医用超声技术的现状、发展趋势与新技术展望

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医用超声技术的现状、发展趋势与新技术展望

刘俊松

（广东威尔医学科技股份有限公司，广东珠海５１９０６０）

［摘要】超声医学是声学、医学和电子技术相结合的理、工、医综合学科。超声在医学上的应用主要有诊断和治疗两大类。超声诊断的最重要的特点是适时性、连续性和重复性。目前超声主要利用回波技术，但超声的物理参数甚多，发展潜力巨大。超声诊断与ｘ—ｃＴ、核磁共振、核素扫描已成为现代医学的四大影像技术。

【关键词】超声物理特性；超声生物特性；无线超声探头

［中图分类号】Ｒ３１２［文献标识码】Ａ［文章编号］１００７—７５１０（２００５）１２一００３８—０２

Ｔｈｅｓｉｔｕａｔｉｏｎ，ｄｅＶｅｌｏｐｉｎｇｔｒｅｎｄａｎｄｎｅｗｔｅｃｈｎｏｌＯｇｙｐｒｏｓｐｅｃｔｏｆｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｍｅｄｉｃｉｎｅ

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（ＧｕａｎｇｄｏｎｇＷｅｌｌＭｅｄｉｃａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｏ．Ｌｔｄ，ＺｈｕｈａｉＧｕａｎｇｄｏｎｇ５１９０６０，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒ８ｃｔ：Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｍｅｄｉｃｉｎｅｉｓａｉｎｔｅｒｄｉｓｃｉｐｌｉｎａｒｙｆｉｅｌｄｃｏｍｂｉｎｅｄａｃｏｕｓｔｉｃｓ，ｍｅｄｉｃｉｎｅａｎｄｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ．Ｔｈｅｍａｊｏｒａｐ—ｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｏｆ

ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｉｎｍｅｄｉｃｉｎｅａｒｅｄｉａｇｎｏｓｉｓａｎｄｔｈｅｒａｐｙ，ａｎｄｉｔｓｍａｉｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｍｅｌｉｎｅｓｓ，ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｎｅｓｓａｎｄｒｅｐｅａｔｉｎｇ．Ａｔｐｒｅｓｅｎｔ，ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｍｅｄｉｃｉｎｅｐｒｉｍａｒｉｌｙｔａｋｅｓｕｓｅｏｆｅｃｈｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｂｕｔｉｔｈａｓｍａｎｙｐｈｙｓｉｃａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓ

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ｄｅＶｅｌｏｐｉｎｇｐｏｔｅｎｔｉａｌｓ．Ｎｏｗｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｄｉａｇｎｏｓｉｓ，ｔｏｇｅｔｈｅｒｗｉｔｈＸ—ＣＴ，ＮＭＲａｎｄｎｕｃｌｉｄｅｓｃａｎ，ｈａｖｅａｌｒｅａｄｙｂｅｃｏｍｅｔｈｅｆｏｕｒｍａｊｏｒｉｍａｇｉｎｇｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓｉｎｍｏｄｅｒｎｉｍａｇｅｍｅｄｉｃｉｎｅ．

１【ｅｙｗｏｒｄｓ：ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｐｈｙｓｉｃａｌｃｈａｒａｃｔｅｒ；ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｂｉｏｌｏｇｉｃａｌｃｈａｒａｃｔｅｒ；ｗｉｒｅｌｅｓｓｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｐｒｏｂｅ

超声医学就是利用超声的物理特性和人体组织的声学特性进行的临床医学的研究。

１超声的物理特性

１．１超声波属机械波，具有波长、频率和速度等物理量，超声波的产生需要有波源和介质。

１．２束射性超声波能量可以集中成束状，且频率越高，波长越短，束射性越强，指向性越明显。

１．３波动特性超声在人体组织中传播时，遇到不同的声学介面时就会产生反射，声阻抗差越大，反射越强，介质密度越不均匀，界面就越多，反射也愈多。这些特点构成了超声对人体器官可以探测的基础。

１．４衰减特性超声在介质中传播时，声强逐渐减弱，振幅减小，这是因为介质对声能的吸收和分散，横向传播衰减可用聚焦克服。

１．５多普勒效应这种波源、观察者和介质三者相互运动时频率变化的现象称为多普勒效应（Ｄｏｐｐｌｅｒ）。

２超声影像技术原理

２．１超声影像设备由结构、硬件和软件三大部分组成

２．２超声成像的基本过程发射电路一高频脉冲一激励探头一发射超声波一在人体中传播一产生回波一探头接受一产生电信号一经高频放大一对数压缩一声束聚焦一增幅检波一形［收稿日期】２００５—０５—２３［修回日期】２００５一０６—３０成标准电视信号一显示。

２．３电声能转换探头内部的压电晶体加高频电脉冲时发生形变，转换成声脉冲，称逆压电效应；反过来接受回声脉冲时也发生形变，又产生电脉冲，称正压电效应，从而实现了电能和声能的互换。

２．４声束的聚焦聚焦能使声束变窄，发射和接收都要聚焦，其形式分透镜聚焦和电子聚焦。前者为声反射凹面镜，是压电材料做成的；后者为声波的相位调正，有线阵列和环阵列。聚焦宽度的大小是横向分辩力的量度，其深度是焦柱的长度。单焦点只在焦点附近的图像清晰；多焦点具有不同的焦距，可获得整个图像的清晰。

２．５动态滤波探头发射的脉冲信号很窄，而频谱很宽，超声波在人体传播中，高频衰减大于低频衰减，从而造成回波中心频率下移。采用动态滤波器，随着波束扫描，自动地改变滤波器的中心频率和带宽，以获得最佳的接收效果。

２．６对数压缩由于人体组织反射的差异，图像反差大，从而造成强、弱信号两端的信息损失。为此经放大和动态滤波后的接收信号要送至对数放大器，并压缩信号动态的范围。

２．７信号转换回波信号是模拟信号（Ａｎａｌｏｇ），需经Ａ／Ｄ电路离散化，即量化成数字视频信号（Ｄｉｇｉｔ８１）。而数字图像信号进行调亮显示，又经过Ｄ／Ａ变换器，转换成模拟的全电视信

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号。串行信号，经串／并电路转换，才能写入帧存贮器，而读出又经并／串电路恢复为串行信号，来完成扫描变换。

２．８灵敏度调试总增益调节为接受信号放大倍数的调节。时间增益补偿（ＴＧＣ），以补偿由超声衰减造成的深部组织显示不清的缺陷。深度增益补偿（ＤＧＣ）调节，即对近场回声强进行抑制，远场回声弱进行补偿，使其均匀一致。

２．９像素Ａ／Ｄ转化后的图像表观为点的集合，每个点称像素。辉度的量化单位为灰度，灰度即像素从白（亮）到灰，再到黑（暗）的过程。回声的界面以像素表示，各界面的回声振幅（强度）以辉度表示。像素越多，空间分辨力越好，灰阶级数越多，层次越显著，图像对比度分辨力越好。

２．１０图像质量分辨力表示两个目标点的最小间距，即距离（纵向）与方位（横向）分辨力之和。分辩率则表示单位距离内的点数。时间分辨力表征单位时间的成像速度；空间分辨力则由画面的像素总数决定。图像线分辨力，即帧图是由图像线组成，故单位面积内的图像线越多，越清晰。图像的质量取决于总像素Ｂ和总灰阶级数Ｇ。

３超声诊断的生物物理学基础

３．１人体组织的声学特性有声速、密度、声阻抗、声吸收系数、衰减系数、背向散射系数等，声衰减系数与声频率成正比。人体结构对超声而言是一个复杂的介质，各种器官与组织，包括病理组织有它特定的声阻抗和衰减特性，利用这些差异的规律，显示细微结构，这就是超声图像的构成基础。

３．２超声诊断声学基础声像图是以明暗不同的灰度来反映回声之有无和强弱，无为暗（黑影），强为亮（白影）。无回声为透声区，又分为液性暗区如血液；衰减暗区如肿瘤；实质暗区如肾实质等。低回声为实质器官如肝；强回声结构致密，如血管增多的肿瘤；极强回声是含气器官如肺等。当脏器有病变时，与正常组织的声学特性不同，各种病变组织亦有各自的声学特性及反射规律。

４超声诊断设备的发展现状

４．１一维显示

幅度调制型显示（ＡｍＤｌｉｔｕｄｅ）即Ａ型：即回波信号显示的是波形幅值的大小或强弱；其水平方向信号的距离代表着探测深度，即回声测距。辉度调制显示（Ｍｏｔｉｏｎ），即Ｍ型：亮度显示，回波信号光点的亮度代表强弱。最主要的特点是慢扫描电路，光点在垂直方向代表探测深度，而水平光点代表时间，由此得出一条位移一时间曲线，又称超声心动描记术。

４．２二维切面成像

超声切面成像，属辉度调制型（Ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ），即Ｂ型，又称超声断层法，或灰阶超声成像，目前应用最广。光点显示，亮度随回声信号变化，深度扫描为垂直方向，位移扫描为水平方向，构成切面显示图。ｃ型成像：成像画面与超声束垂直，与Ｂ型扫描面相差９０。。Ｆ型成像：与Ｃ型的原理基本相同，只不过ｃ型超声仪的延迟电路控制的距离选通门的开启时间是个可调常数，而Ｆ型是随位置变化的函数。这样成像不是一个平面，而是一个由位置函数决定的曲面，可从三维角度去观察。

４．３三维立体成像

静态成像由不同方位获取的二维图像，叠加而成，主要由软件完成。动态（实时）成像：将静态三维图像按不同时相顺序显示。

４．４多普勒成像

即Ｄ型（Ｄｏｐｐｌｅｒ），又称频移诊断法，即接收频率与发射频率之差，又称多普勒频移。目前可分为脉冲式多普勒（ＰｗＤ）、连续式多普勒（ｃｗＤ）、高脉冲重复频率式多普勒、多点选通式多普勒以及彩色多普勒（ｃＤＦＩ）血流显像五种。

５超声诊断设备发展趋势

５．１外形结构在保证主要功能的前提下使其小型多功能化，如笔记本和掌上Ｂ超等。

５．２显示技术经历了黑白、灰阶、彩阶和彩色；在显像空间技术有一Ｄ、二Ｄ、三Ｄ到多普勒；时间由慢扫描发展为快扫描；时态由三Ｄ静态发展为三Ｄ动态；按物理参数，分幅度法和频移法；在聚焦技术上由模拟超声发展为数字超声。

５．３探头技术形状的演变，有长形、园形、凸形、小Ｒ凸弧阵到微型导管腔内探头。根据扫查的方位，又分为单平面、双平面、多平面及穿刺式探头。根据扫描方式分为扇形扫描、方形扫描、凸阵、相控。按探测部位有心脏探头、腹部探头、阴道探头、直肠探头、食道探头、尿道探头等。按功能有穿刺探头、术中探头、高频探头等。

６超声医学新技术展望

超声设备的发展是紧密依托计算机硬件和软件的最新技术，融合声纳与雷达的现代最新科技，并努力探索人体组织状态的新参量，了解超声的物理新参数，结合临床医学的新探索，其发展潜力是无穷的。

６．１超声的物理新参数的技术开发采用雷达原理的电子相控阵扫描技术；非线性二次谐波成像技术；可提高纵向（轴向）分辨力的高频超声成像技术；具有宽频载波的超宽频带成像技术；高密度阵元探头技术和多维面阵的探头技术；多通道采集信号技术；超声ｃＴ（ｕｓ—ｃＴ）衍射断层成像技术；ｕｓ—ｃＴ按传播方式又可分超声透射成像和超声反射成像技术；利用超声干涉和衍射原理的全息超声成像技术；其成像系统又可分为超声液面成像术和断面合成全息成像术（ｓＡＴ）；超声显微镜技术；探头的动态聚焦和变频功能新技术。

６．２依托计算机硬件和软件开发的超声新技术电子全程聚焦技术；三维空间超声技术；三维图像重建技术；用二维阵列式换能器进行容积式扫描技术；三维立体电影回放图像的四维超声技术；利用多普勒效应原理为基础的彩色技术。

６．３人体组织新参量的超声技术开发超声剂量学和定量超

（下转第４２页）

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难度也随之变化，所使用的实验教学方法也应有所不同，对实验教程的要求是：在所有的实验项目中，不能使用同一种固定僵化的模式。①在初始阶段，为求熟练掌握实验步骤和方法，采用验证性实验方法；②在中间阶段，为提高分析问题和解决问题的能力，采用提高性（模仿）实验方法；③在中后阶段，为求联贯和系统设计能力，采用探索式实验方法，从而使学生一步一个台阶地向上发展，最终圆满学好全部内容。

３．５改进实验室管理，适应开放式教学实验室要开放（１）开放实验室的主题是学生，教师起辅助作用。在管理上，突出院（部）为主体。学校在政策和经费上给与支持，提倡实验室自主式或依靠学生自主管理模式，探索多种形式开放；（２）开放教学实验室编制开放指南，包括实验室介绍、指导教师介绍、拟开实验项目、实验指导等，根据学生水平和要求，确定开放内容。学生进入开放实验室必须做好有关准备，查阅资料，拟定实施方案，完成实验项目后向实验室提交实验报告；（３）院（部）中心实验室加强开放实验过程管理，记录平时成绩，合理确定考核计分标准，制定实验能力考评方案，确定考评内容与方法、学分比重、笔试、口试、操作、实验论文等方法，建立对学生综合实验能力考核方法，真实反映学生的实验技能，建立和完善评价体系。

３．６激励措施为了保证实验室开放持续良好发展，学校制定了多项激励措施。（１）开放实验室管理纳入学生实验教学环节，学生参加开放实验室实验项目的成绩经考核后，以奖励学分形式计入总学分，该学分经教务处批准，可替代选修课学分；（２）鼓励和支持教师及实验人员开展开放实验室工作。其工作量按开放实验的不同类型进行补贴，如分时段计算工作量，一次性工作量等，对于科技竞赛、科技创新活动等利用开放实验室的实验项目，院（部）或学校给以一定经费支持；（３）学生的开放实验项目，可推荐或申报各种评奖和比赛。

４实验室开放模式取得的效果

４．１提供开放的时间空间几年来，我中心在完成规定的计划实验任务外，针对学生对高科技知识渴求和兴趣浓厚的特（上接第３９页）

声诊断技术；全身超声诊断技术；超声的产热机制、化学机制、生物机制和空化效应的研究利用；以解剖、病理学为基础的超声形态诊断和功能信息超声诊断技术。

６．４超声医学临床应用的新技术开发借助于胃镜胶囊技术可发明无线超声探头技术；借助于内窥镜技术发明的各类腔内超声探头技术；介入式超声检查技术；介入式超声引导微创手术技术；超声监护技术；与心电、心音、心搏组成多参数同步显示的心动图技术；含气空腔超声造影技术；以及骨骼超声诊断技术。当前超声医学设备正向着专门化、智能化和柔性组合化发展。人们殷切的展望能在一台超声设备内整合：模拟和数字聚焦、单维和多维显示、幅度和频移转换、静态兼动态成像、全点，给学生提供开放的时间空间，使学生能够充分发挥自己的特点，调动内在动力，及时补充自己。在解决了学生问题的同时，我中心的设备发挥了效益，机器的利用率提高了很多。４．２提供开放的实验内容一方面加深了理论知识的理解，找到理论知识在实际生活中应用的具体方向；另一方面，帮助学生对与之相关的知识进行复习和了解，找到理论知识扩展应用的途径。更有效地提高实验设备的利用率，培养学生的创新意识和创新能力，充分发挥开放实验教学的效能。

４．３提供开放的软件资源重组实验课程体系，结合全院现代化教育技术手段建设，开发了大量的实验、实习软件，纳入学校网络教学和多媒体资源库。目前我院自行开发的教育教学软件达２１５项，网络课程１２６项，使传统教学模式从根本上得到改变。

４．４提供开放的实验指导不同年级有不同年级的特点，教师可以根据进入实验室进行实习学生的年级层次，有目的的进行实验开发思路的准备和实验硬件设备的准备。掌握了学生层次的特点，就能有的放矢，就能充分发挥“开放式管理”的效益［２Ｊ。

５建立开放式实验教学模式中存在的问题及改进建议

５．１如何完善学校的开放式实验教学规章制度和学生成绩的认可制度。

５．２如何修改教学计划适应新型的以素质教育为目标的开放式教学管理模式。

５．３如何量化和认可开放式实验教师的工作量。

５．４如何改革实验室投资机制，保证实验室的可持续发展。

［参考文献】

［１］曹锐，徐朝军．开放实验室管理理念及实现［Ｊ】．实验室研究探索，２００２，（３）：１０８—１ｌＯ．

【２】袁力，刘要祥．高等医学院校医疗设备管理现状及分析思考［Ｊ】．医疗设备信息，２００３，１８（７）：６３．☆

息和全身诊断、多功能和多种类的探头配备、并能融合ｗＩＮ．Ｄ０ｗ操作平台、数字化信息检测、网络化远程通讯、多图像多功能存储系统、多系统并行工作的超级超声仪的新概念设计。

［参考文献】

【１］王新房，张青萍．中华影像医学【Ｍ】．北京：人民卫生出版社．２００２．

［２】李治安，李建国，刘吉斌．临床超声影像学［Ｍ】．北京：人民卫生出版社，２００３．

［３］周永昌，郭万学．超声医学［Ｍ】．北京：科学技术文献出版社．２００２．☆

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医用超声技术的现状、发展趋势与新技术展望

作者：刘俊松， LIU Jun-song

作者单位：广东威尔医学科技股份有限公司,广东,珠海,519060

刊名：

医疗设备信息

英文刊名：INFORMATION OF MEDICAL EQUIPMENT

年，卷(期)：2005，20(12)

被引用次数：3次

参考文献(3条)

1.王新房.张青萍中华影像医学 2002

2.李治安.李建国.刘吉斌临床超声影像学 2003

3.周永昌.郭万学超声医学 2002

引证文献(3条)

1.李勇CZF型超声波治疗仪使用注意事项及维护[期刊论文]-中国医疗设备 2009(7)

2.周源超声波在医疗领域中的应用及分析例举[期刊论文]-医疗设备信息 2007(11)

3.赵玉珍.董超.刘红磊.纪晓惠.祝晓东.王瑛肝脏良恶性肿瘤超声造影前后血流灌注定量分析[期刊论文]-医疗设备信息 2007(9)

本文链接：https://www.360docs.net/doc/446588842.html,/Periodical_ylsbxx200512018.aspx

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