医用超声技术的现状、发展趋势与新技术展望

医疗设备佶垂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—０２Ｔｈｅｓｉｔｕａｔｉｏｎ，ｄｅＶｅｌｏｐｉｎｇｔｒｅｎｄａｎｄｎｅｗｔｅｃｈｎｏｌＯｇｙｐｒｏｓｐｅｃｔｏｆｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｍｅｄｉｃｉｎｅＬＩＵＪｕｎ—ｓｏｎｇ（ＧｕａｎｇｄｏｎｇＷｅｌｌＭｅｄｉｃａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｏ．Ｌｔｄ，ＺｈｕｈａｉＧｕａｎｇｄｏｎｇ５１９０６０，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒ８ｃｔ：Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｍｅｄｉｃｉｎｅｉｓｉｎｔｅｒｄｉｓｃｉｐｌｉｎａｒｙｆｉｅｌｄｃｏｍｂｉｎｅｄａｃｏｕｓｔｉｃｓ，ｍｅｄｉｃｉｎｅａｎｄｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ．Ｔｈｅｍａｊｏｒａｐ—ｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｏｆｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｉｎｍｅｄｉｃｉｎｅｄｉａｇｎｏｓｉｓａｎｄｔｈｅｒａｐｙ，ａｎｄｉｔｓｍａｉｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｍｅｌｉｎｅｓｓ，ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｎｅｓｓａｎｄｒｅｐｅａｔｉｎｇ．Ａｔｐｒｅｓｅｎｔ，ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｍｅｄｉｃｉｎｅｐｒｉｍａｒｉｌｙｔａｋｅｓｏｆｅｃｈｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｂｕｔｉｔｈａｓｍａｎｙｐｈｙｓｉｃａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓａｎｄｇｒｅａｔｄｅＶｅｌｏｐｉｎｇｐｏｔｅｎｔｉａｌｓ．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·３８·２０卷１２期鼯２００５．１２　万方数据医疗设备僧禽号。

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）２０卷１２期始２００５．１２·３９·　万方数据压疗设备僧垂难度也随之变化，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。