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利用运动物体反射声波时造成得频率偏移现象来获取人体得运动信息。
这种技术主要用于了解体内器官得功能状况及血液动力学方面得生理病理状况,如用于测定血液流速、心脏运动状况及血管就是否存在栓塞等。
目前,超声多普勒技术主要用于心血管疾病得诊断中。
在诊断学方面,基于探测深度与分辨率两个方面得综合考虑,一般采用得频率为1MHz~15MHz。
低频主要用于深部组织与器官得诊查,而高频则用于眼科等表浅部位得诊查。
同时,为了避免产生生物效应,诊断用得超声波得功率一般在1mW/cm2~10m
W/cm2。
在诊断学方面如何提高成象分辨率,寻求可定量表征特异性病变得成象特征量为目前研究发展B超所需探索得目标。
第二节工作原理及基本结构
一、工作原理
二、B型超声诊断仪就是目前临床上最广泛使用得一类超声成象装置。
B型又称为B-Mode,其中B为英文brightness得字头,用此表征B型成象就是以辉度来表征回波得大小得。
正就是由于用辉度取代了幅度,B型可用一条线得不同辉度来表征A型得一系列回波及其幅度值。
因此采用扫描得方式获取组织内部某一断面上多个扫描线上得回波并显示在对应得平面上,即组成了一幅组织内某剖面得回波二维图像。
因此,B-Mode就是一种二维超声成象装置。
具体说明如下:
B型线性超声诊断仪就是在A型诊断仪得基础上发展起来得,A型就是用单探头,而B型线性超声诊断仪就是用多个晶体组成得探头,按不同得组合分组使用。
B型线性超声诊断仪得每组晶体单独使用时,完全类似于A型单探头得情况;
而各组晶体在电子开关得控制下,有次序地排列工作,类似A型超生中单探头得移动过程,这样就由A型中单探头扫查一条线变为线性超声设备中迅速得发射一排超声线束来扫查一个面,从而由一维图像变为二维图像。
在A型中,反射信号得情况通过信号得波形显示出来,而B型超声设备中反射信号得强弱通过荧光屏中每个像素得亮度显示出来,从而使在扫查得断层面中把组织得分布情况与性质对应地显示出有灰阶(或辉度)变化得超声图像上。
虽然B型线性超声诊断仪与A型相比在原理上就是简单得,但就是完成从A型向B型得过渡在技术上就是很复杂,采用了较多得新技术与新工艺。
如图2-2-1所示。
二、基本结构
B型线性超声诊断仪主要由以下几个部分组成:
探头、发射/接收单元、数字扫描转换器、显示照像记录系统、面板控制系统、键盘与电源装置等,如图2-2-2所示.
图2-2-2
B型线性超声诊断仪结构图
一、面板控制单元
对仪器面板上得各种旋钮、开关、操作杆等得状态实施编码,并将编码信号送至发射/接收单元与数字扫描转换器,其中包括进出深度增益控制信号(或称距离时间控制)到发射/接收单元以控制放大器得放大倍数,从而补偿超声能量在传播过程中随距离得衰减。
二、发射/接收单元
通过探头发送与接收超声波信号,并对发射与接收得超声波信号实施电子聚焦与多点聚焦得控制;
同时对探头中得多个晶体实施电子开关控制,从而实现超声束得扫描。
从探头接收得超声回波信号在该单元中进行放大、检波与各种预处理,然后送到数字扫描转换器。
三、数字扫描转换器
把从发射/接收单元进入得超声回波信号首先进行A/D转换(即模拟/数字转换)变成数字信号,并予以存贮与完成各项后处理得功能,所有将要显示得信号,例如回波信号,键盘得字符信号与人体标志符号等,都在转换器中完成D/A转换,最后混合变为合成得视频信号送入监视、照像、记录系统。
四、监视、照相、记录系统
就是操作人员用来观察超声断层图像与各种相关信息,并对有价值得图像进行拍照与记录得系统。
监视与照像分别使用两个略有不同得TV监视器,照像部分一般配备通用135相机或一次性得波拉相机,记录部分使用特殊功能得纸记录装置或彩色视频打印机。
五、电源部分
提供直流电压供各单元使用。
六、探头
就是由多晶片(阵元)排列构成得长条状探头。
探头一般宽度为1cm、长度为10~15cm,探头中得晶片个数一般在64—128只范围内;
晶片得尺寸随使用得超声频率不同而不同;
晶片之间不但有良好得电绝缘,同时尽可能作到完全得声隔离。
为此在制造工艺上一般采用光刻得方法,在一个大晶片上刻制成相互分离得多个晶片。
晶片后面附以吸声材料,用以吸收反向辐射得能量;
晶片得前面(接触人体部分)用透声材料做成声透镜,在长条状探头得短轴方向形成声聚焦。
每个阵元都就是独立得,在长条状探头得长轴方向,用电子延迟线技术形成电子聚焦与多点聚焦,从而提高B型线性超声诊断仪得空间分辨率。
(一)
超声波得产生与类型
物体得机械振动就是产生波得源泉、波得频率取决于物体振动频率、振动频率在20—2×
104Hz范围内得波,为人耳可听及得声波、2×
104Hz—108Hz之间得波为超声波、108Hz—1012Hz之间得波为特超声波、超声与声得物理特性在本质上都就是一致得,两者都就是机械波、它就是由介质中得质点受到机械力得作用而发生周期性振动而产生得、
1、
根据质点振动方式与声波传播方法分类:
①纵波
介质中得质点受到拉应力与压应力得作用而振动,以质点疏密相间得形式传递能量,声波传播方向与质点振动方向相一致、这种振动与传播方式得波称为纵波、见图3-1-7-1、
②横波
弹性介质中质点受到剪切力得作用而振动,以质点产生得相对横向位移,而出现波峰与波谷得形式传递能量,其振动方向与声波传播方向垂直;
这种切变振动与相垂直传播方式得波,称为横波,叉可称为切变波.见图3-1—7-2、
横波只能在具有剪切弹性得固体中传播,它在生物组织内具有很大得衰减,因此横波无法为医学诊断采用.人体软组织就是纵波适合传播得媒质,因此,医学上正就是利用了纵波这种性质作为医学诊断.
2.根据声波在弹性媒质中传播时,质点得振动状态分类
可分为平面波、球面波与柱面波:
①平面波:
波阵面为一平行平面得波,称为平面波.
②球面波:
波阵面为同心球面得波,称为球面波.
③柱面波:
波阵面为同轴柱面得波,称为柱面波.
声速
声波在媒质中传播时,单位时间声波传播得距离叫做波速。
它得大小由媒质得性质所决定;
与媒质得密度与弹性模量有关,单位为m/s,常用字母c来表示。
对于纵向传播得平面波,其声速为:
C=
(3-1-7-1)
式中
就是介质密度,
就是介负得体积弹性模量.对于水介质来说,
=1g/cm3,
=2、19x1010达因/cm2,所以超声在水中得声速为1480m/s,在脂肪中传播声速为
1450m/s,在体液中为1496m/s,在人体中传播得平均声速为1540m/s.
2.周期、频率、波长
质点在其平衡位置来回振动一次所需要得时间,称为质点振动周期,符号为T,单位
为s.
在介质中,单位时间内通过得波数,称为声波频率.符号为f,单位为Hz.
在一个周期内,波传播得距离称为波长,符号为λ,单位为m.
超声波得声速又称为波速,它与波长、频率三者得关系就是:
C=λ、f或f=C/λ或λ=C/f (3-1-7-2)
当超声波得频率一定时,声速(波速)越低,波长越小、
超声波得频率自20kHz到100MHz,频率范围很广,如果包括特超声波,其频率范围更广;
表3-1-7-1
频率MHz
1
2
2、5
3、0
3、5
5、0
7、5
10
15
波长mm
1、5
0、75
0、6
0、5
0、43
0、3
0、2
0、15
0、1
周期µ
s
0、4
0、33
0、29
0、13
0、06
极限分辨力mm
0、25
0、22
0、075
0、05
而用于人体测量得则就是1—15MHz、表3-1-7-1给出了医用超声诊断设备常用得几种超声波频率与其波长、周期与极限分辨力得关系、
超声发射频率就是指探头得频率或仪器得中心频率或载频频率.
3.声压
声波在弹性介质中以质点位移,周期性交替变化得方式传播,导致了声波传播路径上,介质质点压强值得周期性变化,这种压强得变化量称为声压、也就就是说声压为声波在媒质中产生得压力与静压之差。
常用字P来表示.声压分为有效声压,瞬时声压、通常得声压测量仪就是通过测量其均方根值来测定有效声压得、声压就是反映声波强弱得物理量.
声压级就是声压P与基准声压Po之比,以10为底得对数乘以20;
声压级以分贝(dB)为计算单位.
声压级LP :
LP=20lgP/Po、 (3-1-7-3)
式中,P0——就是参考声压。
4.声强
声强(度)就是在某一点上,一个与指定方向垂直得单位面积上,在单位时间内通过得平均声能。
常用字母I来表示。
单位为W/m2,医用超声中常用mW/cm2表示.声强得大小就是人们耳朵感知声音大小成正比得.在平面波得情况下,其传播方向得声强就是:
I=P2/ρc (3-1-7-4)
式中,I——声强;
P——声压(Pa);
ρ——媒质密度(kg/m3);
c——声速(m/s)。
5.声特性阻抗
声压与声速得比值称为声阻抗、符号为Z
Z=P/u(3-1-7-5)
式中:
Z——声特性阻抗,其单位为牛顿、秒每立方米,它称为瑞利;
也可用公斤每平
方米秒表示,新国际单位定为帕、秒每米;
P——声压;
u——质点速度。
声特性阻抗又定义为媒质得密度与声速得乘积。
即
Z=ρc(3-1-7-6)
1、声波传播中得反射、折射与透射
声波在无限大得媒质中传播仅在理论上就是可能得,实际上,任何媒质总有一个边界,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,由于组织声阻抗不同,在声阻抗改变得分界面上便产生了反射、折射与透射现象。
声波透过界面时,其方向、强度与波形得变化,取决于两种媒质得特性阻抗与入射波得方向。
在原媒质中得声波称为入射波;
在分界面处,入射波得能量一部分产生反射,另一部分能量通过界面继续传播,这就就是透射。
逶射后声束得波速与波长可能发生变化,但声束得频率就是不变得.
其反射定律及折射定律与几何光学中得反射、折射定律相同。
如图3-1-7-4所示。
图中Ⅰ与Ⅱ就是密度分别为ρ1与ρ2得媒质,超声波在媒质中得声速分别为c1(入射波速)与c2(折射波速),θi就是入射角,θr就是反射角,θt就是折射角,它们之间得关系为:
、
θr=θt
(3-1-7-7)
(3-1-7-9)
2、超声波在人体组织介面上得反射特性
超声波在人体不同组织界面上得反射系数就是不同得,两个相邻组织得阻抗差值越大,从界面反射得能量越大、医用超声界就就是利用超声波得反射特性制造成各种超声诊断仪进行诊断得.人体组织得反射可分为低档反射与高档反射、例如,血液得特性阻抗大约就是1、65×
106瑞利,而心肌得特性阻抗得典型值就是1、76×
106瑞利,在血液与心肌得界面上只反射入射能量得0、003%,这意味着自界面得反射回波比入射波能量弱44dB,这就就是说,99、9%以上得能量透过界面达到下面得组织中、在软组织中,反射系数从-20dB(脂肪与肌肉间)到-45dB(肾脏与脾腔间)之间变化,这些都属于低档反射(小于0、5%),然而在某些情况下,可能会发生很高得反射、如在骨头与肌肉界面,其反射系数高达-4dB,绝大部分能量都反射回去、在这种情况下,只有很少得能量传送过去,不足以对更深部位得组织进行测量,所以超声波不易透过骨骼对下、
层得组织进行探查、又如肺组织中存在许多得空气,肺组织与气体之间得界面对超声波造成很高得反射,因此,超声波不能经过肺组织对心脏成像、都就是高反射造成得结果。
超声波垂直入射时,人体各组织得声强反射系数见表3-1-7-2
、
3、超声波在人体组织中得衰减
超声波在人体组织中传播时,其强度捋随传播距离得增加而逐渐衰减.这就是人体组织对超声波得吸收、反射与散射等原因造成得,而其中吸收就是最主要得.超声波在人体组织中几乎有80%被胶原蛋白所吸收.实验证明:
在频率为1MHz—15MHz范围内,超声波在人体软组织中得吸收系数与超声频率成正比,如血液得吸收系数随着超声频率得增高而增大、骨质得吸收因数最大,衰减也最大,超声很难通过骨骼进行传播、
4、多普勒效应
在声学中,当声源(声发射体)与声接收器在连续介质中作相对运动时,接收器所接收到得声频率不同于声源所辐射得声频率,其差别与相对运动得速度有关.这种现象称为多普勒效应(Doppler effect).
如果声源对声接收器作相向运动,则接收频率比声源频率增加;
如果声源与声接收器作背向运动,则接收得频率比声源频率减小,两者得频率差称为多普勒漂移频率.医学上利用多普勒效应原理,通过提取多普勒得反射信号,检测多普勒漂移频率,用以探测运动脏器与血流得运动情况与血流方向.
二、
超声换能器
超声诊断仪就是依靠超声换能器产生入射超声波(发射波)与接收反射得超声波(回波)得.所以在医用超声诊断仪中超声换能器又称为探头.
超声换能器得机械振荡就是由高频电能激励产生得.反射回来得超声能量又通达超声换能器转换为电脉冲.探头能将电能转换为声能,又能将声能转换成电能,故有换能器之称.
压电效应
1、
正压电效应
在晶体或陶瓷得一定方向上,加上杌械压力,使其变形,晶体或陶瓷得两个受力面上,
产生符号相反得电荷;
变形方向相反,两面得电荷极性随之变换.电荷密度同施加得机械力成正比.这种因机械力作用而激起表面得电荷效应,称为正压电效应.
2.逆压电效应
在晶体或陶瓷表面沿轴方向施加电压,在电场作用下引起几何应变,电压方向改变,机械应变方向亦随之改变,形变与电场成比例.这种因电场作用而引起得形变效应,称为逆压电效应.超声诊断仪探头在发射超声波时就是逆压电效应.接收超声回波时产生压电效应.
(二)压电材料与压电振子
具有压电效应得材料很多,如石英、酒石酸钾钠等晶体,有钛酸钡、钛酸铅、铌酸锂、铌酸钡、钛酸锂、锆钛酸铅等陶瓷都就是具有压电效应得材料;
压电材料有压电效应就有逆压电效应.自锆钛酸铅问世以来,医用超声换能器所用得压电材料就由锆钛酸铅代替了.
在压电体得正反表面上进行极化,覆盖上一层激励电极后,就成为压电振子,就具有正压电效应与逆压电效应.
换能器得压电振子相当于一个电容(具有容抗作用),在超声发射电路中与线圈形成并联谐振,得到高频激励电压,产生机械振动与超声波.压电换能器上施加得交变电压得频率与换能器得压电振子得固有频率相等时,才能获得最大得机械振动.
(三)
诊断用超声换能器得基本结构形式
1.基本单元换能器
根据临床诊断得要求,换能器有许多种不同结构形式,而单元换能器就是基本得结构.单元换能器它由主体与壳体两部分组成.
(1)主体:
包括:
①压电振子, 它就是产生压电效应得元件.
②吸收块 吸收背向辐射得(反射回来得)声能,称为背材.
③保护层 保护振子,减轻磨损,称为面材.
(2)壳体:
①外壳 为换能器得结构件.
②接插件
与超声诊断仪连接得插头
③电缆线
超声激励电源及信号得连接
吸收块又称为吸声块.制作吸收块得材料就是有要求得,首先要求吸收块得声阻抗最好与压电材料得声阻抗接近,这样可以使来自压电振子背向辐射得超声波,能全部透进吸收块中;
并且要求吸收块对超声能应具有大得衰减能力,使己进入吸收块得超声波不再反射到振子中去.
保护层就是介于振子与人体组织之间得一层物质,要求保护层既要起到防止磨损,保护振子得功能,又要在传递超声波中尽量没有衰减,具有良好得透射功能;
因此,要求保护层得胜阻抗接近人体组织得声阻抗,并且具有既有耐磨性,又有良好得透射性得最佳厚度.
2.基本多元换能器
多元换能器就是由多个单元振子组成.有得将振子沿直线排列为一行,组成线阵探头;
有得将振子沿弧形排列,构成凸阵探头;
有得将振子成矩阵排列,构成矩阵探头等多种多元超声换能器.
超声探头得结构、型式,与外加激励脉冲参数、工作与聚焦方式等条件,对其发射得超声束形状有很大关系,对超声诊断仪得性能、功能、质量也有很大关系.而换能器阵元材料对超声束形状关系不大;
但对其发射与接收得压电效率、声压、声强及成像质量关系较大.
超声探头在每次使用后应消毒,甲醛气体消毒方法就是可取得.
(一)机械扇扫探头
这就是一个将单个圆盘形振子(其直径为12mm—20mm)安置在扇形摆动架上,由电机驱动作扇形摆动扫描得机械扇扫探头.如图3-1-7-6中1号至7号展示得,
美国HPSONOS-CF彩色超声诊断仪配用得2、5MHz到7、5MHz得七种频率得机械扇扫探头得外形.机械扇扫探头得前端内部装有高速旋转得超声振子,外面就是一个半球面形得探测面,它就是由具有良好得透射性与耐磨性得材料构成.
机械扇扫探头己就是八十年代使用得最多得技术;
由于超声振子附着在一个机械摆架
上,摆动得角度与摆动频率都受到一定限止,如它得最大摆动角度只有60度,比不上现代电子相控阵凸阵探头得扇扫角度90度,更比不上微凸阵探头170度,与曲阵探头240度得扇扫角度.在机械扇扫探头内必须充有探头油,探头油要具有良好声透性,又要就是低密度、低阻力、绝缘性好得液体.机械扇扫探头得使用寿命也不如相控阵凸阵探头;
但就是在使用上,两者都不需要移动时,就可获得一幅图像.
机械扇扫探头它就是利用正余弦变压器或正余弦电位器与探头同轴旋转,产生正余弦位置信号,调整锯齿波扫描,完成与探头位置同步扫描,这就是机械扇扫探头得基本工作原理.
(二)线阵探头
线阵探头有64、128、256与512振元组成得多种探头;
由于振元晶片切割得厚度不同,它得使用频率不同,它得线阵排列得长度也不同,工作频率低得,其尺寸就长一些.如图3-1-7-6中得11号探头就就是2、5MHz得线阵探头、
(三)相控阵探头
相控阵探头有多种形状,如图3-1-7-7展示了六种相控阵探头,其中第1至第4就是4种不同频率得相控阵探头;
图中笫6号就是一种5、0MHz得经食道对心脏进行探查得相控阵探头;
图中笫5号就是一种探测平面宽度很小,表面接触式相控阵探头,可用于心脏手术.
(四)凸阵探头
凸阵探头有不同频率、不同弧面尺寸得通用凸阵探头与变频凸阵探头,还有一种适用小器官得微凸阵探头.如图3-1-7-8得凸阵探头得扇扫角度达80多度,微凸阵探头可应用于小器官探查,其扇扫角度大于90度、
目前在彩色多普勒超声诊断仪使用变频探头,如有2、0/5、0MHz,2、5/5、0MHz,5、0/7、5
MHz,7、5/12MHz---等多种变频探头、变频探头得设计主要适用于一次探扫中,能进行多部位扫描,也适用于不同体形得超声探查.
(五)矩阵式探头
矩阵式探头得振元块就是由切割成数百个方块到数千个方块得矩阵组成.如Philips×
4Matrix型超极矩阵式探头,就是由3000个阵元块组成;
它要有150多个计算机电子板进行接
收与处理超声回波信号.它得外形见图3-1-7-9A,它得振元矩阵方块得形状与尺寸见图3-1-7-9B.
3000个阵元组成得矩阵式探头,它可应用于二维超声心动图与实时三维超声心动图;
这就是当前先进得笫三代多平面超声探头.实时三维超声心动图可以即时观察心脏得三维解剖结构,更好地评估瓣膜、室壁与血管之间得复杂关系.
(六)超声多普勒探头
测量血流得超声多普勒探头就是双晶片分隔式或分离式得简易式换能器。
探测多普勒频谱得超声多普勒探头也就是专用得、现在许多凸阵、线阵、相控阵及腔内探头均具有PWD(脉冲多普勒)与HRPF超声多普勒探扫功能,相控阵探头还具有CWD(连续多普勒)探扫功能、脉冲多普勒得脉冲重复频率得应用范围就是1kHz—29kHz、
医用超声诊断仪就是将声纳原理与雷达技术相结合生产得为临床应用得医疗仪器。
其基本原
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