医用超声诊断与治疗仪器----医用超声诊断仪器(下）

         一、超声彩色血流成像设备 超声彩色血流成像(ultrasonic color flow mapping，UCFM)和B型超声断层显像的原 理区别在于，前者是依靠运动着的血流产生的多普勒频移信号来调制图像亮度，而后者是依 靠人体组织界面回波振幅来调制。 在超声彩色血流成像系统中血流速度的大小用彩色亮度来表示，而速度的方向用红和蓝两种颜色来区别。当声束平行于血流方向时，血流朝向探头，则以红色表示，血流背向探头则以蓝色表示。虽然有的系统两种颜色可以用菜单进行选择，但目前国际上通常还是采 用上述方法来标记血流方向。在速度显示方式中，一般用一条彩条（红蓝相接）来标记速度大小，称Color Bar，通常显示在图像旁边作为参考。流速越高，彩色越亮；反之，流速越低，彩色越暗。因此m流朝向探头的速度值越大，红色越亮；蓝色表示的反向速度值亦然。由于 速度值本质上是由超声脉冲采样值经计算多普勒频移而求出，冈此受到采样的奈奎斯特频率限制，如果流速超过奈奎斯特频率极限，则会发生色彩反转，即超过奈奎斯特频率极限的 红色变为蓝色，或蓝色变为红色。这种现象往往被有经验的医生作为判断高速血流存在的判据。 不管是在心腔还是在血管，湍流的存在与否常常是临床诊断的依据所需要的。在超声彩色血流成像中，采用方差显示来表明湍流存在，速度方差值用绿颜色来表示，其值愈大，绿 色亮度也愈大；反之，速度方差值愈小，绿色亮度亦愈小。周此，采用三基色，红、蓝与绿，来分别表示血流的流速方向和湍流的存在。如果朝向探头的血流存在湍流，将m现红色加绿 色所形成的黄色；如背离探头的血流存在湍流，将H{现蓝色加绿色而形成青色。在高速射流 存在时，由于频率超过奈奎斯特频率极限，导致彩色反转 与湍流，再加上血流方向紊乱，此时将出现红、蓝、绿、黄、 青与白等五彩镶嵌现象。

         1. 超声彩色血流成像原理超声彩色血流成像的目 的是检测出二维图像上各点血液流动情况，具体方法是在
每一个扫查角度上发射N次脉冲(4≤N≤16)，然后换一个角度再发射N次脉冲，直到把一个扇形断面扫查完成。 线阵扫查也是如此，扫查过程示意图如图4-15所示。

 

         对于每一个角度的扫查线，同时存在两个采样过程， 一个是时间采样，另一个是空间采样。时间采样是指每一次脉冲发射后，接收系统对正交解调后的回波信号所进行的连续采样过程。设时间采样频率为^，那么相邻两个采样点趼表示的距离分辨力为： ∆s= c/2ƒs式中： ∆s——距离分辨力；c一声波在体内的传播速度。 所以时间采样所获得的信息包含了距离分辨信息。 空间采样就是利用脉冲的重复发射，对各条扫描线上的时问采样点，进行重复采样的过程，因此空间采样率就是脉冲重复发射频率。空间采样的点数也就是同一角度上脉冲发射 的次数N。空间采样的实质就是对纵向的时间采样信号进行横向的空问分组。如果时间采样点数为n，那么这些数据一共分成n组空间采样数据，每一组由N个采样数据组成，它包含了所对应的特定距离上的多普勒血流信息。 彩色血流图的信号处理即是从这些空间分组的数据中实时估计出血流速度、方向及方 差等信息。

         2．超声彩色血流成像系统系统由主机、探头、附件三大部分组成，彩色血流成像原理 框图如图4-16所示。

 

         (l)主机：包括前端、后端、系统软件、显示器4个部分。以A/D转换器为分界，前端完成发射／接收功能；后端完成黑白和彩色图像的形成；系统软件完成人机接口、整个系统的控 制以及各种计算和测量功能；显示器用于显示黑白二维断层图像和彩色眦流图像以及操作 菜单和计算测量结果。

         (2)探头：探头由64个压电品体阵元组成，完成电信号转换成超声信号和把回波信号转换成电信号，这个过程称为发射和接收。在发射时，阵元间的激励电信号通过有规律的时 间关系来控制，从而在一个特定的方向上形成一个聚焦的超声波束；在接收过程中，通过称 为延时控制和相位移动的技术，使得各阵元对同定目标的回波信号转换成相位相同的相干 信号，这样叠加后，此目标的回波强，而其他地方的回波信号相互抵消，结果使分辨力 提高。

         (3)附件：附件包括录像机和彩色（或黑白）拷贝机。录像杌可以|己录长时间的动态图像，但经录像后，信号质量会有损失。彩色（黑白）拷贝机|己录的是一幅同定的同像，其信号损失较小。 3核心技术 (l)前端部分：固定频率的电压信号加在探头上，产生中心频率为^的脉冲超声波，经过人体组织反射后，被同一探头接收转换成电信号。此电信号经前置放大器获得一定的增 益后，经延时线和累加器后送人解调器。延时线用来对超声波束进行发射和接收聚焦以及改变扫描角，对图像质量影响很大。解调器叭频率为^的信号作为参考信号，当回波信号 中有^的多普勒频率分量时，解调后得到ƒd和2ƒ0±ƒd两种频率分量的信号，经低通滤波 器后只有多普勒频率分量ƒd保留下来。 为了检测血流速度和方向，解调器有两个通道，其参考信号的相位差90o ，其中一个称为I通道(In-Phase)或同相通道，另一个称为Q通道(Quadrature)或正交通道。

         (2)后端部分：后端部分包括彩色血流成像CFM( MTI、相关器、运算器)和数字扫描变换器( DSC)等主要部分。

1) MTI滤波器：MTI( moving target indicator)技术原是在雷达系统中从固定目标的强烈反射回渡中检测运动物体信息的一种方法。简要地说，MTI的原理是利用多普勒效应中运动速度快的物体有较高的多普勒频率，而运动速度慢的物体的多普勒频率较低，利用特殊 的滤波器，滤去频率较低的信号，留下频率较高的信号，以达到消除噪声的目的。 在血流成像中，运动快的物体是血液中的红细胞，运动慢的物体是心脏（血管）壁和心脏瓣腆。成彩色血流图像时，只允许在有血流的部位出现彩色，而心脏血管壁或瓣膜处不能出 现彩色。

         2)相关器和运算器：用自相关法求出血流速度与方差是20世纪80年代提出的，到目前仍是晟基本的方法，经过改进的自相关算法已被各种成熟的CFM系统所采用。相关器对经I、Q通道MTI滤波器输出的数据做相关处理，实际为计算复数相关函数，其实部、虚部、功率值，在相关器内获得，而平均速度、方差值在运算器计算并编码。

         3) DSC部分：数字扫描变换器(DSC)是一个在扇形超声扫捕系统中非常重要的环节， 主要包括前处理、中处理、后处理及扫描存储器，框图如图4-17所示。

         前处理主要完成以下功能：

         ①对前端信号处理板产生的模拟信号进行采样：

         ②将数据存人线缓存；

         ③进行线平均。

         中处理完成以下功能：

         ①对接收信号进行线捕值；

         ②利用重复采样实现坐标(R，θ)斗 (Y，θ)变换；

         ③实现帧平均。 存储单元用来存储各种格式的图像信号，分两页，一页为黑白存储器，另一页为彩色存 储器。

后处理实现以下功能：

         ①产生控制时序；

         ②利用抽取实现扫捕变换(Y，θ)一(Y，X)，终完成将(R，θ)坐标变换为(X，Y)生标的整个过程。

         4主要技术指标

         (l)存储模式：B型（彩色血流、黑白）、双B型、M型、多普勒(CW、PW)。

         (2)大存储帧数：B型128帧，或黑白32帧，彩色32帧（基本配置）；B型存储达6分 钟；多普勒型存储达6分钟。          
         (3)存入方式：自动、ECG触发。

         (4)回放方式：单帧回放、自动循环回放。

         (5)心电触发方式：选择ECG自动触发，ECG触发后延迟触发。

         (6)具有丰富的信号处理功能以提高图像质量和诊断的准确性。

         (7)工作方式
         1)B型：①64阵元相控阵扇形扫描；

         ②线平均功能提高腹部扫查的图像质量；@可变动 态范围以提高图像显示的质量。

         2)M型：①M型与B型可同时显示；

         ②单M型与双M型显示；

         ③M型图像放大；

         ④各种频率的探头均具有M型。

         3)频谱多普勒：①与B型可同时显示；②具有脉冲波、连续渡、高重复频率多普勒；③多种显示格式，频率显示与B型显示大小可按不同比例变化：④多种显示方式，频谱、频谱包格、强度平均速度；⑤可变取样容积；⑥可调声束与血流夹角以获得准确的血流速度测量； ⑦可选管壁滤波器；@基线移动功能；@四档可变多普勒功率；⑩各种量度功能。 4)彩色多普勒：①可变彩色窗口使用户可在彩色显示区域和帧频上作适当选择；②腹 部专用彩色滤波器；@4种彩色编码方式；④彩色血流成像时不降低黑白二维图像质量；⑤高、中、低、标准四档彩色壁滤波器；⑥彩色基线移动。

         5．临床应用 彩色血流成像主要的特点是用三基色提供了血流信号的二维显像，并可 以和二维B型超声图像一起进行空间定位。对于血流动力学中异常血流可以做出直观、迅速而准确的诊断，因此它在临床中得到广泛应用。尤其在心血管疾病诊断中起了黑白B型 超声无法替代的作用，如它可以显示心腔和大血管血流状态，直观诊断先天性心脏病血液分流，显示出异常湍流范围与原因，以及估计瓣膜缺损大小，直观诊断瓣膜反流及显示瓣膜狭窄程度等。
 

         二、三维超声成像系统 三维超声成像是在二维超声成像（B超）基础上发展而成的人体结构超声立体成像系
统。向20世纪70年代后期开始研究，80年代逐步进入临床应用，并日益发挥出其重要作 用，发展迅速。 三维超声成像分为静态三维成像和动态三维成像．动态三维成像由于把时间的因素加进去，用整体显像法重建感兴趣区域实时括动的三维图像（叉称四维）。动态三维超声成像 原理与静态基本相同。 三维超声成像的基本步骤包括：图像的采集、图像后处理、三维图像的重建、三维图像的显示和三维定量测定。

         1．图像的采集图像采集的信息有两大类：一是组织灰阶图像信息，用于纽织结构的 三维重建；二是血流的彩色多普勒圈或多普勒能量图信息，用于血管结构及血流的三维重建。 图像的采集是三维超声成像的步，也是关键的一步。大多是通过运动二维扫查平面而获得三维扫查的，只有在方阵列三维探头中是采用电子方式。主要的扫查采样方式有以下几种：
         (l)机械驱动扫查：将二维扫查探头固定于一机械臂装置上，由计算机控制电动步进马达，带动探头作某种拟定形式的运动，常见形式有三种：平行扫查、扇形扫查和旋转扫查。由于探头具有预先设定的运动轨迹，计算机容易进行空间定位，数据处理及三维成像速度快，图像重建准确可靠。但机械结构体积较大且沉重，与各类探头不易配接，扫查时有机械噪 声，扫查方式固定，取样部位不易确定，扫查范围和时间受限，难以普及。

         (2)自由扫查：此种扫查法由操作者手持带有空间位置感测器的二维扫查超声探头进行随意扫查，计算机即可感知探头在三维空间内的运动轨迹，从而确定所获得的每帧二维图像的空间坐标(x、y、z)及图像方位(α、β、γ)，即可对扫查结构进行三维重建。空间位置感测 器有声学定位和磁场空间定位两种。 该方法操作方便，扫查方式灵活，扫查范围和角度可调，可与任何探头方便配接，体积小、重量轻，成为近年三维超声成像研究的关注热点。

         (3) 一体化三维探头：三维容积探头是将一个二维超声探头和摆动结构封装在一起，操 作者只要将此一体化探头指向所需探测的部位，系统就能自动采集三维数据，使用方便，不 用移动探头即可获取精确的三维数据，并能即刻或实时显像。

         (4)三维电子相控阵探头：三维电子相控阵是由压电微元方阵列及相应的电子学系统 构成的，用相控阵原理实现三维超声扫查，使用方便，不用移动探头即可获取精确的三维数据，并能即刻或实时显像。

2图像后处理计算机对按照某一规律采集的一系列分立的二维图像进行空间定位 及数字化处理，并对相邻切面翘司的空隙进行像素插补平滑，形成一个三维立体数据库。

         3．三维图像的重建三维超声显像的计算机立体模型重建，主要基于以下三种方法实现：
         (l)立体几何构成法：将人体脏器假设为多个不同形态的几何组合，需要大量的几何原 型，因而对于描述人体复杂结构的三维形态并不完全适合，现已很少应用。

         (2)表面提取法（轮廓提取法）：脏器的轮廓由一系列坐标点连接成若干简单直线来描 绘。该技术所用计算机内存少，运算速度较快。但此法需人工对脏器的组织结构勾边，既费 时又受操作者主观因素的影响，只能重建比较简单的脏器结构，不具灰阶特征，难以显示解 剖细节，故目前虚用较少。

         (3)体元模型法：在体元模型法中，三维物体被划分成依次排列的小立方体，一个小立 方体就是一个体元，体元可以认为是像素在三维空间中的延伸，一定数目的体元按相应的空 问位置排列即可构成三维立体图像。 体元模型法是目前为理想的三维超声成像技术，可对结构的所有组织信息进行重建。 其重建所需的体元数目很大，因此，体元模型法需要相当精密的计算机。近年来，随着高速 计算机图像处理技术的不断进步，用体元模型法进行三维重建，已成为目前具临床实用价值的技术。

         4三维超声成像
(l)表面成像：提取组织结构的表面灰阶信息，然后采取表面拟合的方式进行图像重 组。表面成像已经较广泛地用于含液性结构及被液体环绕结构的三维成像，由于组织结构 与液体灰阶反差较大，因此三维表面成像较清晰。可显示感兴趣结构的立体形态、表面特征、空间位置关系，单独提取和显示感兴趣结构，精确测量容积或体积。

         (2)透明成像：该方式采用透明算法实现三维成像，淡化组织结构的灰阶信息而呈透明显示，使重建结构具有透明感和立体感，从而显示实质性脏器内部结构的空间位置关系。

         透明成像有如下三种模式：

         ①大回声模式，显示三维数据库内沿每条声束上强回声 的结构；

         ②小回声模式，显示三维数据库内沿每条声束上低回声的结构；

         ③平均回声模 式，显示三维数据库内沿每条声柬上的灰阶平均值，重建类似于X线检查的图像。

         (3)多普勒山流信息的三维成像：借助于多普勒血流成像或能量图重建脏器血管的立 体结构，可评价脏器血液供应状况，如从整体上评价移植肾的血流灌注和诊断早期排斥反 应；对诊断实质性脏器的局部梗死亦有其实用价值；亦可借助于多普勒血流成像或能量图重建肿瘤滋养血管的立体结构，判断肿瘤的大体形态和位置。

         5.三维图像的显示早期采用轮廓显示，包括网格型成像法和薄壳型成像法。从体元模型三维重建技术出现后即开始采用总体显示法，显示组织结构的所有灰阶信息。 在三维重建过程中，可从任意角度和方向对重建组织结构进行观察，而且可在设置的任意 角度范围内使三维图像作动态显示，这一功能使组织结构的空间位置关系显示得更为清楚。

         6.三维定量测量二维超声成像测量某结构的体积时，须假设该结构的立体形态接近 某规则的几何模型，然后利用某数学公式进行计算，然而人体内结构的立体形态通常复杂且 不规则。三维超声成像测量体积时无须对所扫查结构的立体形态进行假设。

         7.三维超声成像的临床应用三维超声成像在保留二维超声成像所有信息的同时．提供形象直观的三维立体图像，有助于疾病的定性、定位及定量诊断。 三维超声戚像自应用于临床以来，业已在以下方面显示其』临床应用价值：对含液性结构 和病变可显示其立体形态、内部结构和内壁特征；对被液体环绕的结构和病变，可清楚显示 其表面特征；采用透明成像技术可显示实质性脏器内部结构的形态和空间位罱关系；利用血流彩色多普勒信息可重建实质脏器内的血管三维图像。

         目前三维超声成像在以下临床领域得到了应用：
         (l)颈动脉与脑：彩色多普勒m流三维重建颈动脉，能详细显示颈动脉粥样硬化程度，如斑块的部位、质地、附着关系、颈动脉狭窄的情况，对临床上评估粥样硬化有帮助。 三维超声在颅脑的应用包括肿瘤和动静脉畸形的定位及其与周围重要结构的毗邻关系，术中颅脑肿瘤三维超声玎准确显示肿瘤的大小、范围、空间关系。

         (2)眼球及眶内疾病：眼球的生物学特性使之成为三维超声重建的理想部位，三维超声 能清楚显示玻璃体内条状及膜状病变，如视网膜脱离、玻璃体内机化物、玻璃体炎症、脉络膜病变、晶状体后脱位等。视网膜脱离时，三维超声不仅能直观显示网膜脱离的起止部位、大小、范围，而且能显示出视网膜破口的形状、数目。 随着高频超声的应用，三维超声对球后的病变也能较好地显示能准确评价球后病变（如肿瘤）与眼球、视神经及眼外肌之间的关系，对于手术医师选择合适的治疗方案颇为重 要。与MRI和CT相比较，三维超声更省时，费用低、无放射性，并可反复检查而不必担心 放射线诱发白内障。另外，三维超声能更准确地计算肿瘤的大小、容积，并可能对病变做出较精确的定位以指导手术医师及放射治疗医师的工作。

         (3)腹部、小器官血管成像：三维图像从不同角度显示正常肝、肾、脾帆管树分支，较彩色多普勒血流显像和能量图增多、完整、清楚，由浅人深，有层次感。并可见二维图像难以显 露的微小血管，如肾弓形动脉、门静脉的4级分支。 三维动态图像以血管树主干为中心，主干到末梢连续成像，从不同方位分别m现单个或多个血管树的分支，如门脉树右前叶、右后叶下段支相互对应，较二维彩超更有立体感；血管 树局部放大可清晰显示具体的细节，如肾脏的叶间动脉，三维血管造影呈鱼刺样对称的排列；肝内门静脉与肝静脉两种血管、肾、脾动静脉的2、3、4级分支，三维图像可动态显示从主 干到大支，再到小分支逐渐增多；两种血管树的分支呈相互交叉或平行的空间结构，相邻脏器如肝、脾与两肾的血管树同时动态转动，层次深度不同，衬托出脏器相邻，肝脾覆盖肾脏上极的立体解剖关系。

         (4)妇产科：三维超声可比二维超声较准确地测量卵巢及卵泡大小，清晰观察卵泡边 界、饱满程度，监测排卵，预防卵巢过激症的发生。三维超声能透视妇科肿瘤内部情况、表面 形态及空问位置关系，有助于早期区分良恶性。 三维超声不仅可以对胎儿体表结构进行表面重建，还可以用透明成像对胎儿体内结构 进行三维成像，可从整体上对胎儿形体结构进行观察，提高胎儿畸形的产前诊断率，确定不同孕龄胎儿正常及病理形态。

         (5)泌尿生殖系统：对肾脏肿物，尤其是孤独肾的患者，其手术方法必须保留部分肾脏，因此精碗描述肿物与血管树、集合系统和肾包膜的空间关系至关重要。对移植肾的成像，三维超声对肾脏局部血供的可视可能建立其与早期排斥之问的相关性，因为排斥早期的变化 可能是节段性的或部分性的。此外，移植肾容积的判定及其随时间的变化也可能对排斥的 诊断有帮助。 三维超声显示膀胱肿瘤呈菜花状、乳头状或团块状，能显示肿瘤与壁的空间关系、基底 部及表面情况，肿瘤的数目、大小、方位、与输尿管开口的空间关系也能清晰显示。 前列腺肿瘤的容积对其预后有重要意义，据估计肿瘤转移容积一般会超过15ml，绝大 多数容积大于3. 0ml的肿瘤将向前列腺外扩散。

         （6)应用展望：随着计算机技术和图形处理技术的不断进步，三维超声有望在以下方面有所突破，从而不断扩展其临床应用范围：三维容积探头将缩短检查时间，使操作更为简便；脏器或肿瘤容积的定量分析；更精确地评价血管的情况（如颈动脉粥样硬化斑块的大小和狭窄程度）；监测对治疗的反应；三维实时显像；三维彩色血流成像；三维腔内超声检查；三维实 时经皮导向穿刺。
 

         三、超声多普勒胎儿监护仪

         1基本原理 多普勒(Doppler)效应是指当声源与接收器的位置在均匀介质中发生相对运动时，接收器所接收的声波频率将发生改变。 当声源朝向接收器运动时，声波频率增高，相反运动时，声波频率减低。对于超声多普 勒仪来说，发射源及接收器均在一个探头中，Doppler频移值，为探头所接收的超声波频率与探头所发射的超声波频率的差值。利用多普勒效应，超声多普勒胎儿监护仪能方便地从母体腹部拾取胎心多普勒信号，信号经过处理后，即可用来对胎儿的心率进行监护和记录胎心率的曲线。

         2系统组成原理超声多普勒胎儿监护仪的组成如图4-18所示。

超声换能器常用多晶片探头，其发射晶片位于探头的中央，周围是数块接收品片。发射 晶片所产生的射出波束，遇到位移物体时，便形成反射波束；此反射波束被接收晶片接收后，即形成特有的电信号；该电信号经前处理电路（信号放大、滤波、电压检测等）和A/D转换后，变成数字信号存人内存，便于计算机对胎心数据进行处理。 事实上，胎心多普勒信号，是从心壁、心室中隔、二尖瓣、大动脉及一些血管产生的非常复杂的电信号。因此各种胎儿监护仪均设计了各自特有的信号处理电路•其目的是将一次 的心搏整理成一个比较单纯的信号，以便在缀过处理的信号间求得心跳问隔，终摘记或显 示出误差小的规整曲线圈。20世纪70年代以来，胎儿监护仪多采川了自相关技术，对混杂 有噪声的超声多普勒信号进行自相关运算，由自相关函数相邻两峰之问的时差计算瞬时的 胎儿心率。 超声多普勒胎儿监护系统的主要指标包括：①监测频率≤2. 5MHz,②超声强度≤9mW/cm2；⑧测量范围50~2l0bpm或30~240bpm，上下限胎心率越限报警装置可由医生 设定，如每分钟80~160次。 目前超声多普勒胎儿监护系统一般都具备对母体的心电、【血压、衄缸、呼吸、脉率、体温、 宫缩内压等生理参数同时进行监护，以确保母子安全。