醫(yī)學(xué)超聲原理與技術(shù)

醫(yī)學(xué)超聲原理與技術(shù)第一單元緒論醫(yī)學(xué)超聲：超聲物理學(xué)、超聲工程學(xué)，與醫(yī)學(xué)超聲診療與治療。超聲物理：振動(dòng)和波是理論基礎(chǔ)，研究超聲波在生物組織中的傳播特征和規(guī)律。超聲工程學(xué):電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，依托超聲物理的結(jié)論。設(shè)計(jì)研制醫(yī)學(xué)診療設(shè)備和治療設(shè)備。超聲診療：主要是根據(jù)超聲波在生物組織中傳播規(guī)律、組織特征、組織幾何尺寸的差別使超聲波的透射、反射、散射、繞射及干涉等傳播規(guī)律和波動(dòng)現(xiàn)象也不同，從而使接受信號(hào)的幅度、頻率、相位、時(shí)間等參量發(fā)生不同的變化，經(jīng)過(guò)對(duì)這些參量的測(cè)量、成像來(lái)辨認(rèn)組織的差別、鑒別組織的病變特征。超聲治療：主要利用生物體吸收超聲波的特征、也即利用超聲波的生物效能和機(jī)理，達(dá)成治療的目的。超聲成像設(shè)備分類（上）一、按超聲波型分類連續(xù)波超聲設(shè)備脈沖波超聲設(shè)備二、按利用物理特征分類回波式超聲診療儀透射式超聲診療儀三、按設(shè)備的構(gòu)造分A超：是一種最基本的顯示，示波器上橫坐標(biāo)表達(dá)超聲波的傳播時(shí)間（探測(cè)深度），縱坐標(biāo)表達(dá)脈沖回波幅度（Amplitutede),故稱為A型顯示，簡(jiǎn)稱A超。臨床利用測(cè)量人體器官位置，尺寸、組織的聲學(xué)特征、診療疾病超聲設(shè)備分類（下）M型超聲診療設(shè)備-M超－超聲心動(dòng)圖儀：在熒光屏上得到組織器官（心臟)許多曲線－構(gòu)成超聲心動(dòng)圖。反應(yīng)不同介面不時(shí)間反射超聲波的強(qiáng)弱。是亮度調(diào)制型設(shè)備。臨床主要用于研究心血管疾病、可與心電圖、心音圖、脈搏結(jié)合考慮分析，測(cè)量心血管的部分大小、厚度，瓣膜的運(yùn)動(dòng)。B型超聲診療設(shè)備：B超－切面顯像儀。靜止目的B型超聲顯像儀；實(shí)時(shí)B型超聲顯像儀，數(shù)字掃描B型超聲成像設(shè)備，代計(jì)算機(jī)的B型超聲成像設(shè)備四種。C超與F型超聲成像設(shè)備：橫斷面成像，曲面成像。D超：脈沖回波D型超聲診療儀，連續(xù)波D型超聲診療儀。彩超=B+D+M,多功能超聲成像設(shè)備。彩色顯示。CDFI彩色血流（低速)顯像儀CDTI(高速）CDE(彩色、幅度，大?。┑退傺鞯牟噬嗥绽漳茏V圖，DPA(大小，方向）CHI,THI超聲全息診療設(shè)備超聲顯微鏡超聲CT超聲外科設(shè)備超聲治療設(shè)備超聲設(shè)備發(fā)展歷程1880年，法國(guó)科學(xué)家皮爾和Jacques.居里壓電效應(yīng)。1923年法國(guó)科學(xué)家保羅－郎之萬(wàn)發(fā)覺(jué)逆壓電效應(yīng)。1923年聲納1942年奧地利科學(xué)家A超，探測(cè)頭顱1952年美國(guó)科學(xué)家B超1954年B超臨床1956年日本科學(xué)家多普勒超聲探測(cè)心臟1967年電子探頭1968年TGC1968年研究計(jì)算機(jī)用于B超設(shè)備，DSC數(shù)字掃描1973年C超，1978年F超1983年彩色學(xué)流圖（CFM），1990年3D掃描研制1991年數(shù)字化超聲成像系統(tǒng)不步入新的發(fā)展階段CDTICDEDPACHITHI超聲成像研究進(jìn)展醫(yī)學(xué)超聲基礎(chǔ)理論研究、新型壓電材料和超聲傳感器、計(jì)算機(jī)處理、超聲成像技術(shù)與信息傳播技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。20實(shí)際70年代以B型超聲顯像技術(shù)為特征；80年代以彩色Doppler血流成像技術(shù)為特征；90年代則以超聲體成像為特征。新技術(shù)的發(fā)展特點(diǎn)體目前寬頻帶化，數(shù)字化，多功能化，多維化以及信息化等幾種方面。超聲成像的研究?jī)?nèi)容超聲成像的聲學(xué)基礎(chǔ)：超聲場(chǎng)是怎樣的？怎樣產(chǎn)生超聲波？超聲波在人體中的傳播情況？超聲波束的控制超聲波是發(fā)散的，怎樣讓其具有方向性，能夠定位組織器官的位置。超聲回波信號(hào)的處理怎樣從超聲回波信號(hào)中提取組織信息并轉(zhuǎn)換為圖像顯示？超聲圖像處理重建三維圖像，圖像增強(qiáng)，特定的圖像處理。第二單元超聲成像聲學(xué)基礎(chǔ)超聲波的定義及表達(dá)措施超聲的物理量超聲場(chǎng)超聲波物理特征超聲的傳播與衰減超聲波的多普勒效應(yīng)超聲波的定義及表達(dá)措施

描述超聲波的物理量

聲壓、聲強(qiáng)與聲阻抗率聲壓,指在某一瞬時(shí)壓強(qiáng)相對(duì)于無(wú)聲波時(shí)的壓強(qiáng)變化（變化量）聲強(qiáng)指聲波傳播的能流密度，即在單位時(shí)間內(nèi)經(jīng)過(guò)垂直于傳播方向上單位面積的聲音能量聲阻抗率定義為：Zs=p/v式中，p為聲場(chǎng)中某點(diǎn)聲壓，v為該位置媒質(zhì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度。顯然，在相同聲壓作用下，對(duì)于聲阻抗率大的媒質(zhì)，其媒質(zhì)質(zhì)點(diǎn)振速小，而對(duì)于聲阻抗率小的媒質(zhì)，其媒質(zhì)質(zhì)點(diǎn)振速就大。所以，聲阻抗率的意義可了解為聲場(chǎng)中某位置媒質(zhì)的限速能力。超聲場(chǎng)超聲場(chǎng)：超聲場(chǎng)是指發(fā)射超聲在介質(zhì)中傳播時(shí)其能量所達(dá)成的空間。超聲場(chǎng)簡(jiǎn)稱聲場(chǎng)，又可稱為聲束。掃描聲束的形狀、大?。ù旨?xì)）及聲束本身的能量分布，隨所用探頭的形狀、大小、陣元數(shù)及其排列、工作頻率（超聲波長(zhǎng)）、有無(wú)聚焦以及聚焦的方式不同而有很大的不同聲束還受人體組織不同程度吸收衰減、反射、折射和散射等影響即超聲與人體組之間相互作用的影響超聲波物理特征束射特征超聲波的頻率較高，波長(zhǎng)較短，發(fā)射超聲波的能量集中于一種較狹窄的圓柱區(qū)域，超聲波的這一特征有利于多超聲束的聚焦，達(dá)成診療設(shè)備側(cè)向辨別力的指標(biāo)。能量高、穿透性強(qiáng)聲波的能量正比于頻率，醫(yī)用超聲波的頻率較高，所以能量較大，而且集中于一種狹窄的圓柱區(qū)域內(nèi)，這使它很輕易穿透人體的軟組織。疊加特征當(dāng)兩列聲波在同一媒介中傳播時(shí)，如它們?cè)诳臻g某處相遇，將彼此疊加。相遇處質(zhì)點(diǎn)震動(dòng)為各個(gè)波所引起的分振動(dòng)的合成，在任一時(shí)刻質(zhì)點(diǎn)的位移是各個(gè)波在該點(diǎn)所引起的分位移矢量和。兩列波相遇后，依然保持原有特征（頻率、波長(zhǎng)、振幅、振動(dòng)方向等）不變，按照自己原來(lái)的傳播方向繼續(xù)邁進(jìn)。利用波傳播的疊加原理，能夠經(jīng)過(guò)發(fā)射多束聲波進(jìn)行疊加，增強(qiáng)超聲波的能量，提升穿透力。反射、折射、散射反射：超聲波的反射特征是醫(yī)療超聲成像的基礎(chǔ)。超聲波經(jīng)過(guò)聲阻抗不同的兩種介質(zhì)時(shí)，在媒介面上將產(chǎn)生反射，聲阻抗差別越大，反射的超聲強(qiáng)度越大。折射：超聲波的折射發(fā)生在聲波入射角不為零的情況下，超聲的折射定律與光波的折射定律相同。散射：超聲波在介質(zhì)傳播時(shí)，假如在介質(zhì)中具有大量雜亂微小粒子時(shí)（如人體組織中的顆粒構(gòu)造等），而且粒子的線度與波長(zhǎng)能夠相比，則超聲波遇到這些排列不規(guī)則的粒子后，將使其成為新的波源向四面發(fā)射波動(dòng)。這一現(xiàn)象也即為波的散射。顯然，散射體的線度比波長(zhǎng)越小，散射的影響越小。散射體越大，散射越大，使沿原來(lái)方向進(jìn)行的聲強(qiáng)減弱。超聲波的衰減衰減的原因主要有吸收、散射、聲束擴(kuò)散；介質(zhì)對(duì)超聲波的吸收：超聲的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮軅鲗?dǎo)，或被組織的粘滯性吸收能量被許多散射體如蛋白質(zhì)分子散射掉聲束擴(kuò)散使超聲在介質(zhì)中邁進(jìn)方向上的能量減小。聲衰減體現(xiàn)為回聲降低或消失，以至出現(xiàn)聲影。很強(qiáng)的反射界面后方回聲降低或消失，但反射與衰減是兩個(gè)概念。衰減系數(shù)超聲多普勒效應(yīng)當(dāng)聲波發(fā)射源與聲接受器有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，或者在更復(fù)雜情況下，當(dāng)聲波發(fā)射源、聲接受器和傳播聲波的介質(zhì)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，接受器所接受到的聲波頻率與發(fā)射頻率有所不同，這就是多普勒效應(yīng)。利用運(yùn)動(dòng)紅細(xì)胞對(duì)入射超聲產(chǎn)生的頻移或差頻，可進(jìn)行血流信號(hào)的檢測(cè)。超聲波的產(chǎn)生和接受超聲探頭超聲診療儀中，超聲的產(chǎn)生和接受是經(jīng)過(guò)超聲探頭來(lái)實(shí)現(xiàn)的。因?yàn)樘筋^是進(jìn)行電信號(hào)與聲信號(hào)的轉(zhuǎn)換部件，所以也稱作超聲換能器，是超聲診療儀中不可缺乏的部分，它將儀器中發(fā)射的高頻電信號(hào)，經(jīng)過(guò)探頭里晶體的振動(dòng)，轉(zhuǎn)變?yōu)槌暡?，發(fā)射進(jìn)人體組織內(nèi)；對(duì)于反射回來(lái)的超聲波，在超聲探頭的晶體上，再將超聲波轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l電信號(hào)，再經(jīng)過(guò)一系列的處理最終由顯示屏顯示出來(lái)。超聲探頭的構(gòu)造壓電晶體：作為超聲換能器的關(guān)鍵元件，當(dāng)受電脈沖鼓勵(lì)時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)，產(chǎn)生超聲波，反之，當(dāng)超聲波作用于晶片，晶片振動(dòng)形變轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)，換能器的敏捷度和帶寬取決于壓電晶片，壓電晶片的振動(dòng)頻率即為換能器的工作頻率，為得到較高的效率，晶片在共振狀態(tài)下工作。壓電晶片的背面填充吸聲材料。作用：產(chǎn)生短促的超聲脈沖信號(hào)，以提升縱向辨別力。壓電晶片的前面貼以匹配層。除可保護(hù)壓電材料外，還使壓電材料與人體皮膚之間的聲阻差相近。壓電換能器的特征頻率特征壓電換能器的晶體本身是一種彈性體，所以有其固有的諧振頻率，當(dāng)所施力的頻率等于其固有頻率時(shí)，它將產(chǎn)生機(jī)械諧振，因?yàn)檎龎弘娦?yīng)而產(chǎn)生最大電信號(hào)。另一方面，當(dāng)所施加電的頻率和壓電晶體固有頻率一致時(shí)，因?yàn)槟鎵弘娦?yīng)則應(yīng)發(fā)生機(jī)械諧振，諧振時(shí)振幅最大，彈性能量也最大，這時(shí)，壓電晶體取得最大形變振動(dòng),經(jīng)過(guò)介質(zhì)產(chǎn)生超聲波輸出。換能特征換能器的換能特征涉及兩個(gè)方面:電能－機(jī)械能－超聲能，超聲能－機(jī)械能－電能。前者屬于發(fā)射過(guò)程，后者屬于接受過(guò)程。能量間轉(zhuǎn)換必然產(chǎn)生損失(產(chǎn)生了無(wú)益的能耗)，以轉(zhuǎn)換效率來(lái)表征換能器這一性能：電機(jī)轉(zhuǎn)換效率=輸出的機(jī)械功率／輸入的電功率機(jī)聲轉(zhuǎn)換效率=輻射的超聲功率／輸入的機(jī)械功率所以：電聲轉(zhuǎn)換效率=輻射的超聲功率／輸入的電功率暫態(tài)特征超聲診療儀的換能器大多工作于脈沖狀態(tài)，換能器對(duì)脈沖的響應(yīng)速率稱為暫態(tài)特征，這也是一項(xiàng)主要指標(biāo)。換能器的暫態(tài)特征與其頻率特征是有關(guān)系的，簡(jiǎn)言之，換能器的頻譜越寬，它的暫態(tài)特征也越好，可允許的超聲脈沖的寬度越窄。在這里，所描述的脈沖寬度是指斷續(xù)發(fā)射出超聲的時(shí)間長(zhǎng)度，單位是秒(s)，它與頻率（超聲波每秒振動(dòng)的次數(shù)）是不同的。常用探頭機(jī)械扇掃超聲探頭機(jī)械扇形掃描超聲探頭配用于扇掃式B型超聲診斷儀，它是依托機(jī)械傳動(dòng)方式帶動(dòng)傳感器往復(fù)搖晃或連續(xù)旋轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)扇形掃描。對(duì)于但陣元的探頭，其陣元的尺寸較大，聲束特征好，聲輻射能量強(qiáng)。電子陣列探頭陣列探頭內(nèi)部由換能器陣列構(gòu)成，每個(gè)換能器按照一定的尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)和排列，其排列方式能夠是線性，凸形等。對(duì)陣列換能器，采用組合發(fā)射和接受。為何？（從發(fā)射能量和聲束特征兩方面考慮）超聲探頭的鼓勵(lì)從線性系統(tǒng)理論的角度，換能器是一種變換系統(tǒng)，其頻響特征為其探頭的頻率特征，所以，鼓勵(lì)信號(hào)的頻譜應(yīng)該與探頭相匹配。采用脈沖進(jìn)行鼓勵(lì)，有雙極性和單極性兩種方式；單極性的脈沖寬度W=T/2;雙極性的脈沖寬度Wh=T/4;Wl=T/4鼓勵(lì)電壓：鼓勵(lì)電壓與發(fā)射功率有關(guān)，同步也要考慮其安全性，其峰峰值一般在100V~150V之間。下圖為雙極性設(shè)計(jì)超聲探頭的使用參數(shù)換能器的頻率陣元數(shù)超聲探頭頻率響線曲線第三單元數(shù)字B超原理與構(gòu)造B型超聲診療儀的工作原理大約能夠描述為：超聲診療儀由超聲換能器將鼓勵(lì)電信號(hào)轉(zhuǎn)換成某一頻率的超聲信號(hào)，超聲信號(hào)穿透進(jìn)入人體組織，在人體組織中傳播，當(dāng)人體組織中聲阻抗率不同步，將發(fā)生超聲反射，由超聲波的反射特征可知，相鄰聲阻抗相差越大，則反射的回波信號(hào)越強(qiáng)，所以，回波信號(hào)的強(qiáng)弱承載了人體組織的信息?；夭ㄐ盘?hào)反射到超聲換能器，由超聲換能器將回波信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，電信號(hào)的高下則代表了回波的強(qiáng)弱，轉(zhuǎn)換的電信號(hào)再經(jīng)過(guò)映射為灰階圖像，此時(shí)的灰階圖像就記載了人體組織的特征。數(shù)字B超構(gòu)造數(shù)字B超設(shè)計(jì)方案33數(shù)字B超的處理內(nèi)容＋＋＋數(shù)字B超硬件架構(gòu)發(fā)射電路接受電路關(guān)鍵控制系統(tǒng)外圍設(shè)備電源系統(tǒng)發(fā)射電路設(shè)計(jì)超聲發(fā)射硬件電路主要實(shí)現(xiàn)陣列換能器中參加發(fā)射的陣元的選擇切換、高壓脈沖信號(hào)的產(chǎn)生、調(diào)制，超聲換能器的驅(qū)動(dòng)。其中發(fā)射控制器由FPGA完畢，經(jīng)過(guò)高速mosfet驅(qū)動(dòng)晶片進(jìn)行超聲波信號(hào)的發(fā)送，高速陣列開(kāi)關(guān)用于選擇探頭中的子陣。在實(shí)際的電路設(shè)計(jì)中，涉及高壓脈沖調(diào)制電路，高速陣列選擇開(kāi)關(guān)路部分。高壓調(diào)制脈沖設(shè)計(jì)換能器鼓勵(lì)脈沖幅度驅(qū)動(dòng)器響應(yīng)時(shí)間驅(qū)動(dòng)能力發(fā)射頻率設(shè)計(jì)能夠用分離元件進(jìn)行構(gòu)建，市場(chǎng)也有集成器件，考慮設(shè)計(jì)難度以及分離元件所帶來(lái)的噪聲控制問(wèn)題，提議使用集成器件進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用HDL6V5538高壓開(kāi)關(guān)高速陣列開(kāi)關(guān)完畢換能器陣元與鼓勵(lì)信號(hào)的選通關(guān)系，選擇選擇HV2701來(lái)實(shí)現(xiàn)，它是一款16通道的模擬高壓開(kāi)關(guān)集成芯片，合用于低壓控制高壓信號(hào)開(kāi)關(guān)的場(chǎng)合，其原理圖設(shè)計(jì)如圖：接受電路硬件構(gòu)造超聲接受信號(hào)處理電路主要對(duì)接受的回波電信號(hào)進(jìn)行處理，是建立在模擬量處理基礎(chǔ)上的硬件電路設(shè)計(jì)：控制系統(tǒng)的硬件方案控制系統(tǒng)的功能 完畢波束合成：實(shí)時(shí)存儲(chǔ)+并行合 數(shù)字信號(hào)處理：迅速卷積運(yùn)算 系統(tǒng)應(yīng)用軟件：應(yīng)用交互+數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)+網(wǎng)絡(luò)共享+圖像處理方案分析控制系統(tǒng)和處理系統(tǒng)完畢的功能劃分？從成本、產(chǎn)品定位、系統(tǒng)復(fù)雜度進(jìn)行分析。 便攜式產(chǎn)品的架構(gòu)：FPGA+ARM 臺(tái)式產(chǎn)品的架構(gòu)：FPGA＋PC

數(shù)字波束合成技術(shù)為何要進(jìn)行波束合成？因?yàn)椴捎脝瓮ǖ佬纬傻某暡ㄖ赶蛐暂^差，強(qiáng)度較弱，噪聲較大，極難直接應(yīng)用于超聲成像中，當(dāng)代B超均采用超聲陣列成像技術(shù)：在發(fā)射時(shí)多種通道發(fā)射超聲波，接受時(shí)也采用多種通道來(lái)接受這些回波信號(hào)。但為取得辨別率特征好、動(dòng)態(tài)范圍大、旁瓣與噪聲水平低、幾何失真小的超聲圖像，必須對(duì)這多種通道的超聲信號(hào)（涉及發(fā)射和接受）進(jìn)行一定的時(shí)空控制，也就是需要對(duì)多通道的超聲波進(jìn)行波束合成。在整個(gè)數(shù)字B超系統(tǒng)中，超聲波束合成是至關(guān)主要的一環(huán)，它實(shí)現(xiàn)的好壞直接影響到后端信號(hào)處理中信號(hào)源的好壞，進(jìn)而嚴(yán)重影響到系統(tǒng)成像質(zhì)量。組合發(fā)射的掃描方式一種128陣元的探頭，16個(gè)通道，怎樣掃描得到一副超聲圖像，超聲圖像的線密度？組合掃描掃描順序?yàn)?、2、3、4、5...16號(hào)，接下來(lái)再是2、3、4、5...17號(hào)，依次類推，每次接受的時(shí)候，采用目前發(fā)射的陣元組接受，如圖所示：一幅圖像只能掃描128根線，在合成圖像時(shí)只能靠插值完畢，因?yàn)樾枰逯档臄?shù)據(jù)較多，圖像有失真的可能，尤其是圖像的橫向辨別力不能夠接受。d/2順序掃描第一次：陣元1至陣元15發(fā)射、接受，波束中心位于陣元8中心。第二次：陣元1至陣元16發(fā)射、接受，波束中心位于陣元8、9中間。第三次：陣元2至陣元16發(fā)射、接受，波束中心位于陣元9中心。第四次：陣元2至陣元17發(fā)射、接受，波束中心位于陣元9、10中間。能夠看出每次波束的位移為d/2，其扇掃密度相比組合陣元掃描增長(zhǎng)了一倍，128陣元，則其掃描線數(shù)為256條線。d/2間隔掃描該模式采用d/2方式掃查，但子陣的切換不是順序切換，而是在中間有一定的間隔進(jìn)行切換，按128個(gè)振元，16個(gè)通道，掃查過(guò)程如圖所示。第一次掃查1~15號(hào)陣元，第二次掃查114~128，第三次為1~16，第四次為113~128，這么每次掃描受前一次掃描深處回波信號(hào)的干擾非常小。d/4掃描當(dāng)采用d/4間隔掃描方式工作時(shí)，兩次掃描波束移位僅為d/4，所以，線密度相比組合順序掃描提升了4倍，圖像質(zhì)量進(jìn)一步改善。第一次：陣元1至陣元15發(fā)射、接受，接受波束位于陣元8的中心處。第二次：陣元1至陣元15發(fā)射，陣元1至陣元16接受，接受波束位于陣元8、9間d/4處。第三次：陣元1至陣元15發(fā)射，陣元2至陣元16接受，接受波束位于陣元8、9間d/2處。第四次：陣元1至陣元16發(fā)射，陣元2至陣元16接受，接受波束位于陣元8、9間3d/4處。第五次：陣元2至陣元16發(fā)射、接受，接受波束位于陣元9的中心處。相控掃描相控掃描是一種不同于間隔掃描的掃描方式，理論上利用相控掃描技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)任意間隔