超声成像设备的发展趋势

-- 1 / 1 超声成像设备的发展趋势 一．引言

超声(Ultrasｏund,简称US)医学是声学、医学、光学及电子学相结合的学科。凡研究高于可听声频率的声学技术在医学领域中的应用即超声医学。包括超声诊断学、超声治疗学和生物医学超声工程,所以超声医学具有医、理、工三结合的特点,涉及的内容广泛，在预防、诊断、治疗疾病中有很高的价值。

超声成像是利用超声声束扫描人体，通过对反射信号的接收、处理,以获得体内器官的图象。常用的超声仪器有多种:A型(幅度调制型)是以波幅的高低表示反射信号的强弱,显示的是一种“回声图”。M型（光点扫描型）是以垂直方向代表从浅至深的空间位置,水平方向代表时间，显示为光点在不同时间的运动曲线图。以上两型均为一维显示,应用范围有限。B型（辉度调制型)即超声切面成象仪，简称“Ｂ超”。是以亮度不同的光点表示接收信号的强弱，在探头沿水平位置移动时，显示屏上的光点也沿水平方向同步移动,将光点轨迹连成超声声束所扫描的切面图，为二维成象。至于Ｄ型是根据超声多普勒原理制成．C型则用近似电视的扫描方式,显示出垂直于声束的横切面声象图。近年来，超声成象技术不断发展，如灰阶显示和彩色显示、实时成象、超声全息摄影、穿透式超声成像、超声计并机断层圾影、三维成象、体腔内超声成像等。 -- 1 / 1 超声成像方法常用来判断脏器的位置、大小、形态，确定病灶的范围和物理性质，提供一些腺体组织的解剖图,鉴别胎儿的正常与异常,在眼科、妇产科及心血管系统、消化系统、泌尿系统的应用十分广泛。

二．超声设备的基本原理 ２.1脉冲回波原理 人体组织和脏器具有不同的声速和声阻抗，声波在传播途中,遇到不同介质的界面时会反射声波，称为回波。 超声脉冲回波成像法: 发射超声脉冲，遇界面反射,接收回波，检测出其中所携带的信息；由于界面两边声学差异并不是很大,大部分声波穿过界面继续向前传播，到达第二个界面时又产生回波，并仍有大部分声波透过该界面继续前进；将每次回波信号接收放大,并在显示器上显示。 --

1 / 1 2．２超声成像的物理基础 2．２.1超声波应用范围 2０~100KHz 很多动物都用超声波进行交流、导航及追捕它们的猎物。 100 KHz（105Hz）～ 1MHz（1０６Hz） 超声波最重要的应用就是声呐(声音导航及测距)。 2．5 MHz~ 5 ＭHz 用于心脏、腹部及软组织成像。这些频率能穿透组织可到达２0-15cm的深度。 ５ ~ 1０MHZ 用于对小器官的成像,例如：腮腺、甲状腺、颈部血管及眼睛显像，它只需要4-5ｃｍ的穿透深度。 1０ ～ 30MHz 用于皮肤及血管内检查,可以获得高分辨力的图像。 4０ ～ 100MＨz 用于生物显微镜成像,对眼活组织的显微诊断。 医学诊断常用的超声频率是2—1０MＨZ之间，对于浅表器官多采用>7MHＺ，对于腹部和心脏分别采用3．５—5MHZ和2—3MHZ 2．２.2描述超声波的基本物理量 声速:单位时间内,超声波在介质中传播的距离称为声速,用符号“c”表示。单位为米／秒(m/s） 声速是由传播介质所决定，不同人体组织器官的声速不同，平均声速为1540米/秒,其中空气最小（３50米／秒),骨骼最大(38５0米／秒)。 -- 1 / 1 频率：单位时间内质点振动的次数，用符号“f”表示 由探头中压电材料决定，在2～10兆赫兹范围。 波长：声波在传播时,同一波线上相邻两个同相位质点之间的距离称为波长,用符号“λ”表示。 超声波长与声速和频率满足以下关系式: C=λ×f

２.2．３ 声速、波长与介质的关系 1、声速与介质的关系 （１)同一介质 不同频率的超声波在同一介质中传播时声速基本相同。所以用不同频率的探头检查肝脏时，声速基本相同。 （2)不同介质 同一频率的超声波在不同介质中传播的声速是不同的。例如:1ＭHz超声波在0℃的水中为1500m/ｓ；在０℃的钢材中为6０00m/s;在人体软组织中平均声速为１540ｍ/s。

人体软组织的声速分布在1５00m/ｓ~1680m/s之间，利用超声方法对软组织测距存在一定的误差。而骨组织的声速则高于28０0m/ｓ、肺组织的声速大约在1200ｍ/ｓ以下。 2、波长与介质的关系 (1）同一介质 不同频率的超声波，在同一介质内传播时其波长与频率成反比。 １MHz的超声波在人体软组织中传播时,其波长为1．5mm。 -- 1 / 1 3MＨｚ的超声波在人体软组织中传播时,其波长为0.5mm。ﻫ ５MHz的超声波在人体软组织中传播时,其波长为０.３mm，ﻫ 所以频率越高的超声波在同一脏器组织中传播其波长愈短。 例如：用高频率的探头检查肝脏其波长也愈短。 （2)不同介质 同一频率的超声波，在不同介质内传播,因传播声速不同,则波长也不相同。频率为3MＨｚ的超声波在人体软组织中传播时，其波长为０.5mm,而在空气中传播,其波长为０.114mm。 所以用同一种探头检查人体不同的组织时，由于声速存在差异，所以波长也是不相同的。

２.3超声的物理特性 ⒈ 指向性 ⒉ 反射、折射、散射和绕射 ⒊ 吸收与衰减 ⒋ 分辨力与穿透力 ⒌ 多普勒效应 -- 1 / 1 2．3.1超声的束射性 超声的能量高度集中,在一个较小的立体角内成束状向前传播，即超声波的束射性(声束）。 从声源发出的超声波最近的一段声束几乎平行,这段区域为近场区。 远离此区后，声束向前稍有扩散,为远场区。扩散的声束与平行声束间的夹角叫做扩散角（θ） 超声波指向性优劣的指标是近场的长度和扩散角。 2.3.2超声波的反射 超声波的反射是超声成像的物理基础 当声波从一种介质向另一种介质传播时,如果两者的声阻抗不同,就会在其分界面上产生反射,使一部分能量返回第一种介质。 1.声阻抗(z)=介质密度(ρ)×声速(c） △Z>０.1％即可产生反射 2.声阻抗差大,反射强 声阻抗 声阻抗是表示介质声学特性的一个重要物理量。声阻抗(Z）等于介质的密度（ρ）和声速(C)的乘积,声Ｚ= ρ ×C。 物质的密度一般是固体＞液体＞气体,超声在介质中的速度是固体＞液体＞气体，故声阻抗值一般也是固体>液体>气体。 人体正常组织的声阻抗骨骼最大,气体最低。 -- 1 / 1 声像图中各种回声显像均主要由于声阻抗差别造成。 人体不同组织的阻抗值 --

1 / 1 2.３.3超声波的折射 两种介质内声速不同可产生折射现象,从而导致入射声束的偏转。两种介质的声速之比决定其折射程度。其间关系如下：

式中θｉ为入射角，θj为折射角，C1为入射边介质中超声声速，C2为透射边介质中超声声速。

全内反射 折射角的大小取决于两种媒质的声速比n=c1/c２ ，当ｃ2>c1时,则折射角j>i，当入射角由0 逐渐增大到某一角度iｋ时,将有ｊ =90°,即折射波沿界面传播 而当入射角超过θｉk时,入射声能将全部反射到媒质１中，故θｉk称为”全内反射临界角”。在临床检查中，应使探头放置正确的角度,以避免由”全内反射”引起的图像伪差。

21sinsinccji

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1 / 1 超声波的入射、反射和折射示意图

2.3.4 超声波的散射 当遇到界面远小于波长的微小粒子或一组小障碍物或者介质性以粗糙表面形式出现时,这时将有一部分能量被散射，其散射程度决定于几何条件。 人体内的散射源为红细胞和脏器内的细微结构。当发生散射时,作为障碍物的人体组织将作为新的波源,向四周发射超声波，但只有朝向探头方向的微弱散射信号—后散射(背向散射),才能被检测到。 红细胞的背向散射是超声多普勒成像的依据，脏器内的细微结构是超声成像研究脏器内微小组织结构的依据。 超声成像的回声来源是:超声波的背向散射及反射。通过反射观察脏器的轮廓,通过背向散射可以了解脏器内部的病变。

2．3.5超声波的绕射

目标大小约为1~ ２个波长或稍小,超声波将绕过该靶目标继续前进,很少发生反射。 --

1 / 1 2.3．６超声波的吸收与衰减 声衰减定义: 是指声能随着传播距离增加而减弱的现象 衰减与超声传播距离和频率有关。因超声波的频率很高,故衰减现象特别显著。 声衰减原因：传播中的反射、散射、声束的扩散及组织对能量的吸收 (1）由于声束发散,散射及反射引起声束方向改变 (2）由于“内摩擦”,超声波机械能变为热能被组织“吸收” 衰减系数 衰减的强弱通常用衰减系数来表示。 不同组织,吸收系数不同,衰减程度不同； 相同组织,入射深度越大，衰减越大; 相同组织,入射超声频率越高，衰减越大。 人体软组织的衰减系数与频率成正比,所以频率愈高的超声波在人体组织中衰减愈大,只适用浅部器官的检查。 人体组织衰减程度一般规律ﻫ 组织内含水分愈多，声衰减愈低 液体中含蛋白成分愈多,声衰减愈高 组织中含胶原蛋白和钙质愈多，声衰减愈高