超声波仪的构造和分类-医学课件.ppt

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1、2019/5/10,1,第二章,超声波仪的构造及分类,2019/5/10,2,第一节,超声诊断仪的基本组成及构造,2019/5/10,3,超声诊断仪的组成,(1)超声换能器 (2)基本电路 (3)显示器,2019/5/10,4,一、超声换能器,定义：是将电能转换成超声能，同时将也可将超 声能转换成电能的一种器件。,目前应用的主要是压电换能器，其种类繁多，除了连续波多普勒设备中使用收发分离的换能器结构外，其余都是采用脉冲工作方式，所以都是使用收发共用的换能器结构。,2019/5/10,5,(一)换能器的组成,压电振子 匹配层 聚焦件 背衬块,2019/5/10,6,压电振子 -换能器的核心,目前

2、压电振子常用的材料是人造压电陶瓷 锆钛酸铅-最为常用 优点：电声转换效率高、性能稳定、 易成形、成本低； 缺点：频率不够高等； 偏铌酸铅：频率及频宽均较锆钛酸铅好。 聚偏氟乙烯薄膜：频带更宽，是理想的压 电材料。,2019/5/10,7,匹配层 是位于压电振子前面的一层或多层 的声学材料。,作用：使高声阻抗的压电振子与低声阻抗 的人体组织间达到阻抗匹配，以提 高声能的最大传输效率。 组成：通常用四分之一波长厚度的阻抗匹 配层来实现。,2019/5/10,8,声透镜,位置：在探头的匹配层与人体组织间； 材料：常用塑料或树脂制成； 作用：声聚焦和换能器的保护层； 原理：透镜材料的声速大于周围介质声

3、 速时声束可折射效应发生会聚。,2019/5/10,9,背衬块,位置：位于压电振子背后； 材料：由钨粉与环氧树组成的强吸声物； 作用：防消除后向干扰；实现窄脉冲， 提高纵向分辨力； 原理：透吸收背向声波，使之能量消耗。,2019/5/10,10,(二)换能器的分类,一、据工作原理 1脉冲反射式 有A超、M超和B超，B超探头括 线阵、凸阵、相控阵、环阵等。 2多普勒式 有连续波和脉冲波多普勒探头。,2019/5/10,11,(二)换能器的分类,二、据控制扫查方式 1电子式 线阵型、相控阵型、凸阵型及 环阵式探头。 2机械式 摆动式、旋转式探头。,2019/5/10,12,(二)换能器的分类,三、

4、据晶片数 1单晶片 A超、M超及摆动式机械探头。 2多晶片 线阵型、凸阵型、相控阵型和 环形阵型等。,2019/5/10,13,摆动式机械扇扫探头,构成：由一块晶片组成； 原理：微型电机驱动晶片， 作来扇形回摆动； 优点：成本低，容易修复； 缺点：噪声大，磨损严重。,2019/5/10,14,旋转式机械扇扫探头,构成：由多块晶片组成； 原理：微型电机驱动晶片， 作360度旋转； 优点：噪声小，磨损较轻； 缺点：成本高，修复较难。,2019/5/10,15,线阵型探头,构成：由6-8个阵元沿一 直线排列组合；每个阵元分割成若干窄条振子。 原理：阵元组依一定顺序工作，用电子开关轮番地接通，形成线性

5、扫描。 评估：近场视野大，易受肋骨、气体影响。,2019/5/10,16,凸阵型探头,构成：阵元的窄条振子被均匀分布在凸形圆弧上； 原理：同线阵，只是其波束是作扇形扫描； 评估：能避开胸骨和肋骨遮挡，无噪音，可替代机械扇扫探头。,2019/5/10,17,相控阵探头,构成：与线阵类似，仅阵元数少些，故结构紧凑。 原理：通过适当调整、控制各单元激励信号的相延(或时延)，以实现声速偏转。 评估：优点与凸阵相似，但旁瓣较明显。,2019/5/10,18,环形相控阵探头,构成：由一系列同心的圆环形晶元体组成。 原理：适当调整、控制圆环形晶元体的激励信号和接收信号的相延(或时延)，使声束聚焦的焦距作连续

6、或步进式移动。 评估：全程横向分辨力高。,2019/5/10,19,二、基本电路,超声诊断仪除连续多普勒用连续波外，大多用脉冲波，后者种类很多，但基本结构大致相同。,2019/5/10,20,(一)主控电路,即同步触发信号发生器，它周期性地产生同步触发脉冲信号，分别触发发射电路与扫描发生器中的时基扫描电路。,其下限应不小于探测目标运动波形最高频率的倍，而其上限则取决于声波对人体的最大探查深度所需的时间。,超声脉冲重复频率决定于 触发脉冲的重复频率，其 选择必须满足如下要求：,2019/5/10,21,重复频率越高，显示器图象越亮。,脉冲重复频率采样下限要求： 如二尖瓣运动波形的最高多普勒频率为

7、100Hz， 则脉冲重复频率应选择高于200Hz； 脉冲重复频率采样上限要求： 如最大探测深度定为20cm，往返为0.4m，声速为1500ms,则需时为T0.41500260us，对应 重复频率为f1/T3846Hz，一般最高取3kHz。,2019/5/10,22,(二)发射电路,发射电路受同步信号触发后，产生高压电脉冲去激发换能器，换能器受到激发后，便发射一定频率和宽度的脉冲超声波。,超声波的穿透力和纵向分辨力很大程度上决定于发射电路的特性，一般要求发射电路发射既有一定幅度，持续时间又要短的脉冲波。,发射频率决定于晶片的 特性和厚度，频宽还决 定于探头的结构及发射 电路的阻尼。,2019/5

8、/10,23,(三)高频信号放大电路,换能器发出脉冲波后，即接收其来自人体内的超声回波并将它转换为高频电信号，继而通过高频信号放大电路放大。,为获得足够的灵敏度与保真度，高频信号放大电路应足够大增益和带宽。并根据不同需要，在高频信号放大电路中设有TGC。,电路组成：保护电路、 前置放大、高频放大及 非线性放大的时间增益 电路等组成。,2019/5/10,24,(四)视频信号放大,回波电信号经高频放大后，再作检波，检波后的视频包络信号，频率较低，需经过视频信号放大器作适当的放大。,型超声仪： 将信号加至显示器y轴偏转板(或偏转线圈)上，使电子水平扫描线产生垂直方向偏移(A型)； 型、型超声仪：

9、将信号加到显示器的栅极上进行图象的亮度调制。,具有数字扫描变换器的 超声仪是在信号合成及 D/A转换后,经视放放大 去调节显示器的亮度。,2019/5/10,25,(五)扫描发生器,扫描发生器产生的扫描电压加到显示器的偏转系统上，使电子束按一定的规律扫描。,通常把视频放大器和扫描发生器统称为显示电路，而显示系统则由显示器件、显示电路和有关电路组成。,A型、M型及B型超声诊断仪的扫描发生器都不相同。,2019/5/10,26,三、显示器,从人体反射回来的超声信息最终是从显示器或记录仪上显示的图象中提取的。,超声诊断仪的显示器通常是阴极射线管(CRT)，根据偏转系统的不同可分两种，即静电偏转示波管

10、和磁偏转显示管。,2019/5/10,27,三、显示器,整个CRT由电子枪、偏转系统和荧光屏组成。 基本工作原理 由加热阴极发射出的电子被聚焦成为电子束，通过电场(示波管)或磁场(显像管)的作用改变电子束运动方向(偏转)，并继而轰击涂有荧光物质的屏幕的不同部位，使之发光，由这些光点在屏幕上组成一幅图象。,2019/5/10,28,1、电子枪,电子枪由阴极、控制极和阳极组成。,通电后的电子枪灯丝，在高压电场作用下，发射出电子，经控制极和阳极的作用，集成一束。控制极的电压一般负于阴极，对阴极电子流的大小进行控制，显示管的亮度调节就是改变这个电压。阳极电压用来控制电子流(或称电子束)的粗细，故亦称为

11、聚焦阳极。,2019/5/10,29,2、偏转系统,使电子束在x方向和y方向发生偏转，从而控制光点在荧光屏上的位置。,静电偏转型CRT的偏转系统是由两对互相垂直的X方向和Y方向上的偏转板组成，他们在外电场的作用下，能引起电子束的方向改变。磁偏转型CRT的偏转系统是由在管颈外两侧放置的一对线圈组成，线圈有垂直和水平之分，一般称为行偏转线圈和帧偏转线圈。在线圈中流过的电流大小控制着电子束偏转的大小。,2019/5/10,30,3、荧光屏,是将电能转换为光能的一种器件，超声图像、波形及字符等就在这里显示出来。,荧光屏位于显示管的顶部，其内面涂有荧光物质，该物质受电子束轰击后就能发光。光点是组成图像的

12、基本要素，称为像素；光点的明亮程度用灰阶表示；光点的维持时间取决于显示器荧光粉的余灰时间，实时超声一般选用中短余辉的CRT。,2019/5/10,31,第二节,超声诊断仪的类型,2019/5/10,32,超声诊断仪的分类,影像超声： 一维：超、超 二维：超 三维： 血流超声： 一维：脉冲、连续多普勒 二维：彩色多普勒血流显像 三维：,2019/5/10,33,一、型超声诊断仪,以探头接收到的超声脉冲信号的幅度为纵坐标，而以超声脉冲的传播时间为横坐标的一种显示方式。,型超声适用于简单解剖结构的检查、线度测量，如脑中线检查、眼科检查。,2019/5/10,34,二、型超声诊断仪,显示的局部亮度或光

13、强代表回波的幅度的回波信息表示方法。,在显示屏上，以声束扫查移动位置为横坐标，以超声的传播时间纵坐标，并以回波幅度调制辉度，可得到探头扫查经过的平面内的图像。,2019/5/10,35,B超与A超的区别,1)B超的y轴位移代表声波向人体内的传播深度； 2)回波的信号强度在A超上以幅度表示，而B超 则是以亮度表示； 3)B超X轴方向的电子扫描与声束对人体的扫查。 由许多相平行的、亮度受人体回波幅度调制的轴扫描线连成一片，就构成了一幅二维超声图象。,2019/5/10,36,二、型超声诊断仪,将沿声束方向各反射点位移随时间变化而显示，是一种以光点亮度来表示反射声信号强弱的仪器。,型对探查人体内的运

14、动器，如心脏、胎心的搏动特别有用，常与型联合使用，同时加上心电图、多普勒等，制成多参数超声心动仪。,2019/5/10,37,型超声基本原理,将回波强度加到显示器的控制极上作辉度调制，代表深度的时基线加到垂直偏转板上，而在水平偏转板上加一慢变化的时间扫描电压，使深度的时基线以慢速沿方向移动，故静止目标的显示像是一条水平亮迹，摆动着的单型显像为一正弦曲线。,2019/5/10,38,M超与B超的区别,1)M型反映的是一维空间中的动态信息，而B型 反映的是二维空间的结构信息。 2)M型X轴方向代表的是时间，而B型代表了空 间的横向展开。 3)y轴方向都代表声波对人体的探查深度。 4)来自人体回波的

15、幅度大小都是以y轴扫描线 上的亮度强弱来表示的。,2019/5/10,39,四、三维超声诊断仪,将立体图象以投影图或透视图表现在平面上的显示方式，可从各个角度来观察该立体目标。,三维超声成像技术是利用电子计算机将一系列一定规律采集的二维图像信息重建，从而构成三维图像，能提供更加丰富的三维空间信息，以弥补二维超声成像的不足。,2019/5/10,40,(一)三维表面成像,可进行形态学研究,含液性空腔器官,表面有液体,被低回声围绕,2019/5/10,41,(二)三维透明成像,应用于骨骼及含液性结构,最大模式,X线模式,最小模式,2019/5/10,42,(三)三维多平面成像,常规二维无法得到,2

16、019/5/10,43,五、频谱多普勒,多普勒超声脉冲波进入人体后，将产生一系列复杂的频移信号，这些信号被接收器接收并处理之后，还必须经过适当的频率分析和显示，方能转变为有用的血流信息。,2019/5/10,44,(一)多普勒频谱分析,利用数学的方法对多普勒信号的频率、振幅及其随时间而变化的过程进行实时分析的一种技术。,在多普勒超声中，实时频谱分析的方法主要采用快速富立叶转换，该转换是利用计算机技术对一个复杂信号进行实时频谱分析，经过分析后，就能鉴别信号中的各种频率移动和这些频移信号的有关流向，将复杂的混合信号分解为单个的频率元素，最后形成实时显示的血流频谱。,2019/5/10,45,(二)

17、多普勒频谱显示,普勒信号经过频谱分析之后，通过两种方式加以输出，一种是音频输出，另一种是图象输出。,2019/5/10,46,1、多普勒音频输出,多普勒的发射和接收频率均为超声，但其频移的数值常为1-20干赫，恰为可闻声。故频移信号被放大后输入扬声器中，成为音频信号。,音频信号可反映血流的性质，其高低反映频 率的高低，而响度则反映振幅的高低。 血流在流经心腔和大血管的不同部位时，可 将产生不同的音频信号。 借助于音频信号，可正确地判断血流的性质 并指导声束的方向。,2019/5/10,47,2、多普勒图像输出,频谱显示是多普勒频移信号图象输出的主要方式。在这种显示中，可得到以下信息：,频移时间

18、：以横坐标的数值表示，代表血流持续的时间， 单位为秒。 频移大小：以纵坐标的数值表示，代表血流速度的大小， 单位常以米秒。,2019/5/10,48,2、多普勒图像输出,频移方向：以频谱图的基线为界，基线以上的频移信号 为正值，基线以下的频移信号为负值。 信号振幅：以频谱的灰度表示，代表取样容积或探查声 束内具有相同流速的血细胞数量的多少。 频率范围：以纵坐标上频谱的宽度表示，代表某一瞬取 样容积中血细胞速度分布范围。,2019/5/10,49,(三)连续多普勒,理论上最大流速的测 值无限制性。 流速实际可测值常大 于米7秒， 定量分析狭窄、分流 和返流性病， 其主要缺点是缺乏空 间分辨能力。

19、,探头用双晶片，一个连续发射脉冲波，另一个连续接收并转换成电信号和放大，经过基本电路的处理，即可在显示器上得到多普勒频移随时间变化的图谱。,2019/5/10,50,(四)脉冲多普勒,距离选通：沿超声束不同深度的 某一区域作多普勒检查。 取样容积：其大小等于脉冲波的 波长与数目的乘积。 突出优点：疾病的定位诊断和血 流量的定量测定。 主要缺点：受脉冲重复频率的限 制，易出现频率失真。,其超声脉冲波的发射与接收均以一个探头进行，它是在一选择性的时间延迟后，才开始接受回声信号。,2019/5/10,51,(五)尼奎斯特极限,根据取样定位，脉冲重复频率必须大于多普勒频移(fd)的二倍，才能准确显示频

20、移的方向和大小，即：fd1/2PRF，脉冲重复频率的12为尼奎斯特极限。如果多普勒频移值超过这一极限，脉冲式多普勒所检出的频率改变就会出现大小和方向的伪差，称为频率失真，或频率混叠。,2019/5/10,52,增加流速测值的措施,选择低频探头：对于给定的取样深度，探头频 率越低，流速测值越高。 减少取样深度：探查高速血流时，应尽量选择 距探头较近的超声窗口。 移动零位线：如果零位线调至频谱图最高或最 低位置，则可使流速测量范围扩大1倍。 增大角：人为地增大声束一血流方向夹角， 可使多普勒频移fd减小。,2019/5/10,53,六、彩色多普勒血流显像,由脉冲多普勒系统、自相关器和彩色编码及显示

21、器等主要部分组成，它在频率分析和显示技术方面作了重大改进。,人体和血流的反射信号经分析处理后，可在显示屏上显现黑白的实时二维声像图上叠加彩色的实时血流显像。,2019/5/10,54,(一)频率分析技术,实时频谱分析法速度较慢，仅可满足单点选通式的一维多普勒，对于彩色多普勒血流显象来说其速度远远不够。,为获得二维切面内的全部血流信息，彩色多普勒显象在每帧图象内设32128条扫描线，每条扫描线上约有250500个取样点；因此，每帧图象内的取样点可达一万个以上。同时，为了实时显示，须保证足够的图象帧数。这样要求仪器在30毫秒时间里须分析15000个以上取样点的多普勒信号。为解决这一问题，彩色多普勒

22、血流显象技术采用了自相关技术。,2019/5/10,55,自相关技术,是将不同时刻的信号取值作相互关联的技术；在彩色多普勒血流显象中，自相关用于对比同一取样部位的两个连续的频移信号，提取并分析相位差。,主要优点：具有较高的数据处理速度，它在2毫秒 内即可处理众多取样点的大量多普勒频移信 号，迅速测出血流速度、方向和方差。 主要缺点：不能给出流速的范围，因它将取样部 位每一瞬间的若干个频移信号的相位差加以 平均求出乎均流速，不能提供取样部位瞬时 流速的分布范围。,2019/5/10,56,(二)输出显示方式,多普勒频移信息经过自相关技术处理后，被输入彩色编码器，常以速度和方差方式显示。,彩色编码

23、技术是由红、蓝、绿三种基本颜色组成，不同方向、速度和湍流的血流以不同的颜色表示。,2019/5/10,57,1、速度方式,速度方式用于显示多普勒信号速度的方向与大小。,速度的方向以红蓝两色的区别来表示，红色的 流速代表正向频移，蓝色的流速代表负向频移， 两者之间为零线，零线无流速因而不显色。 速度的大小以不同的色调即色泽的亮度来表示， 流速越高，色调越高，即色彩越亮；反之， 流速越低，色调越低，即色泽越暗。 红蓝二色的最大亮度代表尼奎斯特极限，频移 信号标为相反的色彩。,2019/5/10,58,2、方差方式,用于显示多普勒信号的速度分布范围。当速度范围超过仪器的阈值时，即出现绿色斑点，表明有

24、湍流。速度方差值与绿色的亮度成正比。,彩色多普勒血流显象技术利用了三基色分别表 示流速的方向和湍流，如背离探头的血流存在 湍流，蓝色加绿色将产生青色。 高速射流时，由于频率失真导致的彩色逆转和 湍流的出现，使上述色彩互相混合而出白色。 在明显的血流紊乱时，可出现红、蓝、绿、黄、 青、白等多彩斑点的血流图象，称为镶嵌图型。,2019/5/10,59,(三)彩超的限制性,1、高速血流出现的频率失真：其本质属于脉冲式多普勒，且取样深度固定，故尼奎斯特极限常低于脉冲式多普勒。当探查正常的高流速时，彩色常逆转，易误为血流紊乱。此外，彩色多普勒显示的是平均流速而非最大流速。这使得它不能用于血流速度的定量分

25、析。 2、湍流显示的假阳性：彩色多普勒以附加的彩色表示湍流的存在。但这种绿色斑点不仅出现于湍流区，而且更常出现于高速射流区。高速射流区是层流状态，因此射流区绿色斑点出现只说明频率失真的程度而不表示湍流的存在；此外，当仪器的信号噪音比值较低时，亦可在正常血流中出现绿色斑点。,2019/5/10,60,(三)彩超的限制性,3、二维图象质量降低：在彩色多普勒血流显象技术中，需要对多点取样的大量数据进行处理，造成时间延迟，在图象显示中形成扇形角度与图象帧数的矛盾。为了扩大显示范围，必须减少帧数。但为了实时显示，又必须减少角度。两者之间的妥协，造成了二维图象质量的降低。 4、血流显示质量受到仪器条件的影

26、响：血流在使用不同的增益条件时，可出现不同的显示。而且，不同仪器间的技术条件的差别也使同一血流在不同的仪器中得到不同的显示。所有这些伪象和误差都有待进一步改进。,2019/5/10,61,八、三维彩色多普勒,是用一系列二维 彩色多普勒血流显像所重建的彩色图像。,2019/5/10,62,三维血管成像,甲状腺瘤,慢性甲状腺炎,肝肿瘤,2019/5/10,63,第三节,改善图像质量的技术,2019/5/10,64,一、声束聚焦,聚焦技术使声束变窄，侧向、横向分辨力提高，有助于超声诊断的有效性。,目前常用的聚焦法有： 非电子聚焦：声透镜聚焦、声反射镜 聚焦和压电材料凹面聚焦 电子聚焦： 非电子聚焦的

27、焦点位置固定，而电子聚焦的焦点既可固定也可变动。,2019/5/10,65,(一)声透镜聚焦,其原理是透镜材料与其周围介质中的声波传播速度不同而产生折射，从而产生聚焦。,声透镜的材料为聚乙烯和合成树脂，其声速大于人体软组织声速，故折射角变小，声束向轴向会聚。,2019/5/10,66,(二)声反射镜,其原理为声束经抛物形的反射镜而进行聚焦。,平行声束经楔形声反射镜反射到抛物面声透镜，然后经抛物面聚焦在它的焦点。,2019/5/10,67,(三)压电材料凹面聚焦,其原理是将压电材料制成凹形，从而使声束产生聚焦。,其焦距由凹面的曲率半径所决定，在聚集区的声束径很小，但偏离聚焦区的声束较粗。需根据检

28、查部位的深度选择不同焦距的探头。,2019/5/10,68,(四)电子聚焦,电子聚焦的特点是利用延迟线确定多晶体阵列超声波的延迟状态。,如果延迟状态固定，则焦距固定，只有一个聚焦点。如果通过电控方式转换其延迟状态，焦距也可随之变化，这种方式为动态聚焦 。,2019/5/10,69,二、动态频率,以某一频率为主的多频率探头，作多频同时发射，但接收时仅从多频率反射波中选择某个频率。,当发射的多频率超声波反射回探头时，接收器采用可变带通滤波器，从多频率反射波中只选择性地接收某个频率，对浅部组织检出高频超声，而深部组织则检出低频超声。,2019/5/10,70,三、图像后处理,对数字扫描转换器主存储器

29、中读出的数字图像信号进行的各种加工处理称为后处理。,图像后处理有： 亮度后处理；时间后处理；空间后处理。,后处理不会破坏原存的图像，使用灵活，是提高像质的一种有效方法,为现代超声诊断仪所广泛采用。,2019/5/10,71,(一)亮度后处理,用得最广泛是灰阶的扩展与压缩，即亮度(灰阶)对回波强度关系曲线的变换。,线性可以变换成曲线，这样可重点显示某一回声幅度范围的信息；也可用窗口技术对选定的回波强度(高低窗位之间)加强或抑制其亮度，一突出病变的范围；此外还有伽玛校正及人眼对亮度感觉的非线性校正。,2019/5/10,72,(二)时间后处理,用数字时间滤波器对图像作噪声抑止、平滑和边缘加强处理。

30、,2019/5/10,73,(三)空间后处理,主要有读出电子放大、视频翻转、图像平滑、直方图、均衡等。,2019/5/10,74,四、灰阶,灰阶是将声信号的幅度调制光点亮度，以一定的灰阶级来表示探测结果的显示方式。,显示屏上最黑到最亮的灰度等级差，取决于信号的强度。灰阶级数越多，图像的层次越丰富，图像细节的表现能力越强。,2019/5/10,75,五、彩色编码显示,彩色编码就是用不同的颜色来表示声信号的幅度的一种显示方式，所显示的彩色并不反映目标真实的颜色，是伪彩色。,它将不同幅度的回声划分为许多色域，用一种颜色表示一定范围的信号幅度，这样相邻幅度的信号有了明显不同的色彩，加强了对比度，有效地提高了对比分辨力。,