B超原理和多普勒效應

1、 超聲診斷儀類型 醫(yī)用超聲診斷儀是將聲納原理、雷達技術、電子技術三者相結合而研制生產(chǎn)的設備，主要應用在臨床診斷中，其基本原理是將一束高頻超聲脈沖發(fā)射到生物體內(nèi)，再接收來自生物體內(nèi)各組織之間界面處反射的回波，經(jīng)放大、處理、顯示，可觀察內(nèi)臟器官的形狀、大小、及各器官的相互位置、器官的活動以及器官內(nèi)的異物等，從而判斷器官的是否正常。隨著科學技術的發(fā)展，越來越多的高新技術應用于這種設備的研究制造中，因此，超聲診斷儀的發(fā)展也由起初的一維超聲掃描及其顯示方式發(fā)展為二維甚至三維的超聲掃描和顯示方式，大大增加了回波信息量，使生物體內(nèi)的病灶清晰、易辨，在臨床上被越來越廣泛地應用在各科門診的診斷檢查方法中，成為與

2、X-CT、同位素掃描、核磁共振并列的四大醫(yī)學成像技術之一。其中超聲成象因為具有以下三個特點：超聲波為非電離輻射，在診斷用功率范圍內(nèi)對人體無傷害，可經(jīng)常性地反復使用；超聲波對軟組織的鑒別力較高，在對軟組織疾患診斷時具有優(yōu)勢；超聲成象儀器使用方便、價格便宜，使得醫(yī)學超聲成象具有強大的生命力和發(fā)展前途，是其他成象技術所無法替代的現(xiàn)代技術。 超聲波在醫(yī)學方面，除了用于治療和手術外，主要是用于臨床診斷。在診斷學方面，現(xiàn)有的醫(yī)學超聲技術可以分為兩大類：即基于回波掃描技術和基于多譜勒頻移原理的超聲診斷技術。基于回波技術的超聲診斷技術的基本原理是利用超聲波在組織界面處產(chǎn)生的反射回波形成的圖象或信號來診斷疾病。

3、這種技術主要用于解剖學范疇的檢測和診斷，目的是了解器官的形態(tài)學和組織方面的狀況與變化，比如檢測體內(nèi)異物和腫瘤，檢查器官的形狀及大小變化等等?；夭⊕呙柙\斷技術一般按顯示回波的方式分為如下五類型：A型：即將回波以波形的形式顯示出來，其縱坐標為回波幅度，用以表示回波的強弱；橫坐標為回波接收的時間，該時間與產(chǎn)生回波的組織界面相關。B型：即將回波信號用點的形式顯示在顯示器上，光點的灰度與回波強弱成正比，為輝度調制型。當探頭上的傳感器陣元以不同方式移動掃查時，可以形成二維圖象。C型：此為透射式掃查方式，可獲得有關被測組織的聲速和衰減等信息。M型：此法是在輝度調制型中加入一個慢掃查鋸齒波，從而使回波點從左到

4、右自動掃描。顯示的橫坐標為慢掃描時間，縱坐標為聲波傳播時間（即對應于檢測深度位置）F型：此法為用多個切面圖象構造一個曲面的成象形式。除了單一形式外，還有復合型診斷儀，即綜合采用上述幾種方式成象，目前，回波掃描技術已大量用于對肝、脾、胃、腎、膽、甲狀腺、乳腺、眼球、子宮、卵巢、胸腔、肺、半月板、腦、心包等多種臟器官的診查之中。 基于多普勒頻移原理的超聲診斷技術的基本原理是：利用運動物體反射聲波時造成的頻率偏移現(xiàn)象來獲取人體的運動信息。這種技術主要用于了解體內(nèi)器官的功能狀況及血液動力學方面的生理病理狀況，如用于測定血液流速、心臟運動狀況及血管是否存在栓塞等。目前，超聲多普勒技術主要用于心血管疾病的

5、診斷中。 在診斷學方面，基于探測深度和分辨率兩個方面的綜合考慮，一般采用的頻率為1MHz15MHz。低頻主要用于深部組織和器官的診查，而高頻則用于眼科等表淺部位的診查。同時，為了避免產(chǎn)生生物效應，診斷用的超聲波的功率一般在1mW/cm210m W/cm2。在診斷學方面如何提高成象分辨率，尋求可定量表征特異性病變的成象特征量為目前研究發(fā)展B超所需探索的目標。 超聲診斷儀的基本工作原理 醫(yī)用超聲診斷儀是將聲納原理和雷達技術相結合生產(chǎn)的為臨床應用的醫(yī)療儀器。其基本原理是高頻超聲脈沖波輻射到生物作內(nèi)，由生物體內(nèi)不同界面反射出不同波形并形成圖像從而判斷生物體內(nèi)是否有病變。超聲診斷儀由起初的一維超聲掃描顯

6、示，發(fā)展為二維甚置三維、四維的超聲掃描和顯示，大大增加了回波信息量，使生物體內(nèi)的病灶清晰，易辨，因此，它將被越來越廣泛地應用醫(yī)用超聲診斷、一維超聲掃描及其顯示 在超聲診斷設備中，人們常把A型和M型這類，采用超聲脈沖回波測距離的技術進行診斷的型式和方法，稱為一維超聲檢查這種型式發(fā)射超聲波的方向不變，從不同聲阻抗界面反射回來信號的幅值或灰度是不同的，經(jīng)放大后，在屏幕上以水平或垂直方式顯示出來，此類圖像稱為一維超聲圖像。 （）型超聲掃描 探頭（換能器）根據(jù)探查部位，以固定方式向人體發(fā)射數(shù)兆赫茲的超聲波，通過人體反射回波并加以放大，并將回波的幅值和形態(tài)在屏幕上顯示出來。顯示器的縱坐標顯示反射回波的幅度

7、波形；橫坐標上有時間和距離的標尺。這樣可根據(jù)回波出現(xiàn)的位置，回波幅度的高低、形狀、波數(shù)和來自受檢體病變和解剖位置的有關信息進行判斷診斷。型超聲探頭在固定位置就可獲得波譜圖（）型超聲掃描儀 探頭（換能器）以固定位置和方向對人體發(fā)射接收超聲波束。該波束途經(jīng)不同深度的回波信號對顯示器垂直掃描線進行輝度調制，并按時間順序展開，形成一幅一維空間各點運動按時間展開的軌跡圖。這就是型超聲人也可以理解為：型超聲是同一方向沿途不同深度點隨時間變化的一維軌跡圖型掃描系統(tǒng)特別適用于對運動器官的檢查。例如對心臟的檢查，在所顯示的圖形軌跡上，可進行多種心功能參數(shù)測量，所以型超聲又稱為超聲心動圖。 、二維超聲掃描及顯示

8、由于一維掃描只能依據(jù)圖形中超聲波回波幅值的大小和回波的疏密對人體臟器進行診斷，這樣一維超聲（即型超聲）在超聲醫(yī)學診斷上受到了很大限制二維超聲掃描顯像其原理是采用超聲脈沖回波，亮度調節(jié)的二維灰階顯示，它形象地反映出人體某一斷面的信息。二維掃描系統(tǒng)使探頭內(nèi)的換能器以固定方式向人體發(fā)射數(shù)兆赫茲的超聲波，并以一定的速度在一個二維空間運動，即進行二維空間掃描，再把人體反射回波信號加以放大處理后送到顯示器的陰極或控制柵極上，使顯示器的光點亮度隨著回波信 號大小變化，形成二維斷層圖像，在屏幕上顯示時，縱坐標代表聲波傳入體內(nèi)的時間或深度，而亮度則由對應空間點上的超聲回波幅度調制，橫坐標代表聲束對人體掃描的方向

9、。 超聲回波信號的處理方法 回波信號的影響因素 由超聲探頭發(fā)射聲束，在人體組織的不同器官的界面上產(chǎn)生反射返回的回波信號回波信號的大小取決于三個因素：組織衰減、反射體的后散射和多重反射 組織衰減 組織衰減限定了能檢測到多深的回波信號，即決定了探測深度在超聲診斷應用的整個頻率范圍內(nèi)（115MHz）,軟組織和肌肉的衰減率與頻率的關系,可近似按1dB/cm?MHz來估算這關系式含有兩重意思：一是在同一深度情況下，對于不同頻率，其組織衰減率不同，組織衰減率是隨頻率的增加而增加的例如：對于頻率為3.5MHz的聲束其能量是每cm衰減3.5dB；對于10MHz的超聲波每cm要衰減10dB由此可見，生物組織對于

10、不同的超聲頻率，其衰減不同對高頻衰減大，對低頻衰減小二是，同一頻率的超聲回波，來自不同深度其聲波能量亦不同；對于頻率為3.5MHz的超聲波，探測深度每增加1cm，回波就要減小7dB(往返距離計算)；對20cm深度物體的成像,往返回程的衰減高達140dB實際上各種器官的衰減系數(shù)有差別，例如對于3.5MHz的聲束,肝組織的衰減系數(shù)為0.7dB/cm?MHz，當深度為20cm,衰減98dB所以在超儀中普遍采用增益控制來補償組織的衰減 反射體的后散射 反射體的后散射決定了從同一深度獲取的回波信號的動態(tài)范圍反射體形狀及大小，界面與入射聲束的傾斜度對后散射有很大影響 多重反射 多重反射的混合影響造成了回波

11、信號的背景干擾，限制了有效回波信號同其他途徑來的干擾回波的分離 超聲回波信號的基本處理 B型超聲診斷儀從探頭到顯示器間的信號處理過程，基本上有三個階段；,即前處理、掃描變換和后處理()前處理 前處理包括對回波電信號的放大、衰減補償、信號壓縮和檢波等部分 前置放大 前置放大處于整個電路的最前端，將從換能器聲束轉換的微弱電信號進行放大為提高信噪比，前置放大器必須是低噪聲的；并要求有大于100dB的動態(tài)放大范圍. 放大與增益控制 回波信號的動態(tài)范圍為100dB110dB，放大器的輸出范圍為40dB,兩者相差6070dB，這就要求放大器的可變增益有60dB-70 dB的范圍放大與增益控制有兩種方案來實

12、現(xiàn)，一是先進行衰減補償，后進行信號動態(tài)范圍壓縮；另一種是先壓縮回波信號動態(tài)范圍，然后進行衰減補償和擴展放大與增益控制中的放大器是一種對數(shù)放大器增益控制的基本功能是跟蹤預期深度距離上的回波信號，提供一個隨時間變化的控制電壓，來改變放大器的增益這種增益控制補償有許多名稱，如T.G.C(時間增益補償)；D.G.C(深度增益補償；T.V.G(可變時間增益)；S.T.C(強度時間增益)等它的衰減補償方法是對放大斜率進行控制超聲圖像的分辨力與放大器的級數(shù)和放大倍數(shù)關系不大 檢波 回波信號是雙極性的，將其中有用的診斷信息通過一種單向通過的電路檢測出來，這就是檢波檢波方法有包絡檢波和斜率檢波在包絡檢波的同時，

13、對回波脈沖前沿（斜率）微分，并捋這微分信號按一定百分比加到原始回波信號的前沿，便得到混有短微分的回波脈沖視頻信號，從而起到邊界增強的效果，使組織邊界的輪廓線加強顯示 （）掃描變換 掃描變換有兩種，即：模擬掃喵變換（）和數(shù)字掃描變換（）其目的是將聲波信號轉換為數(shù)字信號，便于后處理，模擬掃描變換是捋掃描超聲信號和位置信號轉換為可顯示信號數(shù)字掃描變換的核心是一個可變的數(shù)字存儲矩陣，它可將接收的數(shù)字圖像信號按一定矩陣（如512X512）存放和顯示. （）后處理 在超聲信號數(shù)字化后要進行后處理后處理功能很多，如像素亮度后處理（包括校正，非線性亮度視覺校正）、灰階變換、圖象平滑、復合視頻、顯示方式、圖像反

14、轉等 B超工作原理及基本結構 一、工作原理 B型超聲診斷儀是目前臨床上最廣泛使用的一類超聲成象裝置。B型又稱為B-Mode，其中B為英文brightness的字頭，用此表征B型成象是以輝度來表征回波的大小的。正是由于用輝度取代了幅度，B型可用一條線的不同輝度來表征A型的一系列回波及其幅度值。因此采用掃描的方式獲取組織內(nèi)部某一斷面上多個掃描線上的回波并顯示在對應的平面上，即組成了一幅組織內(nèi)某剖面的回波二維圖像。因此，B-Mode是一種二維超聲成象裝置。具體說明如下： B型線性超聲診斷儀是在A型診斷儀的基礎上發(fā)展起來的，A型是用單探頭，而B型線性超聲診斷儀是用多個晶體組成的探頭，按不同的組合分組使

15、用。B型線性超聲診斷儀的每組晶體單獨使用時，完全類似于A型單探頭的情況；而各組晶體在電子開關的控制下，有次序地排列工作，類似A型超生中單探頭的移動過程，這樣就由A型中單探頭掃查一條線變?yōu)榫€性超聲設備中迅速的發(fā)射一排超聲線束來掃查一個面，從而由一維圖像變?yōu)槎S圖像。在A型中，反射信號的情況通過信號的波形顯示出來，而B型超聲設備中反射信號的強弱通過熒光屏中每個像素的亮度顯示出來，從而使在掃查的斷層面中把組織的分布情況和性質對應地顯示出有灰階（或輝度）變化的超聲圖像上。雖然B型線性超聲診斷儀與A型相比在原理上是簡單的，但是完成從A型向B型的過渡在技術上是很復雜，采用了較多的新技術和新工藝。如圖2-2

16、-1所示。 二、基本結構 B型線性超聲診斷儀主要由以下幾個部分組成：探頭、發(fā)射接收單元、數(shù)字掃描轉換器、顯示照像記錄系統(tǒng)、面板控制系統(tǒng)、鍵盤和電源裝置等，如圖2-2-2所示 一、面板控制單元 對儀器面板上的各種旋鈕、開關、操作桿等的狀態(tài)實施編碼，并將編碼信號送至發(fā)射接收單元和數(shù)字掃描轉換器，其中包括進出深度增益控制信號（或稱距離時間控制）到發(fā)射接收單元以控制放大器的放大倍數(shù)，從而補償超聲能量在傳播過程中隨距離的衰減。 二、發(fā)射接收單元 通過探頭發(fā)送和接收超聲波信號，并對發(fā)射和接收的超聲波信號實施電子聚焦和多點聚焦的控制；同時對探頭中的多個晶體實施電子開關控制，從而實現(xiàn)超聲束的掃描。從探頭接收的

17、超聲回波信號在該單元中進行放大、檢波和各種預處理，然后送到數(shù)字掃描轉換器。 三、數(shù)字掃描轉換器 把從發(fā)射接收單元進入的超聲回波信號首先進行A/D轉換（即模擬數(shù)字轉換）變成數(shù)字信號，并予以存貯和完成各項后處理的功能，所有將要顯示的信號，例如回波信號，鍵盤的字符信號和人體標志符號等，都在轉換器中完成D/A轉換，最后混合變?yōu)楹铣傻囊曨l信號送入監(jiān)視、照像、記錄系統(tǒng)。 四、監(jiān)視、照相、記錄系統(tǒng) 是操作人員用來觀察超聲斷層圖像和各種相關信息，并對有價值的圖像進行拍照和記錄的系統(tǒng)。監(jiān)視和照像分別使用兩個略有不同的TV監(jiān)視器，照像部分一般配備通用135相機或一次性的波拉相機，記錄部分使用特殊功能的紙記錄裝置或

18、彩色視頻打印機。 五、電源部分 提供直流電壓供各單元使用。 六、探頭 是由多晶片（陣元）排列構成的長條狀探頭。探頭一般寬度為1cm、長度為1015cm，探頭中的晶片個數(shù)一般在64128只范圍內(nèi)；晶片的尺寸隨使用的超聲頻率不同而不同；晶片之間不但有良好的電絕緣，同時盡可能作到完全的聲隔離。為此在制造工藝上一般采用光刻的方法，在一個大晶片上刻制成相互分離的多個晶片。晶片后面附以吸聲材料，用以吸收反向輻射的能量；晶片的前面（接觸人體部分）用透聲材料做成聲透鏡，在長條狀探頭的短軸方向形成聲聚焦。每個陣元都是獨立的，在長條狀探頭的長軸方向，用電子延遲線技術形成電子聚焦和多點聚焦，從而提高B型線性超聲診斷儀的空間分辨率。 多普勒效應 在聲