刊名： 科技传播 
PUBLIC COMMUNICATION OF SCIENCE  TECHNOLOGY
主管单位：中国科学技术协会
主办单位：中国科技新闻学会
周    期：半月刊
出 版 地：北京
语    种：中文
开    本：大16开
国内刊号：CN11-5820/N
国际刊号：ISSN 1674-6708
创 刊 年：2009

期刊影响力：

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超声诊断仪的入门理论
Introductory theory of the ultrasonic diagnostic apparatus

 

【摘要】医学超声诊断方法建立在医学超声工程技术发展的基础上，由于低强度超声对人体组织不产生损伤，使超声图像诊断成为医学图像诊断的首选技术。现代医学超声诊断仪已是最新医学超声基础理论研究、大型压电材料和超声换能器研制、计算机处理、声成像技术与信息传输技术相结合的产物。本文主要对超声诊断仪的工作原理、种类、基本结构以及它的主要参数做一个概述。通过本文的介绍和引入，对超声诊断仪有一个整体的认识和了解。
【关键词】超声诊断 参数 结构 工作原理

Abstract: Diagnostic Medical Sonography established on the basis of the medical ultrasound engineering development. The ultrasound image diagnosis becomes the first choice of medical image diagnosis because its low intensity ultrasound does not produce damage to human tissue. Modern medical ultrasonic diagnostic apparatus is the product of the combination of the latest basis medical ultrasound theory research, large piezoelectric materials and ultrasonic transducer development, computer processing, acoustic imaging technology and information transmission technology. In this paper, I provide an overview about working theory, types, basic structure and main parameters of the ultrasonic diagnostic apparatus. We could have a whole knowledge and understanding about ultrasonic diagnostic apparatus through the introduction of this article.

Key words: ultrasound diagnosis   parameters   structure   working principle

0 前言
　　超声成像诊断技术在当今医院的应用已经非常普遍，广泛用于血管疾病、腹腔脏器、小器官、前列腺及精囊以及妇产科等临床诊断检查中。它的优势是超声可以连贯动态地观察脏器运动和功能，不受其成像分层的限制，且对实质性器官(肝、胰、脾、肾等)以外的脏器，还能结合多普勒技术监测血液流量和方向，例如医生通过心脏彩超，可直观地看到心脏内的各种结构及是否有异常。另外超声对人体没有辐射，对于特殊患者可以优先采用，例如孕妇的产前检查。下面分五个部分介绍下超声诊断仪：

1 超声诊断仪的原理
　　超声诊断仪可以对人体内部情况做一个清晰的诊断主要原理是利用超声在传播过程中的特性，由于人体各种组织有声学的特性差异，超声经过人体内部的时候在两种不同组织界面处产生反射、折射、散射、绕射、衰减以及声源与接收器相对运动产生多普勒频移等物理特性，根据监测超声回声的延迟时间和强弱就可以判断脏器的距离及性质，再经过电子电路和计算机的处理便形成了超声图像。

2 超声诊断仪的种类[1]
① A型：这是一种幅度调制超声诊断仪，把接收到的回声以波的振幅显示，振幅的高低代表回声的强弱，以波的形式出现，称为回声图，现已被B型超声取代，仅在眼科生物测量方面尚在应用，其优点是测量距离的精度高。
② B型：这是辉度调制型超声诊断仪，把接收到的回声，以光点显示，光点的灰度等级代表回声的强弱。通过扫描电路，最后显示为断层图像，称为声像图。B型超声诊断仪在临床诊断上应用较广泛。
③ M型：M型超声诊断仪是B型的一种变化，介于A型和B型之间，得到的是一维信息。在辉度调制的基础上，加上一个慢扫描电路，使得辉度调制的一维回声信号得到时间上的展开，并形成曲线。用以观察心脏瓣膜活动等，现在M型超声已成为B型超声诊断仪中的一个功能部分不作为单独的仪器出售。
④ D型：在二维图像上某点取样，获得多普勒频谱加以分析，获得血流动力学的信息，对心血管的诊断极为有用，所用探头与B型合用，只有连续波多普勒，需要用专用的探头。
⑤ 彩色多普勒超声诊断仪：具有彩色血流图功能，并覆盖在二维声像图上，可显示脏器和器官内血管的分布、走向，并借此能方便地采样，获得多普勒频谱，测得血流的多项重要的血流动力学参数，供诊断之用。彩色多普勒超声诊断仪通常会兼有B型、M型、D型和彩色血流图功能。
⑥ 三维超声诊断仪：三维超声是建立在二维的基础上，在彩色多普勒超声诊断仪的基础上，配上数据采集装置，再加上三维重建软件，该仪器即有三维显示功能。

3 基本结构
　　由于B型超声诊断仪是超声成像仪器中使用最频繁的设备，所以下面通过简述B型超声诊断仪的基本结构来熟悉超声成像仪器。B型超声诊断仪主要由探头、发射／接收单元、数字扫描转换器、外部控制装置和电源装置等组成。

① 探头[2]
　　探头是用来发送和接收超声波信号，是电声换能片，在超声扫描时，它将电发射脉冲信号转换成超声脉冲信号，也将超声回波信号转换成电信号。探头是由压电晶片（阵元）排列构成的长条状探头。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。晶片后面附以吸声材料，作用是吸收晶体背向辐射的超声，减少或消除晶体两端之间超声的多次反射造成的干扰，增大晶片阻尼，使发射脉冲窄，提高分辨率；再前面是匹配层，主要作用是使晶体辐射的超声有效的进入人体，实现对人体组织的检查和换能器跟人体之间的声阻抗匹配；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。
　　
　　探头分为凸阵探头、高频线阵探头、微凸探头和腔体探头（阴道探头和直肠探头）。常见的探头规格有：R50 、R60、 R10、 R13 、R20 、L40等，这里的R表示探头扫描方式为凸阵扫描，后面的数字表示探头的扫描半径；L表示探头扫描方式为线阵扫描，后面的数字表示扫描的宽度。
　　根据探头的扫描半径我们可以计算探头的实际扫描角度。例如，80阵元的R60探头阵元间距为0.78mm，而128阵元的R60探头阵元间距为0.50mm，那么我们可以根据公式来计算扫描角度：
                        
计算出来的结果就是此探头的扫描角度了。                  

② 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。
③ 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，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。
④ 外部控制装置和电源装置
　　外部控制装置像键盘、监视器等，用于用户的对超声诊断仪进行操作控制等，而电源部分提供直流电压供各单元使用。

4 超声诊断仪的主要参数介绍[3]
① 通道
　　可等同于物理通道，对接收通道而言，通道即指具有接收隔离、前置放大、 TGC控制等具体电路的硬件。在多声束形成技术中，每一物理通道（对应一个阵元）将分为多个虚拟通道（或称逻辑通道），产生不同的延迟时间后与相邻的阵元信号相加，形成不同的声束。
② 阵元
　　将探头换能器（压电陶瓷）均衡的进行切割分成例如80份或128份（超声探头中一般一个晶片等同于一个阵元），每一份就是一个阵元，分成80份的探头就是80阵元的探头，分成128份的探头就叫128阵元的探头。
　　例如80阵元的探头在进行信号发射时，由每个通道给对应的阵元一个信号，对应的阵元就发射一束声波，第一时间里就有32（1-32）个阵元收到信号发射了声波，此时第一通道对应第一阵元，第二通道对应第二阵元，以此类推。第二次发射时仍然有32（2-33）个阵元收到信号发射了声波，此时第一通道对应第二阵元，第二通道对应第三阵元，以此类推，第三十二通道对应第三十三阵元。当第80阵元被激活发射了声波，收到回波信号后此时第一幅超声图像得以形成。

③ 线相关
线数：每帧图像有多少根线
低密度发射：每线以一个阵元间距为线间距进行发射，组成的超声图像；在此密度下发射，图像的线密度在数量上等于探头阵元数。
高密度发射：每线以1/2个阵元间距为线间距进行发射，组成的超声图像；在此密度下发射，图像的线密度在数量上等于2倍的探头阵元数。

④ 帧相关
　　是一种滤除噪声，对图像进行平滑的功能。由于噪声是杂乱无章的，所以每个时间段里噪声的位置是不同的，而人体组织在短时间内几乎没有什么变化，所以把2幅图像进行重叠后可以使噪声淡化、消除，而对人体组织的图像进行加强。帧相关是图像在时间域的平均。

⑤ 帧频
　　也叫成像帧率，是指每秒成像的帧数。帧频越高，图像显示就越平稳，实时性也越好。帧频的高低取决于成像设备的性能、是否使用多声束形成技术和探测深度，其中探测深度对成像帧率起决定性的作用。探测深度越小，成像帧率就越高；使用多声束形成技术，成像帧率也可进一步提高。
帧频可以通过以下公式进行计算：
帧频 = 1 / [2 × 显示深度（单位m） / 声速（1540m/s） × 线密度（80阵元：160线/帧；128阵元：256线/帧）× 焦点数]
帧频与阵元数、线数、焦点数、探测深度相关，都成反比。
另外探头发射角度可变可调，通过减小探头发射角度，可以提高图像帧频。
⑥ DSC
DSC：数字扫描变换器，主要完成图像的坐标变换以及插值处理，将声线的数字信号转变为超声图像的处理过程。
前处理：在接到超声信号到进行DSC处理之前进行的数据处理都叫前处理（如：线相关、横向滤波、包络检波、对数压缩等）。
后处理：在进行DSC处理之后，对图像进行的相关处理叫后处理（如：左右翻转、上下翻转、正负翻转、伽马校正、边缘增强等）。
⑦ 灰阶
　　超声显示的图像会以不同的亮度级来表示振幅强弱。灰阶数越大，能分辨的灰度越多，越能显示微小病灶。目前常见的是256灰阶，表示有0—255个灰度级。
⑧ 动态范围
　　表示接收信号的动态变化幅度，单位为分贝（dB），动态范围越大，其信号应用区域就越广，而病灶的包容量就越大。（如：当显示器的动态范围为0-30dB时，表明该显示器只能接收并显示0-30dB范围内的信号，当输入的信号超过30dB时，就会导致超过范围的信号丢失，使得显示的图像不完整，需要进行对数压缩进行图像还原）
⑨ 声功率
　　是指换能器发射出的超声波的功率。提高声功率可提高探测深度。但是提高声功率要增大电路的发射电压。这不仅给整机设计带来困难，而且必须要限制声功率在安全剂量阈值内设计和使用，尤其对胎儿和儿童要减少和避兔使用超声作检查，必要使用时必须使用低功率的超声诊断仪。
⑩ 数控动态频率扫描（DFS）[4]
　　在B超诊断中,超声的频率越高,其纵深方向的分辨率愈好。对细小目标点就显示得细腻清晰,超声图象质量就高。但由于超声在人体中传布时随着超声频率增高,声能的衰减愈大,以致使可穿透的诊断深度就愈短。所以超声的分辨率与穿透力是互为矛盾的。宽频带探头多频率同时发射，接收时系统内的数字化自适应带通滤波器，根据检查部位深浅差异，自动选择最佳的接收频率，有效地解决了分辨率和穿透力之间的矛盾，在同一幅图像上实现了最佳分辨率和最高穿透力探头同时发射出涵盖3.5MHz-5.0MHz频带的宽频超声波，a处的距离较近，所以此处的回波只接收5.0MHz频率的，b处探测距离较深所以此处的回波只接收3.5MHz频率的，这样在同一幅图像上实现了最佳分辨率和最高穿透力。

⑾实时逐点动态接受聚焦（DRF）[4]
　　由于探头表面呈弧，各阵元发射出的声束在同一点所产生的回波到达各阵元的时间各不相同，为了使各阵元接收到的回波信号能达到一致，就需要对不同的阵元回波信号进行延时，由于探测深度的变化，各阵元回波信号的延时各不相同。通过数字控制，使得在不同深度的回波信号的延时随着深度的变化进行动态改变，这样每个阵元在每个探测深度点的回波信号能同时到达以实现逐点聚焦。

5 结束语
　　随着计算机技术的发展,灰阶成像的基本功能和多普勒将会发挥更大的作用。超声诊断仪未来的发展趋势是宽频带化、数字化、多功能化、多维化、信息化。现今的超声诊断领域已出现了新的技术，像超声内窥镜，这是B超技术与内窥镜技术的结合；超声CT是在二维超声图像上移动超声焦点，对局部脏器进行放大来实施细微观察；三维超声利用计算机进行三维重建图像；四维超声在三维超声的基础上加上时间参数，形成三维立体电影回放图像；血管内超声利用介入技术对血管内情况进行诊断。随着人们的不断追求，还将涌现出更多的新技术，使得超声诊断技术在临床诊疗上发挥更大的作用和应用空间。
【参考文献】
【1】李建国，B超专业人员培训教材，北京大学医学出版社，2004；
【2】张一菲，B超工作原理及检测技巧，才智，2011年09期，R197.39；【3】魏红，B超原理分析与检定，江苏计量测试学术论文集（2009），2009年，TH776；
【4】赵家镇，超声成像设备的技术简述，医疗设备信息，2001（3）：32-33；