医用超声诊断与治疗仪器----医用超声诊断仪器(上)

         一、超声诊断仪的基本组成 超声诊断仪主要由超声换能器、基本电路、显示电路等组成（图4-4）。

         1．超声换能器医用超声换能器是将电能转换成超声波，同时也可将超声波转换成电
能的一种器件，它是超声仪器中的重要部件。

         (l)换能器的构成：换能器的核心是品片，承担机械能与电能之间的转换。当在晶片上加一机械振动时，晶片材料将机械能转变为电能，称为正压电效应；当在晶片上加一交变电 信号时，晶片材料将电能转变为与交变信号同样频率的机械能，称为逆压电效应。这种逆压电效应(图4-5)产生了超声波。

         (2)换能器的类型：超声诊断换能器的分类方法很多，不仅有按临床诊断部位、临床应用范围、振于元数、声束特性、频谱特性、收发方式、几何形状、压电材料等来分类，还有高密度、宽频带、变频技术等数百种规格超声探头，包括线阵、凸阵、微凸阵、机械扇形扫描、腔内、 相控阵等类型探头。

         (3)换能器的临床应用：线阵探头、凸阵探头主要用于腹部、妇产、外围血管；机械扇形扫捕探头主要用于心脏；频率在40-100MHz范围的高频探头主要用于皮肤成像、冠状动脉内成慷及眼部成像，如超声生物显微镜。 2基本电路超声诊断仪电路大致相同，通常南主控电路、发射电路、高频信号放大电路、视频信号放大器和扫描发生器组成。 3显示器从人体反射回来的超声信息终是从显示器或记录仪上显示的用像巾提取的。常见的显示器有阴极射线管和液晶显示器。 阴极射线管由电子枪、偏转系统和荧光屏等组成，如图4—6所示。 液晶显示器主要由液晶显示面板、驱动板、按键控制板、高压板、接口与电源电路等组成，其结构如图4 7所示。

         二、超声诊断仪的分类 医学超声诊断仪根据其原理、功能和显示方式等，可以划分为很多类型．在临味应J{j中 通常以图像显示方式来划分，即分为A型、M型和B型等。各种分类主要包括：
         1 . 按获取信息的空间分为一维信息设备、二维信息设备、三维信息设备和四维信息设备。

         2．按图像获取信息方式分为反射法超声诊断仪、多普勒法超声诊断仪和透射法超声 诊断仪。

         3按图像信息显示方式分为A型、M型、B型、P型、BP型、C型、F型、I）型和超声 全息等，除A型和M型及D型外，其他各型属广义的B型范围。

         4按显示分为彩色扫查显像型、伪彩色显示类、三维和多维扫查显示类，
         5按用途分为心脏专用型、妇产科专用型、腹部专用型、泌屎科专用型、眼科专用型和多普勒专用型等。

         6．按功能分为多功能、中档和普及型

         三、A型超声诊断仪
         A型超声诊断仪(A mode ultrasonograph)是一种利用超声波的反射（回波）特性测定 被测对象（目标）在体内位置的诊断仪器，其定位（测距）原理基于脉冲回波法。当超声渡 的传播速度c一定时，超声波的波源至目标物间的距离L便由超声波来回一次所需的时间∆t决定，因此波速c一定时，目标的定位实际上就是一个时间测量的问题。只要能测 定超声发射脉冲与回波脉冲间的时间间隔，就能测定被测目标相对于超声波波源处的 距离。 A型超声诊断仪显示器的横坐标表示超声传播时间，用来代表该器官或组织的深度，纵 坐标为回波幅度和波形分布(图48)，能够在一定程度上对病灶进行定性分析。

图4-9给出了一个A型超声诊断仪原理框图。

         图中同步信号发生器发出的同步脉冲在t1时刻一面控制超声发射机发出高频（超声）脉冲渡，同时又触发扫描发生器形成锯齿波加至示波管的水平偏转板，进行电子扫描，在荧光屏上形成一条扫描时基线。发射的超声脉冲遇到探测目标或经声阻抗界面时，便产 生反射回波信号，该回波信号在t2时刻开始被接收，经接收机 中的检波器栓出视频信号后进行放大，终将视频信号加至示 波管的垂直偏转板上，在示波管的荧光屏上显示出视频脉冲信 号，测定发射脉冲与回波脉冲的时问间隔∆t，就能测定目标脏器离体表的距离L由于A型显示回波网，只能反映局部组织的回波信息，无解剖图形，所以在临床应用已 经不多了。
 

         四、M型超声诊断仪M型超声诊断仪(M mode ultrasonograph)用来测定心脏组织在不同时间的运动曲线图，即超声心动图l( ultrasonic cardiogram，UCG)。由于运动(motion)的个字母是M，故称为M型超声诊断仪。其原理图如图4 10所示。

         M型超声诊断仪与A型超声诊断仪的不同之处在于回波信号采用亮度调制方式显示，回波信号加于示波管的栅极与阴极之间，回波强弱在荧光屏上呈现不同的亮度。在示波管 的垂直(Y)偏转板上加有锯齿波，形成垂直扫描线，回波亮度在垂直扫描线上位置的变化， 反映体内结构（心脏）的运动状态。而在示波管的水平(x)偏转板上加有慢速的线性扫捕电压，以显示心脏组织在不同时刻的回波的运动点状曲线痕迹（运动轨迹图）。 M型形成了二维的图像，把脏器各界面随时间运动沿X轴展开，这样可以从图像上很容易判断脏器各部分运动的振幅、周期和运动状态等。为了比较A型与M型超声诊断仪的显示原理，图4-11a.b和图4-12给出了二者对应的显示原理比较示意图：

         由此可以看 出,A型超声诊断仪是属于回波幅度调制型，M型超声珍断仪属于回波辉度调制显示型。 在临床诊断中，M型超声诊断仪很少单独使用，通常将心电图(ECG)、心音图( phonocardiogram，PCG)与超声心动图(UCG)三位一体同步显示方式（俗称“三心“图）作为心脏疾病的诊断手段。

         五、B型超声诊断仪
         B型超声诊断仪是利用超声脉冲回波原理，在显示器上以辉度调制方法形成的回波光点分布图来代表多条声束扫查体内某一切面时的超声断层网像或称声像图的一种超声波图 像诊断装置，简称为B超。 在B型超声诊断仪的屏幕上同步显示超声换能器（探头）扫在人体内某一切面声像图：纵坐标代表声波传人体内的时间或深度，亮度受对应空问点上的超声回波幅度调制：横坐标代表声束对人体扫查的方向。由于它能够宴时动态观察脏器或病变的断层图像，成为目前超声图像诊断应用广泛的仪器。 
         1 .B型超声诊断仪的组成B型超声诊断仪无沧 其复杂程度如何，其基本组成通常包括探头（换能器）、 超声发射电路、超声接收电路、数字扫描变换器( digitalscan converter，DSC)、控制及定时电路、监控与计测软 件、显示器、电源等部分，如图4-13所示。

         (1)探头的类型在很大程度上决定了B型超声诊断仪的扫查方式，探头的基本类型包括机械扇形扫查、 线阵、凸阵、相控阵等。探共的选用应视其应用目的和仪器档次而定，一些B超还加有各种特殊探头，如体腔探头、穿刺探头、手术探头、血管探头和内镜探 头等。

         (2)超声发射电路的设计应与探头类型相匹配， 例如发射通道数、多阵元探头超卢束发射方向的控制、 发射聚焦控制和发射功率等。

         (3)超声接收电路的接收通道数应与发射通道数 相对应，接收声束方向应与发射超声束方向一致，接收聚焦控制和切换电路应与发射的有关电路相对应。接收电路中的高频放大器在保证信噪比的前提下，应有足够大的增益和动态范刚；应有灵敏度时间控制：应设有对数放大器．压缩信号动态范围，使放大器与显示器的动态范围相一致；为了兼顾近区分辨力和探测深度，应设 有动态频率滤波电路，以使放大器频带适应不同深度超声回波信号的频率变化。高额放大 后进行视频检波和视频放大，视频放大应具有足够频带和较大输出动态范围，在视频信号处理中为了加强图像的轮廓显币，常设有轮廓增强电路。

         (4)数字扫描变换器(DSC)是B型超声诊断仪的核心部件，它由模数(A/D)变换器、图像存储器、生标变换、存储器周边电路、1羽形存储器及数模(D/A)变换器等环节组合而成。 B型超声诊断仪功能的发挥在一定程度上取决于数字扫描变换器的灵活设计。

         (5)控制及定时电路部分用来负责协调数字扫描变换器的工作．它由微处理器来完成。

         (6)监控与计测软件用来协调B超各部分的工作及完成医生需要的各种参数计算与制表功能。

         (7)显币器媚来显示人体脏器的剖面图像，应有高分辨力和宽的显示亮度动态范围，以 保证图像能表达B超性能的终结果。显示器可采用黑白监视器和彩色监视器（作伪彩色 显示）。

         (8)电源用来完成多普勒是否具有FFT功能和高重复频率特性等。

         (6)声速线数：指一个超声扫查周期内具有多少条扫查线，由换能器所具有的阵元数决 定，通常有64阵元、80阵元、128阵元，也有高达192阵元的。

         (7)安全指标：为了确保安全，输出声强一般应不大于10mW/cm2，患者漏电流应小于 100µA。

         4. B型超声诊断仪的图像质量指标B型超声诊断仪是通过图像来表达获取人体信息的多寡、分辨力与定位精度的，因此网像的质量指标是整个B型超声诊断仪质量的表征，通常包括下列质量指标： (1)盲区：盲区是指B型超声诊断仪可以识别的近目标距离（深度）。盲区越小．则越有利于检查接近体表的病灶。在换能器前加有水囊时，盲区无意义。

(2)探测距离（深度）：指在图像正常显示允许的大灵敏度和亮度条件下，所能观测到的回波目标的大距离（深度）。该值越大，在人体内探测检查的范围就越大。决定探测距离的因素有换能器灵敏度、超声发射功率、接收放大的增益和超声工作频率等。

         (3)轴向（纵向）分辨力：指沿超声束轴线方向（纵向），B型超声渗断仪的图像显示 中能够分辨两个回波目标的小距离。轴向分辨力越小，声像阿上纵向界面的层理趣 清晰。对超声脉冲回波系统，该值决定于超声脉冲的有效宽度，脉冲越窄，轴向分辨力越高。

         (4)侧向（横向）分辨力：指超声柬的扫查平面内，垂直于声束轴线的方向（横向）上能够区分两个回波目标的小距离，该值越小，声像图横向界面的层理便越清晰。决定侧向分辨 力的因素包括超声柬宽度（声束越窄，侧向分辨力越好）、系统动态范围、显示器亮度和媒质 衰减系数等。 （Ij几何位置示值误差：指B型超声诊断仪显示和测量目标实际尺寸和距离的准确度。 陔值影响到病灶在人体内的正确定位，影响该值的因素有声速设定和扫描规律形式，扇形图像的均匀性通常比平面线阵扫描几何位置的准确度更差。 5医用超声诊断仪超声源的档次划分为了实现B型超声诊断仪性能评价的可比性，我国已制定《医用超声诊断仪超声源》检定规程JJG639-1998，并于1999年3月1日实施。 图4-14和表4-1给出了这种分类的依据。

         6 .B型超声诊断仪的临床应用在临床诊断中，超声医学包括介人性和非介人性两个 分支，介人性是指将超声探头插入口腔，或经阴道、肛门、尿道、直肠、消化道、血管或手术切 口等进行的探查渗断，以及采用超声扫描显像作为监视或引导手段进行穿刺等操作过程；非介人性诊断则是将超声探头耦合至皮肤表面，进而对腹部、心脏、眼睛、小器官、脑部等进行探查诊断的技术，是常用的超声诊断方法。 根据B型超声诊断仪显示声像图的各种特征，可用来进行医学形态学定位分析是否有 炎症、积液、肿瘤、纤维化等病理变化；也可以软组织声速l540m/s的数值为标准，进行各种 长度、面积、时间及其他导出参数的定量诊断；亦可根据某些脏器、组织因生理性变化，而对声像同上或多普勒超声网上的各种有规律的变化进行生理学诊断；还可用谱分析的方法进 而提取更多的生理与病理信息等。基于B型超声诊断仪的多功能多用途，其已成为医院进 行普查及各类疾病诊断、治疗时进行图像引导的重要手段。