超聲波技術在醫(yī)療上的應用

1、超聲波技術及其應用報告超聲波技術在醫(yī)療上的應用碩士研究生： 學 號：學科：報 告 日 期：摘 要頻率高于可聽聲頻范圍（20KHZ以上）的機械波，稱為超聲波（ultrasonic)，簡稱超聲。它方向性好，穿透能力強，易于獲得較集中的聲能，在水中傳播距離遠，可用于測距、測速、清洗、焊接、碎石、殺菌消毒等。在醫(yī)學、軍事、工業(yè)、農業(yè)上有很多的應用。本文主要介紹超聲波技術在醫(yī)療上的應用。主要由超聲波在醫(yī)療檢測上的應用和超聲波在治療上的應用兩部分組成。主要內容包括B超，彩超，超聲全息影像技術，超聲波手術刀，超聲波碎石技術。文章論述了這些超聲波技術的基本原理，相比于傳統(tǒng)技術的優(yōu)缺點，存在的局限和發(fā)展前景，以

2、及超聲波技術要突破的一些技術瓶頸和將來的發(fā)展方向。由于篇幅及理論基礎有限，本文避免了難以理解的公式推導和證明，只是定性地，原理性地介紹了超聲波在醫(yī)療上應用的這些技術。關鍵詞：超聲檢測；手術刀；超聲全息影像技術；超聲碎石；超聲理療目錄摘 要I1.1 技術應用的領域31.2 技術應用特點及原理31.3 國內外情況分析61.3.1 國外情況71.3.2 國內情況71.4 系統(tǒng)組成7結論10參考文獻11不要刪除行尾的分節(jié)符，此行不會被打印1.1 技術應用的領域超聲波是頻率高于20000赫茲的聲波，它方向性好，穿透能力強，易于獲得較集中的聲能，在水中傳播距離遠，可用于測距、測速、清洗、焊接、碎石、殺菌消

3、毒等。在醫(yī)學、軍事、工業(yè)、農業(yè)上有很多的應用。超聲波因其頻率下限大約等于人的聽覺上限而得名。在醫(yī)學上，由于超聲波對人體的無害性，超聲波檢測技術廣泛應用于組織形貌檢測，器官病變的診斷，判斷血管的通暢程度，3胎兒成長情況鑒定等等。讓醫(yī)生可以提前看到人體內部組織的病變情況，提早診斷，盡早治療，讓廣大患者得到了福音。現在，隨著超聲波技術的進一步發(fā)展，超聲波碎石技術，超聲波手術刀已經得到應用，患者已經可以在無需開刀（或者創(chuàng)口幾下送）的前提下完成手術，大大減輕了患者的痛苦和手術的風險。隨著計算機技術和相關技術的發(fā)展，超聲檢測也向著全息影像技術方向發(fā)展。這樣一聲可以得到更直觀，更全面，更詳細的人體內部組織圖

4、像，為疾病的治療和確定手術方案帶來極大的幫助。1.2 技術應用特點及原理醫(yī)學超聲波檢查的工作原理與聲納有一定的相似性，即將超聲波發(fā)射到人體內，當它在體內遇到界面時會發(fā)生反射及折射，并且在人體組織中可能被吸收而衰減。因為人體各種組織的形態(tài)與結構是不相同的，因此其反射與折射以及吸收超聲波的程度也就不同，醫(yī)生們正是通過儀器所反映出的波型、曲線，或影象的特征來辨別它們。此外再結合解剖學知識、正常與病理的改變，便可診斷所檢查的器官是否有病。 目前，醫(yī)生們應用的超聲診斷方法有不同的形式，可分為A型、B型、M型及D型四大類。 A型：是以波形來顯示組織特征的方法，主要用于測量器官的徑線，以判定其大小?？捎脕龛b

5、別病變組織的一些物理特性，如實質性、液體或是氣體是否存在等。 B型：用平面圖形的形式來顯示被探查組織的具體情況。檢查時，首先將人體界面的反射信號轉變?yōu)閺娙醪煌墓恻c，這些光點可通過熒光屏顯現出來，這種方法直觀性好，重復性強，可供前后對比，所以廣泛用于婦產科、泌尿、消化及心血管等系統(tǒng)疾病的診斷。 M型：是用于觀察活動界面時間變化的一種方法。最適用于檢查心臟的活動情況，其曲線的動態(tài)改變稱為超聲心動圖，可以用來觀察心臟各層結構的位置、活動狀態(tài)、結構的狀況等，多用于輔助心臟及大血管疫病的診斷。4 D型：是專門用來檢測血液流動和器官活動的一種超聲診斷方法，又稱為多普勒超聲診斷法?？纱_定血管是否通暢、管腔

6、是否狹窄、閉塞以及病變部位。新一代的D型超聲波還能定量地測定管腔內血液的流量。近幾年來科學家又發(fā)展了彩色編碼多普勒系統(tǒng)，可在超聲心動圖解剖標志的指示下，以不同顏色顯示血流的方向，色澤的深淺代表血流的流速。現在還有立體超聲顯象、超聲CT、超聲內窺鏡等超聲技術不斷涌現出來，并且還可以與其他檢查儀器結合使用，使疾病的診斷準確率大大提高。超聲波技術正在醫(yī)學界發(fā)揮著巨大的作用，隨著科學的進步，它將更加完善，將更好地造福于人類。全息技術是利用干涉和衍射原理記錄并再現物體真實的三維圖像的記錄和再現的技術。1全息技術第一步是利用干涉原理記錄物體光波信息，此即拍攝過程：被攝物體在激光輻照下形成漫射式的物光束；另

7、一部分激光作為參考光束射到全息底片上，和物光束疊加產生干涉，把物體光波上各點的位相和振幅轉換成在空間上變化的強度，從而利用干涉條紋間的反差和間隔將物體光波的全部信息記錄下來。記錄著干涉條紋的底片經過顯影、定影等處理程序后，便成為一張全息圖，或稱全息照片；其第二步是利用衍射原理再現物體光波信息，這是成象過程：全息圖猶如一個復雜的光柵，在相干激光照射下，一張線性記錄的正弦型全息圖的衍射光波一般可給出兩個象，即原始象（又稱初始象）和共軛象。再現的圖像立體感強，具有真實的視覺效應。全息圖的每一部分都記錄了物體上各點的光信息，故原則上它的每一部分都能再現原物的整個圖像，通過多次曝光還可以在同一張底片上記

8、錄多個不同的圖像，而且能互不干擾地分別顯示出來。全息學的原理適用于各種形式的波動，如X射線、微波、聲波、電子波等。2只要這些波動在形成干涉花樣時具有足夠的相干性即可。全息以它獨特的優(yōu)點解決了許多其他技術難以解決的問題，為疾病的診治做出了貢獻。激光全息技術首先在眼科疾病診治的應用中獲得了成功，一張全息照片所提供的信息相當于480張普通眼底照片所提供的信息。在眼科疾病的 診斷過程中，利用激光全息成像技術可以提供整個眼睛的三維立體圖像，并可以用顯微鏡對整個眼睛 圖像的不同位置(如角膜、前房、晶狀體、玻璃體以及視網膜等)進行逐層觀察和研究。也可以利用激光全息成像技術提供眼睛各個部分單獨的三維立體圖像以

9、做深入的檢查。在臨床檢查中，利用全息 診斷方法可以查出直徑在1 mm以上的乳腺癌，有利于癌癥的早期診斷和治療。超聲全息可用于醫(yī)療上的透視等。理論研究表明，在振幅相同的條件下，一個物體振動的能量與振動頻率成正比，超聲波在介質中傳播時，介質質點振動的頻率很高，因而能量很大。有些疾病如咽喉炎、氣管炎等疾病，很難利用血流使藥物到達患病的部位。利用超聲波加濕器的原理，把藥液霧化，讓病人吸入，能夠提高療效。利用超聲波巨大的能量還可以使人體內的結石做劇烈的受迫振動而破碎，從而減緩病痛，達到治愈的目的。初次之外，利用超聲波的高能量還能破壞細菌結構，對物品進行殺菌消毒。5超聲手術刀是采用超聲能對軟組織進行止血切

10、開和凝固。適用于對需要控制出血和最小程度熱損傷的軟組織進行切開，被廣泛的應用于外科手術。超聲手術刀可以用來配合或取代高頻手術刀、激光手術刀和鋼制手術刀，大大拓寬了超聲治療的應用領域。超聲白內障乳化是超聲外科手術在眼科的應用。 主要利用超聲波的空化效應。 3mm 從 到 5mm 切口將白內障乳化后吸除，再將人工晶體經切口植入。利用超聲乳化技術后，手 術時間短，無出血，切口長度比常規(guī)手術大大縮小，為自封閉形的。能保持正常眼壓， 故此，術后散光和炎癥反應明顯減少，視力可早期恢復。此類儀器的技術已經很成熟。 超聲骨科手術主要利用超聲波機械效應， 它既可以用于骨骼的切割， 如心胸外科切胸骨、 腦神經外科

11、開顱、手術切開椎板、骨腫瘤摘除、在骨干上切開“窗口”，又可以用于各 種骨組織整形修復，如關節(jié)手術對關節(jié)腔中的半月板進行修復、骨科的的矯形、面額骨 整形美容等等。超聲骨科手術的獨特優(yōu)點在于：骨科手術中超聲刀省力、切緣整齊；激 化了凝血酶的活性，使手術中出血少，手術視野清晰；可用于安全性要求高的場合。利用強度較低的超聲波的熱效應和機械效應，用聚焦或非聚焦聲束對疾病部位進行“加熱”和機械刺激來治療某些疾病，這稱為超聲理療。超聲理療主要包括超聲按摩、超聲針灸及超聲熱療等。超聲按摩和針灸對于治療某些皮膚病、坐骨神經痛和某些神經疾病、腦血栓及促進傷口愈合和囊腫的吸收等都有較好的效果。經過數10年實驗嘗試，

12、表明用聚焦超聲可有效地抑制某些癌細胞的生長，甚至殺死癌細胞。而正常組織則不受影響。這表明超聲治癌很有前景。1.3 國內外情況分析超聲波在醫(yī)學上的應用大致可分成兩大類：檢測超聲和功率超聲。檢測超聲主要用于疾病的診斷，而功率超聲主要用于治療。功率超聲用于治療已經有 70多年 dldq.jh 在 1928 年。德國人 Mulwert 就試用了超聲治療慢性耳聾；到上世紀五、六十年代，超聲治 療以理療為主：到了 70 年代，出現了超聲粉碎結石、超聲潔牙等；80 年代，超聲手術 刀開始在外科應用，包括超聲白內障乳化、超聲切割團組織、超聲骨科形成 和超聲肝 臟腫瘤吸引等；近年來，高強度聚焦治癌、超聲治療血管

13、阻塞是、超聲藥物滲透、超聲 才華吸入治療等技術的發(fā)展，大大拓寬了超聲治療的應用領域。超聲外科手術主要包括超聲白內障乳化、 超聲骨科手術、 超聲外科吸引、 超聲止血手術、 超聲體外粉碎結石、高強度超聲聚焦手術等，下面重點介紹前 4 種外科手術在國內外發(fā) 展狀況。 美國首先將超聲乳化技術應用到眼科白內障手術。目前，利用超聲乳化手術進行白內障 摘除已經占總數的 90%以上。基本上取代傳統(tǒng)的手術方法。國外超聲乳化儀已經標準化生產，具備 乳化抽吸、灌注等多種功能。80 年代末，俄羅斯開發(fā)出磁致伸縮 原理的超聲外科手術儀，嘗試用于骨骼切割。 由于效率比較低。導致手柄發(fā)熱嚴重 ；另外刀頭容易斷裂，工作壽命短

14、，需要經常更 新。日本住友公司也推出了樣機，為避免刀具容易斷裂問題，采用無齒刀具。相比俄羅 斯有具刀具、無齒刀具壽命大大延長；但無齒刀具易打滑， 手術過程難以掌握，切割 速度亦不如有齒刀具，因而日本該項設備也尚未真正投入使用。1.3.1 國外情況 八十年代俄羅斯開發(fā)出磁致伸縮原理的超聲外科手術儀。日本住友公司為避免刀具容易斷裂問題采用無齒刀具，相比有齒刀具，無齒刀具壽命大大得到延長。國內主要是清華大學對超聲骨科手術進行研究。美國Valleylab公司采用磁致伸縮換能器進行外科吸引，法國、英國、德國等相繼推出壓電陶器換能器的超聲吸引器，意大利推出了超聲脂肪吸引等產品。美國強生公司于九十年代初期開

15、始致力于超聲止血手術并推出“Uitracision”超聲止血刀主要用于切割軟組織和血管，近年，強生GEN300數碼超聲切割止血刀被廣泛用于醫(yī)院各手術科室。1.3.2 國內情況我國從 20 世紀 90 年代后期 引入超聲乳化技術，現在已經在全國一些大醫(yī)院臨床應用。之后國內先后也有多家公司開發(fā)出超聲乳化儀。國內現有清華大學生產的超聲乳化儀和中科院電工所研究的超聲手術儀。1.4 系統(tǒng)組成1.4.1與組織定征有關的超聲成像新技術 （1）超聲背向散射積分成像 聲學密度定量分析是通過定量地分析某些聲學參數來研究組織特性以達到組織定征的目的。超聲背向散射積分成像(integrated backscatter

16、,IBS)技術作為聲學密度定量分析新技術，為組織原始回聲信號的定量分析提供了新方法。 傳統(tǒng)的聲學密度定量分析法 即視頻分析法。組織的回聲信號經傳統(tǒng)成像方式形成二維灰階圖，視頻分析法即對該灰階圖的灰階分級水平及其分布進行分析，方法有：灰階直方圖；計算機定量分析回聲的灰階值及其分布；紋理參數分析。由于視頻信號是組織的回聲信號經處理(檢波、對數壓縮等)后所得的信號，并非組織的原始回聲信號，其受動態(tài)范圍的限制，信號被壓縮并有丟失，因此，從嚴格的定量角度講，視頻分析法并非真正的聲學密度定量分析方法，由于影響視頻信號的因素太多，所得結果不可靠，故有人稱之為半定量研究。 （2） 超聲背向散射積分成像技術 超

17、聲背向散射原理7：由聲源來的超聲波在介質中傳播時，若遇到兩種具有不同聲阻抗的介質(聲阻抗差大于0.1%)所形成的界面，且界面大于超聲波波長時產生反射，若界面遠遠小于超聲波波長，則產生散射。散射是各向性的，朝向探頭的散射即為背向散射，能為探頭所接收。 背向散射積分技術：探頭所接收的背向散射信號與同時接收的反射信號相比是非常微弱的，故在經傳統(tǒng)成像方式形成的二維圖像上，由大界面來的反射回聲表現為高回聲，如臟器的包膜回聲、血管壁回聲及大的組織結構回聲等，而由微小界面來的散射回聲則表現為弱回聲或無回聲，如臟器實質回聲為弱回聲，血液、膽汁尿液等為無回聲。然而由于背向散射信號來源于組織的微細結構，其更能反映

18、組織的結構特性。為了有效的提取和分析微弱的背向散射信號，近幾年來一種以背向散射原理為基礎的超聲成像技術背向散射積分成像技術得到了較快的發(fā)展。 探頭接收人體組織的回聲信號，超聲儀將各界面來的信號經放大、濾波，并進行各信號的延遲合成得到射頻信號(組織回波的原始信號)，若將射頻信號經檢波并輸入視頻處理器處理(對數壓縮、數字掃描轉換等)后，再輸入顯示器顯示，則形成常規(guī)的二維圖像。背向散射積分技術是通過特制的時間門控電路8，在射頻信號被處理前，提取相關區(qū)域(取樣容積內)的射頻信號，并將其功率譜與一理想平面反射器的回聲信號功率譜相比，取其有效頻率范圍進行積分，單位為分貝(dB)，并將積分值顯示出來。目前具

19、有該技術的儀器均為聯機分析系統(tǒng)，一旦取樣，儀器將自動報出感興趣區(qū)域局部背向散射積分值。 1.4.2 聲參量成像 此技術臨床應用尚不普及，有的還處于理論階段，因此本節(jié)僅簡單講述其物理聲學基礎。 (1)組織特性成像：組織特性成像(tissue statistic imaging，TSI)6目前主要是對組織的彈性參數(coefficient elasticity)及其分布進行測量和成像。其原理是利用特殊設計的聲源(如聚焦調制或雙束相交等)產生的低頻間斷性輻射力對待測組織進行激勵(impulse)，測量其動態(tài)位移，據此計算出相應的應變，知道了應力和應變，就可求出其彈性參數，最后將組織的這種彈性參數以彩

20、色或灰階編碼顯示為聲彈性圖(sonoelastogram)。最近已有關于軟組織切變模量分布及其成像的研究報道。這一新技術在組織定征、病變鑒別及器官老化診斷等方面，可能具重要的潛在應用價值。 (2)非線性聲參量B/A成像：B/A是描繪聲波非線性效應的聲學參量之一，是聲波通過介質時產生非線性效應大小的一個量度，將B/A參量作為成像特性量進行的成像即聲參量成像7。研究發(fā)現，此參量與其他線性聲參量相比，對組織特性的變化特別敏感，已有研究表明，軟組織中密度和聲速等參量的差異小5%，而B/A參量的差異則可達50%，而且造影劑中微泡的共振還導致非線性參量B/A值的急劇增加，可比正常組織的B/A值高出數百倍。

21、因此，將B/A聲參量成像與超聲造影技術結合，可望為超聲組織定征和早期非占位性癌變的診斷開辟新的途徑。但是，由于B/A參量不能在一般B超上用脈沖回波法直接測得，必須采用特殊發(fā)射波型，專門的信號提取和處理技術，并對接收數據進行換算和反演，才能重建出B/A值隨位置分布的斷面圖像，即B/A參量的超聲層析(CT)成像技術。目前該技術在理論及方法學上已較為成熟，但關于成像裝置、重建軟件的設計以及實時成像與顯示等問題尚有待解決。 (3)聲速及聲衰減參量成像：聲速及聲衰減參量成像是以超聲波在介質中的傳播速度或超聲波通過介質時的聲衰減量為成像特性量進行成像的技術。最近問世的新型設備UBIS 3000骨掃描儀能同

22、時測量超聲波在骨中的傳播速度和聲衰減量，并具有骨質測定成像系統(tǒng)，克服了以往無圖像而造成取樣的盲目性。國內外已有利用該技術診斷臨床病例的報道。聲速及聲衰減參量成像也有助于超聲組織定征和早期非占位性癌變的診斷。結論近幾年來，國內外興起了定向能量治療技術，超生治療技術是能量治療技術的一個重要組成部分。但是，目前國內外超聲外科手術上存在的主要技術問題是：(1)電聲轉換效率低，導致切割速度較慢以及手柄長時間使用后發(fā)熱。(2)需要解決手術刀具及加工工藝問題，延長刀具的使用壽命。(3)超聲手術機理研究不足。因此，在超聲外科手術的關鍵技術的攻關上首先要深入研究超聲手術刀具的選材、加工及處理問題，延長刀具壽命。其次，探索新型超磁致伸縮材料的設計與應用。在超磁致伸縮材料應用上獲得突破，研制出超輕小、大功率的超聲振動系統(tǒng)。最后進行功率超聲手術設備的微創(chuàng)、無創(chuàng)研究治療。對于超聲理療，現在的問題在于不同癌細胞對熱療的反應不同，目前尚未找到規(guī)律