第五章 脉冲回波式超声成像系统(第二次)

单晶片换能器
多晶片换能器
超声成像的基本技术
在脉冲回波成像系统中，有几种技术起着重 要的作用，包括脉冲回波检测技术，时间增 益补偿技术、回波信号处理等。
脉冲回波检测技术
超声波在传播到不同介质形成的界面时会发 生反射和透射现象。由于不同人体组织或器 官具有不同的声速和声阻抗，进入人体的超 声波在不同组织或器官交接的界面处就会发 生反射，反射的回波信号被探头接收并处理 后在显示器上显示出来就形成了超声诊断所 用的图像，这就是脉冲回波检测技术的基本 原理。
回波信号处理技术
1、射频回波电信号放大 换能器将回波转换为射频信号，因该信号非常微弱， 需要首先放大才能进行其他处理。该电信号的另一个 特点是动态范围大，约为40-120dB，在放大时可以适 当压缩。对数放大器的输出信号正比于输入信号的对 数值，可以将较大输入动态范围压缩为较小的输出动 态范围，抗过载能力较强，从而保证不丢失有用信号。
2、时间增益补偿 来自不同深度反射界面回波的声脉冲幅度不同，声程 越长，组织对探头发出的初始声波的吸收越多，从 而，来自较深层界面的回波幅度很小，不利于成像。
回波信号处理技术
超声在介质中的衰减规律表明，如果介质均匀，探头 到反射界面的距离为L，有
−α *2L
pr = p0e 2
式中，p0 为探头发出的初始声压，pr 为探头接收到的 反射回波声压，α 为介质的声强吸收系数，这时，因
超声换能器
要用超声波实现医学成像，首选要考虑的问题是如 何产生和接收探测超声波。用来产生和探测超声波 的器件称为超声换能器，俗称超声探头。超声探头 按工作原理可分为两大类：电场式和磁场式。
电场式利用电场所产生的各种力效应来实现声电或 电声能量的转换，其内部储能元件是电容，电场式 超声探头可进一步细分为压电式、电致伸缩式、电 容式三类。
脉冲回波检测技术具体内容
脉冲检测技术是以三个假设为依据的，包括： ①声束在介质中是直线传播的；②人体内各 种不同组织和器官中超声传播的声速恒定； ③人体内不同介质的吸收系数也一致。
脉冲回波检测技术所用的探头都能同时发射 和接收脉冲。探头发出的超声波束由一连串 的超声脉冲组成，每个声脉冲以恒定声速沿 着波束方向行进，并从人体内的不同声阻抗 介质界面被反射回来。
脉冲重复周期与重复频率
为了让发射脉冲不与回波脉冲相遇，对不同探测深度的检查 对象需要选择合适的脉冲重复周期，即脉冲重复周期决定了 最大探测深度，显然
最大探测深度(cm)=1/2c*脉冲重复周期 如，对于重复频率为5kHz的脉冲超声，最大探测深度为
15.4cm，重复频率2kHz为时最大探测深度为38.5cm。 最大探测深度不等于仪器可以工作的作用距离，实际探测深
A超诊断仪主要由振荡电压产生电路、接收放大 器、时基发生器、同步电路、深度补偿电路和 标距电路等组成。
A型超声诊断仪工作原理
1、振荡电压产生电路输出一个幅值近百伏的高频振荡电 压，此电压作用于换能器阵元，产生一束满足一定要求的 超声波，超声波进入人体后，被人体内不同组织和器官的 分界面反射回来，反射波进行换能器再转换为电信号。
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脉冲宽度指超声波的持续时间。
l = 1 cτ
2
l 就是由脉宽决定的系统最小探测深度，事实
上，仪器实际的最小探测深度远比上式决定的大。 减小脉冲宽度可以减小最小探测深度的极限值，有
利于探头附近的探测盲区，但过小的脉宽又会导致 所发射的超声能量减少，影响系统灵敏度。较好的 做法是在适当缩短脉冲宽度的同时，提高超声的工 作频率，使发射能量不至于减少，既缩短探测盲 区，又不影响系统的灵敏度。
2、振荡电压产生电路受同步电路控制，使振荡电压产生 电路、时间基线发生电路、时间标志产生电路及深度补偿 电路都同步工作，最终将人体内各界面反射回来的回波信 号稳定地显示在荧屏上。
3、由于声束在人体内传播的衰减，回波微弱，要进行显 示需要对信号进行必要的放大，最后送显示器显示。由于 A超接收到的回波幅度动态范围过大，常用对数处理形成 可变衰减电路使得小幅度的信号幅度增大，大幅度信号缩 小，压缩回波的动态范围后再对信号进行放大。
正压电效应示意图
逆压电效应示意图
超声换能器工作原理
压电效应是可逆的，压电材料既可具有正压电效 应，也可具有逆压电效应。医学超声诊断过程中， 常采用同一压电换能器即作为发射探头也作为接收 探头，但发射与接收是分时工作的。
超声换能器发射超声时，探头利用逆压电效应将电 能转化为压电体振动的机械能，通过压电体振动而 产生超声波，并定向发射至需要检测的人体组织。 接收超声时，探头则是利用正压电效应将从人体组 织反射回来的超声波转化成电信号，由接收电路进 行信息处理。
A型超声诊断仪工作原理
4、为了对回波进行定位，还需要产生一个随时间而线性增加 或线性降低的电压施加到显示器的水平偏转板上产生时间基 线，这个电路称为时基发生电路或时基电路。
5、为了对回波的时间和位置进行测量，受时基电路控制的时 标电路在显示屏的水平轴上产生一个时间标尺，该时间标尺也 可换算为反射界面的深度标尺显示在显示屏的水平轴上。
TGC的作用
TGC对成像质量的影响
检波
被射频放大器放大的回波信号中含有探测对象的多 种有用信息，包括幅度、频率、相位和时间等。不 同的超声诊断设备，需要有用的信息也不一样，检 测器的检波对象也不同，现在就有幅度检波、频率 检波和相位检波等多种检波电路，一般超声成像装 置多使用幅度检波，即需要检出射频信号的包络。 常用的检波电路有半波检波和全波检波。
超声成像的主要方式
医学诊断超声成像设备主要包括A型、B型、 M型和多普勒超声成像仪，其中，A型和B型 超声诊断仪主要的用途是给出探查区域内组 织的解剖结构和组织性质方面的信息，而M型 和多普勒超声诊断仪主要的用途是给出人体 内运动界面和血液流动的动态变化信息。
A型超声诊断仪
A型超声诊断仪简称A超，A超属于幅度调制 （amplitude modulation）型成像，即显示器上显示 的脉冲决定于回波脉冲的幅度大小。A超的技术核 心就是探测回波脉冲幅度随时间的变化，并将其显 示出来。当一束超声波垂直入射到人体组织时，其 回波可被同一换能探头检测，根据回波的时间可以 计算出回波的深度信息。应用A超诊断仪可以探测 的常参数包括：脏器的厚度、病灶的深度和大小， 还可以依据回波的某些牲，根据经验对可能的病灶 进行定性鉴别。
第五章脉冲回波式超声成像系统
一 脉冲回波成像系统 二 A型和M型超声诊断仪
脉冲回波成像系统
基本工作原理
工作原理：当开关倒向发射位置T时，脉冲波 激励换能器。换能器将电信号转换成超声波 向人体内发射。发射结束后，转换开关立即 倒向接收器R端。当超声波遇到人体组织中 的声阻抗不连续点时，就会形成反射波。这 一回波信号经过同一个换能器转换成电信号 后进入信号接收与处理电路，回波信号处理 后送显示器显示。
大多数超声成像诊断仪目前都采用脉冲超声波对人 体进行扫描，脉冲超声波一方面易于对反射界面进 行定位，也由于消除了连续工作时发射波对回波的 干扰而提高了检测的灵敏度。除了多普勒超声设备 外，连续超声波工作方式已很少使用。
尽管人体内因不同组织和器官的声阻抗不同而形成 反射界面，但总体说来，人体内各种介质的声学差 异并不大，所以反射的声能只占入射到界面声能的 一小部分，大部分的声能还是会穿过界面继续沿原 入射方向向前传播，这为遇到下一个界面再形成回 波反射提供了条件。
压电效应的机理：某些各向异性的材料，其晶格对称 性较低，当受到外力的作用发生形变时，晶格中正负 离子的相对位移使正负电荷中心不再重合，导致晶体 发生宏观极化，而晶体表面电荷密度等于极化强度在 表面法向上的投影，所以压电材料受压力作用形变时 两端面会出现异号电荷，这种将机械能转变为电能的 现象称为正压电效应，反之，压电材料在电场中发生 极化时，会因电荷中心位移导致材料变形，这种将电 能转变为机械能的现象称为逆压电效应。
探测深度
探测深度也称作用距离，指探头发出的超声波束能 够抵达且反射回波可被检测到的深度。不同的探测 对象需要不同的探测深度，如腹部成像一般需要 20cm左右的探测深度，而眼球超声检查时有10cm 的探测深度就足够了。
增加探测深度的主要限制是工作频率，降低工作频 率可增加探测深度，但分辨能力会同时降低；加大 超声波的发射功率也可以增加探测深度，但要保证 剂量处于安全范围。另外，探头的噪声性能也会影 响探测深度。
介质的声程吸收而导致声压减少的分贝数为：
( ) S
dB
=
−20 lg
⎡ ⎢ ⎢⎣
pr
⎤ ⎥
p0 ⎥⎦
=
k1α L
=
k2α ct
和式反中射，k过1 k程2 中都幅是度常减数少，的式分表贝明数声正波比的于声传程播为的2L时的间入。射
回波信号处理技术
为了使得不同深度界面反射回波的幅度与声波 传播的距离无关，即来自不同深度、相同界面 的回波在显示器上应该具有同样大小的信号， 需要对上述的衰减进行补偿，要对均匀介质中 声波由于传播距离导致的声压衰减进行补偿。 补偿的增益应该随着声波传播时间是指数增加 的，在任一探测深度补偿增益与传播衰减的乘 积为一个常数。对回波进行的这种增益补偿称 作时间增益补偿（TGC）或深度增益补偿。
度（作用距离）受发射功率、探头灵敏度、工作频率等因素 共同影响，而最大探测深度只是仪器设计理论上探测距离的 最大极限值。 脉冲重复频率不可太高，否则将限制仪器的最大探测距离， 因为多次回波相互间发生干扰，但也不可取得太低，否则影 响图像质量。用于人体成像的超声波激发脉冲的重复频率在 1-5kHz范围。
2、信号处理部分负责对接收的回波形成的电信号 进行检波、放大、去干扰等；
3、显示部分负责最终显示图像。
超声波的频率
从提高分辨率的角度来看，增大超声波频率，有利 于改善分辨率。近场和远场的分析表明，工作频率 越高，波长越短，波束的指向性就越好，横向和纵 向分辨率都能提高。然而，超声在介质中衰减的研 究表明，工作频率越高，衰减就会成正比地增加， 这会使声束的探测深度减小。因此，实际应用中， 需要在考虑应用对象所需探测深度的基础上尽量提 高分辨率性能，有些诊断仪配有多种不同频率的探 头，以满足不同检查深度的需要。