1、第三章 医学超声仪器 物体的机械振动产生波，波的频率取决于物体的振动频率。频率范围在2104 3108赫兹的波称为超声波。一个多世纪前，科学家们就发现石英等晶体薄片具有“压电效应”。1928年，R.W.Wood等人首先应用超声波作为生物学方面的研究手段。本世纪四十年代，Firestone等人开创了利用超声波诊断疾病的先例，将工业无损伤检测用的超声脉冲回波技术，即类似于现代雷达或声纳的回波测距技术，移用到医院诊断方面，也就是A型超声仪器，开创了超声显像诊断的历史。四十年代末，超声医学作为一门学科已初具雏形。五十年代，超声心动图仪，即M型仪器取代了A型超声仪器，它可对心脏瓣膜的运动规律作连续的动态
2、描记。在此基础上，又出现了手动扫描二维断层成像仪，这为发明自动扫描二维断层成像仪即B型超声仪器打下了基础。其间，还有人提出将超声多普勒效应用于医学临床诊断。六十至七十年代是B型超声仪器出现并极大发展的时期，出现了机械直线扫描、机械扇形扫描、电子直线扫描及电子扇形扫描等仪器，并且超声CT的研究工作开始进行，A型超声仪器也逐渐被淘汰。八十年代，随着微型计算机研究与应用的飞速发展，超声智能化的步伐加快。利用微机与超声诊断仪器相结合，可以简化临床操作，实现信号处理、变换、计算和判断等过程的自动进行。另外，将脉冲超声多普勒血流仪与B超相结合，还产生了双功能超声诊断仪。进入九十年代，彩色B超诞生，它可以在
3、显示动态心脏黑白图像的同时，显示动态多普勒血流的彩色图像在心脏内的分布，不论在图像的分辨率和清晰度上，还是疾病诊查的可靠性上，都达到了相当高的水平，是目前医院必备的医学诊断仪器。医学诊断上所使用的超声波频率一般为0.5MHz15MHz，多是由压电晶体一类的材料制成的超声探头产生的。利用压电陶瓷或晶体的正压电效应和逆压电效应，可以将其做成超声波发射和人体组织反射波接收的器件，即超声换能器，它是超声诊断仪器的重要部件，也称探头。压电效应及超声探头 如果知道超声波的传播速度与传播时间，便可算出超声波在人体内传播的深度，其表达式见公式：c=f 其中，c是超声波的声速，是超声波波长，f是超声波频率。医学
4、上正是通过探查某些组织的深度或大小来判断病灶的性质和状况。医学超声波诊断仪A型超声波诊断仪M型超声波诊断仪B型超声波断层显像仪超声多普勒血流仪、成像仪与彩超 超声三维成像系统（超声CT）3.1 A型超声波诊断仪 A型超声诊断仪是1947年出现的幅度调制式的仪器，我国于1958年开始生产。A超的同步电路产生几百Hz到2KHz的正负电脉冲，使发射电路产生持续1.55s的高频电脉冲。探头在高频电脉冲的激励下，产生超声振动，发射超声波。超声波在人体内传播，遇到不同组织的界面时，产生反射波回波。探头接收反射波后，将其转换成电脉冲，进入接收电路，再通过检波和放大等电路，送到示波器的垂直偏转板上，而示波器的
5、水平偏转板上加载的是时基锯齿波，即扫描电压。因此，示波器的荧光屏上的横坐标代表超声波的传播时间，一般以13.33s为一大格；而纵坐标显示的是回波的幅度与形状。A超可以应用于医学各科的检查，尤其对眼科和妇科疾病方面的病灶深度、大小、脏器厚薄以及病灶的物理性质等检查比较方便准确。但A超的回波图只能体现局部组织信息，无法反映解剖形态，现已被M超和B超取代。A型超声仪器工作原理方框图 同步电路（主控振荡器）产生同步脉冲来同时触发发射电路和扫描电路，使两者同时工作。发射电路在同步电路发出的触发脉冲作用下，产生高频振荡波，一方面将此波送入放大电路进行放大，加至示波器的垂直偏转板上显示发射波；另一方面激励探
6、头产生一次超声振荡，并进入人体。人体组织反射回来的微弱的回波信号经探头接收并转换成电脉冲后，由接收电路放大、检波后，送至示波器的垂直偏转板上并显示出来。另外，在同步脉冲作用下，在示波器的水平偏转板上加时基锯齿波电压扫描电压，使荧光屏上显现出回波的波形与变化。3.2 M型超声波诊断仪 M型超声波诊断仪是继A超之后发展出的辉度调制式仪器，诞生于1954年，至今临床上还在使用，目前主要用于心脏疾病的诊断，尤其用于观察心脏瓣膜的活动情况。M超与A超有共同之处，即都是利用探头向人体发射超声脉冲并接收反射脉冲。不同的是M超的发射波和回波信号加到了示波器的栅极或阴极。信号的强弱控制了到达荧光屏的电子束的强弱
7、，反映到荧光屏上就是光点的明暗，即辉度调制。示波器的水平和垂直偏转板都被加入锯齿波电压，垂直偏转板上的锯齿波与发射脉冲同步，水平偏转板上的锯齿波频率要低于它。因此荧光屏上光点在垂直方向的距离表示探测深度，在水平方向的移动表示时间的进行，光点的亮度表示回波信号的强弱。M超常用于检测心脏疾病，当心脏收缩和舒张时，其各层组织的界面与固定放置于人体表面的探头之间的距离随时改变，导致光点随之移动，在水平扫描电压下，光点水平展开，描绘出各层组织结构的活动曲线图，因此也叫超声心动图，它能显示心脏各部分结构的活动情况、动态变化、心室排血量以及可以得出室间隔、动脉等结构的定量数据等，是临床心脏疾病诊断中比较准确
8、实用的工具。M型超声心动图的产生原理 上图是M超的简要方框图。其原理与A超基本相同，只是同步电路控制发射电路与深度扫描电路同时工作，回波信号为辉度调制。为便于测量，原来采用照相机将图像照相后再进行测量的方法逐渐淘汰，现在一般采用由微机控制，利用CRT电视监视器显示图像，并能够储存和自动测量的超声心动图仪。微机控制的超声心动图仪与B超和多普勒血流仪三者合一的多功能的超声诊断仪，采用了数字扫描变换技术，即利用标准电视光栅扫描格式显示信号。使用此仪器一般先用B超和多普勒仪定位，然后用M超将图像“冻结”在一个需要的位置上，用仪器中的测量光标或微机自动测量功能获得各种参数。扇形扫描多功能诊断仪的B型与M
9、型的同屏幕显示3.3 B型超声波断层显像仪 自从1967年首次出现至今，因其诊断功能强、技术先进，B超已经成为临床中最常规和重要的诊断仪器。B超与M超一样，都是辉度调制式仪器。但二者也有不同。M超的探头是固定不变的，而B超的探头是连续移动的或是发射的超声波束不断变动发射方向。前者分为手动扫描和机械扫描，后者为电子扫描。M超显示的是组织边界的超声心动图像，如要使显示器上图迹的位置和病人体内某个二维平面中产生回波的结构位置一一对应，就能产生体内软组织的断层图像。而B超显示的正是探头移动线和声束方向构成的平面上人体组织的二维断层图像，即超声影像图。超声影像图 按扫描方式分类，B超已经发展了四代，包括
10、手动直线扫描、机械扫描、电子直线扫描和电子扇形扫描。2.机械扫描 机械扫描是由电机带动探头作直线移动、往复摆动或旋转，从而产生机械直线扫描、机械扇形扫描和机械圆形扫描三种扫描图像。其中，直线扫描多用于腹部疾病诊断；扇形扫描适用于心脏和腹部；圆形扫描时，将探头置于人体体腔（如食道、胃肠、阴道及泌尿道等）或血管内，从而获得某个腔道的圆周扫描断层图像。腔内超声可以避开胸腹壁、肺组织和肠道内气体等结构对成像的干扰，近距离观察器官和组织。最新的血管内超声技术是将小型超声换能器安装于心导管顶端，在血管内发射并接收高频超声信号，进行血管成像，对冠状动脉病变进行研究。近期推出的心腔内超声的探头管体纤细柔软，可
11、经周围静脉插入右心系统，并且发射频率高，图像清晰，时相和方位分辨力很好，对观察心内结构和活动情况及辅助穿刺定位等有较高价值。3.电子直线扫描 与机械扫描不同，电子扫描仪的探头是由许多小换能器（小探头）排列而成，每个小探头称为阵元，各阵元的距离相等。用电子开关按一定时序激励各阵元组发射与接收超声脉冲，回波信号经处理后，到达CRT显示器进行辉度调制，扫描过程中探头静止不动，而超声波束的发射与接收是沿一定方向匀速移动的，移动线和声束方向构成的断面就是所得图像。在探头长度一定的情况下，图像的质量主要决定于阵元的数量。阵元的数量越多，垂直扫描线就越多，图像就越清晰，有的探头可包括256个小探头。4.电子
12、扇形扫描（电子相控阵扇形扫描）如果对探头各阵元加上依次延迟一定时间的激励脉冲，则各阵元所产生的脉冲也相应延迟，这样，总的叠加波束方向出现相位改变而产生扇形图像。此种探头体积小，无噪声和振动，寿命比较长，但价格相对较高。为了提高检测功能和图像质量，B超中应用了许多先进的技术。应用数字图像技术，可以随时冻结超声断层图像并进行观察、分析、测量及拍照等，还可以将有意义的图像存储下来；应用数字扫描技术，可以使用电视监视器显示图像与文字；采用电子聚焦、声聚焦和动态聚焦可变孔技术，能使图像分辨率提高，可达到2mm。总之，通过B超的图像能较清晰地观察到人体多种器官的动态变化，是心脏、腹部器官、妇产科临床诊断的
13、首选辅助工具。3.4 超声多普勒血流仪、成像仪与彩超 超声如同声音一样，以确定的速度通过介质，当遇到两种不同介质的分界面时就能发生反射和折射。当反射边界固定不变时，反射波的频率等于入射波的频率，但当反射边界朝向声源移动时，反射超声波的波长就被压缩，反之被拉伸。而超声波在传输介质中的速度是恒定的，因此根据公式c=f，超声波波长的变化导致了频率的移动，此现象被称为多普勒效应。频率偏移的大小见公式：CfVfcos2 脉冲超声多普勒血流仪框图 目前应用的超声多普勒胎心率监护仪和超声多普勒血流仪正是根据上述原理设计的。其中超声波发射又可分为连续波和脉冲波两种。用连续多普勒仪器构成的血管二维扫描基本上是一
14、个平面图，它代表血管在皮肤上的投影。脉冲超声多普勒血流仪的采样距离、采样体积都可以调节，所以可以得到某一深度某一范围内的血流信息，既能显示被测血流的深度，又能产生血管腔的横断面像和纵断面像。显示方式有波形显示和动态声谱图显示。波形显示有正向血流、反向血流和正反向血流，幅度代表速度大小，水平方向代表时间。还可监听多普勒血流声，声调高表示血流速度快，声调低表示血流速度慢。多功能超声诊断仪一般具有B型、M型及多普勒三种功能，它以B型图像进行定位，可以精确测得心脏内某一位置的血流频谱图，对诊断心脏疾病有重大意义。血流彩色显示超声波诊断装置，不仅能显示血流频谱图，还能以伪彩色（红色代表正向血流，蓝色代表
15、反向血流）显示的二维彩色血流图像，迭加在黑白的B型图像上，简称为“彩超”，大大提高了临床诊断的水平。由于脉冲超声多普勒血流仪可以得到不同深度的信息，因而可得到血流速度在血管（或心脏）内的分布，临产上可诊断血管斑块是否形成，血管是否阻断，并可制成多普勒成像仪，可显示血管（或心脏）的二维截面像，如图，并以伪彩色代表血流的大小和方向。超声多普勒血管截面成像3.5 超声三维成像系统（超声CT）在医学临床影像诊断中，仅通过观察二维切片图像，很难准确确定病变体的空间位置、大小、几何形状和与周围生物组织的关系。本世纪七十年代由计算机控制的超声CT技术开始兴起，将超声诊断水平提高到一个新的高度，并有助于分子生
16、物学和生物物理学的发展。近十几年随着计算机技术的飞速发展，推动了三维超声成像技术的研究和应用。超声计算机断层成像机械扫描系统框图 德国SIEMENS公司推出超声三维成像系统（超声CT）。它由一个特殊的TEE（经食道超声心动图）探头、相控阵彩色血流成像系统及一个高性能的图像处理系统三部分组成。应用TEE探头经食道，在心电同步触发下，对心动周 美国于20世纪90年代推出了以射频电磁场进行立体定位、使用普通相控阵扇扫探头从体外进行扫描并进行超声三维成像的系统。美国Duke大学最近提出晶体片被纵向、横向多线均匀切割成众多的微型矩阵型排列的二维阵列换能器。在用于体外探测时，微小的晶片多达6060=360
17、0；而用于心内探测的导管式前向观察探头的晶片按1010=100排列。探头发射声束时按相控阵方式沿Y轴进行方位转向形成二维图像，后者再沿Z轴方向扇形移动进行立体仰角转向形成金字塔形数据库。在未来的动态三维成像中可能会发挥重大作用。今后三维超声成像仪的发展有着十分广阔的发展前景。在进一步提高计算机微处理器的运算速度后，可以使动态三维图像准实时显示并能显示体内器官的实时剖切图像（四维超声成像）。另外，如果在提高成像装置质量和改进操作方法的基础上，还可获得几乎能与光学内窥镜相媲美的动态三维图像。最近还出现了将彩色多普勒信号重建为动态三维彩色多普勒血流图的技术，除能观察血流部位、途径、范围、轮廓与起止点之外，尚可判断其方向与流速并清晰分辨血流信号与其旁侧的心壁和瓣膜。Acuson彩色多普勒血流仪就可显示冠状动脉的主干及其分支。除此之外，在动态三维超声显示的立体图像上，通过计算机处理，可根据需要切割并除去浅层组织的回声，有利于对欲实施手术病灶的细致分析，可用于模拟手术。随着软件超声技术的推广，有人提出了“一块 IC即是一个系统”的设想，即超声仪器小型化，这将成为医学超声成像仪器发展的趋势。不久的将来，庞大的彩超竟然可以缩小到能够放在口袋中。总之，医学超声中蕴涵了无穷的诊断信息，其应用范围十分广泛，随着相关科学技术的不断进步，无论在显示图像质量还是诊断功能上等方面，都会得到飞速发展。
