1、第二章第二章 醫用超聲診斷儀器概論醫用超聲診斷儀器概論 前 言目 錄醫用超聲診斷儀器的發展簡史醫用超聲診斷儀器的性能指標超聲診斷儀器的分類、結構、原理醫用超聲成像技術 超聲診斷儀器的分類、結構、原理 超聲診斷儀器的分類、結構、原理 A A型診斷儀型診斷儀幅度調制幅度調制1 A型超聲診斷儀因其回聲顯示采用幅度調制(amplitude modulation)而得名。 A超是利用超聲波的反射特性來獲得人體組織內的有關信息，從而診斷疾病的。 超聲診斷儀器的分類、結構、原理 A A型診斷型診斷儀幅度調制1 A型顯示是超聲診斷儀最基本的一種顯示方式，屬一維超聲，即在陰極射線管的熒光屏上，以橫坐標代表被探測

2、物體的深度，縱坐標代表回波脈沖的幅度。t換能器換能器回波信號回波信號 超聲診斷儀器的分類、結構、原理 A A型診斷型診斷儀幅度調制1 超聲診斷儀器的分類、結構、原理 A A型診斷型診斷儀幅度調制1 超聲診斷儀器的分類、結構、原理 A型超聲診斷儀工作原理的方框圖： A A型診斷型診斷儀幅度調制1 超聲診斷儀器的分類、結構、原理 A型CRT信號及顯示屏各軸標稱： A A型診斷儀型診斷儀幅度調制1 故由探頭(換能器)定點發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及病灶的大小。根據回波的其他一些特征，如波幅和波密度等，還可在一定程度上對病灶進行定性分析。 A型超聲診斷儀適應于醫

3、學各科的檢查，從人的腦部直至體內臟器。其中應用最多的是對肝、膽、脾、腎、子宮的檢查。對眼科的一些疾病，尤其是對眼內異物，用A型超聲診斷儀比X線透視檢查更為方便準確。在婦產科方面，對于婦女妊娠的檢查以及子宮腫塊的檢查，都比較準確和方便。 超聲診斷儀器的分類、結構、原理 A A型診斷儀型診斷儀幅度調制1 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師的識圖經驗關系很大，因此其應用價值漸見低落，即使在國內，A型超聲診斷儀也很少生產和使用了。 盡管A超的重要性已經不及初始階段，但當今B超在顯示斷面圖像的同時，往往選波束特定指向上的回波幅度

4、在屏幕上同時作A式顯示，以配合B式圖像的判讀。 超聲診斷儀器的分類、結構、原理 M M型診斷儀型診斷儀運動調制運動調制2 M型超聲成像診斷儀適用于對運動臟器如心臟的探查。由于其顯示的影像是由運動回波信號對顯示器掃描線實行輝度調制，按時間順序展開而獲得一維空間多點運動時序（motion-time）圖，故稱之為M型超聲成像診斷儀，其所得的圖像也叫作超聲心動圖。 超聲診斷儀器的分類、結構、原理 M M型診斷型診斷儀運動調制2 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，如仍用幅度調制的A型顯示方式進行顯示，所顯示波形會隨時間而改變，得不到穩定的波形圖。M型超聲診斷儀采用輝度調制

5、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，隨著臟器運動，垂直掃描線上的各點將發生位置上的變動，定時采樣這些回波并使之按時間先后逐行在屏上顯示出來。 時間深度探頭皮膚 超聲診斷儀器的分類、結構、原理 M M型診斷儀型診斷儀運動調制2 M型超聲診斷儀發射和接收工作原理方框圖： 超聲診斷儀器的分類、結構、原理 M M型診斷儀型診斷儀運動調制2 心臟博動時測定、所獲得心臟內各反射界面的活動曲線圖。可見，由于臟器的運動變化，活動曲線的間隔亦隨之發生變化，如果臟器中某一界面是靜止的，活動曲線將變為水平直線。曲線起伏的幅度反射界面運動中所通過的距離大小。曲線的斜率大小反射界

6、面運動速度的大小。 超聲診斷儀器的分類、結構、原理 M M型診斷儀型診斷儀運動調制2 M型CRT信號及顯示屏各軸標稱： 超聲診斷儀器的分類、結構、原理 M M型診斷儀型診斷儀運動調制2 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勢，可進行多種心功能參數測量，如心臟瓣膜的運動速度、加速度等。但M型顯示仍不能獲得解剖圖像，它不適用于對靜態臟器的診查。 目前，B型顯像儀已普遍有M型顯像的功能。 超聲診斷儀器的分類、結構、原理 B B型診斷儀型診斷儀亮度調制亮度調制3 為了獲得人體組織和臟器解剖影像，B型、P型、BP型、C型和F型超聲成像儀又先后問世，由于它們的一個

7、共同特點是實現了對人體組織和臟器的斷層顯示，通常將這類儀器稱超聲斷層掃描診斷儀。雖然B型超聲成像診斷儀因其成像方式采用輝度調制(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，還可實現實時動態顯示。Fetal profile 超聲診斷儀器的分類、結構、原理 B B型診斷儀型診斷儀亮度調制亮度調制3 B型超聲成像儀采用輝度調制方式顯示深度方向所有界面反射回波，但探頭發射的超聲聲束在水平方向上是以快速電子掃描方法(相當于快速等間隔改變A超探頭在人體上的位置)，逐次獲得不同位置深度方向所有界面的反射回波，當一幀掃描完成

8、，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。 超聲診斷儀器的分類、結構、原理 B B型診斷儀型診斷儀亮度調制亮度調制3 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，使每隔一定的小角度，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。 超聲診斷儀器的分類、結構、原理 B B型診斷儀型診斷儀亮度調制亮度調制3 如果以上2種超聲影像，其獲取回波信息的波束掃描速度相當快，便可以滿足對運動臟器的穩定取樣，因而連續不斷地掃描，

9、便可以實現實時動態顯示，觀察運動性臟器的動態情況。 線掃式斷層B型超聲波診斷儀適用于觀察腹部臟器，如對肝、膽、脾、腎、子宮的檢查，扇掃斷層B型超聲波診斷儀適用于對心臟的檢查。 現代B型超聲波診斷儀通常同時具備以上2種探查功能，通過配用不同的超聲探頭，方便地進行轉換。 超聲診斷儀器的分類、結構、原理 B B型診斷儀型診斷儀亮度調制亮度調制3 B型超聲診斷設備基本組成： 超聲診斷儀器的分類、結構、原理 B B型診斷儀型診斷儀亮度調制亮度調制3 線性B型超聲診斷儀系統結構：主要由主機、標準電視監視器、手車三大部分組成。 超聲診斷儀器的分類、結構、原理 B B型診斷儀型診斷儀亮度調制亮度調制3 線性B

10、型超聲診斷儀系統工作原理方框圖：主要由發射/接收電路、數字掃描變換器電路、CPU控制電路三大部分組成。 超聲診斷儀器的分類、結構、原理接收電路顯示器換能器發射電路發生器同步信號 B B型診斷儀型診斷儀亮度調制亮度調制3 線性B型超聲診斷儀系統工作原理方框圖：主要由發射/接收電路、數字掃描變換器電路、CPU控制電路三大部分組成。 超聲診斷儀器的分類、結構、原理 B B型診斷儀型診斷儀亮度調制亮度調制3 凸陣探頭B型超聲診斷儀系統工作原理方框圖： 超聲診斷儀器的分類、結構、原理波束形成波束形成電路電路圖像圖像存儲器存儲器坐標變換坐標變換電路電路DSC部件部件探頭探頭顯示器顯示器 B B型診斷儀型診

11、斷儀亮度調制亮度調制3 凸陣探頭B型超聲診斷儀模擬部分原理方框圖： 超聲診斷儀器的分類、結構、原理 B B型診斷儀型診斷儀亮度調制亮度調制3 凸陣探頭B型超聲診斷儀數字部分原理方框圖： 超聲診斷儀器的分類、結構、原理 B B型診斷儀型診斷儀亮度調制亮度調制3 B型CRT信號及顯示屏各軸標稱 ： 超聲診斷儀器的分類、結構、原理 C C型診斷儀型診斷儀亮度調制亮度調制4 B超圖像顯示的是聲束掃描的人體斷面，C型和F型與B型掃描面相差90，成像畫面是與超聲束垂直的。 C型圖像是與聲束垂直的某一等深斷面。 F型圖像是與聲束垂直的某一非等深曲面。換能器換能器C型平面型平面 超聲診斷儀器的分類、結構、原理

12、 D D型診斷儀型診斷儀多普勒效應多普勒效應5 1842奧地利數學家和天文學家C. Doppler在觀察天體運動時發現了一種物理現象，當星球朝向地球或背離地球運動時，來自星球的光色發生了變化，光波發射與接收的頻率差和光源與接收器之間相對運動有關。這種物理現象稱為多普勒效應。日常生活：火車鳴笛而來，音調增高；呼嘯而去，音調降低。這種頻率變化稱多普勒頻移。 超聲診斷儀器的分類、結構、原理 D D型診斷儀型診斷儀5 D型超聲成像診斷儀也即超聲多普勒診斷儀，是利用聲學多普勒原理，對運動中的臟器和血液反射回波的多普勒頻移信號進行檢測處理，轉換成聲音、波形、色彩和輝度信號，從而顯示出人體內部器官的運動狀態

13、。 超聲多普勒診斷儀主要分為3種類型： 連續式超聲多普勒(continuous wave doppler)成像診斷儀 脈沖式超聲多普勒(pulsed wave doppler)成像診斷儀 實時二維彩色超聲多普勒血流成像(color doppler flow image)診斷儀速度信息的提取超聲回波幅度信息提取 超聲診斷儀器的分類、結構、原理 D D型診斷儀型診斷儀5 連續式超聲多普勒成像儀被最早應用。它是由探頭中的一個換能器發射出某一頻率的連續超聲波信號，當聲波遇到運動目標血流中的紅細胞群，則反射回來的信號是變化了頻率的超聲波。探頭內的另外一個換能器將其檢測出來轉成電信號后送入主機，經高頻放大

14、后與原來發射頻率電信號進行混頻、解調，取出差頻信號根據處理和顯示方式的不同，可轉換成聲音、波形或血流圖以供診斷。這種方式難以測定距離，不能確定器官組織的位置，給應用診斷造成諸多不便。連續多普勒特點：連續多普勒方法與脈沖多普勒不同之處除了系統不同外，探頭也不同，它采用兩組探頭，一組連續發射脈沖，一組不斷接收回波。所以不可能有距離選通功能。因為不存在PRF,故原理上可測速度不受限制。但由于具體線路限制，一般機器給出最大可測血流速度在7m10m/S之間。Nyquist采樣頻率限制，即fPRFd max12 超聲診斷儀器的分類、結構、原理 D D型診斷儀型診斷儀5 脈沖式超聲多普勒成像儀是以斷續方式發

15、射超聲波信號，因此稱為脈沖式。由門控制電路來控制發射信號的產生和選通回聲信號的接收與放大，借助截取回聲信號的時間段選擇測定距離，鑒別器官組織位置。由于發射和接收的信號為脈沖式，就可以由探頭內的一個換能器來完成發射和接收的雙重任務，這對于簡化探頭機械結構，避免收、發信號之間的不良藕合，提高影像質量都是十分有益的。隨著脈沖多普勒技術、方向性探測、頻譜處理和計算機編碼技術的采用及發展，超聲多普勒診斷儀不僅能對距離進行分辨，又能判定血流的方向和速度，以多種形式提供診斷信息，使測量水平由定性邁向定量。 超聲診斷儀器的分類、結構、原理 D D型診斷儀型診斷儀5 實時二維彩色超聲多普勒血流成像診斷儀是80年

16、代后期心血管超聲多普勒診斷領域的最新科技成果。將脈沖多普勒技術與二維(B型)實時超聲成像和M型超聲心動圖結合起來，在直觀二維斷面實時影像上同時顯現血流方向和相對速度，提供心血管系統在時間和空間上的信息。進而通過計算機的數字化技術和影像處理技術，使其在影像診斷儀器的構架上兼具了生理監測的功能，提供諸如血流速度、容積、流量、加速度、血管徑、動脈指數等極具價值的信息，這就是俗稱的“彩超”或“彩色多普勒”。 超聲診斷儀器的分類、結構、原理 D D型診斷儀型診斷儀5 多普勒血流測量原理： 胎心、瓣膜、血管壁、血流等都是人體中運動體，當超聲照射到它們時會產生多普勒效應。體外檢測由體內運動體產生的多普勒頻移

17、信號可達到無創傷地檢測體內運動狀況的目的。 當發射超聲傳入人體某一血液流動區，被紅細胞散射返回探頭，回聲信號的頻率可增可減，朝向探頭運動的血流，探頭接收到的頻率較發射頻率增高，背離探頭的血流則頻率減低。這種接收頻率與發射頻率之差稱多普勒頻移或差頻。 超聲診斷儀器的分類、結構、原理 D D型診斷儀型診斷儀5 多普勒血流測量原理： 多普勒頻移（Fd）與發射頻率（fo）、血流速度（V）、超聲束與血流間夾角（）余弦成正比，與聲速（C）成反比，醫學超聲多普勒效應的基本原理圖及測速公式如下：CfVfCfVVfdd/cos*2/*2/200皮膚皮膚血管血管v0fDff 0ff VCCOSd 20V0f 超聲診斷儀器的分類、結構、原理 D D型診斷儀型診斷儀5 多普勒血流測量原理： 式中Fd、cos均可測得，fo及C為已知，可以計算出V：（1）聲束與血流方向平行時可記錄到最大血流速度。（2）聲束與血流方向垂直時則測不到血流信號。 超聲診斷儀器的分類、結構、原理 D D型診斷儀型診斷儀5 提取速度、方向信息方法：Sx()0-0正向流反向流0d0-d多普勒信號特點：窄帶隨機信號 0 0 d d 2cosot信號合成譜分析器放大多普勒回波信號 0d2sinot高通濾波d低通濾波 超聲診斷儀器的分類、結構、原理 D D型診斷儀型診斷儀5 超聲多普勒回波信號的頻譜：0ff0ffP 聲譜圖：)(