1、醫(yī)用聲學設備第一節(jié) 醫(yī)用超聲診斷設備一、概述醫(yī)用超聲診斷是利用超聲波照射人體組織，通過接收和處理載有人體組織或結構性質(zhì)特征信息的回波，獲得人體組織與結構的可見圖像的方法和技術。聲學、光學、電子學、計算機及信息科學等學科交叉的產(chǎn)物。一 醫(yī)學超聲設備的分類 1.以獲取信息的空間分類 (1)一維信息設備 如型、型、型。 (2)二維信息設備 如扇形掃查型、線性掃查型、凸陣掃查型等。 (3)三維信息設備 即立體超聲設備。 3.按利用的物理特性分類 (1)回波式超聲診斷儀 如型、型、型、型等。 (2)透射式超聲診斷儀 如超聲顯微鏡及超聲全息成像系統(tǒng)。 20世紀40-50年代，A型超聲診斷儀在臨床上得到廣泛

2、應用。70年代以后，B型超聲成像技術得到快速發(fā)展，除人工心肺外，幾乎身體每個部位都可以超聲技術診斷。80年代以后，脈沖多普勒技術和多功能彩色血流成像技術產(chǎn)品的問世，使得超聲成像診斷成為醫(yī)學臨床四大影像診斷的首選技術。A型超聲診斷儀A型超聲診斷儀因其回聲顯示采用幅度調(diào)制(amplitude modulation)而得名。A型顯示是超聲診斷儀最基本的一種顯示方式，即在陰極射線管(CRT)熒光屏上，以橫坐標代表被探測物體的深度，縱坐標代表回波脈沖的幅度，故由探頭(換能器)定點發(fā)射獲得回波所在的位置可測得人體臟器的厚度、病灶在人體組織中的深度以及病灶的大小。根據(jù)回波的其他一些特征，如波幅和波密度等，還

3、可在一定程度上對病灶進行定性分析。 應用A型超聲診斷儀原理見圖，適應于醫(yī)學各科的檢查，從人的腦部直至體內(nèi)臟器。其中應用最多的是對肝、膽、脾、腎、子宮的檢查。距離測量準確，對眼科的一些疾病，尤其是對眼內(nèi)異物,用A型超聲診斷儀比X線透視檢查更為方便準確。在婦產(chǎn)科方面，對于婦女妊娠的檢查以及子宮腫塊的檢查，也都比較準確和方便。 目前，A型診斷設備的代表產(chǎn)品主要是超聲眼科測量儀、超聲角膜測厚儀等。局限性由于A型顯示的回波圖，只能反映局部組織的回波信息，不能獲得在臨床診斷上需要的解剖圖形，且診斷的準確性與操作醫(yī)師的識圖經(jīng)驗關系很大，因此其應用價值已漸見低落，即使在國內(nèi)，A型超聲診斷儀也很少生產(chǎn)和使用了。

4、 M型超聲診斷儀發(fā)射和接收工作原理參見圖，與A型有些相似，不同的是其顯示方式。對于運動臟器，由于各界面反射回波的位置及信號大小是隨時間而變化的，如果仍用幅度調(diào)制的A型顯示方式進行顯示，所顯示波形會隨時間而改變，得不到穩(wěn)定的波形圖。因此，M型超聲診斷儀采用輝度調(diào)制的方法，使深度方向所有界面反射回波用亮點形式在顯示器垂直掃描線上顯示出來，隨著臟器的運動，垂直掃描線上的各點將發(fā)生位置上的變動，定時地采樣這些回波并使之按時間先后逐行在屏上顯示出來。M型超聲診斷儀對人體中的運動臟器，如心臟、胎兒胎心、動脈血管等功能的檢查具有優(yōu)勢，并可進行多種心功能參數(shù)的測量，如心臟瓣膜的運動速度、加速度等。目前，單獨M

5、型超聲診斷儀產(chǎn)品非常少見，主要是在多功能B型超聲診斷儀中含有M型顯示部分，用以測定和計算心臟的參數(shù)。但M型顯示仍不能獲得解剖圖像，它不適用于對靜態(tài)臟器的診查。 B型超聲診斷儀概述：又稱B型（二維）超聲顯像儀，雖然B型超聲成像診斷儀因其成像方式采用輝度調(diào)制(brightness modulation)而得名，其影像所顯示的卻是人體組織或臟器的二維超聲斷層圖(或稱剖面圖)，對于運動臟器，還可實現(xiàn)實時動態(tài)顯示，所以，B型超聲成像儀與A型、M型超聲診斷儀在結構原理上都有較大的不同。 B型超聲成像儀和M型一樣采用輝度調(diào)制方式顯示深度方向所有界面反射回波，但探頭發(fā)射的超聲聲束在水平方向上卻是以快速電子掃描

6、的方法(相當于快速等間隔改變A超探頭在人體上的位置)，逐次獲得不同位置的深度方向所有界面的反射回波，當一幀掃描完成，便可得到一幅由超聲聲束掃描方向決定的垂直平面二維超聲斷層影像，稱之為線形掃描斷層影像。 也可以通過改變探頭的角度(機械的或者電子的方法)，從而使超聲波束指向方位快速變化，使每隔一定小角度，被探測方向不同深度所有界面的反射回波，都以亮點的形式顯示在對應的掃描線上，便可形成一幅由探頭擺動方向決定的垂直扇面二維超聲斷影像，稱之為扇形掃描斷層影像。 醫(yī)用超聲探頭 超聲診斷儀是通過探頭產(chǎn)生入射超聲波(發(fā)射波)和接收反射超聲波(回波)的，它是診斷設備的重要部件。高頻電能激勵探頭中的晶體產(chǎn)生機

7、械振動，反射超聲波的機械振動又可以通過探頭轉(zhuǎn)換為電脈沖。也就是說探頭能將電能轉(zhuǎn)換成聲能，又能夠?qū)⒙暷苻D(zhuǎn)換成電能，所以探頭又稱做超聲換能器。其原理來自于晶體的壓電效應。 壓電效應壓電效應泛指晶體處于彈性介質(zhì)中所具有的一種聲-電可逆特性，此現(xiàn)象為法國物理學者居里兄弟于1880年所發(fā)現(xiàn)，故也稱居里效應 晶體和陶瓷片因切割方位和幾何尺寸的不同，產(chǎn)生機械振動的固有頻率也不同,當外加的交變電壓的頻率與固有頻率一致時，產(chǎn)生的機械振動最強;當外加的機械力的頻率與固有頻率一致時，所產(chǎn)生的電荷也最多。在超聲波診斷儀中激勵脈沖的頻率必須與探頭的固有頻率相同。 2.壓電換能器的特性 壓電換能器的特性參量很多，現(xiàn)只簡單

8、介紹以下3種。 (1)頻率特性 壓電換能器的晶體本身是一個彈性體，因此有其固有的諧振頻率，當所施力的頻率等于其固有頻率時，它將產(chǎn)生機械諧振，由于正壓電效應而產(chǎn)生最大電信號。另一方面，當所施加電的頻率和壓電晶體固有頻率一致時，由于逆壓電效應則應發(fā)生機械諧振，諧振時振幅最大，彈性能量也最大，這時，壓電晶體獲得最大形變振動,通過介質(zhì)產(chǎn)生超聲波輸出。實驗證明，當所施加力或電的頻率不與晶體固有頻率一致時，壓電換能器晶體產(chǎn)生的電信號幅度和變形振動幅度都將變小，可見，它們都是頻率的函數(shù)。(2)換能特性 換能器的換能特性包括兩個方面:電能機械能超聲能，超聲能機械能電能。前者屬于發(fā)射過程，后者屬于接收過程。能量

9、間轉(zhuǎn)換必然產(chǎn)生損失(產(chǎn)生了無益的能耗)，以轉(zhuǎn)換效率來表征換能器這一性能： 電機轉(zhuǎn)換效率=輸出的機械功率輸入的電功率 機聲轉(zhuǎn)換效率=輻射的超聲功率輸入的機械功率 因此：電聲轉(zhuǎn)換效率=輻射的超聲功率輸入的電功率 (3)暫態(tài)特性 超聲診斷儀的換能器大多工作于脈沖狀態(tài)，換能器對脈沖的響應速率稱為暫態(tài)特性，這也是一項重要指標。換能器的暫態(tài)特性與其頻率特性是有關系的，簡言之，換能器的頻譜越寬，它的暫態(tài)特性也越好，可允許的超聲脈沖的寬度越窄。在這里，所描述的脈沖寬度是指斷續(xù)發(fā)射出超聲的時間長度，單位是秒(s)，它與頻率（超聲波每秒振動的次數(shù)）是不同的。 超聲多普勒胎兒心率儀原理：利用連續(xù)波超聲多普勒原理，直

10、接從孕婦腹部獲取胎兒心臟運動信息的醫(yī)療電子產(chǎn)品。該儀器以聲音、數(shù)字顯示方式輸出胎兒心臟運動信息。好壞直接影響到孕婦和胎兒的身體健康。所謂多普勒效應就是，當聲音，光和無線電波等振動源與觀測者以相對速度V相對運動時，觀測者所收到的振動頻率與振動源所發(fā)出的頻率有所不同。因為這一現(xiàn)象是奧地利科學家多普勒最早發(fā)現(xiàn)的，所以稱之為多普勒效應。 脈沖多普勒雷達的工作原理可表述如下：當雷達發(fā)射一固定頻率的脈沖波對空掃描時，如遇到活動目標，回波的頻率與發(fā)射波的頻率出現(xiàn)頻率差，稱為多普勒頻率。根據(jù)多普勒頻率的大小，可測出目標對雷達的徑向相對運動速度；根據(jù)發(fā)射脈沖和接收的時間差，可以測出目標的距離。同時用頻率過濾方法

11、檢測目標的多普勒頻率譜線，濾除干擾雜波的譜線，可使雷達從強雜波中分辨出目標信號。所以脈沖多普勒雷達比普通雷達的抗雜波干擾能力強，能探測出隱蔽在背景中的活動目標。 儀器構成（作圖2-5-1）探頭 發(fā)射和接收超聲波信號的超聲換能器件發(fā)射單元 用來產(chǎn)生激勵探頭的高頻連續(xù)波或準連續(xù)波的電信號接收單元- 用來處理來自探頭的電信號，使之至少成為音頻范圍內(nèi)的多普勒信號信號輸出部分 用來向其他設備輸出信號電壓或電流，如用于顯示、記錄或數(shù)據(jù)處理超聲多普勒胎兒心率儀分為有探頭（Sonoline A胎兒心率儀，Sonoline胎兒心率儀，SonolineC胎兒心率儀超聲多普勒胎兒心率儀）和無探頭（Baby Soun

12、d A超聲多普勒胎兒心率儀，Baby Sound B超聲多普勒胎兒心率儀）兩種。有探頭的胎心儀在探頭壞掉后方便更換，無探頭胎心儀它的探頭是集成在儀器里，兩種胎心儀在功能上沒有區(qū)別。 工作原理儀器由發(fā)射單元激勵超聲探頭，向人體發(fā)射特定頻率的超聲波，超聲波被運動的散射體（如胎兒心臟）發(fā)射，引起超聲散射波在頻率上的變化，探頭再將接收的聲信號轉(zhuǎn)換成電信號，由接收單元進行信號處理，最終以聲音、數(shù)字顯示方式輸出胎兒心臟運動信息。信號輸出部分將初步處理后的電信號輸出，用于進一步的數(shù)據(jù)處理或顯示、記錄。功用 超聲多普勒胎兒心率儀能檢測到胎兒的心跳,用耳機接收胎心音。孕婦可自己操作聽取胎心音，計數(shù)胎兒心率。實現(xiàn)

13、提早監(jiān)測、密切關注、呵護生命。本儀器的設置等同于醫(yī)院科室常用的胎心檢測，采用多普勒原理設計，超低超聲輸出強度（小于5mw/cm2)，遠遠小于國家規(guī)定標準，確保安全使用。高靈敏度超聲換能器，孕12周就可以清晰聽到胎兒心音。 連續(xù)波超聲多普勒設備工作原理：基于多普勒效應，即由于人體內(nèi)散射體（例如胎兒心臟、血液中的紅細胞等）和探頭之間的相對運動，引起超聲散射波的頻率改變，產(chǎn)生多普勒差頻（探頭發(fā)射波與接收波之間的差頻）該頻率與被觀測物體的速度，即散射體朝向或遠離換能器方向的速度分量呈正比。設備經(jīng)由探頭向目標發(fā)射連續(xù)波或準連續(xù)波超聲信號，再接收反射信號，由主機處理產(chǎn)生多普勒差頻，將該信號以聲音、數(shù)字或圖

14、形顯示等直觀方式向醫(yī)生提供診斷信息。超聲多普勒設備主要包括連續(xù)超聲多普勒血流計，測速計或胎兒心率計等，體積小，攜帶方便。1.連續(xù)超聲多普勒診斷儀 連續(xù)超聲多普勒診斷儀通過發(fā)射與接收連續(xù)多普勒信號，來獲得運動目標的信息。這類儀器結構簡單，價格低廉，可用來觀測心壁、瓣膜、胎體的運動狀態(tài)。這類儀器的測量也存在很的局限性。例如不能判斷物體的運動方向，不能探測血流狀態(tài)。由于沒有深度分辨力，它也不能探測運動物體的深度，因此目前除用以胎兒的檢測外，已很少在臨床上使用。 2.連續(xù)超聲多普勒血流計 利用連續(xù)超聲多普勒血流計可以檢測血流速度的大小與方向，尤其是在測量高速血流時連續(xù)式超聲多普勒血流計有其獨特的優(yōu)勢。

15、此類儀器仍不能分辨探頭和運動目標間的距離，測量結果受聲束和運動方向夾角的影響較大，無法了解異常血流的產(chǎn)生部位。 脈沖超聲多普勒設備脈沖超聲多普勒設備采用脈沖工作方式，不同于連續(xù)波，脈沖多普勒超聲系統(tǒng)具有距離分辨率，而且其發(fā)射和接收在時間上是分別進行的。脈沖多普勒血流計和速度計在診斷實踐中得到廣泛的應用。設備周期性地從超聲探頭發(fā)射超聲脈沖，并接收運動組織反射和散射超聲的多普勒頻差。多普勒頻差與沿著超聲聲束方向的反射體或散射體的速度分量，通過距離選擇功能，設備可用來測量不同深度的血流速度變化。研究血流學時，由于紅細胞的超聲散射，脈沖超聲多普勒血流計、測速計是最常見的。單獨的脈沖多普勒儀器采用單個換

16、能器發(fā)射或接收，或用獨立的換能器來實現(xiàn)這些功能，在這種情況下，儀器還能再連續(xù)波模式工作。超聲多普勒胎兒監(jiān)護儀一般既配有連續(xù)波探頭也配備脈沖探頭。超聲經(jīng)顱多普勒主要用于腦部血管疾病的診斷，一般也分別配備有連續(xù)波探頭和脈沖波探頭，連續(xù)波探頭對顱外動脈循環(huán)進行淺表檢測，脈沖波探頭對顱內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)進行定距檢測。超聲波理療設備（見康治69-75）高強度聚集超聲治療系統(tǒng)一、概述高強度聚焦超聲治療系統(tǒng)與超聲理療設備一樣也是通過直接向人體輻射超聲波能量進行治療。但是最大的區(qū)別是超聲理療設備的波束是非聚焦的、聲強不得超過3W/cm2。而HIFU的波束是聚焦的、焦點的聲強一般達到1000W/cm2，要比超聲理療設備

17、大數(shù)百甚至數(shù)千倍，高強度超聲作用于人體會產(chǎn)生不可逆的結果，其應用具有一定的風險性。該類設備的工作原理：將聚焦的高強度超聲能量作用于患者的腫瘤部位，并利用聚焦超聲瞬間加熱腫瘤組織，使其發(fā)生凝固性壞死，從而達到無創(chuàng)性“切除”腫瘤實體的目的。該設備涉及醫(yī)學、生物醫(yī)學工程、聲學、自動化控制、計算機、精密機械制造等多項技術，一般由超聲聚焦換能器組件、大功率超聲發(fā)生裝置、圖像定位與監(jiān)控裝置、立體組合適形掃描運動裝置與控制系統(tǒng)、計算機控制部分和耦合水處理裝置組成，先進的還具有TPS治療規(guī)劃系統(tǒng)和計算機療效實時評價系統(tǒng)。其主要特點：使用較大直徑的單片式聚焦換能器或多個換能器單元形成的球面聚焦陣列；治療頭固定在

18、設備上，通過水槽或水囊接觸體表向體內(nèi)的某個點匯聚超聲波能量具有三維定位系統(tǒng)來控制治療位置焦域聲強一般超過1kw/cm2治療前必須在B超或CT、MRI的監(jiān)視下準確設定焦域位置，治療過程中必須實時監(jiān)測超聲作用后的效果。TPSTPS治療計劃系統(tǒng)（一個專用的計算機系統(tǒng)）是一種醫(yī)療設備,通過對放射源和患者建模, 來模擬計劃實施的放射治療。系統(tǒng)采用一個或多個算法對患者體內(nèi)吸收劑量分布進行計算, 計算結果供放射治療計劃制定者使用。 治療計劃系統(tǒng)是放射治療質(zhì)量控制與質(zhì)量保證必不可少的手段, 而治療計劃設計是放射治療過程的重要環(huán)節(jié), 需要治療計劃系統(tǒng)上進行。 治療計劃系統(tǒng)應首先對放射源建模, 在安裝階段根據(jù)模型

19、要求建立相應的束流及參數(shù)數(shù)據(jù)庫。在對患者設計計劃時, 首先向治療計劃系統(tǒng)輸人圖象通過介質(zhì)或網(wǎng)絡, 系統(tǒng)獲得關于患者的病變及重要器官與組織的信息, 并進行密度場的重建, 完成對患者建模。 醫(yī)生與物理人員結合治療機（醫(yī)用加速器、鈷機等）參數(shù), 設計治療計劃先進的治療計劉系統(tǒng)可提供自動優(yōu)化功能, 治療計劃系統(tǒng)給出治療計劃的模擬結果, 通過一種或多種評價方法, 對已設計的計劃予以評價, 經(jīng)過反復修正和完善,最終獲得用于臨床的詳細可行的治療方案。 科研醫(yī)用超聲霧化器組成：高頻振蕩發(fā)生器、壓電換能器、水槽、藥物霧化罐工作頻率：800kHz-15000kHz工作原理：利用超聲波的空化效應，使液體在氣相中分散

20、，將藥液變成直徑1-5um左右的霧狀顆粒?；颊咄ㄟ^吸入霧化的顆粒，使藥物直接作用于呼吸道病灶部位。預期用途：哮喘、支氣管炎的藥物吸入治療；也可用于病房、手術室、治療間等醫(yī)療環(huán)境的空氣加濕、消毒滅菌（用潔凈水或消毒劑代替藥物，使消毒劑或水的霧粒在房間內(nèi)彌散）分類按結構分：臺式和袖珍式按電源分：交流電原型、直流電池型、交直流二用型超聲潔牙設備構成：高頻電發(fā)生器、手柄、手柄配套的各種作用頭組成工作頻率：18-60kHz，由超聲換能器產(chǎn)生連續(xù)或準連續(xù)的超聲能量輸出。超聲換能器采用磁致伸縮或壓電晶片原理，激勵在共振頻率下帶動作用頭振動，尖端的振動幅度在100um左右。振動的尖端與牙齒的斑塊和結石直接接觸

21、，產(chǎn)生刮除或剪切的作用，該區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生的超聲噴流和空化作用、被剝離的結石微粒的相互研磨作用。為了散熱，通常除垢時采用水或鹽水沖洗從手柄至尖端和牙齒表面的接觸點，沖洗的水流和溫度可調(diào)整，沖洗可以達到散熱的目的，還有助于更好地除牙垢。超聲潔牙設備的工作頻率一般由設備自動控制。高頻電發(fā)生器的功率、作用頭結構、功率設定、頻率調(diào)諧及作用者的使用技能，決定了超聲潔牙設備的除垢效果。超聲外科手術設備超聲眼科乳化治療儀、超聲手術刀、超聲眼科手術刀、超聲脂肪乳化儀、超聲抽脂儀等原理：均是利用超聲能量來破碎或切割人體組織，同時又不會造成人體組織的分離或凝結。通常是由發(fā)生器和附有外科尖端的手持部件構成，其工作頻率在2

22、0kHz-60kHz，聲波通過特殊設計的波導器將超聲能量傳遞到進行外科手術的位置。許多尖端是空心的，但也有實心的。空心的尖端允許同時進行沖洗和抽吸，以確保超聲與組織的良好接觸，允許排除已破碎的組織，對外科手術位置處的組織提供冷卻和保護，對手持換能器提供冷卻。眼科用的裝置還有一個封閉的，包括被治療的眼在內(nèi)的水壓系統(tǒng)，用于手術期間控制并維持恒定的眼內(nèi)壓力。手持換能器部件可以是磁致伸縮換能器或壓電陶瓷換能器，手持部件設計成諧振狀態(tài)使能量轉(zhuǎn)換的效率為最大。每一個手持部件一般由一個換能器、一個連接構件和一個治療頭尖端構成。超聲手術裝置治療頭尖端一般設計成尖銳、鋒利的形狀，便于切割和撕碎組織。超聲外科手術

23、設備在眼科、神經(jīng)外科尤其具備特有的優(yōu)勢。超聲外科手術設備的性能主要取決于外科尖端的振動偏移、設備的工作頻率和輸入電功率。主尖端振動偏移的范圍一般為0-600um，在激勵頻率給定的條件下，偏移由手持部件的設計和激勵功率控制。含有心電應用部分的多功能B型超聲診斷儀和超聲胎兒監(jiān)護儀，其B超探頭應用部分為B型或BF型，而心電應用部分為CF型。醫(yī)用超聲設備安全通用要求中的有關測試項目1、含有心電監(jiān)護應用部分的醫(yī)用超聲診斷設備，其心電應用部分為CF型，其連續(xù)漏電流允許值如下表：電流正常狀態(tài)mA單一故障mA對地漏電流0.51外殼漏電流0.10.5患者漏電流0.010.05患者輔助電流0.010.052、醫(yī)用

24、超聲高能聚焦手術系統(tǒng)，其連續(xù)漏電流允許值：電流正常狀態(tài)mA單一故障狀態(tài)mA對滴漏電流510外殼漏電流0.10.5患者漏電流0.10.5助聽器及人工耳蝸是用放大了的聲音來幫助失聰人士補償聽力的一種醫(yī)療器械影響助聽器接受度的重要因素助聽器的尺寸 隱蔽的CIC助聽器會讓態(tài)度得到改變(不再被認為是殘疾）聲音效果 通過非線性、輸入調(diào)節(jié)的放大以及其它目標的實現(xiàn)，聲音更加舒適。物理尺寸助聽器接觸耳朵的方式。換能器音質(zhì)麥克風和受話器對聲音的影響。助聽器技術發(fā)展的五個時期1、集聲器時代2、炭精時代3、電子管時代4、晶體管和集成電路時代5、數(shù)字時代助聽器的分類按外形分類 1、盒式 2、耳背式 3、定制式 4、眼鏡式 5、骨導助聽器盒式又稱體佩式出現(xiàn)早、體積大多采用普通晶體管元件，價格低廉耳背式使用廣泛適用于不同聽力損失程度的患者定制式可分為耳甲腔式（ITE)、耳道式(ITC)、深耳道式(CIC)可適用于輕到中重度聽力損失ITCCIC眼鏡式將放大的聲音通過氣導方式傳入，也可通過骨導方式傳入。較少使用骨導式聲音的輸出端是一個振動器。振動器直接接觸耳后乳突部適于先天外耳道發(fā)育不全（外耳道閉鎖、耳廓畸形等）