B超原理和多普勒效应

B超原理和多普勒效应 超声诊断仪类型 医用超声诊断仪是将声纳原理、雷达技术、电子技术三者相结合而研制生产的设备，主要应用在临床诊断中，其基本原理是将一束高频超声脉冲发射到生物体内，再接收来自生物体内各组织之间界面处反射的回波，经放大、处理、显示，可观察内脏器官的形状、大小、及各器官的相互位置、器官的活动以及器官内的异物等，从而判断器官的是否正常。随着科学技术的发展，越来越多的高新技术应用于这种设备的研究制造中，因此，超声诊断仪的发展也由起初的一维超声扫描及其显示方式发展为二维甚至三维的超声扫描和显示方式，大大增加了回波信息量，使生物体内的病灶清晰、易辨，在临床上被越来越广泛地应用在各科门诊的诊断检查方法中，成为与X-CT、同位素扫描、核磁共振并列的四大医学成像技术之一。其中超声成象因为具有以下三个特点:?超声波为非电离辐射，在诊断用功率范围内对人体无伤害，可经常性地反复使用;?超声波对软组织的鉴别力较高，在对软组织疾患诊断时具有优势;?超声成象仪器使用方便、价格便宜，使得医学超声成象具有强大的生命力和发展前途，是其他成 象技术所无法替代的现代技术。 超声波在医学方面，除了用于治疗和手术外，主要是用于临床诊断。在诊断学方面，现有的医学超声技术可以分为两大类:即基于回波扫描技术和基于多谱勒频移原理的超声诊断技术。基于回波技术的超声诊断技术的基本原理是利用超声波在组织界面处产生的反射回波形成的图象或信号来诊断疾病。这种技术主要用于解剖学范畴的检测和诊断，目的是了解器官的形态学和组织方面的状况与变化，比如检测体内异物和肿瘤，检查器官的形状及大小变化等等。回波扫描诊断技术一般按显示回波的方式分为如下五类型:?A型:即将回波以波形的形式显示出来，其纵坐标为回波幅度，用以表示回波的强弱;横坐标为回波接收的时间，该时间与产生回波的组织界面相关。?B型:即将回波信号用点的形式显示在显示器上，光点的灰度与回波强弱成正比，为辉度调制型。当探头上的传感器阵元以不同方式移动扫查时，可以形成二维图象。?C型:此为透射式扫查方式，可获得有关被测组织的声速和衰减等信息。?M型:此法是在辉度调制型中加入一个慢扫查锯齿波，从而使回波点从左到右自动扫描。显示的横坐标为慢扫描时间，纵坐标为声波传播时间(即对应于检测深度位置)?F型:此法为用多个切面图象构造一个曲面的成象形式。除了单一形式外，还有复合型诊断仪，即综合采用上述几种方式成象，目前，回波扫描技术已大量用于对肝、脾、胃、肾、胆、甲状腺、乳腺、眼球、子宫、卵巢、胸腔、肺、半月板、脑、心包等多种脏器官的诊查之中。 基于多普勒频移原理的超声诊断技术的基本原理是:利用运动物体反射声波时造成的频率偏移现象来获取人体的运动信息。这种技术主要用于了解体内器官的功能状况及血液动力学方面的生理病理状况，如用于测定血液流速、心脏运动状况及血管是否存在栓塞等。目前，超声多普勒技术主要用于心血管疾病的诊断中。 在诊断学方面，基于探测深度和分辨率两个方面的综合考虑，一般采用的频率为1MHz~15MHz。低频主要用于深部组织和器官的诊查，而高频则用于眼科等表浅部位的诊查。同时，为了避免产生生物效应，诊断用的超声波的功率一般在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的成象特征量为目前研究发展B超所需探索的目标。 超声诊断仪的基本工作原理 医用超声诊断仪是将声纳原理和雷达技术相结合生产的为临床应用的医疗仪器。其基本原理是高频超声脉冲波辐射到生物作内，由生物体内不同界面反射出不同波形并形成图像(从而判断生物体内是否有病变。超声诊断仪由起初的一维超声扫描显示，发展为二维甚置三维、四维的超声扫描和显示，大大增加了回波信息量，使生物体内的病灶清晰，易辨，因此，它将被越来越广泛地 应用医用超声诊断仪( ,、一维超声扫描及其显示 在超声诊断设备中，人们常把A型和M型这类，采用超声脉冲回波测距离的技术进行诊断的型式和方法，称为一维超声检查(这种型式发射超声波的方向不变，从不同声阻抗界面反射回来信号的幅值或灰度是不同的，经放大后，在屏幕上以水平或垂直方式 显示出来，此类图像称为一维超声图像。 (,),型超声扫描 探头(换能器)根据探查部位，以固定方式向人体发射数兆赫兹的超声波，通过人体反射回波并加以放大，并将回波的幅值和形态在屏幕上显示出来。显示器的纵坐标显示反射回波的幅度波形;横坐标上有时间和距离的标尺。这样可根据回波出现的位置，回波幅度的高低、形状、波数和来自受检体病变和解剖位置的有关信息进行判断诊断。,型超声探头在固定位置就可获得波谱 图((,),型超声扫描仪 探头(换能器)以固定位置和方向对人体发射接收超声波束。该波束途经不同深度的回波信号对显示器垂直扫描线进行辉度调制，并按时间顺序展开，形成一幅一维空间各点运动按时间展开的轨迹图。这就是,型超声(人也可以理解为:,型超声是同一方向沿途不同深度点随时间变化的一维轨迹图(,型扫描系统特别适用于对运动器官的检查。例如对心脏的检查，在所显示的图形轨 迹上，可进行多种心功能参数测量，所以,型超声(又称为超声心动图。 ,、二维超声扫描及显示 由于一维扫描只能依据图形中超声波回波幅值的大小和回波的疏密对人体脏器进行诊断，这样一维超声(即,型超声)在超声医学诊断上受到了很大限制(二维超声扫描显像其原理是采用超声脉冲回波，亮度调节的二维灰阶显示，它形象地反映出人体某一断面的信息。二维扫描系统使探头内的换能器以固定方式向人体发射数兆赫兹的超声波，并以一定的速度在一个二维空间运动，即进行二维空间扫描，再把人体反射回波信号加以放大处理后送到显示器的阴极或控制栅极上，使显示器的光点亮度随着回波信 号大小变化，形成二维断层图像，在屏幕上显示时，纵坐标代表声波传入体内的时间或深度，而亮度则由对应空间点上的超声回 波幅度调制，横坐标代表声束对人体扫描的方向。 超声回波信号的处理方法 ,(回波信号的影响因素 由超声探头发射声束，在人体组织的不同器官的界面上产生反射返回的回波信号(回波信号的大小取决于三个因素:组织衰减、 反射体的后散射和多重反射( ?组织衰减 组织衰减限定了能检测到多深的回波信号，即决定了探测深度(在超声诊断应用的整个频率范围内(1—15MHz),软组织和肌肉的衰减率与频率的关系,可近似按1dB/cm•MHz来估算(这关系式含有两重意思:一是在同一深度情况下，对于不同频率，其组织衰减率不同，组织衰减率是随频率的增加而增加的(例如:对于频率为3.5MHz的声束其能量是每cm衰减3.5dB;对于10MHz的超声波每cm要衰减10dB(由此可见，生物组织对于不同的超声频率，其衰减不同(对高频衰减大，对低频衰减小(二是，同一频率的超声回波，来自不同深度其声波能量亦不同;对于频率为3.5MHz的超声波，探测深度每增加1cm，回波就要减小7dB(往返距离计算);对20cm深度物体的成像,往返回程的衰减高达140dB(实际上各种器官的衰减系数有差别，例如对于3.5MHz的声束,肝组织的衰减系数为0.7dB/cm•MHz，当深度为20cm,衰减98dB(所以在,超仪中普遍采用增益控制来补偿 组织的衰减( ?反射体的后散射 反射体的后散射决定了从同一深度获取的回波信号的动态范围(反射体形状及大小，界面与入射声束的倾 斜度对后散射有很大影响( ?多重反射 多重反射的混合影响造成了回波信号的背景干扰，限制了有效回波信号同其他途径来的干扰回波的分离( ,(超声回波信号的基本处理 B型超声诊断仪从探头到显示器间的信号处理过程，基本上有三个阶段;,即前处理、扫描 变换和后处理((,)前处理 前处理包括对回波电信号的放大、衰减补偿、信号压缩和检波等部分( ?前置放大 前置放大处于整个电路的最前端，将从换能器声束转换的微弱电信号进行放大(为提高信噪比，前置放大器必须 是低噪声的;并要求有大于100dB的动态放大范围. ?放大与增益控制 回波信号的动态范围为100dB—110dB，放大器的输出范围为40dB,两者相差60—70dB，这就要求放大器的可变增益有60dB--70 dB的范围(放大与增益控制有两种来实现，一是先进行衰减补偿，后进行信号动态范围压缩;另一种是先压缩回波信号动态范围，然后进行衰减补偿和扩展(放大与增益控制中的放大器是一种对数放大器(增益控制的基本功能是跟踪预期深度距离上的回波信号，提供一个随时间变化的控制电压，来改变放大器的增益(这种增益控制补偿有许多名称，如T.G.C(时间增益补偿);D.G.C(深度增益补偿;T.V.G(可变时间增益);S.T.C(强度时间增益)等(它的衰减补偿方法是对放大斜率进行控制(超 声图像的分辨力与放大器的级数和放大倍数关系不大( ?检波 回波信号是双极性的，将其中有用的诊断信息通过一种单向通过的电路检测出来，这就是检波(检波方法有包络检波和斜率检波(在包络检波的同时，对回波脉冲前沿(斜率)微分，并捋这微分信号按一定百分比加到原始回波信号的前沿，便得到 混有短微分的回波脉冲视频信号，从而起到边界增强的效果，使组织边界的轮廓线加强显示( (,)扫描变换 扫描变换有两种，即:模拟扫喵变换(,(,(,)和数字扫描变换(,(,(,)(其目的是将声波信号转换为数字信号，便于后处理，模拟扫描变换是捋扫描超声信号和位置信号转换为可显示信号(数字扫描变换的核心是一个可变 的数字存储矩阵，它可将接收的数字图像信号按一定矩阵(如512X512)存放和显示. (,)后处理 在超声信号数字化后要进行后处理(后处理功能很多，如像素亮度后处理(包括γ校正，非线性亮度视觉校正)、 灰阶变换、图象平滑、复合视频、显示方式、图像反转―――等( B超工作原理及基本结构 一、工作原理 B型超声诊断仪是目前临床上最广泛使用的一类超声成象装置。B型又称为B-Mode，其中B为英文brightness的字头，用此表征B型成象是以辉度来表征回波的大小的。正是由于用辉度取代了幅度，B型可用一条线的不同辉度来表征A型的一系列回波及其幅度值。因此采用扫描的方式获取组织内部某一断面上多个扫描线上的回波并显示在对应的平面上，即组成了一幅组织内某剖面的回波二维图像。因此，B-Mode是一种二维超声成象装置。具体说明如下: B型线性超声诊断仪是在A型诊断仪的基础上发展起来的，A型是用单探头，而B型线性超声诊断仪是用多个晶体组成的探头，按不同的组合分组使用。B型线性超声诊断仪的每组晶体单独使用时，完全类似于A型单探头的情况;而各组晶体在电子开关的控制下，有次序地排列工作，类似A型超生中单探头的移动过程，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的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，反射信号的情况通过信号的波形显示出来，而B型超声设备中反射信号的强弱通过荧光屏中每个像素的亮度显示出来，从而使在扫查的断层面中把组织的分布情况和性质对应地显示出有灰阶(或辉度)变化的超声图像上。虽然B型线性超声诊断仪与A型相比在原理上是简单的，但是完成从A型向B型的过渡在技术上是很复杂，采用了较多的新技术和新工艺。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、显示照像系统、面板控制系统、键盘和电源装置等，如图2-2-2所示( 一、面板控制单元 对仪器面板上的各种旋钮、开关、操作杆等的状态实施编码，并将编码信号送至发射,接收单元和数字扫描转换器，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的放大倍数，从而补偿超声能量在传播过程中随距离的衰减。 二、发射,接收单元 通过探头发送和接收超声波信号，并对发射和接收的超声波信号实施电子聚焦和多点聚焦的控制;同时对探头中的多个晶体实施电子开关控制，从而实现超声束的扫描。从探头接收的超声回波信号在该单元中进行放大、检波和各种预处理，然后送到数字扫描转换器。 三、数字扫描转换器 把从发射,接收单元进入的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，并予以存贮和完成各项后处理的功能，所有将要显示的信号，例如回波信号，键盘的字符信号和人体标志符号等，都在转换器中完成D/A转换，最后混合变为合成的视频信号送入监视、照像、记录系统。 四、监视、照相、记录系统 是操作人员用来观察超声断层图像和各种相关信息，并对有价值的图像进行拍照和记录的系统。监视和照像分别使用两个略有不同的TV监视器，照像部分一般配备通用135相机或一次性的波拉相机，记录部分使用特殊功能的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 是由多晶片(阵元)排列构成的长条状探头。探头一般宽度为1cm、长度为10,15cm，探头中的晶片个数一般在64—128只范围内;晶片的尺寸随使用的超声频率不同而不同;晶片之间不但有良好的电绝缘，同时尽可能作到完全的声隔离。为此在制造工艺上一般采用光刻的方法，在一个大晶片上刻制成相互分离的多个晶片。晶片后面附以吸声材料，用以吸收反向辐射的能量;晶片的前面(接触人体部分)用透声材料做成声透镜，在长条状探头的短轴方向形成声聚焦。每个阵元都是独立的，在长条状探头的长轴方向，用电子延迟线技术形成电子聚焦和多点聚焦，从而提高B型线性超声诊断仪的空间分辨率。 多普勒效应 在声学中，当声源(声发射体)和声接收器在连续介质中作相对运动时,接收器所接收到的声频率不同于声源所辐射的声频率,其差别与相对运动的速度有关(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，则接收的频率比声源频率减小，两者的频率差称为多普勒漂移频率(医学上利用多普勒效应原理，通过提取多普勒的反射信号,检测多普勒漂移频率，用以探测运动脏器和血流的运动情况和血流方向(其基本公式为:f=(c+vcosφ)f0/(c-ucosφ)式中c 为声波在介质中的传播速度, v为接收器的运动速度, f0 为波源频率, u为声源运动速度, f为接收到的频率. Φ为接收器与声源连线的夹角.当声源与接收器靠近时接收频率增加,反之减小 目前，超声多普勒技术主要用于心血管疾病的诊断中。 超声多普勒效应示意图 当固体颗粒或者是气泡随流体一速度u运动时，已知静止时流体中的声速是c,发射探头发射的超声波频率为fo，由固体颗粒或者 气泡反射回来的频率为fr，反射方向与流体运动方向夹角为a，则根据多普勒效应可得: 设固体颗粒或者气泡介绍到的频率为f,则f=(c+ucosa)*fo/c fr=c*f/(c-ucosa),即fr=(c+ucosa)*fo/ (c-ucosa) fd=fr-fo=2foucosa/(c-ucosa)=2foucosa/c