超声成像设备的发展趋势

超声成像设备的发展趋势

一．引言

超声(Ultrasound，简称US)医学是声学、医学、光学及电子学相结合的学科。凡研究高于可听声频率的声学技术在医学领域中的应用即超声医学。包括超声诊断学、超声治疗学和生物医学超声工程，所以超声医学具有医、理、工三结合的特点，涉及的内容广泛，在预防、诊断、治疗疾病中有很高的价值。

超声成像是利用超声声束扫描人体，通过对反射信号的接收、处理，以获得体内器官的图象。常用的超声仪器有多种：A型（幅度调制型）是以波幅的高低表示反射信号的强弱，显示的是一种“回声图”。M型（光点扫描型）是以垂直方向代表从浅至深的空间位置，水平方向代表时间，显示为光点在不同时间的运动曲线图。以上两型均为一维显示，应用范围有限。B型（辉度调制型）即超声切面成象仪，简称“B超”。是以亮度不同的光点表示接收信号的强弱，在探头沿水平位置移动时，显示屏上的光点也沿水平方向同步移动，将光点轨迹连成超声声束所扫描的切面图，为二维成象。至于D型是根据超声多普勒原理制成．C型则用近似电视的扫描方式，显示出垂直于声束的横切面声象图。近年来，超声成象技术不断发展，如灰阶显示和彩色显示、实时成象、超声全息摄影、穿透式超声成像、超声计并机断层圾影、三维成象、体腔内超声成像等。

超声成像方法常用来判断脏器的位置、大小、形态，确定病灶的范围和物理性质，提供一些腺体组织的解剖图，鉴别胎儿的正常与异常，在眼科、妇产科及心血管系统、消化系统、泌尿系统的应用十分广泛。

二．超声设备的基本原理

2.1脉冲回波原理

人体组织和脏器具有不同的声速和声阻抗，声波在传播途中，遇到不同介质的界面时会反射声波，称为回波。

超声脉冲回波成像法：

发射超声脉冲，遇界面反射，接收回波，检测出其中所携带的信息；由于界面两边声学差异并不是很大，大部分声波穿过界面继续向前传播，到达第二个界面时又产生回波，并仍有大部分声波透过该界面继续前进；将每次回波信号接收放大，并在显示器上显示。

2.2超声成像的物理基础

2.2.1超声波应用范围

20～100KHz 很多动物都用超声波进行交流、导航及追捕它们的猎物。

100 KHz（105Hz）～ 1MHz（106Hz）超声波最重要的应用就是声呐（声音导航及测距）。

2.5 MHz～ 5 MHz 用于心脏、腹部及软组织成像。这些频率能穿透组织可到达20-15cm的深度。

5 ～ 10MHZ 用于对小器官的成像，例如：腮腺、甲状腺、颈部血管及眼睛显像，它只需要4-5cm的穿透深度。

10 ～ 30MHz 用于皮肤及血管内检查，可以获得高分辨力的图像。

40 ～ 100MHz 用于生物显微镜成像，对眼活组织的显微诊断。

医学诊断常用的超声频率是2—10MHZ之间，对于浅表器官多采用>7MHZ,对于腹部和心脏分别采用3.5—5MHZ和2—3MHZ

2.2.2描述超声波的基本物理量

声速：单位时间内，超声波在介质中传播的距离称为声速，用符号“c”表示。单位为米/秒（m/s）

声速是由传播介质所决定，不同人体组织器官的声速不同，平均声速为1540米/秒，其中空气最小（350米/秒），骨骼最大（3850米/秒）。

频率：单位时间内质点振动的次数，用符号“f”表示

由探头中压电材料决定，在2～10兆赫兹范围。

波长：声波在传播时，同一波线上相邻两个同相位质点之间的距离称为波长，用符号“λ”表示。

超声波长与声速和频率满足以下关系式：

C=λ×f

2.2.3 声速、波长与介质的关系

1、声速与介质的关系

（1）同一介质不同频率的超声波在同一介质中传播时声速基本相同。所以用不同频率的探头检查肝脏时，声速基本相同。

（2）不同介质同一频率的超声波在不同介质中传播的声速是不同的。例如：1MHz超声波在0℃的水中为1500m／s；在0℃的钢材中为6000m／s；在人体软组织中平均声速为1540m／s。

人体软组织的声速分布在1500m/s～1680m/s之间,利用超声方法对软组织测距存在一定的误差。而骨组织的声速则高于2800m/s、肺组织的声速大约在1200m/s以下。

2、波长与介质的关系

（1）同一介质不同频率的超声波，在同一介质内传播时其波长与频率成反比。

1MHz的超声波在人体软组织中传播时，其波长为1.5mm。

3MHz的超声波在人体软组织中传播时，其波长为0.5mm。

5MHz的超声波在人体软组织中传播时，其波长为0.3mm，所以频率越高的超声波在同一脏器组织中传播其波长愈短。

例如：用高频率的探头检查肝脏其波长也愈短。

（2）不同介质同一频率的超声波，在不同介质内传播，因传播声速不同，则波长也不相同。频率为3MHz的超声波在人体软组织中传播时，其波长为0．5mm，而在空气中传播，其波长为0.114mm。

所以用同一种探头检查人体不同的组织时，由于声速存在差异，所以波长也是不相同的。

2.3超声的物理特性

⒈指向性

⒉反射、折射、散射和绕射

⒊吸收与衰减

⒋分辨力与穿透力

⒌多普勒效应

2.3.1超声的束射性

超声的能量高度集中，在一个较小的立体角内成束状向前传播，即超声波的束射性（声束）。

从声源发出的超声波最近的一段声束几乎平行，这段区域为近场区。

远离此区后，声束向前稍有扩散，为远场区。扩散的声束与平行声束间的夹角叫做扩散角（θ）

超声波指向性优劣的指标是近场的长度和扩散角。

2.3.2超声波的反射

超声波的反射是超声成像的物理基础

当声波从一种介质向另一种介质传播时，如果两者的声阻抗不同，就会在其分界面上产生反射，使一部分能量返回第一种介质。

1.声阻抗(z)=介质密度(ρ)×声速(c)

△Z＞0.1%即可产生反射

2.声阻抗差大，反射强

声阻抗

声阻抗是表示介质声学特性的一个重要物理量。声阻抗（Z）等于介质的密度（ρ）和声速（C）的乘积，声Z= ρ×C。

物质的密度一般是固体＞液体＞气体，超声在介质中的速度是固体＞液体＞气体，故声阻抗值一般也是固体＞液体＞气体。

人体正常组织的声阻抗骨骼最大，气体最低。

声像图中各种回声显像均主要由于声阻抗差别造成。

人体不同组织的阻抗值

2.3.3超声波的折射

两种介质内声速不同可产生折射现象，从而导致入射声束的偏转。两种介质的声速之比决定其折射程度。其间关系如下：

式中θi 为入射角，θj 为折射角，C1为入射边介质中超声声速，C2为透射边介质中超声声

速。

全内反射

折射角的大小取决于两种媒质的声速比n=c1/c2 ，当c2＞c1时,则折射角 j> i ，当入射角由 0 逐渐增大到某一角度 ik 时,将有 j =90°,即折射波沿界面传播

而当入射角超过θik 时,入射声能将全部反射到媒质1中,故θik 称为”全内反射临界角”。在临床检查中,应使探头放置正确的角度,以避免由”全内反射”引起的图像伪差。

超声波的入射、反射和折射示意图

2

1sin sin c c j i =θ

θ

2.3.4 超声波的散射

当遇到界面远小于波长的微小粒子或一组小障碍物或者介质性

以粗糙表面形式出现时，这时将有一部分能量被散射，其散射程度决定于几何条件。

人体内的散射源为红细胞和脏器内的细微结构。当发生散射时，作为障碍物的人体组织将作为新的波源，向四周发射超声波，但只有朝向探头方向的微弱散射信号—后散射（背向散射），才能被检测到。

红细胞的背向散射是超声多普勒成像的依据，脏器内的细微结构是超声成像研究脏器内微小组织结构的依据。

超声成像的回声来源是：超声波的背向散射及反射。通过反射观察脏器的轮廓，通过背向散射可以了解脏器内部的病变。

2.3.5超声波的绕射

目标大小约为1～ 2个波长或稍小，超声波将绕过该靶目标继续前进，很少发生反射。

2.3.6超声波的吸收与衰减

声衰减定义：

是指声能随着传播距离增加而减弱的现象

衰减与超声传播距离和频率有关。因超声波的频率很高，故衰减现象特别显著。

声衰减原因：传播中的反射、散射、声束的扩散及组织对能量的吸收

（1）由于声束发散，散射及反射引起声束方向改变

（2）由于“内摩擦”，超声波机械能变为热能被组织“吸收”衰减系数

衰减的强弱通常用衰减系数来表示。

不同组织，吸收系数不同，衰减程度不同；

相同组织，入射深度越大，衰减越大；

相同组织，入射超声频率越高，衰减越大。

人体软组织的衰减系数与频率成正比，所以频率愈高的超声波在人体组织中衰减愈大，只适用浅部器官的检查。

人体组织衰减程度一般规律

组织内含水分愈多，声衰减愈低

液体中含蛋白成分愈多，声衰减愈高

组织中含胶原蛋白和钙质愈多，声衰减愈高

即：骨（或钙化）>肌腱（或软骨）>肝脏>脂肪>血液>尿液

（或胆汁）

2.3.7超声波的分辨力与穿透力

超声的分辨力是指超声诊断仪能够区分两个细小目标的能力。分为轴向、侧向和横向三种分辨力。

轴向分辨力－是指在超声声束轴线上，能分辨两点间的最小纵深距离。

侧向分辨力－是指垂直于超声声束轴线平面上与线阵探头长轴

方向一致的轴线上，能分辨相邻两点（两个病灶）间的最小距离。

横向分辨力－为与声束轴线垂直平面上，探头短轴方向，与侧向分辨力相垂直方向上的分辨力。反映切面情况的真实性。又叫厚度分辨力。

超声的穿透力是指分辨力的增加将以穿透力的损失为代价。所有的人体组织都表现出随频率增加超声衰减也增加，那么穿透力必然降低。应针对不同部位的诊断，可选择不同频率的超声探头。

频率高，分辨率高，穿透差

频率低，分辨率低，穿透强

对应的临床应用：

检测浅表器官，采用高频探头

检测深部脏器，采用低频探头

2.3.8多普勒效应

声源与接收体之间的相对运动引起声波频率发生改变的现象，称为多普勒效应。多普勒效应是超声成像仪对运动脏器及血流显像的基础。

2.4超声对生物组织的作用

一定强度的超声在生物体中传播时，通过它们之间一定的相互作用机制（热机制、机械机制或空化机制）致使生物体系的功能和结构发生变化。

（1）空化作用：所谓空化作用就是指在液体中产生强超声时，会出现一种类似雾状的气泡，此种现象称超声空化作用。这种现象类似日常生活中所遇到的轮船推进器在产生推动力的同时会溅出气泡

那样。这种空化作用使超声具有强烈的破坏作用。

由于生物组织大多数属软组织，因此，在超声作用下，其细微结构多少会发生形变。

在较大强度超声的作用下，如超声治疗所用的1W/cm2以上的剂量，则生物组织会由于超声空化作用而产生不能复原的破坏性形变，以至使细胞坏死和整个生物组织坏死，这种强度剂量在超声治疗中，用以粉碎结石、血栓。在外科手术中，用更强的超声来作为非侵入性手术刀。但作为超声诊断，一般是禁止使用这种剂量的。

(2) 热作用：生物组织在超声机械能的作用下，由于粘滞吸收，将一部分超声能转化为热能，使生物组织的温度上升。

当超声辐射达到治疗剂量的强度时，热作用明显，并能使热量深入人体组织器官，甚至还会随着血液传导热能。在用超声进行治疗中得知，频率为800KHz、剂量为4w/cm2的超声照射20s后，会在组织器官0.2~3cm的深处产生热作用，而起到治疗效果。(高强度聚焦超

声HIFU)

(3) 化学作用: 超声的空化作用和热作用与化学作用是有机联

系的；化学作用是氧化和还原作用。在高剂量超声情况下，超声的化学作用可破坏有机结构的蛋白质 .

2.5超声成像的特点

超声波的方向性好：超声波具有像光波一样定向束射的特性。

超声波的穿透能力强：超声波在气体、液体、固体等介质中均可传播，对于大多数介质而言，它具有较强的穿透能力。例如在一些金属材料中，其穿透能力可达数米。

超声波的能量高：超声检测的工作频率远高于声波的频率，超声波的能量远大于声波的能量。

遇有界面时，超声波将产生反射、折射和波型的转换：利用超声波在介质中传播时这些物理现象，经过巧妙的设计，使超声检测工作的灵活性、精确度得以大幅度提高。

具有高度的安全性：当严格控制声强低于安全阈值时，超声可能成为一种无损伤的诊断技术，对医务人员更是十分安全。

三．超声诊断仪器的基本结构

3.1探头

超声探头（ultrasonic probe）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。又称超声换能器。

3.2超声探头与扫查方式

常规探头：扇型、线阵型、凸弧型

专用探头：腔内探头（食管、直肠、阴道）

术中探头

穿刺探头

超声扫查方式示意图

线阵型扇型凸弧型

3.3探头原理

压电效应

泛指晶体处于弹性介质中所具有的一种声-电可逆特性，此现象为法国物理学者居里兄弟于1880年所发现，故也称居里效应。

正压电效应

在晶体的一定方向上，加上机械力使其发生形变，晶体的两个受力面上，会产生符号相反的电荷；形变方向相反，电荷的极性随之变换，电荷密度同外施机械力成正比，这种因机械力作用而激起表面电荷的效应，称为正压电效应。

逆压电效应

在晶体的表面沿着电场方向施加电压，在电场作用下引起晶体的几何形状发生改变；电压方向改变，应变方向亦随之改变，形变与电场电压成比例，这种因电场作用而诱发的形变效应，称为逆压电效应。

3.4探头的基本结构

压电晶体：

常用锆钛酸铅类压电陶瓷晶体

发射和接收声波

其形状决定声束的形状和声场分布

垫衬吸声材料：

衰减并吸收压电晶体背向发射的超声能量

要求垫衬具有较大的衰减能力，并具有与压电材料接近的声阻抗

匹配层和保护层：

声阻抗应接近人体组织的声阻

选择衰减系数低并耐磨的材料

声学绝缘层：

防止超声能量传至探头外壳引起反射，造成对信号的干扰

外壳：

作为探头内部材料的支承体，并固定电缆引线

四．超声成像设备

4.1超声成像设备分类

1.按其用途分类：

超声诊断仪:向人体内发射超声波，并接收由人体组织反射的回波信号，根据其所携带的有关人体组织的信息，加以检测、放大等处理，并显示出来，为医生提供诊断的依据。

超声治疗仪：向人体内发射一定功率的超声能量，利用其与生物组织的相互作用产生的各种效应，对有疾患的组织起到治疗作用。治疗仪器不需要接受回波与处理回波，结构较为简单，功率较大。

2.以获取信息的空间分类：

一维信息设备如Ａ型、Ｍ型。

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、C型、F型等。

三维信息设备即立体超声设备。

3.按超声波形分类

连续波超声设备如连续波超声多普勒血流仪。

脉冲波超声设备如Ａ型、Ｍ型、Ｂ型超声诊断仪

4.按利用的物理特性分类

回波式超声诊断仪如Ａ型、Ｍ型、Ｂ型、Ｄ型等。

透射式超声诊断仪如超声显微镜及超声全息成像系统。

5.按医学超声设备体系分类

Ａ型超声诊断仪

Ｍ型超声诊断仪

Ｂ型超声诊断仪

Ｄ型超声多普勒诊断仪

Ｃ型和Ｆ型超声成像仪

超声全息诊断仪

超声ＣＴ