1、第四章 醫(yī)用超聲診斷與治療儀器,學(xué)習(xí)目標(biāo),掌握超聲成像的基本原理； 掌握超聲診斷儀的基本組成和構(gòu)造； 掌握B超的工作原理的結(jié)構(gòu)組成； 熟悉超聲診斷儀的種類； 了解三維超聲成像系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和臨床應(yīng)用,第四章 醫(yī)用超聲診斷與治療儀器,第一節(jié) 超聲波的物理特性,主要內(nèi)容,1、什么是聲波和超聲波,2、人體組織傳播超聲波的特征,3、超聲波在人體內(nèi)傳播的參數(shù),4、超聲波的生物效應(yīng)（安全性）,一、聲波和超聲波,自然界有各種各樣的波，根據(jù)其性質(zhì)基本上分為兩大類：,電磁波,機(jī)械波,電磁能量場(chǎng)的變化在空間的傳播過程,無(wú)線電波、可見光和X線等，都是電磁波,機(jī)械波是機(jī)械振動(dòng)的機(jī)械力（機(jī)械能量）作用在連續(xù)彈性介質(zhì)內(nèi)的

2、傳播過程,聲波、水波和地震波等都是機(jī)械波,1890年， 一艘名叫“馬爾波羅號(hào)”帆船在從新西蘭駛往英國(guó)的途中，突然神秘地失蹤了。 1948年初，一艘荷蘭貨船在通過馬六甲海峽時(shí)，一場(chǎng)風(fēng)暴過后，全船海員莫明其妙地死光；上述慘案，引起了科學(xué)家們的普遍關(guān)注，其中不少人還對(duì)船員的遇難原因進(jìn)行了長(zhǎng)期的研究。,1、歷史事件,第四章 醫(yī)用超聲診斷與治療儀器,2、關(guān)于次聲 infrasonic wave,經(jīng)過反復(fù)調(diào)查，終于弄清了制造上述慘案的“兇手”，是一種為人們所不很了解的次聲的聲波。,人體內(nèi)臟固有的振動(dòng)頻率和次聲頻率相近似（0.000120赫），倘若外來(lái)的次聲頻率與人體內(nèi)臟的振動(dòng)頻率相似或相同，就會(huì)引起人體內(nèi)

3、臟的共振，從而使人產(chǎn)生上面提到的頭暈、煩躁、耳鳴、惡心等等一系列癥狀。,第四章 醫(yī)用超聲診斷與治療儀器,在連續(xù)介質(zhì)中傳播的彈性波，若其頻率f在202104 Hz之間，則能使人產(chǎn)生聲音的感覺，這種波稱為聲波(sound wave)； 若其頻率在10420 Hz之間，則這種波稱為次聲波(infrasonic wave)； 若其頻率在21045108 Hz之間，則這種波稱為超聲波(supersonic wave)。,第四章 醫(yī)用超聲診斷與治療儀器,人能聽到聲音的頻率為20Hz20000Hz，其中最敏感的頻率2000Hz3000Hz。老年人的聽覺隨著年齡而衰退，能聽到的頻率約為50Hz12000Hz。

4、,第四章 醫(yī)用超聲診斷與治療儀器,理論上：頻率越高，波長(zhǎng)越短，超聲診斷的分辨率越好。,3、醫(yī)學(xué)超聲,200kHz至40MHz之間（常用在1MHz到10MHz，波長(zhǎng)在1.5mm至0.15mm）,頻率范圍,第四章 醫(yī)用超聲診斷與治療儀器,（1）頻率：聲源在一秒中內(nèi)振動(dòng)的次數(shù)，記作f。單位為Hz。,（3）波長(zhǎng)：沿聲波傳播方向，振動(dòng)一個(gè)周期所傳播的距離，或在波形上相位相同的相鄰兩點(diǎn)間距離，記為，單位為m,二、超聲波的物理特性,第四章 醫(yī)用超聲診斷與治療儀器,（4）超聲波的傳播速度：,超聲波每秒鐘在介質(zhì)中傳播的距離稱為聲速，記作c，單位為m/s。 它的大小由媒質(zhì)的性質(zhì)所決定；與媒質(zhì)的密度和彈性模量有關(guān)。

5、在人體軟組織中傳播的平均聲速為1540s,頻率f、波長(zhǎng)和聲速c三者之間的關(guān)系是: c = f,二、超聲波的物理特性,第四章 醫(yī)用超聲診斷與治療儀器,超聲波在各種介質(zhì)中的傳播速度,二、超聲波的物理特性,聲壓,聲強(qiáng),聲阻抗,超聲波聲場(chǎng)的三個(gè)物理量,第四章 醫(yī)用超聲診斷與治療儀器,超聲波在兩種介質(zhì)組成的界面上的反射和透射情況與兩種介質(zhì)的聲阻抗密切相關(guān),聲阻抗是表征介質(zhì)聲學(xué)性質(zhì)的重要物理量,對(duì)于一定頻率的平面超聲聲波情況下，聲阻抗具有簡(jiǎn)單的表達(dá)式Z=c,C為聲速。,為介質(zhì)密度,媒質(zhì)越硬，C值越高，聲特性阻抗越大。,第四章 醫(yī)用超聲診斷與治療儀器,超聲診斷中常用的各種介質(zhì)的聲特性阻抗表,二、超聲波的物理

6、特性,由于這三類組織存在較大的阻抗差別，所以超聲成像診斷只能用于那些有液體和軟組織的區(qū)域,第四章 醫(yī)用超聲診斷與治療儀器,5、超聲波的束射（定向）性,人耳可感受的聲音是無(wú)指向性的球面波，即以聲源為中心呈球面向四周擴(kuò)散周圍均能聽到聲音,超聲波頻率很高，方向性強(qiáng),二、超聲波的物理特性,第四章 醫(yī)用超聲診斷與治療儀器,第一介質(zhì),第二介質(zhì),入射波,反射波,透射波,介質(zhì)分界面,任何媒質(zhì)總有一個(gè)邊界，超聲波在非均勻性組織內(nèi)傳播或從一種組織傳播到另一種組織，由于兩種介質(zhì)聲阻抗不同（介質(zhì)的密度和聲速不同）形成聲學(xué)界面,聲學(xué)界面,6、 超聲波的反射與折射,二、超聲波的物理特性,第四章 醫(yī)用超聲診斷與治療儀器,6

7、、 超聲波的反射與折射,二、超聲波的物理特性,第四章 醫(yī)用超聲診斷與治療儀器,聲阻抗差越大，反射就越強(qiáng)，折射就越小。 聲阻抗差越小，折射就越強(qiáng)，反射就越小。,7、超聲波的衰減 超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，隨著距離增加，超聲波能量逐漸減弱的現(xiàn)象。,二、超聲波的物理特性,第四章 醫(yī)用超聲診斷與治療儀器,超聲波的散射,第四章 醫(yī)用超聲診斷與治療儀器,二、超聲波的物理特性,第四章 醫(yī)用超聲診斷與治療儀器,超聲波在人體組織中的衰減程度,大,小,第四章 醫(yī)用超聲診斷與治療儀器,二、超聲波的物理特性,8、多普勒效應(yīng) 由于波源和觀察者之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使觀察者感到頻率變化的現(xiàn)象叫做多普勒效應(yīng)。,第四章 醫(yī)用超聲診斷與

8、治療儀器,二、超聲波的物理特性,多普勒效應(yīng)(Doppler effect) 1、現(xiàn)象(1842年發(fā)現(xiàn))：當(dāng)汽車向你駛來(lái)時(shí)，感覺音調(diào)變高；當(dāng)汽車離你遠(yuǎn)去時(shí)，感覺音調(diào)變低。 2、音調(diào)：由頻率決定，頻率越高音調(diào)越高，頻率越低音調(diào)越低。,注意：頻率由聲源決定，實(shí)際頻率并沒有變化。,第四章 醫(yī)用超聲診斷與治療儀器,二、超聲波的物理特性,超聲多普勒儀器上的換能器向人體內(nèi)發(fā)射頻率已知的超聲波，超聲波被血管中的血流反射后又被儀器接收，測(cè)出反射波的頻率變化，就能知道血流的速度。這種方法可以檢查心臟、血管、血液、瓣膜和胎心等的活動(dòng)。,臨床上應(yīng)用多普勒效應(yīng):彩色多普勒超聲診斷系統(tǒng),第四章 醫(yī)用超聲診斷與治療儀器,心

9、臟瓣膜&血管超聲多普勒?qǐng)D像,第二節(jié) 超聲成像基本原理,2.1 醫(yī)學(xué)超聲成像的基本原理,超聲成像的信息主要由反射回波和散射回波所攜帶，一個(gè)典型的超聲回波應(yīng)包含大界面的反射回波（位置信息）與小粒子的散射回波（結(jié)構(gòu)信息）。 目前超聲診斷儀主要使用的是脈沖回波法原理； 脈沖回波技術(shù)利用人體組織的不均勻性而引起的反射作用，通過檢測(cè)臟器界面的反射波，實(shí)現(xiàn)組織定位，并檢測(cè)其特性。,第四章 醫(yī)用超聲診斷與治療儀器,2.1 醫(yī)學(xué)超聲成像的基本原理,(a)超聲脈沖發(fā)射的瞬間，顯示器上光點(diǎn)垂直偏移。 (b)超聲脈沖以恒定速度通過介質(zhì)1，光點(diǎn)在顯示器上形成水平掃描線。 (c)當(dāng)超聲到達(dá)1、2介質(zhì)的分界面上，一部分能量

10、經(jīng)界面反射，大部 分能量通過界面繼續(xù)向前傳播；反射回聲到達(dá)探頭，換能器將回 聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并成為顯示器垂直偏轉(zhuǎn)板的輸入信號(hào)，顯 示器上顯示回聲信號(hào)脈沖； (d)由2、3介質(zhì)分界面反射的回聲到達(dá)探頭，在顯示器上顯示出相應(yīng) 的脈沖。,第四章 醫(yī)用超聲診斷與治療儀器,2.1 醫(yī)學(xué)超聲成像的基本原理,超聲診斷儀器中，一般脈沖超聲的發(fā)射與接收是由同一換能器完成的，根據(jù)發(fā)射脈沖和回波脈沖的時(shí)間間隔T，計(jì)算出反射界面與換能器（聲源）之間的距離：,式中，c為介質(zhì)中的波速，生物體中除骨骼外，聲速相差不大，因此在工程計(jì)算中通常取其平均值1540m/s,A型超聲成像波形圖,第四章 醫(yī)用超聲診斷與治療儀器,第三

11、節(jié) 醫(yī)用超聲診斷&治療儀器,四大影像診斷設(shè)備,功 能,特 點(diǎn),X線機(jī),XCT,磁共振,同位素,超聲成像,透視 拍片,無(wú)創(chuàng)、無(wú)電離輻射 斷層成像 實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài) 形態(tài)、功能與定征 設(shè)備價(jià)格便宜,斷層 結(jié)構(gòu) 成像,設(shè)備 簡(jiǎn)單 電離 輻射 影像 重疊,斷層 攝影 電離 輻射 非實(shí)時(shí),斷層 攝影 設(shè)備 昂貴 非實(shí)時(shí),斷層 攝影 分辨 力低 放射 性藥物,斷層 結(jié)構(gòu) 代謝 功能,代謝功能,超聲診斷儀器 向人體內(nèi)發(fā)射超聲能量，并接收人體組織反射和散射的回波信號(hào)，根據(jù)其所攜帶的有關(guān)人體信息，加以檢測(cè)、放大等處理，并顯示出來(lái)，為醫(yī)生提供診斷依據(jù)。 超聲治療儀器 向人體發(fā)射一定功率的超聲能量，利用其與生物組織相互作

12、用產(chǎn)生的各種生物效應(yīng)，對(duì)有疾病的組織起到治療作用。 其它 超聲霧化設(shè)備 超聲清洗設(shè)備 超聲細(xì)胞粉碎設(shè)備,第四章 醫(yī)用超聲診斷與治療儀器,3.1 醫(yī)用超聲儀器的種類,3.2 超聲診斷儀器的基本構(gòu)成,第四章 醫(yī)用超聲診斷與治療儀器,振蕩器：即同步觸發(fā)信號(hào)發(fā)生器，產(chǎn)生控制系統(tǒng)工作的同步觸發(fā)脈沖，決定發(fā)射脈沖的重復(fù)頻率。 發(fā)射器：受觸發(fā)后產(chǎn)生高壓電脈沖激勵(lì)超聲換能器。 換能器：產(chǎn)生超聲脈沖，接收由目標(biāo)形成的回波脈沖信號(hào)并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，送入回波信息處理系統(tǒng)。 回波信息處理系統(tǒng)：由射頻信號(hào)接收放大器、檢波器和視頻放大器等組成，處理超聲回波信息。 顯示器：顯示圖象信息。 掃描發(fā)生器：在振蕩器產(chǎn)生的同步脈沖控

13、制下，輸出掃描信號(hào)給顯示器，使顯示器上顯示的超聲回聲圖穩(wěn)定。,第四章 醫(yī)用超聲診斷與治療儀器,3.2 超聲診斷儀器的基本構(gòu)成,換能器是超聲儀器中的重要部件。其主要工作原理是利用晶體的壓電效應(yīng)。,第四章 醫(yī)用超聲診斷與治療儀器,3.2 超聲診斷儀器的基本構(gòu)成,接收超聲波,發(fā)射超聲波,常見超聲探頭,線陣換能器,凸陣式扇形換能器,相控陣扇形換能器,機(jī)械扇掃換能器,手術(shù)用超聲換能器,經(jīng)直腸超聲換能器,經(jīng)陰道超聲換能器,3.3 超聲診斷儀的顯示型式,超聲診斷儀器按超聲回波信號(hào)顯示型式的不同，主要可分為A型超聲、B型超聲、C型超聲、M型超聲及P型超聲。,一、A型超聲（Amplitude Mode）,A型顯

14、示即幅度顯示，以回波信號(hào)的幅度表示界面反射的強(qiáng)弱，是一種幅度調(diào)制型儀器。,反射強(qiáng)，振幅高 反射弱，振幅低,特點(diǎn)：只能反映聲線方向上局部組織的回波信息，不能獲得臨床解剖圖，已基本淘汰。,回聲以波形顯示,第四章 醫(yī)用超聲診斷與治療儀器,3.3 超聲診斷儀的顯示型式,二、B型超聲（Brightness Mode）,在A型超聲診斷儀的工作基礎(chǔ)上，加上換能器的平面掃描，當(dāng)換能器的位置逐漸改變時(shí)（或采用多元換能器），使顯示器上每一條時(shí)基線方向也相應(yīng)地改變，則每條顯示線代表了產(chǎn)生回波的每一個(gè)界面的空間位置，從而構(gòu)成一幅二維圖象。是一種輝度調(diào)制儀器。,回聲以輝度顯示,第四章 醫(yī)用超聲診斷與治療儀器,3.3 超

15、聲診斷儀的顯示型式,B型超聲診斷儀器是一種輝度調(diào)制儀器，顯示器上每個(gè)光點(diǎn)的亮度表示回波信號(hào)的幅度。 按掃描方式分類，B超已經(jīng)發(fā)展了四代，包括手動(dòng)直線掃描、機(jī)械掃描、電子直線掃描和電子扇形掃描。,B超圖像由不同亮度的像素構(gòu)成，像素亮度由反射回聲的強(qiáng)弱所決定。 黑色：沒有反射（體液、空氣） 灰色：中等反射（組織） 白色：反射較強(qiáng)（骨骼、軟組織）,第四章 醫(yī)用超聲診斷與治療儀器,3.3 超聲診斷儀的顯示型式,B超的臨床應(yīng)用范圍 在婦產(chǎn)科中的探測(cè) 人體內(nèi)部臟器的輪廓及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的探測(cè) 表淺器官內(nèi)部組織探測(cè) 線掃式斷層B型超聲波診斷儀適用于觀察腹部臟器，如對(duì)肝、膽、脾、腎、子宮的檢查； 扇掃斷層B型超聲

16、波診斷儀適用于對(duì)心臟的檢查。,第四章 醫(yī)用超聲診斷與治療儀器,3.3 超聲診斷儀的顯示型式,三、C型超聲（Constant depth Mode）,C型超聲與B超一樣都顯示的是輝度調(diào)制的二維切面圖象 ，但與B超不同，其顯示的平面是垂直于聲線的平面。C 型顯象平面與 B 型顯象平面是相互垂直的，改變 C 型掃查深度，便可獲得若干不同深度的 C 型切面圖象。,第四章 醫(yī)用超聲診斷與治療儀器,3.3 超聲診斷儀的顯示型式,C 型超聲成像過程中，掃查平面距探頭的深度是不變的。如果使掃查面距探頭的深度發(fā)生變化，且掃查平面根據(jù)成像需要可設(shè)置為斜面、曲面，則構(gòu)成了F型超聲。,第四章 醫(yī)用超聲診斷與治療儀器,

17、3.3 超聲診斷儀的顯示型式,由于探頭位置固定，心臟有規(guī)律地收縮和舒張，心臟各層組織和探頭間的距離便發(fā)生節(jié)律性的改變。隨著水平方向的慢掃描，便把心臟各層組織的回聲展開成曲線，即為M型超聲心動(dòng)圖。,四、M型超聲（Motion Mode）,回聲以時(shí)間曲線顯示,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(diǎn)形式在顯示器垂直掃描線上顯示出來(lái)，隨著臟器的運(yùn)動(dòng)，垂直掃描線上的各點(diǎn)將發(fā)生位置上的變動(dòng)，定時(shí)地采樣這些回波并使之按時(shí)間先后逐行在屏上顯示出來(lái)。,第四章 醫(yī)用超聲診斷與治療儀器,3.3 超聲診斷儀的顯示型式,M型超聲診斷儀基本原理結(jié)構(gòu)圖,第四章 醫(yī)用超聲診斷與治療儀器,3.3 超

18、聲診斷儀的顯示型式,五、P型超聲（Motion Mode）,它可視為一種持殊的 B 型超聲，超聲換能器置于圓周的中心，徑向旋轉(zhuǎn)掃查線與顯示器上的徑向掃描線作同步的旋轉(zhuǎn)。主要適用于對(duì)肛門、直腸內(nèi)腫瘤、食道癌及子宮頸癌的檢查，亦可用于對(duì)尿道、膀胱的檢查。,P型超聲示意圖,六、D型超聲（Doppler Mode）,超聲的多普勒效應(yīng)，顯示人體內(nèi)部運(yùn)動(dòng)器官的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。,第四章 醫(yī)用超聲診斷與治療儀器,3.3 超聲診斷儀的顯示型式,七、彩色多普勒血流成像系統(tǒng)（彩超）,彩色多普勒血流成像系統(tǒng)（通常稱為彩超）是一種能同時(shí)顯示B型圖像和多普勒血流數(shù)據(jù)（血流方向、流速、流速分布）的雙重超聲掃描系統(tǒng)，可以得到彩色多

19、普勒血流圖.,第四章 醫(yī)用超聲診斷與治療儀器,3.3 超聲診斷儀的顯示型式,八、三維超聲成像系統(tǒng),三維超聲圖像的重建及實(shí)時(shí)顯示技術(shù)，三維超聲成像方法有散焦鏡法、計(jì)算機(jī)輔助成像和實(shí)時(shí)超聲束跟蹤技術(shù)。,第四章 醫(yī)用超聲診斷與治療儀器,三維超聲胎兒成像25周 三維超聲胎兒成像28周,3.4 超聲診斷儀的掃查方式,為形成一幅二維圖象，換能器要與人體之間作相對(duì)運(yùn)動(dòng)，或聲線的位置與方向要按一定規(guī)律改變，以獲得不同位置不同方向上的回聲信號(hào)（回聲線），這一過程稱為掃查。波束方向的改變，可以機(jī)械方式改變換能器位置或發(fā)射方向，也可以電子方式控制換能器陣列的工作狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)。,一、簡(jiǎn)單掃查 各聲線在探查區(qū)內(nèi)不相交,線

20、掃,線掃：換能器作橫向平移，線距均勻，但視場(chǎng)的橫向尺寸由換能器移動(dòng)距離所限制，縱向尺寸由超聲波穿透深度所限制。,第四章 醫(yī)用超聲診斷與治療儀器,3.4 超聲診斷儀的掃查方式,扇掃,弧掃,徑掃,扇掃：換能器在被檢查目前的上方作擺動(dòng)，聲線不均勻，近距離處密度大，遠(yuǎn)處稀疏。優(yōu)點(diǎn)是可通過狹小的窗口檢查待查部位，如通過肋骨之間的間隙檢查心臟。 弧掃：聲線與扇掃相反。 徑掃：（P型超聲）,第四章 醫(yī)用超聲診斷與治療儀器,3.4 超聲診斷儀的掃查方式,二、機(jī)械掃查與電子掃查,1. 機(jī)械掃查：借助電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)換能器擺動(dòng)或者轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)利用位置傳感器連續(xù)地檢測(cè)換能器地瞬時(shí)取向，并產(chǎn)生位置信號(hào)，使顯示器的掃描線有相應(yīng)

21、的取向。,擺動(dòng)式扇掃B超儀探頭 利用直流電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過凸輪、曲柄、連桿機(jī)構(gòu)將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為往返擺動(dòng)，從而帶動(dòng)單個(gè)晶體換能器在一定角度(3090之間)范圍內(nèi)產(chǎn)生扇形超聲掃描。,第四章 醫(yī)用超聲診斷與治療儀器,3.4 超聲診斷儀的掃查方式, 旋轉(zhuǎn)式扇掃B超儀 采用4個(gè)（或3個(gè)）性能相同的換能器，等角度安放在一個(gè)圓形轉(zhuǎn)輪上，馬達(dá)帶動(dòng)轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)，每個(gè)換能器靠近收/發(fā)窗口時(shí)開始發(fā)射和接收超聲波,各換能器交替工作。,第四章 醫(yī)用超聲診斷與治療儀器,3.4 超聲診斷儀的掃查方式,2. 電子掃查：用電子方式控制多元換能器的工作狀態(tài)，主要有兩種工作方式：線陣、相控陣。,線陣：由開關(guān)控制器控制每個(gè)振元，使其輪流工作。 相控陣：工作時(shí)所有的振元被同時(shí)激勵(lì)，通過控制加到各個(gè)振元上激勵(lì)信號(hào)的相位（控制延時(shí)）來(lái)改變超聲波的發(fā)射方向。,第四章 醫(yī)用超聲診斷與治療儀器,3.4 超聲診斷儀的掃查方式,三、直接接觸式與水路耦