1、第三章醫學超聲儀器的學案 四十年代末，超聲醫學作為一門學科已初具雛形。五十年代，超聲心動圖儀，即M型儀器取代了A型超聲儀器，它可對心臟瓣膜的運動規律作連續的動態描記。在此基礎上，又出現了手動掃描二維斷層成像儀，這為發明自動掃描二維斷層成像儀即B型超聲儀器打下了基礎。其間，還有人提出將超聲多普勒效應用于醫學臨床診斷。六十至七十年代是B型超聲儀器出現并極大發展的時期，出現了機械直線掃描、機械扇形掃描、電子直線掃描及電子扇形掃描等儀器，并且超聲CT的研究工作開始進行，A型超聲儀器也逐漸被淘汰。 八十年代，隨著微型計算機研究與應用的飛速發展，超聲智能化的步伐加快。利用微機與超聲診斷儀器相結合，可以簡化

2、臨床操作，實現信號處理、變換、計算和判斷等過程的自動進行。另外，將脈沖超聲多普勒血流儀與B超相結合，還產生了雙功能超聲診斷儀。進入九十年代，彩色B超誕生，它可以在顯示動態心臟黑白圖像的同時，顯示動態多普勒血流的彩色圖像在心臟內的分布，不論在圖像的分辨率和清晰度上，還是疾病診查的可靠性上，都達到了相當高的水平，是目前醫院必備的醫學診斷儀器。 醫學診斷上所使用的超聲波頻率一般為0.5MHz15MHz，多是由壓電晶體一類的材料制成的超聲探頭產生的。利用壓電陶瓷或晶體的正壓電效應和逆壓電效應，可以將其做成超聲波發射和人體組織反射波接收的器件，即超聲換能器，它是超聲診斷儀器的重要部件，也稱探頭。壓電效應

3、及超聲探頭 如果知道超聲波的傳播速度與傳播時間，便可算出超聲波在人體內傳播的深度，其表達式見公式：c=f 其中，c是超聲波的聲速，是超聲波波長，f是超聲波頻率。 醫學上正是通過探查某些組織的深度或大小來判斷病灶的性質和狀況。醫學超聲波診斷儀A型超聲波診斷儀M型超聲波診斷儀B型超聲波斷層顯像儀超聲多普勒血流儀、成像儀與彩超 超聲三維成像系統（超聲CT） 3.1 A型超聲波診斷儀 A型超聲診斷儀是1947年出現的幅度調制式的儀器，我國于1958年開始生產。A超的同步電路產生幾百Hz到2KHz的正負電脈沖，使發射電路產生持續1.55s的高頻電脈沖。探頭在高頻電脈沖的激勵下，產生超聲振動，發射超聲波。

4、超聲波在人體內傳播，遇到不同組織的界面時，產生反射波回波。探頭接收反射波后，將其轉換成電脈沖，進入接收電路，再通過檢波和放大等電路，送到示波器的垂直偏轉板上，而示波器的水平偏轉板上加載的是時基鋸齒波，即掃描電壓。因此，示波器的熒光屏上的橫坐標代表超聲波的傳播時間，一般以13.33s為一大格；而縱坐標顯示的是回波的幅度與形狀。 A超可以應用于醫學各科的檢查，尤其對眼科和婦科疾病方面的病灶深度、大小、臟器厚薄以及病灶的物理性質等檢查比較方便準確。但A超的回波圖只能體現局部組織信息，無法反映解剖形態，現已被M超和B超取代。 A型超聲儀器工作原理方框圖 同步電路（主控振蕩器）產生同步脈沖來同時觸發發射

5、電路和掃描電路，使兩者同時工作。發射電路在同步電路發出的觸發脈沖作用下，產生高頻振蕩波，一方面將此波送入放大電路進行放大，加至示波器的垂直偏轉板上顯示發射波；另一方面激勵探頭產生一次超聲振蕩，并進入人體。人體組織反射回來的微弱的回波信號經探頭接收并轉換成電脈沖后，由接收電路放大、檢波后，送至示波器的垂直偏轉板上并顯示出來。另外，在同步脈沖作用下，在示波器的水平偏轉板上加時基鋸齒波電壓掃描電壓，使熒光屏上顯現出回波的波形與變化。 3.2 M型超聲波診斷儀 M型超聲波診斷儀是繼A超之后發展出的輝度調制式儀器，誕生于1954年，至今臨床上還在使用，目前主要用于心臟疾病的診斷，尤其用于觀察心臟瓣膜的活

6、動情況。M超與A超有共同之處，即都是利用探頭向人體發射超聲脈沖并接收反射脈沖。不同的是M超的發射波和回波信號加到了示波器的柵極或陰極。信號的強弱控制了到達熒光屏的電子束的強弱，反映到熒光屏上就是光點的明暗，即輝度調制。 示波器的水平和垂直偏轉板都被加入鋸齒波電壓，垂直偏轉板上的鋸齒波與發射脈沖同步，水平偏轉板上的鋸齒波頻率要低于它。因此熒光屏上光點在垂直方向的距離表示探測深度，在水平方向的移動表示時間的進行，光點的亮度表示回波信號的強弱。M超常用于檢測心臟疾病，當心臟收縮和舒張時，其各層組織的界面與固定放置于人體表面的探頭之間的距離隨時改變，導致光點隨之移動，在水平掃描電壓下，光點水平展開，描

7、繪出各層組織結構的活動曲線圖，因此也叫超聲心動圖，它能顯示心臟各部分結構的活動情況、動態變化、心室排血量以及可以得出室間隔、動脈等結構的定量數據等，是臨床心臟疾病診斷中比較準確實用的工具。 M型超聲心動圖的產生原理 上圖是M超的簡要方框圖。其原理與A超基本相同，只是同步電路控制發射電路與深度掃描電路同時工作，回波信號為輝度調制。為便于測量，原來采用照相機將圖像照相后再進行測量的方法逐漸淘汰，現在一般采用由微機控制，利用CRT電視監視器顯示圖像，并能夠儲存和自動測量的超聲心動圖儀。 微機控制的超聲心動圖儀與B超和多普勒血流儀三者合一的多功能的超聲診斷儀，采用了數字掃描變換技術，即利用標準電視光柵

8、掃描格式顯示信號。使用此儀器一般先用B超和多普勒儀定位，然后用M超將圖像“凍結”在一個需要的位置上，用儀器中的測量光標或微機自動測量功能獲得各種參數。 扇形掃描多功能診斷儀的B型與M型的同屏幕顯示3.3 B型超聲波斷層顯像儀 自從1967年首次出現至今，因其診斷功能強、技術先進，B超已經成為臨床中最常規和重要的診斷儀器。B超與M超一樣，都是輝度調制式儀器。但二者也有不同。M超的探頭是固定不變的，而B超的探頭是連續移動的或是發射的超聲波束不斷變動發射方向。前者分為手動掃描和機械掃描，后者為電子掃描。M超顯示的是組織邊界的超聲心動圖像，如要使顯示器上圖跡的位置和病人體內某個二維平面中產生回波的結構

9、位置一一對應，就能產生體內軟組織的斷層圖像。而B超顯示的正是探頭移動線和聲束方向構成的平面上人體組織的二維斷層圖像，即超聲影像圖 。超聲影像圖 按掃描方式分類，B超已經發展了四代，包括手動直線掃描、機械掃描、電子直線掃描和電子扇形掃描。 1.手動直線掃描 由醫務人員掌握探頭的移動方向，探頭的直線移動導致顯示器在X方向上出現與之對應的光點，Y 軸仍為深度軸，回波幅度由圖像輝度表示。圖像就是探頭移動所經過直線方向上的二維切面圖，但只能用于觀察靜止的臟器（如肝臟等），此種儀器現已淘汰。 2.機械掃描 機械掃描是由電機帶動探頭作直線移動、往復擺動或旋轉，從而產生機械直線掃描、機械扇形掃描和機械圓形掃描

10、三種掃描圖像。其中，直線掃描多用于腹部疾病診斷；扇形掃描適用于心臟和腹部；圓形掃描時，將探頭置于人體體腔（如食道、胃腸、陰道及泌尿道等）或血管內，從而獲得某個腔道的圓周掃描斷層圖像。 腔內超聲可以避開胸腹壁、肺組織和腸道內氣體等結構對成像的干擾，近距離觀察器官和組織。最新的血管內超聲技術是將小型超聲換能器安裝于心導管頂端，在血管內發射并接收高頻超聲信號，進行血管成像，對冠狀動脈病變進行研究。近期推出的心腔內超聲的探頭管體纖細柔軟，可經周圍靜脈插入右心系統，并且發射頻率高，圖像清晰，時相和方位分辨力很好，對觀察心內結構和活動情況及輔助穿刺定位等有較高價值。3. 電子直線掃描 與機械掃描不同，電子

11、掃描儀的探頭是由許多小換能器（小探頭）排列而成，每個小探頭稱為陣元，各陣元的距離相等。用電子開關按一定時序激勵各陣元組發射與接收超聲脈沖，回波信號經處理后，到達CRT顯示器進行輝度調制，掃描過程中探頭靜止不動，而超聲波束的發射與接收是沿一定方向勻速移動的，移動線和聲束方向構成的斷面就是所得圖像。 在探頭長度一定的情況下，圖像的質量主要決定于陣元的數量。陣元的數量越多，垂直掃描線就越多，圖像就越清晰，有的探頭可包括256個小探頭。電子直線掃描 電子直線掃描原理框圖 4. 電子扇形掃描（電子相控陣扇形掃描） 如果對探頭各陣元加上依次延遲一定時間的激勵脈沖，則各陣元所產生的脈沖也相應延遲，這樣，總的

12、疊加波束方向出現相位改變而產生扇形圖像。此種探頭體積小，無噪聲和振動，壽命比較長，但價格相對較高 。 為了提高檢測功能和圖像質量，B超中應用了許多先進的技術。應用數字圖像技術，可以隨時凍結超聲斷層圖像并進行觀察、分析、測量及拍照等，還可以將有意義的圖像存儲下來；應用數字掃描技術，可以使用電視監視器顯示圖像與文字；采用電子聚焦、聲聚焦和動態聚焦可變孔技術，能使圖像分辨率提高，可達到2mm。總之，通過B超的圖像能較清晰地觀察到人體多種器官的動態變化，是心臟、腹部器官、婦產科臨床診斷的首選輔助工具。3.4 超聲多普勒血流儀、成像儀與彩超 超聲如同聲音一樣，以確定的速度通過介質，當遇到兩種不同介質的分

13、界面時就能發生反射和折射。當反射邊界固定不變時，反射波的頻率等于入射波的頻率，但當反射邊界朝向聲源移動時，反射超聲波的波長就被壓縮，反之被拉伸。而超聲波在傳輸介質中的速度是恒定的，因此根據公式c=f，超聲波波長的變化導致了頻率的移動，此現象被稱為多普勒效應。頻率偏移的大小見公式：其中C為聲速，f為超聲波傳播速度，V為物體的運動速度，為聲速與物體運動方向的夾角。從式中可以看到，多普勒頻偏與物體運動的速度成正比，如果用電子學的方法檢測出多普勒頻偏，就能夠得出運動器官或血流的運動速度，而超聲多普勒頻偏的正負可以反映出運動的方向。所以利用由運動結構反射回來的超聲波束的多普勒頻移來提供人體器官或物體（如

14、心臟壁和血液）的運動速度信息的超聲多普勒方法已被廣泛應用于人體運動結構的臨床診斷中，并且具有相當高的診斷價值。 脈沖超聲多普勒血流儀框圖 目前應用的超聲多普勒胎心率監護儀和超聲多普勒血流儀正是根據上述原理設計的。其中超聲波發射又可分為連續波和脈沖波兩種。用連續多普勒儀器構成的血管二維掃描基本上是一個平面圖，它代表血管在皮膚上的投影。 連續波多普勒儀器成像原理框圖 脈沖超聲多普勒血流儀的采樣距離、采樣體積都可以調節，所以可以得到某一深度某一范圍內的血流信息，既能顯示被測血流的深度，又能產生血管腔的橫斷面像和縱斷面像。顯示方式有波形顯示和動態聲譜圖顯示。波形顯示有正向血流、反向血流和正反向血流，幅

15、度代表速度大小，水平方向代表時間。還可監聽多普勒血流聲，聲調高表示血流速度快，聲調低表示血流速度慢。 多功能超聲診斷儀一般具有B型、M型及多普勒三種功能，它以B型圖像進行定位，可以精確測得心臟內某一位置的血流頻譜圖，對診斷心臟疾病有重大意義。血流彩色顯示超聲波診斷裝置，不僅能顯示血流頻譜圖，還能以偽彩色（紅色代表正向血流，藍色代表反向血流）顯示的二維彩色血流圖像，迭加在黑白的B型圖像上，簡稱為“彩超”，大大提高了臨床診斷的水平。 由于脈沖超聲多普勒血流儀可以得到不同深度的信息，因而可得到血流速度在血管（或心臟）內的分布，臨產上可診斷血管斑塊是否形成，血管是否阻斷，并可制成多普勒成像儀，可顯示血

16、管（或心臟）的二維截面像，如圖，并以偽彩色代表血流的大小和方向。 超聲多普勒血管截面成像3.5 超聲三維成像系統（超聲CT） 在醫學臨床影像診斷中，僅通過觀察二維切片圖像，很難準確確定病變體的空間位置、大小、幾何形狀和與周圍生物組織的關系。本世紀七十年代由計算機控制的超聲CT技術開始興起，將超聲診斷水平提高到一個新的高度，并有助于分子生物學和生物物理學的發展。近十幾年隨著計算機技術的飛速發展，推動了三維超聲成像技術的研究和應用。超聲計算機斷層成像機械掃描系統框圖 德國SIEMENS公司推出超聲三維成像系統（超聲CT）。它由一個特殊的TEE（經食道超聲心動圖）探頭、相控陣彩色血流成像系統及一個高

17、性能的圖像處理系統三部分組成。應用TEE探頭經食道，在心電同步觸發下，對心動周期中每一時相完成256個平行的扇形切面，全部圖像數據（包括彩色血流數據）保存在圖像存儲器中，整個圖像采集工作僅需幾分鐘就可完成。所得圖像數據不但保持了TEE高質量圖像的特點，而且類似于計算機斷層攝影技術（CT），操作者可選擇任一斷面方位借助計算機圖像處理技術重建圖像，實時動態顯示，而且可以從這256個平行切面建立心臟的動態三維圖像。 美國于20世紀90年代推出了以射頻電磁場進行立體定位、使用普通相控陣扇掃探頭從體外進行掃描并進行超聲三維成像的系統。美國Duke大學最近提出晶體片被縱向、橫向多線均勻切割成眾多的微型矩陣

18、型排列的二維陣列換能器。在用于體外探測時，微小的晶片多達6060=3600；而用于心內探測的導管式前向觀察探頭的晶片按1010=100排列。探頭發射聲束時按相控陣方式沿Y軸進行方位轉向形成二維圖像，后者再沿Z軸方向扇形移動進行立體仰角轉向形成金字塔形數據庫。在未來的動態三維成像中可能會發揮重大作用。 今后三維超聲成像儀的發展有著十分廣闊的發展前景。在進一步提高計算機微處理器的運算速度后，可以使動態三維圖像準實時顯示并能顯示體內器官的實時剖切圖像（四維超聲成像）。另外，如果在提高成像裝置質量和改進操作方法的基礎上，還可獲得幾乎能與光學內窺鏡相媲美的動態三維圖像。最近還出現了將彩色多普勒信號重建為動態三維彩色多普勒血流圖的技術，除能觀察血流部位、途徑、范圍、輪廓與起止點之外，尚可判斷其方