第八章超声成像设备

第八章超声成像设备医学影像技术学探测海深、海底暗礁等蝙蝠利用超声导航人们受到启示声呐探测鱼群、潜艇位置等绘水下数千米地形图仿生学直线传播能量大2、超声的特点：频率高1、什么是超声？高于20000Hz的声音超过正常人耳能听到的声波⑴超声导航声呐⑵穿透能力强①超声诊断仪②金属探伤仪⑶破碎能力强①杀菌、消毒②清洗精密零件③将不可混合液体混合如油和水⑷缩短种子发芽时间，提高发芽率；促进植物生长⑸超声加工如金刚石、玻璃等⑹超声除尘如烟囱里冒的黑烟3、超声的应用医学方面:1、超声治牙2、超声诊断仪（B超）3、人体内结石击碎4、超声波加湿器（雾化）5、医疗器械杀菌、消毒超声检查是利用超声的物理特性和人体器官组织声学性质上的差异，以波形、曲线或图像的形式显示和记录，借以进行疾病诊断的检查方法。不足之处在于图像的对比分辨力和空间分辨力不如CT和MRI高。医学超声的优点超声波成像优点无损伤，无痛苦，无电离辐射，可反复进行，尤其适合软组织诊断，有较高灵敏度和分辨率，是目前唯一能实时观察心脏内部结构的临床检查方法。超声波成像特点（1）有高的软组织分辨力。（2）具有高度的安全性。（3）实时成像。超声成像发展史1917年法国人发明声纳20世纪40年代末，超声用于医学诊断（A型）20世纪50年代初，临床使用脑回声图，M型超声心动图20世纪50年代末，超声多普勒技术20世纪60年代中，B型超声诊断仪20世纪80年代，双功(duplex)声像图+多普勒频谱20世纪90年代，新技术，三功(triplex)声像图+多普勒频谱+彩色多普勒血流显示，三维立体声像图及数字化由黑白灰阶超声成像发展到彩色多普勒超声谐波成像、组织多普勒成像等新型成像技术和各项新的超声检查技术（如腔内超声检查、器官声学造影检查、介入超声）逐渐应用于临床。由单纯诊断发展到诊断与治疗两方面。目前超声和X线-CT、磁共振与核医学共同组成现代四大医学影像技术。超声成像发展史中国超声成像发展史始于1958年秋，诞生地在上海，2008年超声诊断50周年“上海市第六人民医院-中国超声诊断发源地”医学超声设备的发展趋势一方面是价格低廉的便携式超声诊断仪大量进入市场另一方面是向综合化、自动化、定量化和多功能等方向发展，介入超声、全数字化电脑超声成像、三维成像及超声组织定性不断取得进展，使整个超声设备和诊断技术呈现出持续发展的热潮。在探头方面，新型材料、新式换能器不断推出，如高频探头、腔体探头、高密度探头相继问世，进一步提高了超声诊断设备的档次与水平。超声基础知识（一）超声波的概念和基本特性超声波的概念频率在2万赫兹以上的机械振动波，称为超声波(ultrasnicwave)，简称超声(ultrasound)。超声波在传声介质中的传播特点是具有明确指向性的束状传播，这种声波能够成束地发射并用于定向扫查人体组织。超声波的产生医用高频超声波是由超声诊断仪上的压电换能器产生的，这种换能器又称为探头，能将电能转换为超声能，发射超声波，同时，它也能接受返回的超声波并把它转换成电信号。1.超声频率（f），不变单位时间内质点振动的次数，医学诊断用超声的频率一般在兆赫级，称为高频超声波，由探头中压电材料决定，在2～10兆赫兹范围。2.超声波长（λ）相邻两个同相位的振动点之间的距离3.周期（T），不变传播一个波长距离所需要的时间超声基础知识声波20Hzf20KHz听觉范围超声波f20KHz次声波f20Hz超声基础知识fcT4.声速（c）由传播介质决定，不同人体组织器官的声速不同，平均声速为1540米/秒，在骨骼内穿透能力小（4050米/秒），成像不灵敏声速C、波长入、频率f或周期T之间的关系符合:=5.反射、折射、透射：与自然光在空气和水中传播一样，超声在人体组织中传播不仅有衰减，同时还存在着反射、折射与透射现象。超声基础知识如果超声在非均质性组织内传播或从一种组织传播到另一种组织，由于两种组织声阻抗率的不同，在声阻抗率改变的分界面上便会产生反射、折射与透射。当超声波垂直分解面入射时，不产生折射，可得到最佳的反射效果。6、散射：声波传播过程中，遇到直径小于波长的微小粒子，微粒吸收声波能量后，再向四周各个方向辐射球波，这种现象称为声散射，可出现在不规则的粗糙面上。散射障碍物：红细胞、脏器内微小组织超声基础知识多普勒成像根据生物组织的介质中，散射现象时声波传播中最普遍、最基本的现象，它是脉冲回波技术的依据，也成为大多数超声诊断技术的基础超声的反射只能观察到脏器的轮廓，超声的散射却能了解脏器内部的病变。7、声压有声波存在时，媒质中的压强瞬时值与静压强的差值。单位：帕（Pa）声压是不断变化的，声源若做周期性振动，声压也做周期性变化超声基础知识8、声强(soundintensity)是指超声波在介质中传播时，单位时间内通过垂直于传播方向的单位体积的平均能量。其大小表示声波的强弱，声强与声源的振幅有关，振幅越大，声强也越大。超声基础知识超声的定义、特性及产生机制超声声束的空间分布1.声束在一个有限的立体角内传播的超声。2.声轴声束的中心线。3.近程区靠近探头区域，声束等宽4.远程区远离探头区域，声束发散超声的定义、特性及产生机制超声声束空间分布示意图9.声阻抗声场中某一位置上的声压与该处质点振动速度之比定义为媒质的声特性阻抗，称为声阻抗率声特性阻抗（Z）等于传播媒质的密度(ρ)与声速(C)的乘积。声阻抗是决定超声波的传播以及反射的一个重要因素。超声基础知识如果两种媒质的声阻抗Z相同，获得最大的传声率人体组织的声阻抗0.1%的差异，探头就可以检测出回波，转化为电信号，经处理后显示10.声衰减声波在介质内传播过程中，由于介质的粘滞性、热传导性、分子吸收以及散射等因素导致声能减少，声强减弱的现象称为声衰减。绝大多数软组织中，引起声衰减的主要原因是声吸收。由于声吸收的现象，声波传播中的一部份能量被转化为热能，从而使继续传播的声强减弱。在超声诊断的频率范围内，生物软组织的声衰减系数大多与频率成正比。超声基础知识◆超声波可在气体、液体、固体等介质中传播◆超声波可以传递很强的能量◆超声波在传播过程中会产生反射、折射、散射、绕射、干涉等现象根据被探测的声波特点分为：穿透式超声诊断仪和回波式超声诊断仪根据其利用的物理特性不同分为：回波幅度式和多普勒超声成像设备的分类1.回波幅度式利用回波幅度变化来获取组织信息的超声诊断仪提高组织器官解剖结构和形态方面的信息。（1）A型超声诊断仪：A型超声采用幅度调制显示，回波信息在显示器上以脉冲波形显示横坐标：超声波传播时间，探测深度纵坐标：回波脉冲的幅度超声成像设备的分类（2）M型超声将A型超声获取的回波信息，用亮度调制方法加于显示器内阴极摄像管（CRT）阴极或栅极上，并在时间轴上加以展开，最终显示的是被探测界面运动的轨迹能反应心脏各层组织界面的深度随心脏活动时间的变换情况。超声成像设备的分类（3）B型超声诊断仪/B超是当今世界使用最广泛的超声诊断仪。它采用回波信号的幅度调制显示器亮度。它以明暗不同的光点反映回声变化，在影屏上显示9-64个等级的灰度图象强回声光点明亮，弱回声光点黑暗按扫描线逐行显示随深度变换的回波信号即构成一幅二维断面图象类型：扇形扫描、线性扫描、复合式B超超声成像设备的分类（4）C型、F型超声诊断仪超声波束能进行X、Y两个方向扫描（平面），采用亮度调节。C型距离选通（平面深度位置）是一个常数（固定深度）F型则是一个变量超声成像设备的分类（5）3D型超声诊断仪显示组织器官的立体结构或功能图，利用亮度来反映回波信息由二维扫描获取的平面图来重建三维图超声成像设备的分类回波幅度式超声诊断仪是一般利用灰阶来表示回波幅度的差异，灰阶级数越多，表达能力越强2.多普勒式多普勒效应：振动源和接受体在连续介质中有相对运动时，所接收到的回声频率不同于振动源所发射声频率，其差别与相对运动的速度有关，这种现象就叫做超声的多普勒效应。超声成像设备的分类目前常用的超声多普勒有:连续波式多普勒（CWD）脉冲式多普勒（PWD）彩色多普勒（CDFI）超声成像设备的分类彩色多普勒超声诊断仪是一个综合性的超声诊断系统，在B型图像上叠加彩色血流图1.显示人体组织器官的形态结构2.反映运动信息超声成像设备的分类复习：便携式超声仪复习超声成像脉冲回波幅度成像A超：幅度调制型B超：辉度调制型M超：运动显示型脉冲回波频移信号成像PW：脉冲多普勒显像CW：连续多普勒显像彩色多普勒显像灰阶是将声信号的幅度调制光点亮度，以一定的灰阶级来表示探测结果的显示方式。复习显示屏上最黑到最亮的灰度等级差，取决于信号的强度。灰阶级数越多，图像的层次越丰富，图像细节的表现能力越强。二、超声探头超声探头（ultrasonicprobe）是超声成像设备必不可少的关键部位，它是将电信号变化为超声波信号，又将超声波信号变换为电信号，即具有超声发射和接受双重功能。对某些非对称结晶材料（如石英）进行一定方向的加压或拉伸时，表面的两侧将会出现符号相反的电荷，具有此性质的材料称为压电材料，分为压电晶体、极化陶瓷、高分子聚合物和复合材料等。人造压电陶瓷和人造极性高分子聚合物，如钛酸钡、硫酸锂、钛酸铅、锆钛酸铅（PZT）（一）压电晶体俗称振元或振子，是探头的核心部分压电材料天然—石英晶体—价格贵、性能差人工—锆钛酸铅1.电-声相互转换效率高，灵敏度高2.易于电路匹配，性能稳3.非水溶性，耐湿防潮，机械强度大4.价格低廉，易于加工压电晶体压电晶体具有压电效应和电致伸缩效应压电晶体未受外力两侧不带电荷正压电效应压电效应：在压电晶体适当方向施加作用力时，相对电极板上会出现与外力成正比的正负电荷，形成一定的电压信号，利用压电效应接收超声波。压力变形产生电场电致伸缩效应(反压电效应)：在相对两个电极板上加一交变电压，压电晶体能按电压变化规律伸长或收缩。利用此效应可以产生超声波。电场变形（二）探头基本结构换能器外壳连接电缆其它：机械探头中有电机，传动机结构、位置信号等。声透镜匹配层1匹配层2压电晶体吸声材料地电极“火”电极换能器完成超声与电信号相互转换发射超声波和接收超声回波由声透镜、匹配层、压电晶体、吸收块组成外壳压电晶体圆片或长条形片谐振频率由厚度决定，厚度↓，谐振频率↑匹配层使声能高校第在压电晶体和人体软组织之间传输提高换能器的灵敏度、减少失真和展宽频带声透镜：凹凸或凸透镜，将换能器发出的波速聚焦，提高超声诊断仪的分辨力超声束换能器声透镜吸声块由吸声材料制成将向后辐射的声能吸收掉，消除后向干扰晶体振荡的阻尼装置，缩短振动周期超声的振动周期由晶体和阻尼材料决定，影响成像的轴向分辨力外壳：支撑、屏蔽、密封盒保护换能器连接电缆：连接换能器与主机（三）探头分类1.按诊断部位：心脏、眼科、腹部、颅脑、腔内、儿童探头等2.按应用方式：体外、体内、穿刺活检探头等3.按振子单元数分式单元探头，多元式探头（线阵、相控阵、方阵、凸阵）。4.按波束控制方式：线性、机械扇扫、方阵探头等5.按几何形状：圆形，弧形、方形、矩形探头6.按工作原理分：脉冲回波探头、多普勒式探头多普勒式探头利用多普勒效应来测量血流参量，进行心血管疾病的诊断；也可以用于胎儿监护。根据用途分为：（1）常见形式：连续波和脉冲波多普勒探头CW发射振元与接收振元是分割式，不加吸声材料。PW与脉冲回波式探头相似（2）梅花形：中心有一发射振元，周围有六只接收振元，用于获取胎儿心率超声探头及扫描图片超声发射和接收都由压电晶体完成的，压电晶体需要的能量来源于电压脉冲信号，由发射电路（脉冲发生器）产生三、发射与接收电路MOS场效应管即金属-氧化物-半导体型场效应管，属于绝缘栅型。作用：电压控制器，温度稳定性好，抗辐射强，噪声低。可作可变电阻、作电子开关雪崩二极管：稳压二级管的一种，利用的是半导体反向雪崩击穿原理做成的稳压管，作用就是稳压。可做限幅器，钳位器等，一般用作信号稳压。或在电路中作基准电压原。匹配