醫(yī)學(xué)超聲儀器專業(yè)知識講座專家講座

第三章

醫(yī)學(xué)超聲儀器

物體機械振動產(chǎn)生波，波頻率取決于物體振動頻率。頻率范圍在2×104~3×108赫茲波稱為超聲波。一個多世紀前，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)無損傷檢測用超聲脈沖回波技術(shù)，即類似于當(dāng)代雷達或聲納回波測距技術(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)知識講座第1頁四十年代末，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，它可對心臟瓣膜運動規(guī)律作連續(xù)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，這為創(chuàng)造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，而且超聲CT研究工作開始進行，A型超聲儀器也逐步被淘汰。醫(yī)學(xué)超聲儀器專業(yè)知識講座第2頁八十年代，伴隨微型計算機研究與應(yīng)用飛速發(fā)展，超聲智能化步伐加緊。利用微機與超聲診療儀器相結(jié)合，能夠簡化臨床操作，實現(xiàn)信號處理、變換、計算和判斷等過程自動進行。另外，將脈沖超聲多普勒血流儀與B超相結(jié)合，還產(chǎn)生了雙功效超聲診療儀。進入九十年代，彩色B超誕生，它能夠在顯示動態(tài)心臟黑白圖像同時，顯示動態(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)知識講座第3頁醫(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)知識講座第4頁壓電效應(yīng)及超聲探頭醫(yī)學(xué)超聲儀器專業(yè)知識講座第5頁假如知道超聲波傳輸速度與傳輸時間，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，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)知識講座第6頁醫(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)知識講座第7頁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，我國于1958年開始生產(chǎn)。A超同時電路產(chǎn)生幾百Hz到2KHz正負電脈沖，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下，產(chǎn)生超聲振動，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，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)板上加載是時基鋸齒波，即掃描電壓。所以，示波器熒光屏上橫坐標代表超聲波傳輸時間，普通以13.33μs為一大格；而縱坐標顯示是回波幅度與形狀。醫(yī)學(xué)超聲儀器專業(yè)知識講座第8頁A超能夠應(yīng)用于醫(yī)學(xué)各科檢驗，尤其對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)等檢驗比較方便準確。但A超回波圖只能表達局部組織信息，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)知識講座第9頁A型超聲儀器工作原理方框圖

醫(yī)學(xué)超聲儀器專業(yè)知識講座第10頁同時電路（主控振蕩器）產(chǎn)生同時脈沖來同時觸發(fā)發(fā)射電路和掃描電路，使二者同時工作。發(fā)射電路在同時電路發(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；另首先激勵探頭產(chǎn)生一次超聲振蕩，并進入人體。人體組織反射回來微弱回波信號經(jīng)探頭接收并轉(zhuǎn)換成電脈沖后，由接收電路放大、檢波后，送至示波器垂直偏轉(zhuǎn)板上并顯示出來。另外，在同時脈沖作用下，在示波器水平偏轉(zhuǎn)板上加時基鋸齒波電壓—掃描電壓，使熒光屏上顯現(xiàn)出回波波形與改變。醫(yī)學(xué)超聲儀器專業(yè)知識講座第11頁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)射波和回波信號加到了示波器柵極或陰極。信號強弱控制了抵達熒光屏電子束強弱，反應(yīng)到熒光屏上就是光點明暗，即輝度調(diào)制。醫(yī)學(xué)超聲儀器專業(yè)知識講座第12頁

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，水平偏轉(zhuǎn)板上鋸齒波頻率要低于它。所以熒光屏上光點在垂直方向距離表示探測深度，在水平方向移動表示時間進行，光點亮度表示回波信號強弱。M超慣用于檢測心臟疾病，當(dāng)心臟收縮和舒張時，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改變，造成光點隨之移動，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)活動曲線圖，所以也叫超聲心動圖，它能顯示心臟各部分結(jié)構(gòu)活動情況、動態(tài)改變、心室排血量以及能夠得出室間隔、動脈等結(jié)構(gòu)定量數(shù)據(jù)等，是臨床心臟疾病診療中比較準確實用工具。醫(yī)學(xué)超聲儀器專業(yè)知識講座第13頁M型超聲心動圖產(chǎn)生原理

醫(yī)學(xué)超聲儀器專業(yè)知識講座第14頁上圖是M超簡明方框圖。其原理與A超基本相同，只是同時電路控制發(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，原來采取攝影機將圖像攝影后再進行測量方法逐步淘汰，現(xiàn)在普通采取由微機控制，利用CRT電視監(jiān)視器顯示圖像，并能夠儲存和自動測量超聲心動圖儀。醫(yī)學(xué)超聲儀器專業(yè)知識講座第15頁微機控制超聲心動圖儀與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)，即利用標準電視光柵掃描格式顯示信號。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)”在一個需要位置上，用儀器中測量光標或微機自動測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)知識講座第16頁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、技術(shù)先進，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)移動或是發(fā)射超聲波束不停變動發(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超顯示是組織邊界超聲心動圖像，如要使顯示器上圖跡位置和病人體內(nèi)某個二維平面中產(chǎn)生回波結(jié)構(gòu)位置一一對應(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)知識講座第17頁超聲影像圖

醫(yī)學(xué)超聲儀器專業(yè)知識講座第18頁按掃描方式分類，B超已經(jīng)發(fā)展了四代，包含手動直線掃描、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)人員掌握探頭移動方向，探頭直線移動造成顯示器在X方向上出現(xiàn)與之對應(yīng)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)知識講座第19頁2.機械掃描機械掃描是由電機帶動探頭作直線移動、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療；扇形掃描適合用于心臟和腹部；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)，從而取得某個腔道圓周掃描斷層圖像。醫(yī)學(xué)超聲儀器專業(yè)知識講座第20頁腔內(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，進行血管成像，對冠狀動脈病變進行研究。近期推出心腔內(nèi)超聲探頭管體纖細柔軟，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，時相和方位分辨力很好，對觀察心內(nèi)結(jié)構(gòu)和活動情況及輔助穿刺定位等有較高價值。醫(yī)學(xué)超聲儀器專業(yè)知識講座第21頁3.電子直線掃描與機械掃描不一樣，電子掃描儀探頭是由許多小換能器（小探頭）排列而成，每個小探頭稱為陣元，各陣元距離相等。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，抵達CRT顯示器進行輝度調(diào)制，掃描過程中探頭靜止不動，而超聲波束發(fā)射與接收是沿一定方向勻速移動，移動線和聲束方向組成斷面就是所得圖像。在探頭長度一定情況下，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個小探頭。醫(yī)學(xué)超聲儀器專業(yè)知識講座第22頁電子直線掃描

電子直線掃描原理框圖

醫(yī)學(xué)超聲儀器專業(yè)知識講座第23頁4.電子扇形掃描（電子相控陣扇形掃描）假如對探頭各陣元加上依次延遲一定時間激勵脈沖，則各陣元所產(chǎn)生脈沖也對應(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，壽命比較長，但價格相對較高。醫(yī)學(xué)超聲儀器專業(yè)知識講座第24頁為了提升檢測功效和圖像質(zhì)量，B超中應(yīng)用了許多先進技術(shù)。應(yīng)用數(shù)字圖像技術(shù)，能夠隨時凍結(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、聲聚焦和動態(tài)聚焦可變孔技術(shù)，能使圖像分辨率提升，可到達2mm?？傊?jīng)過B超圖像能較清楚地觀察到人體各種器官動態(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)知識講座第25頁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)分界面時就能發(fā)生反射和折射。當(dāng)反射邊界固定不變時，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時，反射超聲波波長就被壓縮，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，超聲波波長改變造成了頻率移動，此現(xiàn)象被稱為多普勒效應(yīng)。醫(yī)學(xué)超聲儀器專業(yè)知識講座第26頁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為物體運動速度，為聲速與物體運動方向夾角。從式中能夠看到，多普勒頻偏與物體運動速度成正比，假如用電子學(xué)方法檢測出多普勒頻偏，就能夠得出運動器官或血流運動速度，而超聲多普勒頻偏正負能夠反應(yīng)出運動方向。所以利用由運動結(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）運動速度信息超聲多普勒方法已被廣泛應(yīng)用于人體運動結(jié)構(gòu)臨床診療中，而且含有相當(dāng)高診療價值。醫(yī)學(xué)超聲儀器專業(yè)知識講座第27頁脈沖超聲多普勒血流儀框圖醫(yī)學(xué)超聲儀器專業(yè)知識講座第28頁當(dāng)前應(yīng)用超聲多普勒胎心率監(jiān)護儀和超聲多普勒血流儀正是依據(jù)上述原理設(shè)計。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)知識講座第29頁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。醫(yī)學(xué)超聲儀器專業(yè)知識講座第30頁

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型圖像進行定位，能夠準確測得心臟內(nèi)某一位置血流頻譜圖，對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)知識講座第31頁因為脈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)知識講座第32頁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。本世紀七十年代由計算機控制超聲CT技術(shù)開始興起，將超聲診療水平提升到一個新高度，并有利于分子生物學(xué)和生物物理學(xué)發(fā)展。近十幾年伴隨計算機技術(shù)飛速發(fā)展，推進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)知識講座第33頁超聲計算機斷層成像

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

德國SIEMENS企業(yè)推出超聲三維成像系統(tǒng)（超聲CT）。它由一個特殊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，在心電同時觸發(fā)下，對心動周期中每一時相完成256個平行扇形切面，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，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，而且能夠從這256個平行切面建立心臟動態(tài)三維圖像。醫(yī)學(xué)超聲儀器專業(yè)知識講座第35頁美國于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微型矩陣型排列