医用超声诊断与治疗仪器.ppt

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1、第四章医用超声诊断与治疗仪器,学习目标,掌握超声成像的基本原理；掌握超声诊断仪的基本组成和构造；掌握B超的工作原理的结构组成；熟悉超声诊断仪的种类；了解三维超声成像系统的基本结构和临床应用,第四章 医用超声诊断与治疗仪器,第一节 超声波的物理特性,主要内容,1、什么是声波和超声波,2、人体组织传播超声波的特征,3、超声波在人体内传播的参数,4、超声波的生物效应（安全性）,一、声波和超声波,自然界有各种各样的波，根据其性质基本上分为两大类：,电磁波,机械波,电磁能量场的变化在空间的传播过程,无线电波、可见光和X线等，都是电磁波,机械波是机械振动的机械力（机械能量）作用在连续弹性介质内的传播过程,

2、声波、水波和地震波等都是机械波,1890年，一艘名叫“马尔波罗号”帆船在从新西兰驶往英国的途中，突然神秘地失踪了。1948年初，一艘荷兰货船在通过马六甲海峡时，一场风暴过后，全船海员莫明其妙地死光；上述惨案，引起了科学家们的普遍关注，其中不少人还对船员的遇难原因进行了长期的研究。,1、历史事件,第四章 医用超声诊断与治疗仪器,2、关于次声infrasonic wave,经过反复调查，终于弄清了制造上述惨案的“凶手”，是一种为人们所不很了解的次声的声波。,人体内脏固有的振动频率和次声频率相近似（0.000120赫），倘若外来的次声频率与人体内脏的振动频率相似或相同，就会引起人体内脏的共振，从而使

3、人产生上面提到的头晕、烦躁、耳鸣、恶心等等一系列症状。,第四章 医用超声诊断与治疗仪器,在连续介质中传播的弹性波，若其频率f在202104 Hz之间，则能使人产生声音的感觉，这种波称为声波(sound wave)；若其频率在10420 Hz之间，则这种波称为次声波(infrasonic wave)；若其频率在21045108 Hz之间，则这种波称为超声波(supersonic wave)。,第四章 医用超声诊断与治疗仪器,人能听到声音的频率为20Hz20000Hz，其中最敏感的频率2000Hz3000Hz。老年人的听觉随着年龄而衰退，能听到的频率约为50Hz12000Hz。,第四章 医用超声诊

4、断与治疗仪器,理论上：频率越高，波长越短，超声诊断的分辨率越好。,3、医学超声,200kHz至40MHz之间（常用在1MHz到10MHz，波长在1.5mm至0.15mm）,频率范围,第四章 医用超声诊断与治疗仪器,（1）频率：声源在一秒中内振动的次数，记作f。单位为Hz。,（3）波长：沿声波传播方向，振动一个周期所传播的距离，或在波形上相位相同的相邻两点间距离，记为，单位为m,二、超声波的物理特性,第四章 医用超声诊断与治疗仪器,（4）超声波的传播速度：,超声波每秒钟在介质中传播的距离称为声速，记作c，单位为m/s。它的大小由媒质的性质所决定；与媒质的密度和弹性模量有关。在人体软组织中传播的平

5、均声速为1540s,频率f、波长和声速c三者之间的关系是:c=f,二、超声波的物理特性,第四章 医用超声诊断与治疗仪器,超声波在各种介质中的传播速度,二、超声波的物理特性,声压,声强,声阻抗,超声波声场的三个物理量,第四章 医用超声诊断与治疗仪器,超声波在两种介质组成的界面上的反射和透射情况与两种介质的声阻抗密切相关,声阻抗是表征介质声学性质的重要物理量,对于一定频率的平面超声声波情况下，声阻抗具有简单的表达式Z=c,C为声速。,为介质密度,媒质越硬，C值越高，声特性阻抗越大。,第四章 医用超声诊断与治疗仪器,超声诊断中常用的各种介质的声特性阻抗表,二、超声波的物理特性,由于这三类组织存在较大

6、的阻抗差别，所以超声成像诊断只能用于那些有液体和软组织的区域,第四章 医用超声诊断与治疗仪器,5、超声波的束射（定向）性,人耳可感受的声音是无指向性的球面波，即以声源为中心呈球面向四周扩散周围均能听到声音,超声波频率很高，方向性强,二、超声波的物理特性,第四章 医用超声诊断与治疗仪器,第一介质,第二介质,入射波,反射波,透射波,介质分界面,任何媒质总有一个边界，超声波在非均匀性组织内传播或从一种组织传播到另一种组织，由于两种介质声阻抗不同（介质的密度和声速不同）形成声学界面,声学界面,6、超声波的反射与折射,二、超声波的物理特性,第四章 医用超声诊断与治疗仪器,6、超声波的反射与折射,二、超声

7、波的物理特性,第四章 医用超声诊断与治疗仪器,声阻抗差越大，反射就越强，折射就越小。声阻抗差越小，折射就越强，反射就越小。,7、超声波的衰减超声波在介质中传播时，随着距离增加，超声波能量逐渐减弱的现象。,二、超声波的物理特性,第四章 医用超声诊断与治疗仪器,超声波的散射,第四章 医用超声诊断与治疗仪器,二、超声波的物理特性,第四章 医用超声诊断与治疗仪器,超声波在人体组织中的衰减程度,大,小,第四章 医用超声诊断与治疗仪器,二、超声波的物理特性,8、多普勒效应由于波源和观察者之间有相对运动，使观察者感到频率变化的现象叫做多普勒效应。,第四章 医用超声诊断与治疗仪器,二、超声波的物理特性,多普勒

8、效应(Doppler effect)1、现象(1842年发现)：当汽车向你驶来时，感觉音调变高；当汽车离你远去时，感觉音调变低。2、音调：由频率决定，频率越高音调越高，频率越低音调越低。,注意：频率由声源决定，实际频率并没有变化。,第四章 医用超声诊断与治疗仪器,二、超声波的物理特性,超声多普勒仪器上的换能器向人体内发射频率已知的超声波，超声波被血管中的血流反射后又被仪器接收，测出反射波的频率变化，就能知道血流的速度。这种方法可以检查心脏、血管、血液、瓣膜和胎心等的活动。,临床上应用多普勒效应:彩色多普勒超声诊断系统,第四章 医用超声诊断与治疗仪器,心脏瓣膜&血管超声多普勒图像,第二节 超声成

9、像基本原理,2.1 医学超声成像的基本原理,超声成像的信息主要由反射回波和散射回波所携带，一个典型的超声回波应包含大界面的反射回波（位置信息）与小粒子的散射回波（结构信息）。目前超声诊断仪主要使用的是脉冲回波法原理；脉冲回波技术利用人体组织的不均匀性而引起的反射作用，通过检测脏器界面的反射波，实现组织定位，并检测其特性。,第四章 医用超声诊断与治疗仪器,2.1 医学超声成像的基本原理,(a)超声脉冲发射的瞬间，显示器上光点垂直偏移。(b)超声脉冲以恒定速度通过介质1，光点在显示器上形成水平扫描线。(c)当超声到达1、2介质的分界面上，一部分能量经界面反射，大部 分能量通过界面继续向前传播；反射

10、回声到达探头，换能器将回 声信号转换为电信号，并成为显示器垂直偏转板的输入信号，显 示器上显示回声信号脉冲；(d)由2、3介质分界面反射的回声到达探头，在显示器上显示出相应 的脉冲。,第四章 医用超声诊断与治疗仪器,2.1 医学超声成像的基本原理,超声诊断仪器中，一般脉冲超声的发射与接收是由同一换能器完成的，根据发射脉冲和回波脉冲的时间间隔T，计算出反射界面与换能器（声源）之间的距离：,式中，c为介质中的波速，生物体中除骨骼外，声速相差不大，因此在工程计算中通常取其平均值1540m/s,A型超声成像波形图,第四章 医用超声诊断与治疗仪器,第三节 医用超声诊断&治疗仪器,四大影像诊断设备,功能,

11、特点,X线机,XCT,磁共振,同位素,超声成像,透视 拍片,无创、无电离辐射 断层成像 实时、动态 形态、功能与定征 设备价格便宜,断层结构成像,设备 简单 电离 辐射 影像 重叠,断层 摄影 电离 辐射 非实时,断层 摄影 设备 昂贵 非实时,断层 摄影 分辨 力低 放射性药物,断层 结构 代谢 功能,代谢功能,超声诊断仪器向人体内发射超声能量，并接收人体组织反射和散射的回波信号，根据其所携带的有关人体信息，加以检测、放大等处理，并显示出来，为医生提供诊断依据。超声治疗仪器向人体发射一定功率的超声能量，利用其与生物组织相互作用产生的各种生物效应，对有疾病的组织起到治疗作用。其它超声雾化设备超

12、声清洗设备超声细胞粉碎设备,第四章 医用超声诊断与治疗仪器,3.1 医用超声仪器的种类,3.2 超声诊断仪器的基本构成,第四章 医用超声诊断与治疗仪器,振荡器：即同步触发信号发生器，产生控制系统工作的同步触发脉冲，决定发射脉冲的重复频率。发射器：受触发后产生高压电脉冲激励超声换能器。换能器：产生超声脉冲，接收由目标形成的回波脉冲信号并转换成电信号，送入回波信息处理系统。回波信息处理系统：由射频信号接收放大器、检波器和视频放大器等组成，处理超声回波信息。显示器：显示图象信息。扫描发生器：在振荡器产生的同步脉冲控制下，输出扫描信号给显示器，使显示器上显示的超声回声图稳定。,第四章 医用超声诊断与治

13、疗仪器,3.2 超声诊断仪器的基本构成,换能器是超声仪器中的重要部件。其主要工作原理是利用晶体的压电效应。,第四章 医用超声诊断与治疗仪器,3.2 超声诊断仪器的基本构成,接收超声波,发射超声波,常见超声探头,线阵换能器,凸阵式扇形换能器,相控阵扇形换能器,机械扇扫换能器,手术用超声换能器,经直肠超声换能器,经阴道超声换能器,3.3 超声诊断仪的显示型式,超声诊断仪器按超声回波信号显示型式的不同，主要可分为A型超声、B型超声、C型超声、M型超声及P型超声。,一、A型超声（Amplitude Mode）,A型显示即幅度显示，以回波信号的幅度表示界面反射的强弱，是一种幅度调制型仪器。,反射强，振幅

14、高反射弱，振幅低,特点：只能反映声线方向上局部组织的回波信息，不能获得临床解剖图，已基本淘汰。,回声以波形显示,第四章 医用超声诊断与治疗仪器,3.3 超声诊断仪的显示型式,二、B型超声（Brightness Mode）,在A型超声诊断仪的工作基础上，加上换能器的平面扫描，当换能器的位置逐渐改变时（或采用多元换能器），使显示器上每一条时基线方向也相应地改变，则每条显示线代表了产生回波的每一个界面的空间位置，从而构成一幅二维图象。是一种辉度调制仪器。,回声以辉度显示,第四章 医用超声诊断与治疗仪器,3.3 超声诊断仪的显示型式,B型超声诊断仪器是一种辉度调制仪器，显示器上每个光点的亮度表示回波信

15、号的幅度。按扫描方式分类，B超已经发展了四代，包括手动直线扫描、机械扫描、电子直线扫描和电子扇形扫描。,B超图像由不同亮度的像素构成，像素亮度由反射回声的强弱所决定。黑色：没有反射（体液、空气）灰色：中等反射（组织）白色：反射较强（骨骼、软组织）,第四章 医用超声诊断与治疗仪器,3.3 超声诊断仪的显示型式,B超的临床应用范围在妇产科中的探测人体内部脏器的轮廓及其内部结构的探测表浅器官内部组织探测线扫式断层B型超声波诊断仪适用于观察腹部脏器，如对肝、胆、脾、肾、子宫的检查；扇扫断层B型超声波诊断仪适用于对心脏的检查。,第四章 医用超声诊断与治疗仪器,3.3 超声诊断仪的显示型式,三、C型超声（

16、Constant depth Mode）,C型超声与B超一样都显示的是辉度调制的二维切面图象，但与B超不同，其显示的平面是垂直于声线的平面。C 型显象平面与 B 型显象平面是相互垂直的，改变 C 型扫查深度，便可获得若干不同深度的 C 型切面图象。,第四章 医用超声诊断与治疗仪器,3.3 超声诊断仪的显示型式,C 型超声成像过程中，扫查平面距探头的深度是不变的。如果使扫查面距探头的深度发生变化，且扫查平面根据成像需要可设置为斜面、曲面，则构成了F型超声。,第四章 医用超声诊断与治疗仪器,3.3 超声诊断仪的显示型式,由于探头位置固定，心脏有规律地收缩和舒张，心脏各层组织和探头间的距离便发生节律

17、性的改变。随着水平方向的慢扫描，便把心脏各层组织的回声展开成曲线，即为M型超声心动图。,四、M型超声（Motion Mode）,回声以时间曲线显示,M型超声诊断仪采用辉度调制的方法，使深度方向所有界面反射回波用亮点形式在显示器垂直扫描线上显示出来，随着脏器的运动，垂直扫描线上的各点将发生位置上的变动，定时地采样这些回波并使之按时间先后逐行在屏上显示出来。,第四章 医用超声诊断与治疗仪器,3.3 超声诊断仪的显示型式,M型超声诊断仪基本原理结构图,第四章 医用超声诊断与治疗仪器,3.3 超声诊断仪的显示型式,五、P型超声（Motion Mode）,它可视为一种持殊的 B 型超声，超声换能器置于圆

18、周的中心，径向旋转扫查线与显示器上的径向扫描线作同步的旋转。主要适用于对肛门、直肠内肿瘤、食道癌及子宫颈癌的检查，亦可用于对尿道、膀胱的检查。,P型超声示意图,六、D型超声（Doppler Mode）,超声的多普勒效应，显示人体内部运动器官的运动状态。,第四章 医用超声诊断与治疗仪器,3.3 超声诊断仪的显示型式,七、彩色多普勒血流成像系统（彩超）,彩色多普勒血流成像系统（通常称为彩超）是一种能同时显示B型图像和多普勒血流数据（血流方向、流速、流速分布）的双重超声扫描系统，可以得到彩色多普勒血流图.,第四章 医用超声诊断与治疗仪器,3.3 超声诊断仪的显示型式,八、三维超声成像系统,三维超声图

19、像的重建及实时显示技术，三维超声成像方法有散焦镜法、计算机辅助成像和实时超声束跟踪技术。,第四章 医用超声诊断与治疗仪器,三维超声胎儿成像25周 三维超声胎儿成像28周,3.4 超声诊断仪的扫查方式,为形成一幅二维图象，换能器要与人体之间作相对运动，或声线的位置与方向要按一定规律改变，以获得不同位置不同方向上的回声信号（回声线），这一过程称为扫查。波束方向的改变，可以机械方式改变换能器位置或发射方向，也可以电子方式控制换能器阵列的工作状态来实现。,一、简单扫查 各声线在探查区内不相交,线扫,线扫：换能器作横向平移，线距均匀，但视场的横向尺寸由换能器移动距离所限制，纵向尺寸由超声波穿透深度所限制

20、。,第四章 医用超声诊断与治疗仪器,3.4 超声诊断仪的扫查方式,扇扫,弧扫,径扫,扇扫：换能器在被检查目前的上方作摆动，声线不均匀，近距离处密度大，远处稀疏。优点是可通过狭小的窗口检查待查部位，如通过肋骨之间的间隙检查心脏。弧扫：声线与扇扫相反。径扫：（P型超声）,第四章 医用超声诊断与治疗仪器,3.4 超声诊断仪的扫查方式,二、机械扫查与电子扫查,1.机械扫查：借助电动机带动换能器摆动或者转动，同时利用位置传感器连续地检测换能器地瞬时取向，并产生位置信号，使显示器的扫描线有相应的取向。,摆动式扇扫B超仪探头 利用直流电机或步进电机驱动，通过凸轮、曲柄、连杆机构将电机的旋转运动转换为往返摆动

21、，从而带动单个晶体换能器在一定角度(3090之间)范围内产生扇形超声扫描。,第四章 医用超声诊断与治疗仪器,3.4 超声诊断仪的扫查方式,旋转式扇扫B超仪 采用4个（或3个）性能相同的换能器，等角度安放在一个圆形转轮上，马达带动转轮旋转，每个换能器靠近收/发窗口时开始发射和接收超声波,各换能器交替工作。,第四章 医用超声诊断与治疗仪器,3.4 超声诊断仪的扫查方式,2.电子扫查：用电子方式控制多元换能器的工作状态，主要有两种工作方式：线阵、相控阵。,线阵：由开关控制器控制每个振元，使其轮流工作。相控阵：工作时所有的振元被同时激励，通过控制加到各个振元上激励信号的相位（控制延时）来改变超声波的发

22、射方向。,第四章 医用超声诊断与治疗仪器,3.4 超声诊断仪的扫查方式,三、直接接触式与水路耦合式,按超声探头与被查者皮肤接触与否，扫查方式可分为直接耦合式与水路耦合式。,直接接触式：超声波通过探头与人体皮肤间的耦合层直接向人体入射。具有声程短、穿透深度可达最大；可取探头与皮肤垂直的方向，取比较有利的检测角度。,第四章 医用超声诊断与治疗仪器,3.4 超声诊断仪的扫查方式,三、直接接触式与水路耦合式,水路耦合式：探头与皮肤之间用一定厚度的水或者其它液体作耦合剂。其特点：探头与皮肤不直接接触，因此换能器大小不受限制，宜采用直径较大，聚焦较强的换能器，提高分辨率；如果配合多元换能器，容易实现简单和

23、复合扫查结合；较容易实现自动化；容易对人体表面弯曲厉害的部位及直接接触不易耦合到的部位进行扫查。,第四章 医用超声诊断与治疗仪器,3.4 超声诊断仪的扫查方式,三、直接接触式与水路耦合式,耦合剂：耦合剂是一种由新一代水性高分子凝胶组成的医用产品。使用超声耦合剂的目的首先是充填接触面之间的微小空隙，不使这些空隙间的微量空气影响超声的穿透；其次是通过耦合剂“过渡”作用，使探头与皮肤之间的声阻抗差减小，从而减小超声能量在此界面的反射损失。另外，还起到“润滑”作用，减小探头面与皮肤之间的摩擦，使探头能灵活的滑动探查。,第四章 医用超声诊断与治疗仪器,3.4 超声诊断仪的扫查方式,四、实时成像与非实时成像,实时成像（动态成像）：实时地显示组织与器官的图象，对于扫查运动器官非常重要，要求频帧25帧/s以上。非实时成像（静态成像）：凡是采用手动方式移动换能器来移动扫查声线的只能是静态成像。,按成像速度分,第四章 医用超声诊断与治疗仪器,肾脏,心脏,胎儿的脊椎,胼胝体动脉,心脏动态血流图,三维动态超声图像,