器顯示圖像與文字；采用電子聚焦、聲聚焦和動態(tài)聚焦可變孔技術(shù)，能使圖像分辨率提高，可達到2mm?？傊ㄟ^B超的圖像能較清晰地觀察到人體多種器官的動態(tài)變化，是心臟、腹部器官、婦產(chǎn)科臨

14、床診斷的首選輔助工具。25凌云書屋3.4 超聲多普勒血流儀、成像儀與彩超 超聲如同聲音一樣，以確定的速度通過介質(zhì)，當(dāng)遇到兩種不同介質(zhì)的分界面時就能發(fā)生反射和折射。當(dāng)反射邊界固定不變時，反射波的頻率等于入射波的頻率，但當(dāng)反射邊界朝向聲源移動時，反射超聲波的波長就被壓縮，反之被拉伸。而超聲波在傳輸介質(zhì)中的速度是恒定的，因此根據(jù)公式c=f，超聲波波長的變化導(dǎo)致了頻率的移動，此現(xiàn)象被稱為多普勒效應(yīng)。26凌云書屋頻率偏移的大小見公式：其中C為聲速，f為超聲波傳播速度，V為物體的運動速度，為聲速與物體運動方向的夾角。從式中可以看到，多普勒頻偏與物體運動的速度成正比，如果用電子學(xué)的方法檢測出多普勒頻偏，就能

15、夠得出運動器官或血流的運動速度，而超聲多普勒頻偏的正負可以反映出運動的方向。所以利用由運動結(jié)構(gòu)反射回來的超聲波束的多普勒頻移來提供人體器官或物體（如心臟壁和血液）的運動速度信息的超聲多普勒方法已被廣泛應(yīng)用于人體運動結(jié)構(gòu)的臨床診斷中，并且具有相當(dāng)高的診斷價值。27凌云書屋 脈沖超聲多普勒血流儀框圖28凌云書屋 目前應(yīng)用的超聲多普勒胎心率監(jiān)護儀和超聲多普勒血流儀正是根據(jù)上述原理設(shè)計的。其中超聲波發(fā)射又可分為連續(xù)波和脈沖波兩種。用連續(xù)多普勒儀器構(gòu)成的血管二維掃描基本上是一個平面圖，它代表血管在皮膚上的投影。 連續(xù)波多普勒儀器成像原理框圖29凌云書屋 脈沖超聲多普勒血流儀的采樣距離、采樣體積都可以調(diào)節(jié)

16、，所以可以得到某一深度某一范圍內(nèi)的血流信息，既能顯示被測血流的深度，又能產(chǎn)生血管腔的橫斷面像和縱斷面像。顯示方式有波形顯示和動態(tài)聲譜圖顯示。波形顯示有正向血流、反向血流和正反向血流，幅度代表速度大小，水平方向代表時間。還可監(jiān)聽多普勒血流聲，聲調(diào)高表示血流速度快，聲調(diào)低表示血流速度慢。 30凌云書屋 多功能超聲診斷儀一般具有B型、M型及多普勒三種功能，它以B型圖像進行定位，可以精確測得心臟內(nèi)某一位置的血流頻譜圖，對診斷心臟疾病有重大意義。血流彩色顯示超聲波診斷裝置，不僅能顯示血流頻譜圖，還能以偽彩色（紅色代表正向血流，藍色代表反向血流）顯示的二維彩色血流圖像，迭加在黑白的B型圖像上，簡稱為“彩超

17、”，大大提高了臨床診斷的水平。31凌云書屋 由于脈沖超聲多普勒血流儀可以得到不同深度的信息，因而可得到血流速度在血管（或心臟）內(nèi)的分布，臨產(chǎn)上可診斷血管斑塊是否形成，血管是否阻斷，并可制成多普勒成像儀，可顯示血管（或心臟）的二維截面像，如圖，并以偽彩色代表血流的大小和方向。 超聲多普勒血管截面成像32凌云書屋3.5 超聲三維成像系統(tǒng)（超聲CT） 在醫(yī)學(xué)臨床影像診斷中，僅通過觀察二維切片圖像，很難準(zhǔn)確確定病變體的空間位置、大小、幾何形狀和與周圍生物組織的關(guān)系。本世紀七十年代由計算機控制的超聲CT技術(shù)開始興起，將超聲診斷水平提高到一個新的高度，并有助于分子生物學(xué)和生物物理學(xué)的發(fā)展。近十幾年隨著計算

18、機技術(shù)的飛速發(fā)展，推動了三維超聲成像技術(shù)的研究和應(yīng)用。33凌云書屋超聲計算機斷層成像機械掃描系統(tǒng)框圖34凌云書屋 德國SIEMENS公司推出超聲三維成像系統(tǒng)（超聲CT）。它由一個特殊的TEE（經(jīng)食道超聲心動圖）探頭、相控陣彩色血流成像系統(tǒng)及一個高性能的圖像處理系統(tǒng)三部分組成。應(yīng)用TEE探頭經(jīng)食道，在心電同步觸發(fā)下，對心動周期中每一時相完成256個平行的扇形切面，全部圖像數(shù)據(jù)（包括彩色血流數(shù)據(jù)）保存在圖像存儲器中，整個圖像采集工作僅需幾分鐘就可完成。所得圖像數(shù)據(jù)不但保持了TEE高質(zhì)量圖像的特點，而且類似于計算機斷層攝影技術(shù)（CT），操作者可選擇任一斷面方位借助計算機圖像處理技術(shù)重建圖像，實時動態(tài)顯示，而且可以從這256個平行切面建立心臟的動態(tài)三維圖像。 35凌云書屋 美國于20世紀90年代推出了以射頻電磁場進行立體定位、使用普通相控陣扇掃探頭從體外進行掃描并進行超聲三維成像的系統(tǒng)。美國Duke大學(xué)最近提出晶體片被縱向、橫向多線均勻切割成眾多的微型矩陣型排列的二維陣列換能器。在用于體外探測時，微小的晶片多達6060=