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典型超声影像设备的工作原理简述

一、A型超声回波显示
  A型超声诊断仪因其回声显示采用幅度调制(amplitude modulation)而得名。A型显示是超声诊断仪最基本的一种显示方式,即在阴极射线管(CRT)荧光屏上,以横坐标代表被探测物体的深度,纵坐标代表回波脉冲的幅度,故由探头(换能器)定点发射获得回波所在的位置可测得人体脏器的厚度、病灶在人体组织中的深度以及病灶的大小。根据回波的其他一些特征,如波幅和波密度等,还可在一定程度上对病灶进行定性分析。
  A型超声诊断仪适应于医学各科的检查,从人的脑部直至体内脏器。其中应用最多的是对肝、胆、脾、肾、子宫的检查。对眼科的一些疾病,尤其是对眼内异物,用A型超声诊断仪比X线透视检查更为方便准确。在妇产科方面,对于妇女妊娠的检查以及子宫肿块的检查,也都比较准确和方便。
    由于A型显示的回波图,只能反映局部组织的回波信息,不能获得在临床诊断上需要的解剖图形,且诊断的准确性与操作医师的识图经验关系很大,因此其应用价值已渐见低落,即使在国内,A型超声诊断仪也很少生产和使用了。


 二、M型超声显示
  M型超声成像诊断仪适用于对运动脏器,如心脏的探查。由于其显示的影像是由运动回波信号对显示器扫描线实行辉度调制,并按时间顺序展开而获得一维空间多点运动时序(motion-time)图,故称之为M型超声成像诊断仪,其所得的图像也叫作超声心动图。
  M型超声诊断仪发射和接收工作原理参见图7-12(a),与A型有些相似,不同的是其显示方式。对于运动脏器,由于各界面反射回波的位置及信号大小是随时间而变化的,如果仍用幅度调制的A型显示方式进行显示,所显示波形会随时间而改变,得不到稳定的波形图。因此,M型超声诊断仪采用辉度调制的方法,使深度方向所有界面反射回波,用亮点形式在显示器垂直扫描线上显示出来,随着脏器的运动,垂直扫描线上的各点将发生位置上的变动,定时地采样这些回波并使之按时间先后逐行在屏上显示出来。图7-12(b)为一幅心脏博动时测定,所获得心脏内各反射界面的活动曲线图。可以看出,由于脏器的运动变化,活动曲线的间隔亦随之发生变化,如果脏器中某一界面是静止的,活动曲线将变为水平直线。

图7-12 M型超声诊断仪原理与成像

图7-12 M型超声诊断仪原理与成像  

M型超声诊断仪对人体中的运动脏器,如心脏、胎儿胎心、动脉血管等功能的检查具有优势,并可进行多种心功能参数的测量,如心脏瓣膜的运动速度、加速度等。但M型显示仍不能获得解剖图像,它不适用于对静态脏器的诊查。


 三、B型超声成像显示
  为了获得人体组织和脏器解剖影像,继A型超声诊断仪应用于临床之后,B型、P型、BP型、C型和F型超声成像仪又先后问世,由于它们的一个共同特点是实现了对人体组织和脏器的断层显示,通常将这类仪器称为超声断层扫描诊断仪。
  虽然B型超声成像诊断仪因其成像方式采用辉度调制(brightness modulation)而得名,其影像所显示的却是人体组织或脏器的二维超声断层图(或称剖面图),对于运动脏器,还可实现实时动态显示,所以,B型超声成像仪与A型、M型超声诊断仪在结构原理上都有较大的不同。
    B型超声成像仪和M型一样采用辉度调制方式显示深度方向所有界面反射回波,但探头发射的超声声束在水平方向上却是以快速电子扫描的方法(相当于快速等间隔改变A超探头在人体上的位置),逐次获得不同位置的深度方向所有界面的反射回波,当一帧扫描完成,便可得到一幅由超声声束扫描方向决定的垂直平面二维超声断层影像,称之为线形扫描断层影像。也可以通过改变探头的角度(机械的或者电子的方法),从而使超声波束指向方位快速变化,使每隔一定小角度,被探测方向不同深度所有界面的反射回波,都以亮点的形式显示在对应的扫描线上,便可形成一幅由探头摆动方向决定的垂直扇面二维超声断影像,称之为扇形扫描断层影像。
     如果以上提到的2种超声影像,其获取回波信息的波束扫描速度相当快,便可以满足对运动脏器的稳定取样,因而,连续不断地扫描,便可以实现实时动态显示,观察运动性脏器的动态情况。
图7-13 型超声断层扫描与成象

图7-13 型超声断层扫描与成象

线扫式断层B型超声波诊断仪适用于观察腹部脏器,如对肝、胆、脾、肾、子宫的检查,而扇扫断层B型超声波诊断仪适用于对心脏的检查。现代B型超声波诊断仪通常同时具备以上2种探查功能,通过配用不同的超声探头,方便地进行转换。图7-13显示2种超声断层影像。


四、D型超声成像显示
    D型超声成像诊断仪也即超声多普勒诊断仪,它是利用声学多普勒原理,对运动中的脏器和血液所反射回波的多普勒频移信号进行检测并处理,转换成声音、波形、色彩和辉度等信号,从而显示出人体内部器官的运动状态。超声多普勒诊断仪主要分为3种类型:即连续式超声多普勒(continuous wave doppler)成像诊断仪、脉冲式超声多普勒(pulsed wave doppler)成像诊断仪及实时二维彩色超声多普勒血流成像(color doppler flow image)诊断仪。
    连续式超声多普勒成像仪被最早应用。它是由探头中的一个换能器发射出某一频率的连续超声波信号,当声波遇到运动目标血流中的红细胞群,则反射回来的信号已是变化了频率的超声波。探头内的另外一个换能器将其检测出来转成电信号后送入主机,经高频放大后与原来的发射频率电信号进行混频、解调,取出差频信号根据处理和显示方式的不同,可转换成声音、波形或血流图以供诊断。这种方式由于难以测定距离,不能确定器官组织的位置,给应用诊断造成诸多不便。
    脉冲式超声多普勒成像仪是以断续方式发射超声波信号,因此称为脉冲式。它由门控制电路来控制发射信号的产生和选通回声信号的接收与放大,借助截取回声信号的时间段来选择测定距离,鉴别器官组织的位置。由于发射和接收的信号为脉冲式,就可以由探头内的一个换能器来完成发射和接收双重任务,这对于简化探头机械结构,避免收、发信号之间的不良藕合,提高影像质量都是十分有益的。随着脉冲多普勒技术、方向性探测、频谱处理和计算机编码技术的采用及发展,超声多普勒诊断仪不仅能够对距离进行分辨,又能判定血流的方向和速度,以多种形式提供诊断信息给医生,使其测量水平由定性迈向定量。
    实时二维彩色超声多普勒血流成像诊断仪是80年代后期心血管超声多普勒诊断领域中的最新科技成果。它将脉冲多普勒技术与二维(B型)实时超声成像和M型超声心动图结合起来,在直观的二维断面实时影像上,同时显现血流方向和相对速度,提供心血管系统在时间和空间上的信息。进而通过计算机的数字化技术和影像处理技术,使其在影像诊断仪器的构架上兼具了生理监测的功能,提供诸如血流速度、容积、流量、加速度、血管径、动脉指数等极具价值的信息;这就是俗称的“彩超”或“彩色多普勒”


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