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行业资讯



B超成像原理


一、前言

1.首先让我们谈谈什么是超声波

 大家知道人耳能听到的声音频率为20Hz----20KHz,低于20Hz的声波为次声波,人耳是听不到的,高于20KHz的声波为超声波,人耳也是听不见的。

 超声波之所以被广泛用于医疗领域是因为他有许多奇妙的特点:

1.1 由于超声波频率高、波长短,他可以像光那样沿直线传播,使得我们有可能向某已确定方向上发射超声波

1.2 声波是纵波,可以顺利地在人体组织里传播

1.3. 超声波遇到不同的介质交接面时会产生反射波,这些特点构成了今天超声仪器在医学领域广泛应用的基础。

 

2. B超成像的基本原理就是:向人体发射一组超声波,按一定的方向进行扫描。根据监测其回声的延迟时间,强弱就可以判断脏器的距离及性质。经过电子电路和计算机的处理, 形成了我们今天的B超图像。B超的关键部件就是我们所说的超声探头 (probe),其内部有一组超声换能器,是由一组具有压电效应的特殊晶体制成。

这种压电晶体具有特殊的性质,就是在晶体特定方向上加上电压,晶体会发生形变,反过来当晶体发生形变时,对应方向上就会产生电压,实现了电信号与超声波的转换。一般的B超工作过程为: 当探头获得激励脉冲后发射超声波, (同时探头受聚焦延迟电路控制,实现声波的声学聚焦。) 然后经过一段时间延迟后再由探头接受反射回的回声信号,探头接收回来的回声信号经过滤波,对数放大等信号处理。然后由DSC电路进行数字变换形成数字信号,在CPU控制下进一步进行图像处理, 再同图表形成电路和测量电路一起合成视频信号送给显示器形成我们所熟悉的B超图像,也称二维黑白超声图像。

 3. 彩超

 以上我们谈到了黑白B超,再让我们谈谈彩色B超,即“彩超”。其实彩超并不是看到了人体组织的真正的颜色,而是在黑白B超图像基础上加上以多普勒效应原理为基础的伪彩而形成的。

那么何谓多普勒效应呢,当我们站在火车站台上听有远处开来的火车笛叫声会比远离我们的火车笛叫声音调要高,也就是说对于静止的观测者来说,向着观测者运动物体发出的声波频率会升高,相反频率会降低,这就是著名的多普勒效应。现代医用超声就是利用了这一效应,当超声波碰到流向远离探头液体时回声频率会降低,流向探头的液体会使探头接收的回声信号频率升高。利用计算机伪彩技术加以描述,使我们能判定超声图像中流动液体的方向及流速的大小和性质,并将此叠加在二维黑白超声图像上,形成了我们今天见到的彩超图像。

 

4.有以下性能指标可以大致判定一台超声性能的好坏。

4.1 黑白超声

4.1.1 灰 阶: 早期机器在16—64灰阶,现代机器多在256灰阶。

4.1.2  分 辨 率: 要用专用模块检测,,由经验的超声医生用肉眼也可以判断。

4.1.3 功 能: 有 M型,多普勒功能,多种测量能力(距离,面积,周长,体积),多幅图像存储,多段 STC自由控制,动态聚焦,可配宽频探头,由变频功能。 

4.1.4 探 头: 可配多种探头能力,如:心脏、腹部、凸阵、相控、阴道探头、直肠探头、 食道探头 、穿刺探头、术中探头、高频探头等等。 

4.1.5  图像处理:黑白翻转,图像边缘处理,平滑处理, γ修正等

4.1.6 主要黑白B超厂家有: 我国汕头超声研究所,海鹰厂,四川绵阳;德国西门子,美国GE,荷兰philips,日本东芝,日本阿洛卡,日本岛津,日本福田电子等。

 

4.2 彩超

4.2.1 图象质量: 优良的二维黑白图象,彩色图象颜色均匀,无小方块感觉。

4.2.2 全数字化宽频技术: 指超声发射;接收;延迟等全部数字化。 

4.2.3 具有二次谐波技术: 利用造影剂增强血管现影效果。

4.2.4  三维血管造影技术: 利用计算机进行三位重建。

4.2.5 丰富的计算功能: 产科软件包(BPD,CRL,FL,HC,AC,GS,CI,APD, BD.) 心脏软件包泌尿软件包。 主要生产厂家:我国的深圳安科公司,沈阳东大阿尔派,德国西门子,美国HP,GE,ATL,百胜,阿克松,日本东芝,阿洛卡,韩国麦迪逊等。

 

5.最后我们探讨一下B超领域的新技术:

5.1超声内窥镜:这是B超技术与内窥镜技术的结合,通俗地讲就是制作一条细长的B超探头借助现代内窥镜技术进行内脏超近距离B超检查,可以更加细致地观察。目前有经食道心脏超声,经胃/十二指肠内窥镜超声,腹腔镜超声等。

5.2 超 声 CT :在二维超声图象上移动超声焦点,对局部脏器进行放大,实施细微观察。它的应用局限性是所观察器官与周围器官解剖位置不清析。此技术由西门子公司率先开发。

5.3 三 维 超 声: 用专用探头对脏器进行容积式扫描,然后利用计算机进行三位重建,获得三维图象。

5.4 四 维 超 声: 实际上此种技术是在三维超声基础上加上时间参数,形成三维立体电影回放图象。

5.5 血 管 内超 声:有一种直径只有几个毫米的特制超声探头,利用介入技术将探头插入血管内,对血管内情况进行仔细观察,为介入治疗提供可靠的依据。

5.6 手提式彩色超声:随着现代电子技术的发展,使彩超这种复杂的电子仪器小型化了,在保证主要功能的前提下出现了手提式彩超。这种彩超主要应用于术中或集诊急救,另外在军队野外作战也广范用途。

 

 二、详述B超原理

 1. B型超声仪的工作原理

   B型超声仪的工作原理与A型仪基本相同。它是由主控电路、发射电路、接收电路(高频信号放大

器、视频信号放大器)、扫描发生器、图像显示器(电子枪、偏转系统、荧光屏)和换能器构成的。

   主控电路又称同步触发信号发生器,它周期地产生同步触发脉冲信号,分别触发发射电路和扫描发

生器中的时基扫描电路。超声脉冲发射的重复频率是由它控制的,通常同步触发信号的重复频率就是

超声脉冲发射的重复频率。

发射电路在受同步信号触发时,产生高频电脉冲激励换能器。

接收电路接收由人体受检组织反射的超声信息,有以下几个主要过程:

 ①对高频超声信号放大和对数压缩;

 ②对高频超声信号检波,转变为视频信号;

 ③对视频信号进行放大;

 ④把放大了的视频信号显示在显示器上。


 


换能器将回波信号转换成高频电信号后,被检波器检出的视频包络信号要经过视频信号放大器放大 和处理,然后加到显示器的栅极进行亮度调制。

扫描发生器产生扫描电压,使电子束按一定的规律扫描,在显示器上显示出切面图像。

超声回波信号的显示是通过显示器件来实现的,常见的显示器是阴极射线管(CRT)。阴极射线管有静电式(示波管)和磁偏转式(显像管)两种,两者的基本结构相同,主要区别是前者采用电场偏转,而后者采用磁偏转系统。

电子板的作用是发射高速且很细的电子束。偏转系统的作用是控制电子束,使其随外加电压的变化而偏转。

A型和B型超声仪工作原理的主要不同点是:①B型将A型的幅度调制显示改为辉度调制显示,它将放大后的回声脉冲电信号送到显示器的阴极(或控制栅上),使显示的亮度随信号大小变化;②B型的时基深度扫描一般加在显示器的垂直方向,声束必须扫描,和显示器水平方向上的位移扫描相应,以构成一幅切面显示图。因此,B型仪器也称为切面显像仪或二维显像仪。


2. B型超声的特别与限度

2.1 B型(brightnessmodulationmode)超声,为辉度调制型,其原理与A型相同,其不同点有三:①它将回声脉冲电信号放大后送到显示器的阴极,使显示的亮度随信号的大小而变化;②B型超声发射的声束必经扫描,加在显示器垂直方向的时基扫描与声束同步,以构成一幅二维切面声像图;③医生根据声像图所得之人体信息诊断疾病,而不是像A型超声那样根据波型所反映的人体信息诊病。

2.2  B型超声具有如下特点:它将从人体反射回来的回波信号以光点形式组成切面图像。此种图像与人体的解剖结构极其相似,故能直观地显示脏器的大小、形态、内部结构,并可将实质性、液性或含气性组织区分开来。

 超声的传播速度快,成像速度快,每次扫描即产生一幅图像,快速地重复扫描。产生众多的图像组合起来便构成了实时动态图像。因而能够实时地观察心脏的运动功能、胎心搏动,以及胃肠蠕动等。

 由于人体内组织的密谋不同,相邻两种组织的声阻抗也不同,当声阻抗差达千分之一时,两组织界面便会产生回声反射,从而将两组织区分开来。超声对软组织的这种分辨力是X射线的100倍以上。

 此外,B型超声尚具操作简便,价格便宜、无损伤无痛苦,适用范围广等特点,因而已被广大患者和临床医师所接受。

2.3  B型超声也还存在下述问题:①显示的是二维切面图像,对脏器和病灶的空间构形和空间位置不能清晰显示;②由于切面范围和探查深度有限,尤其扇扫时声穿较小,对病变所在脏器或组织的毗邻结构显示不清;③对过度肥胖病人,含气空腔(胃、肠)和含气组织()以及骨骼等显示极差,影响显像效果。

 

3. B超原理及维修检测方法

超声诊断具有无侵袭,不影响人体,适应性广等优点,目前它已成为临床诊断上不可缺少的手段,特别是以超声图像技术为中心的B型超声系统已成为普遍使用的医学检查手段,在临床各个领域中的应用已趋广泛,它作为一种主要的诊疗手段,显示其在各类疾病的应用价值,超声技术的迅速发展,由于B超系统结构复杂故障频繁,设备引进时多数没有维修手册,给设备维修带来了很大困难,本文通过了解B超仪的工作原理,详细分析系统基本结构和信号流程,还能够判断故障点并予以排除。

 3.1 超声系统的结构与原理分析

目前常用的B超系统的扫描方式可分为线阵扫描和相控扇扫两种。线阵扫描B超系统的基本原理是将若干组超声换能器依直线排列,由控制系统控制,连续依次激励各组换能器,形成扫描波束。同时,换能器接收回波信号。当前一组换能器完全接收回波后,下一相邻组换能器,才开始工作。同时,采用相控技术进行波束聚焦,使得回波信号得到增强,并将其送到信号处理系统,信号处理系统再将回波信号根据需要进行处理后,变成视频信号输出,供给显示器,图像记录仪进行记录,相控扇扫B超系统的原理与线阵扫描B超系统的原理相同,不同之处只是换能器的扫描控制方式。

相控扇扫是利用控制器,按特定的时差规律顺序,使换能器被等级差时间延迟的激励脉冲激发发射超声波,通过不同相位超声波的功率叠加,形成特定角度的波束,改变各换能器的发射相位差,可以使波束角度改变,形成扇扫波束。下面就以相控阵超声系统为例,分析B型超声系统的主要结构和原理;可分为两大部分,即控制系统部分和成像系统部分。控制器系统部分是整个系统控制中心,它接受操作者的控制命令。成像系统又由扫描器子系统和扫描转换器子系统两部分组成,在扫描器子系统分配器单元及前端处理器单元能根据需要选择相应的探头,对探头发送激励电压,并且接受相应的回波信号,延时电路是扫描器的心脏部分,它分成粗延时和细延时两部分,提供发射和接收时聚焦和相控所需要的延时,图像检测电路和多普勒检测电路包括二维M方式下成像所需要的所有滤波和检测电路,以及对多普勒信号和血流信号进行检测处理,产生的超声回波合成信号供给扫描转换器子系统进行进一步处理。TGC电路产生对应于TGC前控制面版上设定的电压并为延时电路提供时钟信号。扫描器通过RS232与其他子系统通讯。

扫描转换器子系统由以下部分组成:

     扫描器IO接口电路;

     ②多普勒处理器单元;

     ③彩色血流处理器电路对从扫描器IO电路接收到的数字化血流信号进行检测,然后把血流信号和二维信号叠加在一起;

     ④M方式、生理频谱电路把M方式生理信号、多普勒等数字信号,根据需要进行处理后,送人视频IO接口板;

     ⑤坐标变换电路利用特定的算法将声数据的报坐标信号变换成光输出的直角坐标信号;

     ⑥图像存储器单元用于存储图像信号,供给视频输入输出电路;

     ⑦图像处理单元;

     ⑧视频输入/输出电路将各种图像、字符、信号合成输出到彩色监视器供操作者观察,同时向视频打印机和录像机提供视频信号。


3.2 B型超声诊断仪(简称B超)是在A超基础上发展起来的,它的工作原理与A超基本相同,也是利用脉冲回波成像技术。因此它的基本构成也是由探头、发射电路、接收电路和显示系统组成。

 所不同的是:

 ①B超将A超的幅度调制显示改为亮度调制显示;

 ②B超的时基深度扫描时加在显示器垂直方向上,并使声束扫查受检体的过程与在显示器水平方向上的位移扫描相对应;

 ③在回波信号处理与图象处理各环节上,大部分的B超都应用了专门的数字计算机控制数字信号的存储与处理以及整个成像系统的运行,使图象质量大为提高。

 从1952年用B型超声成像仪对肝脏标本显像以来,经过10年的不断发展,第一代单探头慢扫描B型断层显像仪在临床上开始应用。70年代又相继出现了第二代快速机械扫描和高速实时多探头电子扫描超声断层显像仪。80年代,以计算机图像处理为主导的自动化、定量化程度更高的第四代超声显像仪步入了应用阶段。当前超声诊断正向着专门化、智能化发展。


4.  应用范围

 B型实时成像仪用于诊断的依据是断层图像的特征,主要由图像形态、辉度、内部结构、边界回声、回声总体、脏器后方情况以及周围组织表现等,它在临床医学方面应用十分广泛。

 4.1 在妇产科中的探测

 可以显示胎头、胎体、胎位、胎心、胎盘、宫外孕、死胎、葡萄胎、无脑儿、盆腔肿块等,也可以根据胎头的大小估计妊娠周数。

4.2 人体内部脏器的轮廓及其内部结构的探测

 如肝、胆、脾、肾、胰和膀胱等外形及其内部结构;区分肿块的性质,如浸润性病变往往无边界回声或边缘不气,若肿块有膜时其边界有回声且显示平滑;也可显示动态器官,如心脏瓣膜的运动情况等。

4.3 表浅器官内布组织探测

 如眼睛、甲状腺、乳房等内部结构的探查和线度的测量


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