醫(yī)學(xué)超聲儀器專業(yè)知識(shí)講座專家講座

第三章

醫(yī)學(xué)超聲儀器

物體機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生波，波頻率取決于物體振動(dòng)頻率。頻率范圍在2×104~3×108赫茲波稱為超聲波。一個(gè)多世紀(jì)前，科學(xué)家們就發(fā)覺石英等晶體薄片含有“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)方面研究伎倆。本世紀(jì)四十年代，F(xiàn)irestone等人開創(chuàng)了利用超聲波診療疾病先例，將工業(yè)無損傷檢測(cè)用超聲脈沖回波技術(shù)，即類似于當(dāng)代雷達(dá)或聲納回波測(cè)距技術(shù)，移用到醫(yī)院診療方面，也就是A型超聲儀器，開創(chuàng)了超聲顯像診療歷史。醫(yī)學(xué)超聲儀器專業(yè)知識(shí)講座第1頁(yè)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(dòng)圖儀，即M型儀器取代了A型超聲儀器，它可對(duì)心臟瓣膜運(yùn)動(dòng)規(guī)律作連續(xù)動(dòng)態(tài)描記。在此基礎(chǔ)上，又出現(xiàn)了手動(dòng)掃描二維斷層成像儀，這為創(chuàng)造自動(dòng)掃描二維斷層成像儀即B型超聲儀器打下了基礎(chǔ)。其間，還有些人提出將超聲多普勒效應(yīng)用于醫(yī)學(xué)臨床診療。六十至七十年代是B型超聲儀器出現(xiàn)并極大發(fā)展時(shí)期，出現(xiàn)了機(jī)械直線掃描、機(jī)械扇形掃描、電子直線掃描及電子扇形掃描等儀器，而且超聲CT研究工作開始進(jìn)行，A型超聲儀器也逐步被淘汰。醫(yī)學(xué)超聲儀器專業(yè)知識(shí)講座第2頁(yè)八十年代，伴隨微型計(jì)算機(jī)研究與應(yīng)用飛速發(fā)展，超聲智能化步伐加緊。利用微機(jī)與超聲診療儀器相結(jié)合，能夠簡(jiǎn)化臨床操作，實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理、變換、計(jì)算和判斷等過程自動(dòng)進(jìn)行。另外，將脈沖超聲多普勒血流儀與B超相結(jié)合，還產(chǎn)生了雙功效超聲診療儀。進(jìn)入九十年代，彩色B超誕生，它能夠在顯示動(dòng)態(tài)心臟黑白圖像同時(shí)，顯示動(dòng)態(tài)多普勒血流彩色圖像在心臟內(nèi)分布，不論在圖像分辨率和清楚度上，還是疾病診查可靠性上，都到達(dá)了相當(dāng)高水平，是當(dāng)前醫(yī)院必備醫(yī)學(xué)診療儀器。醫(yī)學(xué)超聲儀器專業(yè)知識(shí)講座第3頁(yè)醫(yī)學(xué)診療上所使用超聲波頻率普通為0.5MHz~15MHz，多是由壓電晶體一類材料制成超聲探頭產(chǎn)生。利用壓電陶瓷或晶體正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)，能夠?qū)⑵渥龀沙暡òl(fā)射和人體組織反射波接收器件，即超聲換能器，它是超聲診療儀器主要部件，也稱探頭。醫(yī)學(xué)超聲儀器專業(yè)知識(shí)講座第4頁(yè)壓電效應(yīng)及超聲探頭醫(yī)學(xué)超聲儀器專業(yè)知識(shí)講座第5頁(yè)假如知道超聲波傳輸速度與傳輸時(shí)間，便可算出超聲波在人體內(nèi)傳輸深度，其表示式見公式：c=λf其中，c是超聲波聲速，λ是超聲波波長(zhǎng)，f是超聲波頻率。醫(yī)學(xué)上正是經(jīng)過探查一些組織深度或大小來判斷病灶性質(zhì)和情況。醫(yī)學(xué)超聲儀器專業(yè)知識(shí)講座第6頁(yè)醫(yī)學(xué)超聲波診療儀A型超聲波診療儀M型超聲波診療儀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）醫(yī)學(xué)超聲儀器專業(yè)知識(shí)講座第7頁(yè)3.1A型超聲波診療儀

A型超聲診療儀是1947年出現(xiàn)幅度調(diào)制式儀器，我國(guó)于1958年開始生產(chǎn)。A超同時(shí)電路產(chǎn)生幾百Hz到2KHz正負(fù)電脈沖，使發(fā)射電路產(chǎn)生連續(xù)1.5~5μs高頻電脈沖。探頭在高頻電脈沖激勵(lì)下，產(chǎn)生超聲振動(dòng)，發(fā)射超聲波。超聲波在人體內(nèi)傳輸，碰到不一樣組織界面時(shí)，產(chǎn)生反射波—回波。探頭接收反射波后，將其轉(zhuǎn)換成電脈沖，進(jìn)入接收電路，再經(jīng)過檢波和放大等電路，送到示波器垂直偏轉(zhuǎn)板上，而示波器水平偏轉(zhuǎn)板上加載是時(shí)基鋸齒波，即掃描電壓。所以，示波器熒光屏上橫坐標(biāo)代表超聲波傳輸時(shí)間，普通以13.33μs為一大格；而縱坐標(biāo)顯示是回波幅度與形狀。醫(yī)學(xué)超聲儀器專業(yè)知識(shí)講座第8頁(yè)A超能夠應(yīng)用于醫(yī)學(xué)各科檢驗(yàn)，尤其對(duì)眼科和婦科疾病方面病灶深度、大小、臟器厚薄以及病灶物理性質(zhì)等檢驗(yàn)比較方便準(zhǔn)確。但A超回波圖只能表達(dá)局部組織信息，無法反應(yīng)解剖形態(tài)，現(xiàn)已被M超和B超取代。參考來自：醫(yī)學(xué)超聲儀器專業(yè)知識(shí)講座第9頁(yè)A型超聲儀器工作原理方框圖

醫(yī)學(xué)超聲儀器專業(yè)知識(shí)講座第10頁(yè)同時(shí)電路（主控振蕩器）產(chǎn)生同時(shí)脈沖來同時(shí)觸發(fā)發(fā)射電路和掃描電路，使二者同時(shí)工作。發(fā)射電路在同時(shí)電路發(fā)出觸發(fā)脈沖作用下，產(chǎn)生高頻振蕩波，首先將此波送入放大電路進(jìn)行放大，加至示波器垂直偏轉(zhuǎn)板上顯示發(fā)射波；另首先激勵(lì)探頭產(chǎn)生一次超聲振蕩，并進(jìn)入人體。人體組織反射回來微弱回波信號(hào)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，送至示波器垂直偏轉(zhuǎn)板上并顯示出來。另外，在同時(shí)脈沖作用下，在示波器水平偏轉(zhuǎn)板上加時(shí)基鋸齒波電壓—掃描電壓，使熒光屏上顯現(xiàn)出回波波形與改變。醫(yī)學(xué)超聲儀器專業(yè)知識(shí)講座第11頁(yè)3.2M型超聲波診療儀M型超聲波診療儀是繼A超之后發(fā)展出輝度調(diào)制式儀器，誕生于1954年，至今臨床上還在使用，當(dāng)前主要用于心臟疾病診療，尤其用于觀察心臟瓣膜活動(dòng)情況。M超與A超有共同之處，即都是利用探頭向人體發(fā)射超聲脈沖并接收反射脈沖。不一樣是M超發(fā)射波和回波信號(hào)加到了示波器柵極或陰極。信號(hào)強(qiáng)弱控制了抵達(dá)熒光屏電子束強(qiáng)弱，反應(yīng)到熒光屏上就是光點(diǎn)明暗，即輝度調(diào)制。醫(yī)學(xué)超聲儀器專業(yè)知識(shí)講座第12頁(yè)

示波器水平和垂直偏轉(zhuǎn)板都被加入鋸齒波電壓，垂直偏轉(zhuǎn)板上鋸齒波與發(fā)射脈沖同時(shí)，水平偏轉(zhuǎn)板上鋸齒波頻率要低于它。所以熒光屏上光點(diǎn)在垂直方向距離表示探測(cè)深度，在水平方向移動(dòng)表示時(shí)間進(jìn)行，光點(diǎn)亮度表示回波信號(hào)強(qiáng)弱。M超慣用于檢測(cè)心臟疾病，當(dāng)心臟收縮和舒張時(shí)，其各層組織界面與固定放置于人體表面探頭之間距離隨時(shí)改變，造成光點(diǎn)隨之移動(dòng)，在水平掃描電壓下，光點(diǎn)水平展開，描繪出各層組織結(jié)構(gòu)活動(dòng)曲線圖，所以也叫超聲心動(dòng)圖，它能顯示心臟各部分結(jié)構(gòu)活動(dòng)情況、動(dòng)態(tài)改變、心室排血量以及能夠得出室間隔、動(dòng)脈等結(jié)構(gòu)定量數(shù)據(jù)等，是臨床心臟疾病診療中比較準(zhǔn)確實(shí)用工具。醫(yī)學(xué)超聲儀器專業(yè)知識(shí)講座第13頁(yè)M型超聲心動(dòng)圖產(chǎn)生原理

醫(yī)學(xué)超聲儀器專業(yè)知識(shí)講座第14頁(yè)上圖是M超簡(jiǎn)明方框圖。其原理與A超基本相同，只是同時(shí)電路控制發(fā)射電路與深度掃描電路同時(shí)工作，回波信號(hào)為輝度調(diào)制。為便于測(cè)量，原來采取攝影機(jī)將圖像攝影后再進(jìn)行測(cè)量方法逐步淘汰，現(xiàn)在普通采取由微機(jī)控制，利用CRT電視監(jiān)視器顯示圖像，并能夠儲(chǔ)存和自動(dòng)測(cè)量超聲心動(dòng)圖儀。醫(yī)學(xué)超聲儀器專業(yè)知識(shí)講座第15頁(yè)微機(jī)控制超聲心動(dòng)圖儀與B超和多普勒血流儀三者合一多功效超聲診療儀，采取了數(shù)字掃描變換技術(shù)，即利用標(biāo)準(zhǔn)電視光柵掃描格式顯示信號(hào)。使用此儀器普通先用B超和多普勒儀定位，然后用M超將圖像“凍結(jié)”在一個(gè)需要位置上，用儀器中測(cè)量光標(biāo)或微機(jī)自動(dòng)測(cè)量功效取得各種參數(shù)。

扇形掃描多功效診療儀B型與M型同屏幕顯示醫(yī)學(xué)超聲儀器專業(yè)知識(shí)講座第16頁(yè)3.3B型超聲波斷層顯像儀

自從1967年首次出現(xiàn)至今，因其診療功效強(qiáng)、技術(shù)先進(jìn)，B超已經(jīng)成為臨床中最常規(guī)和主要診療儀器。B超與M超一樣，都是輝度調(diào)制式儀器。但二者也有不一樣。M超探頭是固定不變，而B超探頭是連續(xù)移動(dòng)或是發(fā)射超聲波束不停變動(dòng)發(fā)射方向。前者分為手動(dòng)掃描和機(jī)械掃描，后者為電子掃描。M超顯示是組織邊界超聲心動(dòng)圖像，如要使顯示器上圖跡位置和病人體內(nèi)某個(gè)二維平面中產(chǎn)生回波結(jié)構(gòu)位置一一對(duì)應(yīng)，就能產(chǎn)生體內(nèi)軟組織斷層圖像。而B超顯示正是探頭移動(dòng)線和聲束方向組成平面上人體組織二維斷層圖像，即超聲影像圖。醫(yī)學(xué)超聲儀器專業(yè)知識(shí)講座第17頁(yè)超聲影像圖

醫(yī)學(xué)超聲儀器專業(yè)知識(shí)講座第18頁(yè)按掃描方式分類，B超已經(jīng)發(fā)展了四代，包含手動(dòng)直線掃描、機(jī)械掃描、電子直線掃描和電子扇形掃描。1.手動(dòng)直線掃描

由醫(yī)務(wù)人員掌握探頭移動(dòng)方向，探頭直線移動(dòng)造成顯示器在X方向上出現(xiàn)與之對(duì)應(yīng)光點(diǎn)，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(dòng)所經(jīng)過直線方向上二維切面圖，但只能用于觀察靜止臟器（如肝臟等），此種儀器現(xiàn)已淘汰。醫(yī)學(xué)超聲儀器專業(yè)知識(shí)講座第19頁(yè)2.機(jī)械掃描機(jī)械掃描是由電機(jī)帶動(dòng)探頭作直線移動(dòng)、往復(fù)擺動(dòng)或旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生機(jī)械直線掃描、機(jī)械扇形掃描和機(jī)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療；扇形掃描適合用于心臟和腹部；圓形掃描時(shí)，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)，從而取得某個(gè)腔道圓周掃描斷層圖像。醫(yī)學(xué)超聲儀器專業(yè)知識(shí)講座第20頁(yè)腔內(nèi)超聲能夠避開胸腹壁、肺組織和腸道內(nèi)氣體等結(jié)構(gòu)對(duì)成像干擾，近距離觀察器官和組織。最新血管內(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(hào)，進(jìn)行血管成像，對(duì)冠狀動(dòng)脈病變進(jìn)行研究。近期推出心腔內(nèi)超聲探頭管體纖細(xì)柔軟，可經(jīng)周圍靜脈插入右心系統(tǒng)，而且發(fā)射頻率高，圖像清楚，時(shí)相和方位分辨力很好，對(duì)觀察心內(nèi)結(jié)構(gòu)和活動(dòng)情況及輔助穿刺定位等有較高價(jià)值。醫(yī)學(xué)超聲儀器專業(yè)知識(shí)講座第21頁(yè)3.電子直線掃描與機(jī)械掃描不一樣，電子掃描儀探頭是由許多小換能器（小探頭）排列而成，每個(gè)小探頭稱為陣元，各陣元距離相等。用電子開關(guān)按一定時(shí)序激勵(lì)各陣元組發(fā)射與接收超聲脈沖，回波信號(hào)經(jīng)處理后，抵達(dá)CRT顯示器進(jìn)行輝度調(diào)制，掃描過程中探頭靜止不動(dòng)，而超聲波束發(fā)射與接收是沿一定方向勻速移動(dòng)，移動(dòng)線和聲束方向組成斷面就是所得圖像。在探頭長(zhǎng)度一定情況下，圖像質(zhì)量主要決定于陣元數(shù)量。陣元數(shù)量越多，垂直掃描線就越多，圖像就越清楚，有探頭可包含256個(gè)小探頭。醫(yī)學(xué)超聲儀器專業(yè)知識(shí)講座第22頁(yè)電子直線掃描

電子直線掃描原理框圖

醫(yī)學(xué)超聲儀器專業(yè)知識(shí)講座第23頁(yè)4.電子扇形掃描（電子相控陣扇形掃描）假如對(duì)探頭各陣元加上依次延遲一定時(shí)間激勵(lì)脈沖，則各陣元所產(chǎn)生脈沖也對(duì)應(yīng)延遲，這么，總疊加波束方向出現(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(dòng)，壽命比較長(zhǎng)，但價(jià)格相對(duì)較高。醫(yī)學(xué)超聲儀器專業(yè)知識(shí)講座第24頁(yè)為了提升檢測(cè)功效和圖像質(zhì)量，B超中應(yīng)用了許多先進(jìn)技術(shù)。應(yīng)用數(shù)字圖像技術(shù)，能夠隨時(shí)凍結(jié)超聲斷層圖像并進(jìn)行觀察、分析、測(cè)量及拍照等，還能夠?qū)⒂幸饬x圖像存放下來；應(yīng)用數(shù)字掃描技術(shù)，能夠使用電視監(jiān)視器顯示圖像與文字；采取電子聚焦、聲聚焦和動(dòng)態(tài)聚焦可變孔技術(shù)，能使圖像分辨率提升，可到達(dá)2mm?？傊?jīng)過B超圖像能較清楚地觀察到人體各種器官動(dòng)態(tài)改變，是心臟、腹部器官、婦產(chǎn)科臨床診療首選輔助工具。醫(yī)學(xué)超聲儀器專業(yè)知識(shí)講座第25頁(yè)3.4超聲多普勒血流儀、

成像儀與彩超超聲如同聲音一樣，以確定速度經(jīng)過介質(zhì)，當(dāng)碰到兩種不一樣介質(zhì)分界面時(shí)就能發(fā)生反射和折射。當(dāng)反射邊界固定不變時(shí)，反射波頻率等于入射波頻率，但當(dāng)反射邊界朝向聲源移動(dòng)時(shí)，反射超聲波波長(zhǎng)就被壓縮，反之被拉伸。而超聲波在傳輸介質(zhì)中速度是恒定，所以依據(jù)公式c=λf，超聲波波長(zhǎng)改變?cè)斐闪祟l率移動(dòng)，此現(xiàn)象被稱為多普勒效應(yīng)。醫(yī)學(xué)超聲儀器專業(yè)知識(shí)講座第26頁(yè)頻率偏移大小見公式：其中C為聲速，f為超聲波傳輸速度，V為物體運(yùn)動(dòng)速度，為聲速與物體運(yùn)動(dòng)方向夾角。從式中能夠看到，多普勒頻偏與物體運(yùn)動(dòng)速度成正比，假如用電子學(xué)方法檢測(cè)出多普勒頻偏，就能夠得出運(yùn)動(dòng)器官或血流運(yùn)動(dòng)速度，而超聲多普勒頻偏正負(fù)能夠反應(yīng)出運(yùn)動(dòng)方向。所以利用由運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)反射回來超聲波束多普勒頻移來提供人體器官或物體（如心臟壁和血液）運(yùn)動(dòng)速度信息超聲多普勒方法已被廣泛應(yīng)用于人體運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)臨床診療中，而且含有相當(dāng)高診療價(jià)值。醫(yī)學(xué)超聲儀器專業(yè)知識(shí)講座第27頁(yè)脈沖超聲多普勒血流儀框圖醫(yī)學(xué)超聲儀器專業(yè)知識(shí)講座第28頁(yè)當(dāng)前應(yīng)用超聲多普勒胎心率監(jiān)護(hù)儀和超聲多普勒血流儀正是依據(jù)上述原理設(shè)計(jì)。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)多普勒儀器組成血管二維掃描基本上是一個(gè)平面圖，它代表血管在皮膚上投影。連續(xù)波多普勒儀器成像原理框圖醫(yī)學(xué)超聲儀器專業(yè)知識(shí)講座第29頁(yè)脈沖超聲多普勒血流儀采樣距離、采樣體積都能夠調(diào)整，所以能夠得到某一深度某一范圍內(nèi)血流信息，既能顯示被測(cè)血流深度，又能產(chǎn)生血管腔橫斷面像和縱斷面像。顯示方式有波形顯示和動(dòng)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(shí)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。醫(yī)學(xué)超聲儀器專業(yè)知識(shí)講座第30頁(yè)

多功效超聲診療儀普通含有B型、M型及多普勒三種功效，它以B型圖像進(jìn)行定位，能夠準(zhǔn)確測(cè)得心臟內(nèi)某一位置血流頻譜圖，對(duì)診療心臟疾病有重大意義。血流彩色顯示超聲波診療裝置，不但能顯示血流頻譜圖，還能以偽彩色（紅色代表正向血流，藍(lán)色代表反向血流）顯示二維彩色血流圖像，迭加在黑白B型圖像上，簡(jiǎn)稱為“彩超”，大大提升了臨床診療水平。醫(yī)學(xué)超聲儀器專業(yè)知識(shí)講座第31頁(yè)因?yàn)槊}沖超聲多普勒血流儀能夠得到不一樣深度信息，因而可得到血流速度在血管（或心臟）內(nèi)分布，臨產(chǎn)上可診療血管斑塊是否形成，血管是否阻斷，并可制成多普勒成像儀，可顯示血管（或心臟）二維截面像，如圖，并以偽彩色代表血流大小和方向。超聲多普勒血管截面成像醫(yī)學(xué)超聲儀器專業(yè)知識(shí)講座第32頁(yè)3.5超聲三維成像系統(tǒng)

（超聲CT）在醫(yī)學(xué)臨床影像診療中，僅經(jīng)過觀察二維切片圖像，極難準(zhǔn)確確定病變體空間位置、大小、幾何形狀和與周圍生物組織關(guān)系。本世紀(jì)七十年代由計(jì)算機(jī)控制超聲CT技術(shù)開始興起，將超聲診療水平提升到一個(gè)新高度，并有利于分子生物學(xué)和生物物理學(xué)發(fā)展。近十幾年伴隨計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展，推進(jìn)了三維超聲成像技術(shù)研究和應(yīng)用。醫(yī)學(xué)超聲儀器專業(yè)知識(shí)講座第33頁(yè)超聲計(jì)算機(jī)斷層成像

機(jī)械掃描系統(tǒng)框圖醫(yī)學(xué)超聲儀器專業(yè)知識(shí)講座第34頁(yè)

德國(guó)SIEMENS企業(yè)推出超聲三維成像系統(tǒng)（超聲CT）。它由一個(gè)特殊TEE（經(jīng)食道超聲心動(dòng)圖）探頭、相控陣彩色血流成像系統(tǒng)及一個(gè)高性能圖像處理系統(tǒng)三部分組成。應(yīng)用TEE探頭經(jīng)食道，在心電同時(shí)觸發(fā)下，對(duì)心動(dòng)周期中每一時(shí)相完成256個(gè)平行扇形切面，全部圖像數(shù)據(jù)（包含彩色血流數(shù)據(jù)）保留在圖像存放器中，整個(gè)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)量圖像特點(diǎn)，而且類似于計(jì)算機(jī)斷層攝影技術(shù)（CT），操作者可選擇任一斷面方位借助計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)重建圖像，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示，而且能夠從這256個(gè)平行切面建立心臟動(dòng)態(tài)三維圖像。醫(yī)學(xué)超聲儀器專業(yè)知識(shí)講座第35頁(yè)美國(guó)于20世紀(jì)90年代推出了以射頻電磁場(chǎng)進(jìn)行立體定位、使用普通相控陣扇掃探頭從體外進(jìn)行掃描并進(jìn)行超聲三維成像系統(tǒng)。美國(guó)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微型矩陣型排列