超聲醫(yī)學(xué)的學(xué)習(xí)資料

超聲醫(yī)學(xué)的學(xué)習(xí)資料第1頁(yè)/共65頁(yè)第四章醫(yī)學(xué)超聲脈沖回聲技術(shù)總論引言

超聲診斷主要應(yīng)用超聲的良好指向性和與光相似的反射、散射、衰減及多普勒（Doppler）效應(yīng)等物理特性，利用其不同的物理參數(shù)，使用不同類型的超聲診斷儀器，采用各種掃查方法，將超聲發(fā)射到人體內(nèi)，并在組織中傳播，當(dāng)正常組織或病理組織的聲阻抗有一定差異時(shí)，它們組成的界面就會(huì)發(fā)生反射和散射，再將此回聲信號(hào)接收，加以檢波等處理后，顯示為波形、曲線或圖像等。引言第2頁(yè)/共65頁(yè)由于各種組織的界面形態(tài)、組織器官的運(yùn)動(dòng)狀況和對(duì)超聲的吸收程度等不同，其回聲有一定的共性和某些特性，結(jié)合生理、病理解剖知識(shí)與臨床醫(yī)學(xué)，觀察、分析、總結(jié)這些不同的規(guī)律，可對(duì)患病的部位、性質(zhì)或功能障礙程度作出概括性以至肯定性的判斷。當(dāng)前超聲診斷技術(shù)主要用于體內(nèi)液性、實(shí)質(zhì)性病變的診斷，而對(duì)于骨、氣體遮蓋下的病變不能探及，因此在臨床使用中受到一定的限制。引言第3頁(yè)/共65頁(yè)⑴超聲脈沖回波成像法：就是把超聲脈沖發(fā)射到生物體內(nèi)，再接收來自生物體內(nèi)反射波（回波），根據(jù)回波成像。

發(fā)射和接受采用同一個(gè)探頭。通過回波信號(hào)返回時(shí)間，可以確定被測(cè)組織的深度。通過同一深度的回波信號(hào)的強(qiáng)弱可以判斷組織器官的形態(tài)。接收電路顯示器發(fā)射電路傳感器T/P開關(guān)引言第4頁(yè)/共65頁(yè)探頭物體脈沖回波顯示體內(nèi)有關(guān)結(jié)構(gòu)信息時(shí)，可有顯示回波圖形的回聲圖顯示及利用回波構(gòu)成圖像的聲像圖顯示兩種類型的顯示。引言第5頁(yè)/共65頁(yè)§1

基本原理§1

基本原理第6頁(yè)/共65頁(yè)§1

基本原理第7頁(yè)/共65頁(yè)§1

基本原理第8頁(yè)/共65頁(yè)一、超聲脈沖回聲檢測(cè)原理發(fā)射、接收兩脈沖的時(shí)間間隔與媒質(zhì)的厚度成正比；只有用脈沖才能實(shí)現(xiàn)測(cè)距，連續(xù)波不能；界面的特性要考慮衰減，所以要自動(dòng)增益補(bǔ)償；為顯示的需要，每秒重復(fù)20次以上才能形成波形?！?

基本原理第9頁(yè)/共65頁(yè)回聲系統(tǒng)實(shí)際就是把斷面位置找出來同步觸發(fā)器A發(fā)射器換能器掃描發(fā)生器B接收器/檢波器C顯示器圖4-2超聲脈沖回聲系統(tǒng)的主要部件同步信號(hào)觸發(fā)脈沖時(shí)標(biāo)掃描線回波脈沖波形§1

基本原理第10頁(yè)/共65頁(yè)探頭物體渡越時(shí)間：超聲波從發(fā)射到接收到回波所需要的時(shí)間。換能器與界面距離媒質(zhì)聲速§1

基本原理第11頁(yè)/共65頁(yè)脈沖回波類儀器的定標(biāo)數(shù)據(jù):單位:秒/厘米即c=1500米/秒時(shí)，定標(biāo)數(shù)據(jù)=13.3微秒，相當(dāng)于1cm。二、醫(yī)學(xué)超聲診斷的人-機(jī)關(guān)系超聲診斷的人機(jī)關(guān)系圖超聲診斷的信息轉(zhuǎn)換圖§1

基本原理第12頁(yè)/共65頁(yè)三、醫(yī)學(xué)超聲診斷的安全性考慮§1

基本原理第13頁(yè)/共65頁(yè)ISPTA(W/cm2)§1

基本原理第14頁(yè)/共65頁(yè)1、A型顯示方式幅度調(diào)制顯示方式：信號(hào)直接加在顯示器的垂直偏轉(zhuǎn)板上。四、脈沖回波法的三種基本顯示方式用途：鑒別病變組織的一些物理特性，如實(shí)質(zhì)性、液體或是氣體是否存在等。優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)便，定位測(cè)距準(zhǔn)確。缺點(diǎn)：圖像解剖形態(tài)直觀性差。特點(diǎn)：是以波形來顯示組織特征的方法，一維顯示。§1

基本原理第15頁(yè)/共65頁(yè)最早的工作方式：A型◆A模式：是一種振幅的模式。◆它在顯示器上形成垂直偏轉(zhuǎn)的波形圖。§1

基本原理第16頁(yè)/共65頁(yè)§1

基本原理第17頁(yè)/共65頁(yè)2、B型顯示方式灰度調(diào)制顯示方式：信號(hào)加在顯示器的控制柵極上。特點(diǎn)：回波強(qiáng)弱以光點(diǎn)強(qiáng)弱表示在時(shí)標(biāo)掃描線上，一維顯示。

探頭位置不移動(dòng)時(shí)，僅顯示心臟前后壁所形成的光點(diǎn)。如右圖

探頭位置移動(dòng)時(shí)，顯示心臟結(jié)構(gòu)形狀?！?

基本原理第18頁(yè)/共65頁(yè)3、B型超聲斷層圖像顯示輝度調(diào)制顯示方式：信號(hào)加在顯示器的控制柵極上。特點(diǎn)：是B型顯示方式與聲速掃查相結(jié)合的顯像方式。（1）二維顯示（切層圖像）；（2）能直觀地顯示人體臟器的形態(tài)結(jié)構(gòu)。

當(dāng)B型方式顯示時(shí)移動(dòng)探頭位置，則形成B型超聲斷層圖像顯示方式，能夠顯示心臟結(jié)構(gòu)形狀?！?

基本原理第19頁(yè)/共65頁(yè)

將探頭很快地沿某一直線移動(dòng)，在移動(dòng)的過程中，換能器在不同的位置發(fā)射超聲脈沖，并接受相應(yīng)的回波信號(hào)，用回波信號(hào)的幅度調(diào)制顯示器的灰度（亮度），就可以構(gòu)成一幅被檢體的二維斷層圖像。Line1Line2Line3Line4Line5Line6Line7Line8超聲探頭監(jiān)視器Line12345678§1

基本原理第20頁(yè)/共65頁(yè)4、M超顯示方式輝度調(diào)制顯示方式：（信號(hào)加在顯示器控制柵極上）特點(diǎn)：（1）單聲束取樣分析，一維顯示；（2）通過行掃描實(shí)現(xiàn)距離展開（給水平偏轉(zhuǎn)板施加與時(shí)間成正比的鋸齒波電壓）；（3）探測(cè)的是心臟各運(yùn)動(dòng)組織的大致結(jié)構(gòu)和位置，及隨時(shí)間變化的運(yùn)動(dòng)曲線。深度用途：主要用于檢查心臟疾?。ü视址Q超聲心動(dòng)儀）§1

基本原理第21頁(yè)/共65頁(yè)TransducerTransducerTransducerTransducerLine45t1Line45t2Line45t3Line45t4t1234567...顯示§1

基本原理第22頁(yè)/共65頁(yè)§1

基本原理第23頁(yè)/共65頁(yè)§1

基本原理第24頁(yè)/共65頁(yè)M型（超聲心動(dòng)圖）B超與M超的比較不同之處：B超顯示需要若干脈沖超聲束進(jìn)行掃描。相同之處：回波信號(hào)均加于控制柵極，光點(diǎn)亮度由回波幅度線性控制。§1

基本原理第25頁(yè)/共65頁(yè)A型:“amplitude”幅度型,主要用在眼科或一些需要精確測(cè)量位置關(guān)系的地方。B型:“brightness”與回波信號(hào)幅度成正比的亮度顯示。M型:“motion”,在掃描路徑上顯示深度信息，主要用于一些快速運(yùn)動(dòng)組織的研究?！?

基本原理第26頁(yè)/共65頁(yè)§1

基本原理第27頁(yè)/共65頁(yè)§２

超聲脈沖回聲系統(tǒng)的總體考慮

通常把發(fā)射脈沖持續(xù)時(shí)間與脈沖間隔時(shí)間之比稱為工作周期Tw=τ/T

。T-脈沖周期、τ-脈沖持續(xù)時(shí)間一、探測(cè)深度和脈沖重復(fù)頻率

回波探頭產(chǎn)生短脈沖以后的相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間里處于等待接收回波狀態(tài)。§２

超聲脈沖回聲系統(tǒng)的總體考慮第28頁(yè)/共65頁(yè)

脈沖重復(fù)頻率的選取受到探測(cè)深度和受檢者運(yùn)動(dòng)波形最高頻率的影響（即奈奎斯特頻率），其選取條件為：

◆上限是周期T必須大于渡越時(shí)間t；

◆下限必須是受檢運(yùn)動(dòng)波形最高頻率的兩倍。每秒鐘內(nèi)脈沖出現(xiàn)的次數(shù)，稱為脈沖重復(fù)頻率

FP。組織聲速最大探測(cè)距離運(yùn)動(dòng)體最高頻率§２

超聲脈沖回聲系統(tǒng)的總體考慮第29頁(yè)/共65頁(yè)

例如：發(fā)射超聲波頻率為2.5MHz，組織聲速為1580米/秒，被探測(cè)組織深度距離體表15cm，運(yùn)動(dòng)組織的最高頻率為300Hz，則脈沖重復(fù)頻率選擇范圍為：

通常生物體存在多層界面，選擇FP時(shí)要考慮多層界面反射后能層次分明的顯示而不引起混疊（Aliasing），故FP一般選1-2KHz。較低FP雖能全顯示，但圖像對(duì)比度不高。§２

超聲脈沖回聲系統(tǒng)的總體考慮第30頁(yè)/共65頁(yè)二、工作頻率和帶寬

如圖4-8所示，壓電振子產(chǎn)生窄脈沖且持續(xù)2-3個(gè)周期。

如圖4-8所示，實(shí)際的脈沖持續(xù)時(shí)間是受閥值限定后的脈沖持續(xù)時(shí)間。

如圖4-8所示，工作頻率即回波頻率，可由最大振幅振蕩的周期T0確定:f0=1/T0。

實(shí)際中檢測(cè)的不是單波振蕩，而是振蕩波群經(jīng)閥值限定后經(jīng)檢波、放大的2-3個(gè)全振蕩波形的包絡(luò)波形，如圖虛線所示?！欤?/p>

超聲脈沖回聲系統(tǒng)的總體考慮第31頁(yè)/共65頁(yè)

包絡(luò)脈沖波形包含許多諧波成分，其最大能量集中于中心頻率fc附近：脈沖持續(xù)時(shí)間

超聲頻率主要取決于信噪比，部分取決于掃描增益補(bǔ)償要求的精度；不同頻率下不同組織聲衰減不同；單位距離衰減很大或穿透的界面比較多不宜選用較高超聲頻率?！欤?/p>

超聲脈沖回聲系統(tǒng)的總體考慮第32頁(yè)/共65頁(yè)

發(fā)射超聲頻率是一定的，但是回波頻率可能會(huì)變大，要超聲換能器信號(hào)較好，必須要有一定的帶寬；

通頻帶：脈沖回聲包絡(luò)信號(hào)中心頻率fc處的最大振幅下降3dB之后兩個(gè)頻率點(diǎn)的差值。fcfHfL§２

超聲脈沖回聲系統(tǒng)的總體考慮第33頁(yè)/共65頁(yè)性能用途頻率（MHz）最佳帶寬（MHz）產(chǎn)品常用帶寬（kHz）內(nèi)科心臟婦產(chǎn)科兒科血流測(cè)量1~102.5~102.5~105~152~150.6~11110.05400~800600~800600~800600~80030表4-1醫(yī)學(xué)超聲診斷儀的頻率和帶寬§２

超聲脈沖回聲系統(tǒng)的總體考慮第34頁(yè)/共65頁(yè)檢波、抑制與視頻放大檢波◆

檢波：幅度檢波、相位檢波、頻率檢波◆抑制電路：抑制干擾信號(hào)和雜波噪聲?！粢曨l放大：放大信號(hào)并進(jìn)行微分處理，突出信號(hào)前后沿。§２

超聲脈沖回聲系統(tǒng)的總體考慮第35頁(yè)/共65頁(yè)信號(hào)探測(cè)信號(hào)預(yù)放大時(shí)間增益補(bǔ)償信號(hào)壓縮解卷，邊緣探測(cè)剔除低閾值信號(hào)處理后信號(hào)接受器呈指數(shù)衰減時(shí)間增益補(bǔ)償前時(shí)間增益補(bǔ)償放大時(shí)間增益補(bǔ)償后壓縮，接卷，等處理后信號(hào)反射系數(shù)相等的一些聲阻抗邊界§２

超聲脈沖回聲系統(tǒng)的總體考慮第36頁(yè)/共65頁(yè)三、動(dòng)態(tài)范圍和線性范圍1、動(dòng)態(tài)范圍

最小有用信息Uimin等于閾值電平，或信號(hào)噪音電壓；最大有用信息Uimax

等于激勵(lì)換能器的發(fā)射脈沖電壓。通常RD可以達(dá)到120dB。§２

超聲脈沖回聲系統(tǒng)的總體考慮第37頁(yè)/共65頁(yè)

動(dòng)態(tài)范圍直接影響探查深度，也影響到診斷儀的分辨率，因?yàn)椴煌脑鲆嬗杏胁煌挠行曀賹挾?。§?/p>

超聲脈沖回聲系統(tǒng)的總體考慮第38頁(yè)/共65頁(yè)2、線性范圍

線性范圍：表示的是醫(yī)學(xué)超聲診斷儀中放大器進(jìn)行線性放大的區(qū)域。增益大則線性范圍大；增益小則線性范圍大些?；蚍糯蟊稊?shù)§２

超聲脈沖回聲系統(tǒng)的總體考慮第39頁(yè)/共65頁(yè)

輸入信號(hào)越小則儀器的動(dòng)態(tài)范圍愈大，反之則反之，但此時(shí)最小靈敏度受到影響，其影響因素有：◆換能器的靈敏度影響；◆信號(hào)噪聲的影響。

輸入信號(hào)越大則儀器的動(dòng)態(tài)范圍愈小，但最大輸入信號(hào)收到放大倍數(shù)與輸出級(jí)輸出能力限制。

綜上：在設(shè)計(jì)時(shí)要綜合考慮輸入最小信號(hào)與靈敏度關(guān)系；輸入最大信號(hào)與放大倍數(shù)及輸出級(jí)輸出能力的關(guān)系，才能得到最佳的動(dòng)態(tài)范圍。

§２

超聲脈沖回聲系統(tǒng)的總體考慮第40頁(yè)/共65頁(yè)四、增益和深度補(bǔ)償

◆采取增益放大措施的原因：外部大邊界反射損耗遠(yuǎn)大于內(nèi)部小邊界反射損耗；超聲波在組織中傳播有損耗；深部組織回聲比淺表組織回聲小。故考慮在不同深度上的組織所引起的衰減對(duì)成像的影響。

◆深度補(bǔ)償技術(shù)：超聲波在組織內(nèi)呈指數(shù)規(guī)律衰減，故需使得近距離回聲信號(hào)小增益放大，而遠(yuǎn)距離回聲信號(hào)大增益放大，最終使得不同距離的回波具有近似相同的電平幅值，且都能在顯示器上清楚地顯示，這種技術(shù)叫深度補(bǔ)償技術(shù)，即時(shí)間補(bǔ)償增益TGC放大技術(shù)（是一種非線性放大技術(shù)）?！欤?/p>

超聲脈沖回聲系統(tǒng)的總體考慮第41頁(yè)/共65頁(yè)

◆時(shí)間補(bǔ)償增益的上升速率稱為掃描增益速率SGR，要首先知道超聲波在該組織中的衰減系數(shù)之后才能確定。同時(shí)要考慮時(shí)間補(bǔ)償增益的范圍，確定補(bǔ)償數(shù)值。頻率探測(cè)深度§２

超聲脈沖回聲系統(tǒng)的總體考慮第42頁(yè)/共65頁(yè)理想的時(shí)間補(bǔ)償增益函數(shù)（下圖）§２

超聲脈沖回聲系統(tǒng)的總體考慮第43頁(yè)/共65頁(yè)五、近區(qū)特性

放大器阻塞效應(yīng)：阻容式級(jí)間耦合電路在大信號(hào)之后出現(xiàn)放大器停止工作或不靈敏的狀況，使得近區(qū)來的信號(hào)檢測(cè)或不能準(zhǔn)確檢測(cè)不能。（原因一）

阻塞時(shí)間：近區(qū)信號(hào)不能檢測(cè)或不能準(zhǔn)確檢測(cè)的持續(xù)時(shí)間稱為阻塞時(shí)間。柵極輸入級(jí)截至偏壓減小阻塞時(shí)間辦法：增大電容或直接耦合(雙調(diào)諧放大)或降低電路增益?！欤?/p>

超聲脈沖回聲系統(tǒng)的總體考慮第44頁(yè)/共65頁(yè)

放大器阻塞效應(yīng)：晶體管放大器在大信號(hào)之后本身載流子存儲(chǔ)時(shí)間的存在，導(dǎo)致阻塞時(shí)間進(jìn)一步增大（原因一）

解決辦法：采用相應(yīng)保護(hù)電路。如下圖圖4-14雙向限幅保護(hù)電路§２

超聲脈沖回聲系統(tǒng)的總體考慮第45頁(yè)/共65頁(yè)六、同步控制要求

脈沖回聲類超聲診斷儀中各種功能電路的協(xié)同動(dòng)作由同步信號(hào)加以控制。三類同步信號(hào)電路：

◆比率發(fā)生器：產(chǎn)生觸發(fā)脈沖來控制系統(tǒng)的重復(fù)頻率。

◆延時(shí)發(fā)生器：例如利用相當(dāng)于超聲脈沖固定長(zhǎng)度的時(shí)間間隔來延遲觸發(fā)脈沖和產(chǎn)生選通脈沖。

◆時(shí)標(biāo)發(fā)生器：把被測(cè)信號(hào)的變化過程以亮、暗段劃分方式顯示在屏幕上。§２

超聲脈沖回聲系統(tǒng)的總體考慮第46頁(yè)/共65頁(yè)

幾種在同步電路設(shè)計(jì)中用到的信號(hào)選通開關(guān)電路§２

超聲脈沖回聲系統(tǒng)的總體考慮第47頁(yè)/共65頁(yè)七、醫(yī)學(xué)超聲儀器的分辨率1．縱向分辨力定義：超聲傳播方向上兩界面回波不重疊時(shí)的最小距離。常用縱向可分辨兩界面間最小距離△R衡量一、空間分辨力脈沖持續(xù)時(shí)間第48頁(yè)/共65頁(yè)

縱向分辨率用以區(qū)分在超聲束軸線上兩物體的能力（返回回波沒有重疊）。兩個(gè)邊界的所需最小分辨距離須小于?空間脈沖長(zhǎng)度

SPL，典型的縱向分辨率為0.5mm。第49頁(yè)/共65頁(yè)

◆高頻減少SPL,提高縱向分辨率，但是散射也增加了；

◆軸向分辨率隨深度保持不變。HigherfrequencyreducesSPL,improvingAR第50頁(yè)/共65頁(yè)

提高縱向分辨力的途徑：

(又稱為最小探測(cè)深度)

盲區(qū)：最小探測(cè)深度以內(nèi)的距離縮短盲區(qū)的方法：缺點(diǎn)：降低了超聲能量。彌補(bǔ)方法：提高超聲發(fā)射頻率。不利因素：當(dāng)頻率上升時(shí)，衰減增大，導(dǎo)致穿透距離下降。第51頁(yè)/共65頁(yè)軸向分辨率受系統(tǒng)增益影響很大！顯示器無顯示結(jié)論：增益A第52頁(yè)/共65頁(yè)2．橫向分辨力定義：指與超聲束相垂直的平面上,超聲波能分辨兩個(gè)小物點(diǎn)距離的能力。超聲波有效束寬

＞D時(shí)，兩物點(diǎn)形成一個(gè)反射波不能分辨；

＜兩物點(diǎn)間距離時(shí)，兩物點(diǎn)形成兩個(gè)反射波能分辨。=D時(shí)，兩物點(diǎn)剛好能辨；第53頁(yè)/共65頁(yè)

理論證明園形晶片產(chǎn)生的超聲束式中，x：兩物點(diǎn)到晶片表面距離；α：晶片半徑公式意義：隨距離X增大，△We增大，橫向分辨力降低