超声成像设备的发展趋势

超声成像设备的发展趋势

一．引言

超声(Ultrasｏund,简称US)医学是声学、医学、光学及电子学相结合的学科。凡研究高于可听声频率的声学技术在医学领域中的应用即超声医学。包括超声诊断学、超声治疗学和生物医学超声工程,所以超声医学具有医、理、工三结合的特点,涉及的内容广泛，在预防、诊断、治疗疾病中有很高的价值。

超声成像是利用超声声束扫描人体，通过对反射信号的接收、处理,以获得体内器官的图象。常用的超声仪器有多种:A型(幅度调制型)是以波幅的高低表示反射信号的强弱,显示的是一种“回声图”。M型（光点扫描型）是以垂直方向代表从浅至深的空间位置,水平方向代表时间，显示为光点在不同时间的运动曲线图。以上两型均为一维显示,应用范围有限。B型（辉度调制型)即超声切面成象仪，简称“Ｂ超”。是以亮度不同的光点表示接收信号的强弱，在探头沿水平位置移动时，显示屏上的光点也沿水平方向同步移动,将光点轨迹连成超声声束所扫描的切面图，为二维成象。至于Ｄ型是根据超声多普勒原理制成．C型则用近似电视的扫描方式,显示出垂直于声束的横切面声象图。近年来，超声成象技术不断发展，如灰阶显示和彩色显示、实时成象、超声全息摄影、穿透式超声成像、超声计并机断层圾影、三维成象、体腔内超声成像等。

超声成像方法常用来判断脏器的位置、大小、形态，确定病灶的范围和物理性质，提供一些腺体组织的解剖图,鉴别胎儿的正常与异常,在眼科、妇产科及心血管系统、消化系统、泌尿系统的应用十分广泛。

二．超声设备的基本原理

２.1脉冲回波原理

人体组织和脏器具有不同的声速和声阻抗，声波在传播途中,遇到不同介质的界面时会反射声波，称为回波。

超声脉冲回波成像法:

发射超声脉冲，遇界面反射,接收回波，检测出其中所携带的信息；由于界面两边声学差异并不是很大,大部分声波穿过界面继续向前传播，到达第二个界面时又产生回波，并仍有大部分声波透过该界面继续前进；将每次回波信号接收放大,并在显示器上显示。

2．２超声成像的物理基础

2．２.1超声波应用范围

2０~100KHz 很多动物都用超声波进行交流、导航及追捕它们的猎物。

100 KHz（105Hz）～ 1MHz（1０６Hz）超声波最重要的应用就是声呐(声音导航及测距)。

2．5 MHz~ 5 ＭHz 用于心脏、腹部及软组织成像。这些频率能穿透组织可到达２0-15cm的深度。

５ ~ 1０MHZ 用于对小器官的成像,例如：腮腺、甲状腺、颈部血管及眼睛显像，它只需要4-5ｃｍ的穿透深度。

1０～ 30MHz 用于皮肤及血管内检查,可以获得高分辨力的图像。

4０～100MＨz 用于生物显微镜成像,对眼活组织的显微诊断。

医学诊断常用的超声频率是2—1０MＨZ之间，对于浅表器官多采用>7MHＺ，对于腹部和心脏分别采用3．５—5MHZ和2—3MHZ 2．２.2描述超声波的基本物理量

声速:单位时间内,超声波在介质中传播的距离称为声速,用符号“c”表示。单位为米／秒(m/s）

声速是由传播介质所决定，不同人体组织器官的声速不同，平均声速为1540米/秒,其中空气最小（３50米／秒),骨骼最大(38５0米／秒)。

频率：单位时间内质点振动的次数，用符号“f”表示

由探头中压电材料决定，在2～10兆赫兹范围。

波长：声波在传播时,同一波线上相邻两个同相位质点之间的距离称为波长,用符号“λ”表示。

超声波长与声速和频率满足以下关系式:

C=λ×f

２.2．３声速、波长与介质的关系

1、声速与介质的关系

（１)同一介质不同频率的超声波在同一介质中传播时声速基本相同。所以用不同频率的探头检查肝脏时，声速基本相同。

（2)不同介质同一频率的超声波在不同介质中传播的声速是不同的。例如:1ＭHz超声波在0℃的水中为1500m/ｓ；在０℃的钢材中为6０00m/s;在人体软组织中平均声速为１540ｍ/s。

人体软组织的声速分布在1５00m/ｓ~1680m/s之间，利用超声方法对软组织测距存在一定的误差。而骨组织的声速则高于28０0m/ｓ、肺组织的声速大约在1200ｍ/ｓ以下。

2、波长与介质的关系

(1）同一介质不同频率的超声波，在同一介质内传播时其波长与频率成反比。

１MHz的超声波在人体软组织中传播时,其波长为1．5mm。

3MＨｚ的超声波在人体软组织中传播时,其波长为0.5mm。ﻫ

５MHz的超声波在人体软组织中传播时,其波长为０.３mm，ﻫ所以频率越高的超声波在同一脏器组织中传播其波长愈短。

例如：用高频率的探头检查肝脏其波长也愈短。

（2)不同介质同一频率的超声波，在不同介质内传播,因传播声速不同,则波长也不相同。频率为3MＨｚ的超声波在人体软组织中传播时，其波长为０.5mm,而在空气中传播,其波长为０.114mm。

所以用同一种探头检查人体不同的组织时，由于声速存在差异，所以波长也是不相同的。

２.3超声的物理特性

⒈指向性

⒉反射、折射、散射和绕射

⒊吸收与衰减

⒋分辨力与穿透力

⒌多普勒效应

2．3.1超声的束射性

超声的能量高度集中,在一个较小的立体角内成束状向前传播，即超声波的束射性(声束）。

从声源发出的超声波最近的一段声束几乎平行,这段区域为近场区。

远离此区后，声束向前稍有扩散,为远场区。扩散的声束与平行声束间的夹角叫做扩散角（θ）

超声波指向性优劣的指标是近场的长度和扩散角。

2.3.2超声波的反射

超声波的反射是超声成像的物理基础

当声波从一种介质向另一种介质传播时,如果两者的声阻抗不同,就会在其分界面上产生反射,使一部分能量返回第一种介质。

1.声阻抗(z)=介质密度(ρ)×声速(c）

△Z>０.1％即可产生反射

2.声阻抗差大,反射强

声阻抗

声阻抗是表示介质声学特性的一个重要物理量。声阻抗(Z）等于介质的密度（ρ）和声速(C)的乘积,声Ｚ= ρ×C。

物质的密度一般是固体＞液体＞气体,超声在介质中的速度是

固体＞液体＞气体，故声阻抗值一般也是固体>液体>气体。

人体正常组织的声阻抗骨骼最大,气体最低。