第四章_医用超声诊断与治疗仪器

第四章医用超声诊断与治疗仪器学习目标掌握超声成像的基本原理；掌握超声诊断仪的基本组成和构造；掌握B超的工作原理的结构组成；熟悉超声诊断仪的种类；了解超声诊断仪的临床应用范围；第四章医用超声诊断与治疗仪器第一节超声波的物理特性主要内容1、什么是声波和超声波2、人体组织传播超声波的特征3、超声波在人体内传播的参数4、超声波的生物效应（安全性）一、声波和超声波自然界有各种各样的波，根据其性质基本上分为两大类：电磁波机械波电磁能量场的变化在空间的传播过程无线电波、可见光和X线等，都是电磁波机械波是机械振动的机械力（机械能量）作用在连续弹性介质内的传播过程声波、水波和地震波等都是机械波1890年，一艘名叫“马尔波罗号”帆船在从新西兰驶往英国的途中，突然神秘地失踪了。1948年初，一艘荷兰货船在通过马六甲海峡时，一场风暴过后，全船海员莫明其妙地死光；上述惨案，引起了科学家们的普遍关注，其中不少人还对船员的遇难原因进行了长期的研究。1、历史事件第四章医用超声诊断与治疗仪器2、关于次声infrasonicwave经过反复调查，终于弄清了制造上述惨案的“凶手”，是一种为人们所不很了解的次声的声波。人体内脏固有的振动频率和次声频率相近似（0.0001－20赫），倘若外来的次声频率与人体内脏的振动频率相似或相同，就会引起人体内脏的共振，从而使人产生上面提到的头晕、烦躁、耳鸣、恶心等等一系列症状。第四章医用超声诊断与治疗仪器在连续介质中传播的弹性波，若其频率f在202104Hz之间，则能使人产生声音的感觉，这种波称为声波(soundwave)；若其频率在10420Hz之间，则这种波称为次声波(infrasonicwave)；若其频率在21045108Hz之间，则这种波称为超声波(supersonicwave)。第四章医用超声诊断与治疗仪器人能听到声音的频率为20Hz～20000Hz，其中最敏感的频率2000Hz～3000Hz。老年人的听觉随着年龄而衰退，能听到的频率约为50Hz～12000Hz。第四章医用超声诊断与治疗仪器理论上：频率越高，波长越短，超声诊断的分辨率越好。3、医学超声200kHz至40MHz之间（常用在1MHz到10MHz，波长在1.5mm至0.15mm）频率范围第四章医用超声诊断与治疗仪器（1）频率：声源在一秒中内振动的次数，记作f。单位为Hz。（3）波长：沿声波传播方向，振动一个周期所传播的距离，或在波形上相位相同的相邻两点间距离，记为λ，单位为m二、超声波的物理特性第四章医用超声诊断与治疗仪器（4）超声波的传播速度：超声波每秒钟在介质中传播的距离称为声速，记作c，单位为m/s。它的大小由媒质的性质所决定；与媒质的密度和弹性模量有关。在人体软组织中传播的平均声速为1540ｍ／s频率f、波长λ和声速c三者之间的关系是:c=λf二、超声波的物理特性第四章医用超声诊断与治疗仪器介质名称声速(m/s)介质名称声速(m/s)空气(0℃)322肾脏1560空气(15℃)340头颅骨3360石蜡油1420羊水1550生理盐水(37℃)1532晶状体1474人体软组织(平均值)1540玻璃体1641血液1570巩膜1532脑组织1540钢铁1604肌肉1568铝5300脂肪1476有机玻璃6400肝脏1570骨骼4620超声波在各种介质中的传播速度P:介质中超声波的压力与静压力之差.超声声场某一点的单位时间内，垂直于传播方向上单位面积产生平均超声能量简称声强(用I表)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声阻抗（Z)二、超声波的物理特性声压声强声阻抗超声波声场的三个物理量第四章医用超声诊断与治疗仪器超声波在两种介质组成的界面上的反射和透射情况与两种介质的声阻抗密切相关声阻抗是表征介质声学性质的重要物理量对于一定频率的平面超声声波情况下，声阻抗具有简单的表达式Z=ρcC—为声速。Ρ—为介质密度媒质越硬，C值越高，声特性阻抗越大。第四章医用超声诊断与治疗仪器超声诊断中常用的各种介质的声特性阻抗表介质名称密度(g/cm3)超声纵波声速（m/s）声阻抗（×105瑞利）空气（22℃）0.00118344水（37℃）0.993415230.000407生理盐水（37℃）1.00215341.513石蜡油（33.5℃）0.83514201.186脑脊液1.00015221.522羊水1.01314741.493肝脏1.05015701.648肌肉1.07415681.684人体软组织（平均值）1.01615001.524脂肪0.95514761.410晶状体1.13616501.874颅骨1.65833605.570人体组织骨骼和矿物化后的组织气体和充气的肺液体和软组织二、超声波的物理特性由于这三类组织存在较大的阻抗差别，所以超声成像诊断只能用于那些有液体和软组织的区域第四章医用超声诊断与治疗仪器5、超声波的束射（定向）性人耳可感受的声音是无指向性的球面波，即以声源为中心呈球面向四周扩散周围均能听到声音超声波频率很高，方向性强二、超声波的物理特性第四章医用超声诊断与治疗仪器第一介质第二介质入射波反射波透射波介质分界面任何媒质总有一个边界，超声波在非均匀性组织内传播或从一种组织传播到另一种组织，由于两种介质声阻抗不同（介质的密度和声速不同）形成声学界面声学界面6、超声波的反射与折射二、超声波的物理特性第四章医用超声诊断与治疗仪器6、超声波的反射与折射二、超声波的物理特性第四章医用超声诊断与治疗仪器声阻抗差越大，反射就越强，折射就越小。声阻抗差越小，折射就越强，反射就越小。7、超声波的衰减——超声波在介质中传播时，随着距离增加，超声波能量逐渐减弱的现象。二、超声波的物理特性第四章医用超声诊断与治疗仪器扩散衰减•超声波的扩散衰减仅取决于波阵面的形状，与介质的性质无关；散射衰减•散射衰减与材质的晶粒密切相关；•人体中的散射源是血液中的红细胞和脏器内部的细微结构；吸收衰减•超声波在传播时，由于介质的吸收，将声能转化为热能，而使声能减少；•黏滞吸收；•弛豫吸收；•相对运动吸收；•空化气泡吸收；超声波的散射第四章医用超声诊断与治疗仪器二、超声波的物理特性第四章医用超声诊断与治疗仪器骨组织肌腱肝脏脂肪血液尿液超声波在人体组织中的衰减程度大小第四章医用超声诊断与治疗仪器二、超声波的物理特性8、多普勒效应——由于波源和观察者之间有相对运动，使观察者感到频率变化的现象叫做多普勒效应。第四章医用超声诊断与治疗仪器二、超声波的物理特性多普勒效应(Dopplereffect)1、现象(1842年发现)：当汽车向你驶来时，感觉音调变高；当汽车离你远去时，感觉音调变低。2、音调：由频率决定，频率越高音调越高，频率越低音调越低。注意：频率由声源决定，实际频率并没有变化。第四章医用超声诊断与治疗仪器二、超声波的物理特性超声多普勒仪器上的换能器向人体内发射频率已知的超声波，超声波被血管中的血流反射后又被仪器接收，测出反射波的频率变化，就能知道血流的速度。这种方法可以检查心脏、血管、血液、瓣膜和胎心等的活动。临床上应用多普勒效应:彩色多普勒超声诊断系统第四章医用超声诊断与治疗仪器心脏瓣膜&血管超声多普勒图像第二节超声成像基本原理2.1医学超声成像的基本原理超声成像的信息主要由反射回波和散射回波所携带，一个典型的超声回波应包含大界面的反射回波（位置信息）与小粒子的散射回波（结构信息）。目前超声诊断仪主要使用的是脉冲回波法原理；脉冲回波技术利用人体组织的不均匀性而引起的反射作用，通过检测脏器界面的反射波，实现组织定位，并检测其特性。第四章医用超声诊断与治疗仪器2.1医学超声成像的基本原理(a)超声脉冲发射的瞬间，显示器上光点垂直偏移。(b)超声脉冲以恒定速度通过介质1，光点在显示器上形成水平扫描线。(c)当超声到达1、2介质的分界面上，一部分能量经界面反射，大部分能量通过界面继续向前传播；反射回声到达探头，换能器将回声信号转换为电信号，并成为显示器垂直偏转板的输入信号，显示器上显示回声信号脉冲；(d)由2、3介质分界面反射的回声到达探头，在显示器上显示出相应的脉冲。第四章医用超声诊断与治疗仪器2.1医学超声成像的基本原理2cTs超声诊断仪器中，一般脉冲超声的发射与接收是由同一换能器完成的，根据发射脉冲和回波脉冲的时间间隔T，计算出反射界面与换能器（声源）之间的距离：式中，c为介质中的波速，生物体中除骨骼外，声速相差不大，因此在工程计算中通常取其平均值1540m/sA型超声成像波形图第四章医用超声诊断与治疗仪器第三节医用超声诊断&治疗仪器四大影像诊断设备功能特点X线机X－CT磁共振同位素超声成像•透视•拍片•无创、无电离辐射•断层成像•实时、动态•形态、功能与定征•设备价格便宜结构形态血流测量组织定征断层结构成像•设备简单•电离辐射•影像重叠•断层摄影•电离辐射•非实时•断层摄影•设备昂贵•非实时•断层摄影•分辨力低•放射性药物•断层结构•代谢功能代谢功能超声诊断仪器向人体内发射超声能量，并接收人体组织反射和散射的回波信号，根据其所携带的有关人体信息，加以检测、放大等处理，并显示出来，为医生提供诊断依据。超声治疗仪器向人体发射一定功率的超声能量，利用其与生物组织相互作用产生的各种生物效应，对有疾病的组织起到治疗作用。其它超声雾化设备超声清洗设备超声细胞粉碎设备第四章医用超声诊断与治疗仪器3.1医用超声仪器的种类3.2超声诊断仪器的基本构成第四章医用超声诊断与治疗仪器振荡器：即同步触发信号发生器，产生控制系统工作的同步触发脉冲，决定发射脉冲的重复频率。发射器：受触发后产生高压电脉冲激励超声换能器。换能器：产生超声脉冲，接收由目标形成的回波脉冲信号并转换成电信号，送入回波信息处理系统。回波信息处理系统：由射频信号接收放大器、检波器和视频放大器等组成，处理超声回波信息。显示器：显示图象信息。扫描发生器：在振荡器产生的同步脉冲控制下，输出扫描信号给显示器，使显示器上显示的超声回声图稳定。第四章医用超声诊断与治疗仪器3.2超声诊断仪器的基本构成换能器是超声仪器中的重要部件。其主要工作原理是利用晶体的压电效应。第四章医用超声诊断与治疗仪器3.2超声诊断仪器的基本构成如果对压电材料施加压力，它便会产生电位差，这种现象称为正压电效应如果压力是一种高频震动，则产生的就是高频电流如果对压电材料施加电压，它便会产生机械应力，这种现象称为逆压电效应如果电压是一种高频电信号，则产生的就是高频机械振动的声信号接收超声波发射超声波常见超声探头线阵换能器凸阵式扇形换能器相控阵扇形换能器机械扇扫换能器手术用超声换能器经直肠超声换能器经阴道超声换能器3.3超声诊断仪的显示型式超声诊断仪器按超声回波信号显示型式的不同，主要可分为A型超声、B型超声、C型超声、M型超声及P型超声。一、A型超声（AmplitudeMode）A型显示即幅度显示，以回波信号的幅度表示界面反射的强弱，是一种幅度调制型仪器。反射强，振幅高反射弱，振幅低特点：只能反映声线方向上局部组织的回波信息，不能获得临床解剖图，已基本淘汰。回声以波形显示第四章医用超声诊断与治疗仪器回波强度探头深度（时间）3.3超声诊断仪的显示型式二、B型超声（BrightnessMode）在A型超声诊断仪的工作基础上，加上换能器的平面扫描，当换能器的位置逐渐改变时（或采用多元换能器），使显示器上每一条时基线方向也相应地改变，则每条显示线代表了产生回波的每一个界面的空间位置，从而构成一幅二维图象。是一种辉度调制仪器。回声以辉度显示第四章医用超声诊断与治疗仪器3.3超声诊断仪的显示型式B型超声诊断仪器是一种辉度调制仪器，显示器上每个光点的亮度表示回波信号的幅度。按扫描方式分类，B超已经发展了四代，包括手动直线扫描、机械扫描、电子直线扫描和电子扇形扫描。B超图像由不同亮度的像素构成，像素亮度由反射回声的强弱所决定。黑色：没有反射（体液、空气）灰色：中等反射（组织）白色：反射较强（骨