超聲成像設(shè)備

第六章超聲成像設(shè)備掌握：

超聲波的物理基礎(chǔ)；B型、多普勒超聲診斷儀的構(gòu)造、工作原理、基本電路、評(píng)價(jià)指標(biāo)和質(zhì)量控制了解：超聲設(shè)備的發(fā)展史，發(fā)展趨勢(shì)；A型、M型超聲診斷儀的構(gòu)造及工作原理。

第一節(jié)概述

綜述超聲是超過正常人耳能聽到的聲波，頻率在2萬(wàn)赫茲(Hz)以上。超聲檢查是利用超聲的物理特性和人體器官組織聲學(xué)性質(zhì)上的差異，以波形、曲線或圖像的形式顯示和記錄，借以進(jìn)行疾病診斷的檢查方法。超聲診斷由于設(shè)備不似CT或MRI設(shè)備那樣昂貴，可獲得器官的任意斷面圖像，還可觀察運(yùn)動(dòng)器官的活動(dòng)情況，成像快，診斷及時(shí)，無(wú)痛苦與危險(xiǎn)，屬于非損傷性檢查，因此在臨床上應(yīng)用已普及，是醫(yī)學(xué)影像學(xué)中的重要組成部分。不足之處在于圖像的對(duì)比分辨力和空間分辨力不如CT和MRI高。一、超聲成像設(shè)備發(fā)展史1、1880年居里兄弟發(fā)現(xiàn)壓電效應(yīng)；2、1921年首次將聲納用于探測(cè)潛艇；3、1945年Firestone制成A型脈沖超聲檢測(cè)儀。我國(guó)自1958年11月開始將A型超聲診斷應(yīng)用于臨床。4、1954年M型超聲波診斷儀誕生；5、60年代中后期－80年代初期B型超聲檢查發(fā)展并普及，儀器漸趨完善;與此同時(shí)，D型超聲診斷儀也開始出現(xiàn)。我國(guó)自1978年開始應(yīng)用B型超聲診斷疾病。6、80年代中后期彩色血流顯像，為超聲診斷開創(chuàng)了更加廣闊的領(lǐng)域。7、90年代來(lái)經(jīng)顱多普勒（TranscranialDoppler,TCD）診斷儀應(yīng)用低頻多普勒超聲,與此同時(shí)，介入性超聲（InterventionalUltrasound）在診斷和治療中都起到了重要的作用。二、超聲基礎(chǔ)知識(shí)

（一）超聲波的概念和基本特性(一)超聲波的概念和基本特性1、超聲波的概念

頻率在2萬(wàn)赫茲以上的機(jī)械振動(dòng)波，稱為超聲波(ultrasnicwave)，簡(jiǎn)稱超聲(ultrasound)。超聲波在傳聲介質(zhì)中的傳播特點(diǎn)是具有明確指向性的束狀傳播，這種聲波能夠成束地發(fā)射并用于定向掃查人體組織。2、超聲波的產(chǎn)生

醫(yī)用高頻超聲波是由超聲診斷儀上的壓電換能器產(chǎn)生的，這種換能器又稱為探頭，能將電能轉(zhuǎn)換為超聲能，發(fā)射超聲波，同時(shí)，它也能接受返回的超聲波并把它轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。3、超聲波的基本物理量

3.1頻率(f)：是指單位時(shí)間內(nèi)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的次數(shù)。醫(yī)學(xué)診斷用超聲的頻率一般在兆赫級(jí)，稱為高頻超聲波，常用頻率范圍2～10兆赫。3.2波長(zhǎng)(入)：兩個(gè)相鄰相同相位的振動(dòng)點(diǎn)之間的距離。頻率和波長(zhǎng)在超聲成像中是極其重要的參數(shù)，波長(zhǎng)決定圖像的極限分辨力，而頻率則決定可成像的組織深度。3.3聲速(C)是指聲波在介質(zhì)中傳播的速度。聲速是由彈性介質(zhì)的特性決定的。目前，較多采用人體軟組織平均聲速的數(shù)值是1540m／s。聲速C、波長(zhǎng)入、頻率f或周期T之間的關(guān)系符合:關(guān)系式：C=λ*F或λ=C/F

3.4聲強(qiáng)(soundintensity)

聲強(qiáng)是指超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)通過垂直于傳播方向的單位體積的平均能量。聲強(qiáng)與聲源的振幅有關(guān)，振幅越大，聲強(qiáng)也越大。4、反射與折射與自然光在空氣和水中傳播一樣，超聲在人體組織中傳播不僅有衰減，同時(shí)還存在著反射、折射與透射現(xiàn)象。如果超聲在非均質(zhì)性組織內(nèi)傳播或從一種組織傳播到另一種組織，由于兩種組織聲阻抗率的不同，在聲阻抗率改變的分界面上便會(huì)產(chǎn)生反射、折射與透射。當(dāng)超聲波垂直分解面入射時(shí)，可得到最佳的反射效果。5、散射

聲波傳播過程中，遇到直徑小于波長(zhǎng)的微小粒子，微粒吸收聲波能量后，再向四周各個(gè)方向輻射球波，這種現(xiàn)象稱為聲散射，可出現(xiàn)在不規(guī)則的粗糙面上。生物組織的介質(zhì)中，散射現(xiàn)象時(shí)聲波傳播中最普遍、最基本的現(xiàn)象，它是脈沖回波技術(shù)的依據(jù)，也成為大多數(shù)超聲診斷技術(shù)的基礎(chǔ)。超聲的反射只能觀察到臟器的輪廓，超聲的散射卻能了解臟器內(nèi)部的病變。6、聲特性阻抗

聲場(chǎng)中某一位置上的聲壓與該處質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度之比定義為媒質(zhì)的聲特性阻抗，稱為聲阻抗率。

聲特性阻抗（Z）等于介質(zhì)的密度(p)與聲速(C)的乘積。聲阻抗是決定超聲波的傳播以及反射的一個(gè)重要因素。

醫(yī)用超聲診斷儀采用超聲回波法來(lái)檢測(cè)和提取人體解剖或運(yùn)動(dòng)信息以供臨床診斷需要。超聲從一種媒質(zhì)傳播到另一種媒質(zhì)時(shí)，如果兩種媒質(zhì)的聲特性阻抗相同，就可以獲得最大的傳聲效率。當(dāng)人體組織的聲特性阻抗為常量時(shí)，即傳聲媒質(zhì)在聲學(xué)上是均勻的，那么聲波將在人體中直線傳播，不會(huì)發(fā)生反射、折射及散射等現(xiàn)象。超聲在人體傳播時(shí)所發(fā)生的聲反射、聲散射等現(xiàn)象，完全是由于人體組織聲特性阻抗變化所引起的，而反射與散射又是目前所有回波型超聲診斷儀工作原理的基礎(chǔ)。人體組織的聲特性阻抗只要有0.1%的差異，探頭就可以檢測(cè)出回波，并將其轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，經(jīng)處理后在監(jiān)視器上顯示。7．聲衰減

聲波在介質(zhì)內(nèi)傳播過程中，由于截至的粘滯性、熱傳導(dǎo)性、分子吸收以及散射等因素導(dǎo)致聲能減少，聲強(qiáng)減弱的現(xiàn)象稱為聲衰減。絕大多數(shù)軟組織中，引起聲衰減的主要原因是聲吸收。由于聲吸收的現(xiàn)象，聲波傳播中的一部份能量被轉(zhuǎn)化為熱能，從而使繼續(xù)傳播的聲強(qiáng)減弱。在超聲診斷的頻率范圍內(nèi)，生物軟組織的聲衰減系數(shù)大多與頻率成正比。

超聲波頻率越高，分辨力越好，但衰減越強(qiáng)，穿透力越差；反之，頻率越低，分辨力越差，但衰減越弱，穿透力越強(qiáng)。在超聲診斷儀中，為使深部回聲信息清楚，一般采用靈敏度時(shí)間控制(STC)或時(shí)間增益控制（TGC）調(diào)節(jié)來(lái)補(bǔ)償聲衰減。（二）與普通聲波比較的優(yōu)勢(shì)：①由于超聲波的頻率高，因而波長(zhǎng)很短，它可以像光線那樣沿直線傳播，使我們有可能只向某一確定的方向發(fā)射超聲波；②由于超聲波所引起的媒質(zhì)微粒的振動(dòng)，即使振幅很小，加速度也很大，因此可以產(chǎn)生很大的力量。

超聲波的這些特性，使它在近代科學(xué)研究、工業(yè)生產(chǎn)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域等方面得到日益廣泛的應(yīng)用。例如：我們可以利用超聲波來(lái)測(cè)量海底的深度和探索魚群、暗礁、潛水艇等。在工業(yè)上可以用超聲波對(duì)金屬內(nèi)部的氣泡、傷痕、裂縫等缺陷進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域可以進(jìn)行超聲滅菌、超聲清洗、超聲霧化等。更重要的是做成各種超聲診斷儀器和治療儀器。

超聲波在人體傳播主要有以下的物理特性：1、束向性或指向性2、反射、折射、散射和繞射3、超聲波的吸收與衰減4、多普勒效應(yīng)超聲成像的基本原理和過程主要是依據(jù)上述超聲波在介質(zhì)中傳播的物理特性，其中最為重要的有以下三個(gè)方面：即聲阻抗特性、聲衰減特性、多普勒特性。（三）超聲的物理特性三、超聲成像的特點(diǎn)

1、有高的軟組織分辨力，組織只要有0.1%的聲阻抗差異，儀器就能檢測(cè)出并顯示其反射回波。目前，超聲成像已能在近20厘米的檢測(cè)深度范圍，獲取優(yōu)于1毫米的圖像空間分辨力。2、具有高度的安全性，當(dāng)嚴(yán)格控制聲強(qiáng)低于安全閾值（平均聲強(qiáng)小于10mW/cm2）時(shí)，超聲可稱為一種無(wú)損傷的診斷技術(shù)，對(duì)醫(yī)務(wù)人員更是十分安全。3、實(shí)時(shí)成像能高速實(shí)時(shí)成像，可以觀察運(yùn)動(dòng)的器官，并節(jié)省檢查時(shí)間。4、使用方便，費(fèi)用較低，用途廣泛。

超聲診斷儀的基本組成包括：

發(fā)射與接收單元(Tx／Rx)、數(shù)字掃描轉(zhuǎn)換器部件(DSC)、鍵盤、面板開關(guān)組件、超聲探頭、監(jiān)視器、攝影部件和電源部件等。

四、超聲診斷儀的基本結(jié)構(gòu)主要由面板接口、探頭、發(fā)射/接收單元、數(shù)字掃描轉(zhuǎn)換器、監(jiān)視器、顯示器幾部分組成。（一）面板接口

面板上的開關(guān)，編碼數(shù)據(jù)后饋送開關(guān)信號(hào)到Tx／Rx單元及數(shù)字掃描轉(zhuǎn)換器部件，面板也提供增益控制信號(hào)，并傳送這一增益控制信號(hào)對(duì)Tx／Rx組件中的放大器作STC(靈敏度時(shí)間控制)及增益控制。（二）探頭探頭也稱超聲換能器，由壓電晶體片制成。當(dāng)在晶片(又稱振子)上加高頻電脈沖激勵(lì)時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生高頻振動(dòng)發(fā)射超聲波。而由界面反射的回聲信息到達(dá)晶片表面產(chǎn)生振動(dòng)，轉(zhuǎn)換為高頻電信號(hào)，通過放大處理后轉(zhuǎn)變?yōu)閳D像信息。探頭既是發(fā)射器也是接收器，是整個(gè)超聲設(shè)備中的關(guān)鍵部件。超聲診斷儀探頭有多種型號(hào)，體外常用的探頭有：電子線陣探頭、電子凸陣探頭、電子相控陣探頭；腔內(nèi)探頭有：經(jīng)食管探頭、直腸探頭、陰道探頭等。

1探頭基本結(jié)構(gòu)（1）換能器（2）殼件（3）電纜（4）其它：機(jī)械探頭中有電機(jī)，傳動(dòng)部件、位置檢測(cè)部件等。

背襯吸收塊匹配層壓電振子匹配層(保護(hù)層）被測(cè)組織A單元換能器

根據(jù)臨床診斷的要求，換能器有許多種不同結(jié)構(gòu)形式，而單元換能器是基本的結(jié)構(gòu)．單元換能器它由主體和殼體兩部分組成．

（１）主體：①壓電振子，它是產(chǎn)生壓電效應(yīng)的元件．

②吸收塊，吸收來(lái)自壓電振子的的聲能。③匹配層Ⅰ發(fā)射狀態(tài)，界面不發(fā)生發(fā)射，超聲全部透射進(jìn)入人體，提高換能器發(fā)射能量。Ⅱ接收狀態(tài)，回波全部進(jìn)入換能器，提高換能器的靈敏度。

（２）殼體：包括：①外殼為換能器的結(jié)構(gòu)件．

②接插件

與超聲診斷儀連接的插頭

③電纜線

超聲激勵(lì)電源及信號(hào)的連接

外殼接插機(jī)構(gòu)電纜線壓電振子吸收塊匹配層B

多元換能器

多元換能器是由多個(gè)單元振子組成．有的將振子沿直線排列為一行，組成線陣探頭；有的將振子沿弧形排列，構(gòu)成凸陣探頭；有的將振子成矩陣排列，構(gòu)成矩陣探頭等多種多元超聲換能器．

2、壓電效應(yīng)

（1）正壓電效應(yīng)

在晶體或陶瓷的一定方向上，加上機(jī)械壓力，使其變形，晶體或陶瓷的兩個(gè)受力面上，產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷；變形方向相反，兩面的電荷極性隨之變換．電荷密度同施加的機(jī)械力成比．這種因機(jī)械力作用而激起表面的電荷效應(yīng)，稱為正壓電效應(yīng)。在醫(yī)學(xué)應(yīng)用中，超聲的接收就是利用了正壓電效應(yīng)，即把超聲對(duì)壓電材料表面的機(jī)械力傳換成為電信號(hào)。+++----+-----++++++++----+-----++++++++---壓電體未受外力兩側(cè)不帶電荷壓電體受拉力兩側(cè)帶電荷壓電體受壓縮力兩側(cè)帶電荷正壓電效應(yīng)（2）逆（負(fù)）壓電效應(yīng)

在晶體或陶瓷表面沿軸方向施加電壓，在電場(chǎng)作用下引起幾何應(yīng)變，電壓方向改變，機(jī)械應(yīng)變方向亦隨之改變，形變與電場(chǎng)成比例．這種因電場(chǎng)作用而引起的形變效應(yīng)，稱為逆壓電效應(yīng)．

在醫(yī)學(xué)應(yīng)用中，超聲的發(fā)射就是利用逆壓電效應(yīng)，即用電壓使壓電材料產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，振動(dòng)在介質(zhì)中的傳播形成聲波。逆壓電效應(yīng)

---++++----++++-壓電體兩側(cè)加電場(chǎng)時(shí)長(zhǎng)度伸展壓電體兩側(cè)加相反電場(chǎng)時(shí)長(zhǎng)度壓縮3、壓電振子和壓電材料

A壓電振子

（1）定義：被覆激勵(lì)電極的壓電體。壓電振子是超聲換能器的核心部件，它由壓電材料制成。（2）性質(zhì)：具有正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)，具有機(jī)電轉(zhuǎn)換能力，是一個(gè)可逆的機(jī)電換能系統(tǒng)。

壓電片電極導(dǎo)線（3）符號(hào)B常用壓電材料壓電單晶體——石英—靈敏度高，機(jī)械性好，穩(wěn)定性好，不易加工壓電多晶體——壓電陶瓷—成本低，加工方便醫(yī)用超聲診斷人造壓電陶瓷和人造極性高分子聚合物，如鈦酸鋇、硫酸鋰、鈦酸鉛、鋯鈦酸鉛（PZT）。

C壓電材料的主要性能參數(shù)Ⅰ壓電系數(shù)：發(fā)射系數(shù)、吸收系數(shù)發(fā)射系數(shù)——單位電場(chǎng)所產(chǎn)生的形變，適用于制成發(fā)射型的換能器吸收系數(shù)——單位應(yīng)力產(chǎn)生的電場(chǎng)，適用于制成接收型換能器。Ⅱ居里點(diǎn)：當(dāng)溫度升至3000C時(shí)，將失去壓電效應(yīng)，這個(gè)臨界溫度點(diǎn)稱居里點(diǎn)。所以，探頭不能高溫消毒。Ⅲ頻率常數(shù)（FC）：FC=FS（諧振頻率）×d（厚度）

FS=FC/d。FC是特定的。FS決定于d高頻探頭

晶片很?。ㄒ騞很?。?，脆性大，加工損耗大，成本高，價(jià)格貴，所以，使用中特別小心。Ⅳ介電常數(shù)Ⅴ機(jī)電耦合系數(shù)（K）表示機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能的效率。主要與壓電振子的形狀與振動(dòng)模式有關(guān)。

4探頭分類

（1）脈沖回波式：

單探頭（用于A型、M型、機(jī)械扇掃和脈沖多普勒工作方式的超聲診斷儀中)、機(jī)械探頭、電子探頭、術(shù)中探頭、穿刺探頭、經(jīng)腔內(nèi)探頭。

（2）多普勒式：

常見形式：連續(xù)波CW和脈沖波PW多普勒探頭

梅花形探頭

（三）發(fā)射／接收單元發(fā)射／接收單元在電子掃描時(shí)傳送發(fā)射控制信號(hào)到探頭，并對(duì)來(lái)自超聲探頭的接收信號(hào)由放大系統(tǒng)進(jìn)行高頻放大、對(duì)數(shù)壓縮及有關(guān)預(yù)處理，并作電子聚焦和動(dòng)態(tài)聚焦控制、檢波，然后傳送到DSC部件。此外，這個(gè)部件還傳送DSC同步控制的有關(guān)信號(hào)，通過電子聚焦或動(dòng)態(tài)聚焦方式使超聲束聚焦，以提高側(cè)向(橫向)分辨力。（四）數(shù)字掃描轉(zhuǎn)換器1、概念：一個(gè)存儲(chǔ)裝置，將信息一種格式存入存儲(chǔ)器，而以另一種格式讀出。DSC輸出為X——Y二維輸入格式，輸出格式是標(biāo)準(zhǔn)的電視光柵。DSC核心部件：半導(dǎo)體圖像存儲(chǔ)器。2、工作原理：數(shù)字掃描轉(zhuǎn)換器(DSC)部件對(duì)來(lái)自Tx／Rx單元的超聲視頻信號(hào)進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換

(模擬一