超声医学设备原理及其发展趋势[J]

晰，扫查的空间范围较大。快速成像能显示 脏器的活动状态，也称为实时(Real Time)显像诊断法，但所显示的面积较小，每 幅图像线数与每秒显示的帧数相互约制，互为反比。按照扫描方式的不同，又可 分为电子线性扫描、电子凸阵扫描、机械扇形扫描和相控阵扫描等。 3. M(Motion Mode)型超声 M 超是在辉度调制型中加入慢扫描锯齿波，使回声光点从左向右自行移动扫 描，故它是 B 型超声中的一种特殊的显示方式。纵坐标为扫描时间线，即超声的 传播时间(回声代表被测结构所处的深度位置)，横坐标为光点慢扫描时间，当探 头固定一点扫查时，从光点的移动可观察反射体的深度及其活动状况，显示出时 间位置曲线图(Time Position Recording)。常以此法探测心脏，可获得心脏结构 与运动变化、血流时空信息及其周邻关系等定量结果，也称作 M 型心动图。如果 手持探头与光点移动同步扫查时，则可出现二维切面图，M 型超声多与 B 型或 D 型同时显示和应用。 4. D(Doppler)型超声 D 型超声也称多普勒超声。D 超采用多普勒效应原理，当超声发射体(探头) 和反射体之间有相对运动时，回声的频率有所改变，这种频率的变化称为频移。 频移的程度与相对运动速度呈正比。 距离变近则频率增加， 距离变远则频率减少。 其增减的数字(差频)可用检波器检出，用不同类型的仪器可显示出多普勒信号音 和多普勒曲线图，用脉冲多普勒可获得多普勒超声频谱图，通过它可观察血流的 方向和速度。利用多功能彩色多普勒可获得头部、颈部、心脏、腹部、妇科、胎 儿、泌尿系统等的二维图像，还可在回波断层图上迭加实时二维血流信号，其主 要应用包括： (1)多普勒超声听诊： 主要用于早期听取胎心、 胎动及胎心的监测等； (2)彩色多普勒超声：在二维声像图上提取多普勒信号，并显示出多普勒频谱图。 用脉冲多普勒可以探测心脏、血管内血液的流向、流速以及流量，并可同时听取 多普勒信号音。采用伪彩色编码技术，还可显示血流的向背方向。颜色的深浅， 代表血流的快慢， 通称彩色多普勒超声， 简称 CDFI(Color Doppler Flow Imaging)； (3)彩色三维经颅多普勒超声：经颅多普勒，通称 TCD (Tran-scranial Doppler)， 是用较低频率的多普勒超声从颞部探测大脑的前动脉、中动脉、前交通动脉、后 交通动脉及颈内动脉末段。通过枕骨大孔可以检出椎动脉颅内段、基底动脉和小 脑下后动脉的血流信号。彩色三维经颅多普勒超声是用两个探头扫查，将颅内血 管的各种轴向多普勒信号输入计算机，再重建三维动脉图。用伪彩色编码技术标 明动脉图中血流的方向和速度，从而显示出脑血管的模拟三维图像。 在现代超声诊断仪中，一个仪器往往可以双重显示或多重显示，即同时显示 两种以上类型，或在一个荧光屏上分别显示 B 型、M 型、A 型，或 B 型、D 型、
sin θ1 sin θ 2 sin θ 3 = = C2 C1 C1
其中 c1、c2 为声波在这两种不同媒质中的传播速度，并且 θ1=θ2。 如果入射波束在两种媒质的交界面发生反射，那么入射波束与反射波束的强 度之比为：
I 2 Z 2 − Z1 = I1 Z 2 + Z1
超声应用于治疗是利用了它辐射到组织细胞而产生的生物效应促使组织内部 产生的种种反应，例如因声吸收而产生的温热作用，使血管扩张，促进新陈代谢， 从而取得治疗疾病的效果。长期临床应用的结果表明，超声物理治疗对腰痛、神 经痛、关节炎、炎症性疾患以及难治性溃疡等都有显著的或较好的疗效。随着强 功率聚焦声束的引入，超声已开始应用到手术、碎石及治癌等领域，并取得了显 著的临床效果。 当超声强度在 0.1W/cm2 以下时，不会引起明显的生物效应。目前超声诊断 用的平均功率多在 0.01W/cm2 以下，对人体是无害的。但对生殖细胞、胚胎等娇 嫩组织是否有潜在性危害，尚待进一步的研究。 当超声强度在 0.1W/cm2 以上时， 会引起人体组织发生功能性和器质性变化， 由此而产生治疗作用。器质性的改变又分为可逆性的和非可逆性的，一般认为 3W/cm2 以上的超声强度对某些组织即可产生非可逆性的器质变化。低强度超声 治疗剂量一般在 0.2~2.5W/cm2， 为非损伤性疗法， 剂量在 3W/cm2 以上为高强度 损伤性超声治疗法，例如超声碎石、超声治癌、超声减肥、超声手术刀等。有的
医学中应用的超声波是指纵向压力波，因为除骨骼以外，生物组织同液体一 样， 均不支持横波的传播。 若不考虑骨骼， 则超声波在人体的传播速度大约在 1350 -1 至 1800ms 之间，而在软组织中的平均速度通常为 1540ms-1。由于超声波的传 播速度对于不同组织成分差异较小，在低强度的条件下，可以认为它与频率无关 (骨骼除外)。传播速度 cL 与频率 f 和波长 λ 的关系是： cL=fλ 如果考虑到医学超声的频率范围，那么最低频率为 1MHz(波长 1.5mm)，最 高频率为 20MHz(波长 0.075mm)。此外超声波的传播速度与体温相关，非脂肪 成分为正温度系数，脂肪成分则为负温度系数。 超声波在媒介中传播时会像光通过光学媒介或 X 线穿过物体一样发生衰减。 这个过程可以用朗伯定律来描述，它通过下式建立入射强度 I0 与距离 x 上的强度 Ix 的关系： Ix=I0exp(-µx) 其中µ为线性衰减系数，单位为 m-1 或 cm-1。还可用同样的方法描述压力或
质点速率的幅度，如： px=p0exp(-αx) 其中 α 为幅度衰减系数，单位也是 m-1。超声波的幅度衰减随频率的升高而 增加，在衰减对频率的依赖性方面人体大多数组织表现出相似的特性。 当组织吸收使得强度降低时，声波能量转化为热能，使得组织的温度升高， 这就是超声波产生高温的基础。超声波能量转化为热能的主要机制有三种：(1) 传统的粘滞损失(Viscous Loss)；(2)分子驰豫(Molecular Relaxation)；(3)相对运 动损失(Rela-tive Motion Losses)。在软组织中最重要的作用就是分子驰豫，入射 超声波使得组织的分子结构发生可逆变化。通常分子的结构越复杂，它对超声波 的吸收作用就越大。 超 声 波 在 体 内 的 散 射 可 以 分 为 以 下 三 种 ： (1) 几 何 散 射 (Geometrical Scattering)；(2)随机散射(Stochastic or Probabilistic Scattering)；(3)瑞利散射 (Rayleigh Scattering)。 几何散射可以用光学定律来描述，因此在接触面较大的两种不同媒质之间， 应用反射定律和折射定律来确定折射波束和反射波束(图 1(a))。 如果入射角为 θ1， 反射角为 θ2，折射角为 θ3，则有：
二
超声诊断设备的原理及分类
超声诊断主要应用超声良好的指向性和与光相似的反射、散射、衰减及多普 勒(Doppler)效应等物理特性，采用不同的扫查方法，将超声发射到人体内，并在 组织中传播，当正常组织或病理组织的声阻抗有一定差异时，它们组成的界面就 会发生反射和散射，再将此回波信号接收，加以检波等处理后，显示为波形、曲 线或图像等。由于各种组织的界面形态、组织器官的运动状况和对超声的吸收程 度等不同，其回波有一定的共性和某些特性，结合生理、病理解剖知识与临床医 学，观察、分析、总结这些不同的规律，可对患病的部位、性质或功能障碍程度 做出概括性以至肯定性的判断。 超声诊断仪由主机和探头构成，均包括发射、扫查、接收、信号处理和显示 等五个部分。一个主机可以有一个、两个或更多的探头，而一个探头内可以安装 1 个压电晶片(例如 A 型和 M 型超声诊断探头)，或数十个以至千个以上晶片，如 实时超声诊断探头，由 1 至数个晶片组成一个阵元，依次轮流工作、发射和接收 声能。晶片由压电材料构成，担任电、声和声、电的能量转换，故也称为换能器。 按频率有单频、多频和宽频探头。实时超声探头按压电晶片的排列分线阵、环阵、 凸阵等，按用途又有体表、腔内、管内各种名称，有的探头仅数毫米，可进入冠 状动脉内。 超声诊断仪的种类很多，而且互有交叉，按照显示回波方式和空间的不同， 主要包括以下几种： 1. A 型(Amplitude Mode)超声 A 型超声是最早出现的一维超声诊断技术，它将声束传播位置上的组织按距 离分布的回波信息在显示器上以幅度调制的形式显示，并从回波的幅度大小、形 状及位置进行诊断，回波强则波幅高，回波弱则波幅低。纵坐标代表回声信号的 强弱，横坐标代表回声的时间(距离)。在同一示波屏上，可以显示单相或双相波 形。常用 A 型法测量界面距离、脏器径值以及鉴别病变的物理性质，它是现代各 种超声成像的物理基础。 2. B 型(Brightness Mode)超声 B 超是把组织的一个断层面上的超声回波信息以二维分布形式显示出来，组 织内的散射、反射回波信息以辉度调制方式显示，回波强则光点亮，回波弱则光 点暗。光点随探头的移动或晶片的交替轮换而移动扫查，由于扫查连续，可以由 点、线而扫描出脏器的解剖切面，它是二维空间显示，又称二维超声。按其成像 速度的不同，可分为慢速成像和快速成像，慢速成像只能显示脏器的静态解剖图
超声医学设备原理及其发展趋势 程自峰 李永勤
兰州军区总医院器材科 超声是指高于人耳听觉范围的声波， 通常是指频率高于 20kHz 的高频振动机 械波，应用于医学诊断的超声频率一般在 1MHz 至几十 MHz 之间。自 1958 年商 用超声成像产品问世以来，超声医学设备以其实时性、对人体无损伤、无痛苦、 显示方法多样，尤其对人体软组织的探测和心血管脏器的血流动力学观察有其独 到之处而成为在医学中应用最为广泛的成像设备之一。同时在医学的其他方面也 受到越来越大的重视。 超声在医学中的重要作用在于它不但可以穿透人体，而且可以与身体组织相 互作用。超声波穿过人体时则还要经过折射和反射，这可发生在超声波经过的任 何交界面上，其作用就如同光束经过一个非均匀物质一样。超声波的波长很短， 从而易于窄脉冲波束的实现，因此超声换能器可以做得小而紧凑。 超声在临床应用中主要分为诊断与治疗两个方面：超声诊断采用的是较高频 率(多在 2MHz 以上)与较低声强的超声波，高频可提高对组织的分辨率，用以获 得清晰、细致的声像图，而低声强则可降低对组织损伤的副作用。超声治疗采用 的是较低频率(通常<1MHz)与较高声强的超声波， 低频超声增大对组织的穿透率， 而高声强(特别是聚焦后)超声可对组织产生生物效应，用以选择性破坏局灶性病 变。 一 超声传播的物理特性