医学超声的特点及设备分类I

第1节医学超声的特点及设备分类

医学超声学是一门将声学中的超声（ultrasound）学与医学应用结合起来形成的边缘科学，也是生物医学工程学中重要的组成部分。振动与波的理论是它的理论基础。医学超声学包括医学超声物理和医学超声工程两个方面，医学超声物理研究超声波在生物组织中的传播特性和规律；医学超声工程则是根据生物组织中超声传播的规律设计制造而用于医学诊断和治疗的设备。

超声医学影像仪器涉及到微电子技术、计算机技术、信息处理技术、声学技术及材料科学，是多学科边缘交叉的结晶，是理工医相互合作与相互渗透的结果。迄今超声成像与X-CT、ECT及MRI已被公认为当代四大医学成像技术。

一、医学超声发展简史

19世纪末至20世纪初，压电效应和逆压电效应相继被发现，由此揭开了超声技术发展的新篇章。1912年，英国的Titanic号客轮在北美海岸附近航行时与冰山相撞而沉没，使数千名乘客随之丧生，酿成了震撼世界的大惨案。1914～1918年第一次世界大战期间，法国舰队屡遭德国潜艇攻击而损失惨重。这一件件历史事件驱使一些科学家开始致力于研究水下探测与定位技术。1917年，法国科学家保罗·朗之万首次使用了主要由石英晶体制成的超声换能器，并发明了声纳（sound navigation and ranging，简称SONAR），即声探测与定位技术被成功地用于探测水下潜艇。20世纪30年代，超声用于医学治疗和工业金属探伤，从而使超声治疗在医学超声中最先获得发展。

1942年，Dussik和Fircstone首先把工业超声探伤原理用于医学诊断。用连续超声波诊断颅脑疾病。1946年Fircstone等研究应用反射波方法进行医学超声诊断，提出了A型超声诊断技术原理。

1949年召开的第一次国际超声医学会议促进了医学超声的发展。1958年，Hertz等首先用脉冲回声法诊断心脏疾病。开始出现“M型超声心动图”，同时开始了B型两维成像原理的探索。1955年Jaffe发现锆钛酸铅压电材料（PZT），这种人造压电材料性能良好，易于制造，极大地促进了工业和医学超声技术的进一步发展。50年代末期，连续波和脉冲波多普勒（Doppler）技术以及超声显微镜问世。在50年代，用脉冲反射法检查疾病获得了很大成功。同时也为多普勒技术及B型二维成像奠定了基础。

1967年，实时B型超声成像仪问世，这是B型成像技术的重大进步，超声全息、阵列式换能器、电子聚焦等被广泛研究，这一期间，多普勒技术被进一步研究，用频谱分析法研究血流的方式问世，60年代末，美日均研制成功压电高分子聚合物PVF2（聚偏氟乙烯）换能器。

70年代，以B超显示为代表的超声诊断技术发展极为迅速，特别是数字扫描变换器与处理器(DSC与DSP)的出现，把B超显示技术推向了以计算机数字影像处理为主导的功能强、自动化程度高、影像质量好的新水平。

1980年，在美国，由于投入使用的超声成像仪数量开始超过X线机，结束了X线统治影像诊断的近百年历史，而宣称进入了“超声医学年”。双功超声诊断仪及彩色血流成像仪相继被推出，多功能超声成像仪器与多种专用显像仪器竞相发展，超声探头结构及声束时空处理技术发展迅速。机器更新换代日趋频繁。 90年代，医学超声影像设备向两极发展，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，

使整个超声诊断技术和设备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。

21世纪必将是医学超声技术蓬勃发展、日新月异的新世纪！

二、医学超声成像的特点

目前，超声医学成像诊断仪的种类非常繁多，它们的突出特点是：①对人体无损伤，这也是与X线诊断最主要的区别，因此特别适合于产科与婴幼儿的检查；

②能方便地进行动态连续实时观察，在中档以上的超声诊断仪，多留有影像输出接口，使影像易于采用多种形式（录像、打印、感光成像、计算机存储等）留存及传输与交流；③由于它可以采用超声脉冲回声方法进行探查，所以特别适用于胸部脏器、心脏、眼科和妇产科的诊断，而对骨骼或含气体的脏器组织如肺部，则能较好地成像，这与常规X线的诊断特点恰恰可以互相弥补；④从信息量的对比上看，超声诊断仪采用的是计算机数字影像处理，目前较Ｘ线胶片记录的影像信息量和清晰度稍低。

三、超声医学影像设备分类

超声医学影像设备根据其原理、任务和设备体系等，可以划分为很多类型。

1.以获取信息的空间分类

(1)一维信息设备如A型、M型、D型。

(2)二维信息设备如扇形扫查B型、线性扫查B型、凸阵扫查B型等。

(3)三维信息设备即立体超声设备。

2.按超声波形分类

(1)连续波超声设备如连续波超声多谱勒血流仪。

(2)脉冲波超声设备如A型、M型、B型超声诊断仪。

3.按利用的物理特性分类

(1)回波式超声诊断仪如A型、M型、B型、D型等。

(2)透射式超声诊断仪如超声显微镜及超声全息成像系统。

4.按医学超声设备体系分类

(1)Ａ型超声诊断仪将产生超声脉冲的换能器置于人体表面某一点上，声束射入体内，由组织界面返回的信号幅值，显示于屏幕上，屏幕的横坐标表示超声波的传播时间，即探测深度，纵坐标则表示回波脉冲的幅度（amplitude），故称A型。（不同时间点的幅度构造了一个完整的人体器官等效图）

(2)Ｍ型超声诊断仪将A型方法获取的回波信息，用亮度调制方法，加于CRT阴极（或栅极）上，并在时间轴上加以展开，可获得界面运动（motion）的轨迹图，尤其适合于心脏等运动器官的检查。（纵坐标为纵位置，亮度为动态，时间为横位置,应该也用了多普勒类似原理）

(3)Ｂ型超声诊断仪又称B型超声断面显像仪，它用回波脉冲的幅度调制显示器亮度，而显示器的横坐标和纵坐标则与声速扫描的位置一一对应，从而形成一幅幅亮度（brightness）调制的超声断面影像。故称B型。B型超声诊断仪又可分为如下几类：①扇形扫描B型超声诊断仪----包括高速机械扇形扫描、凸阵扇形扫描、相控阵扇形扫描等；②线性扫描B型超声诊断仪；③复合式B型超声诊断仪----它包括线性扫描与扇形扫描的复合以及A型、B型、D型等工作方式的复合，极大地增强了B型超声设备的功能。（显示与外形一一对应，其实多幅B超连续播放何尝不是动态）

(4)Ｄ型超声多普勒诊断仪利用多普勒效应，检测出人体内运动组织的信

息，多普勒检测法又有连续波多普勒（CW）和脉冲多普勒（PW）之分。

(5)Ｃ型和Ｆ型超声成像仪 C型探头移动及其同步扫描呈“Z”字形，显示的声像图与声束的方向垂直，即相当于X线断层像，F型是C型的一种曲面形式，由多个切面像构成一个曲面像，近似三维图像。

(6)超声全息诊断仪它沿引于光全息概念，应用两束超声波的干涉和衍射来获取超声波振幅和相位的信息，并用激光进行重现出振幅和相位。

(7)超声ＣＴ超声CT是X-CT理论的移植和发展，用超声波束代替X射线，并由透射数据进行如同X-CT那样的影像重建，就成为超声CT，其优点：①无放射线损伤；②能得到与X-CT及其它超声方法不同形式的诊断信息。

总之，随着医学进步和超声技术的发展，多种新型的医用超声设备将不断涌现。本章将主要就A型、B型、D型等超声设备做一些简要的介绍。