第1章 超声类设备

1.1 概述

声波由物体振动产生。物体每秒振动的次数称为声波的频率，单位是赫兹(Hz)。声波按频率可分为次声波（频率小于20Hz）、可闻声波（频率为20～20000Hz，人类耳朵能够听到）和超声波（频率大于20000Hz）。其中，超声波具有方向性好、反射能力强、声能集中等特点，被广泛运用于医学、军事、工业等多个领域。在医学领域应用最广泛的超声类设备是用于临床诊断的超声诊断仪。本节将从超声诊断仪的基本原理、结构组成、类型、临床应用、发展简史五个方面对其展开介绍。

1.1.1 超声诊断仪的基本原理

超声诊断仪的主要工作原理是超声在人体中传播时的反射现象。超声波发射到人体内，在遇到人体界面时会发生反射现象。人体各组织形态与结构存在差异，其反射超声波的程度也各不相同，医护人员可通过分析超声诊断仪所呈现的回波波形、曲线及影像特征，并结合解剖学、病理学等相关知识来诊断所检查的器官是否正常。超声诊断仪的显示方式比较多，主要有A型(amplitude mode)、M型(motion mode)、B型(brightness mode)、D型(doppler mode)，下面分别介绍其原理。

1.1.1.1 A型超声诊断仪

A型超声诊断仪（简称A超，见图1-1）采用幅度调制的方法进行诊断，以回声幅度的高低来表示组织回波信号的强弱，形成一维超声振幅波型，主要用于测量器官的径线。它由探头定点发射超声波并获得回波所在位置，从而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，并对病灶进行定性分析（液性病灶或者实质性病灶）。A超的特点是原理简单，组织鉴别力较高，测量距离精确度高。目前，A超主要用于眼活体的结构测量，包括前房深度、晶状体厚度、玻璃体腔长度和轴长度。

1.1.1.2 M型超声诊断仪

M型超声诊断仪（简称M超）也被称为时间-运动型(time-motion mode)超声诊断仪。它以亮度的强弱来表示组织回波信号的强弱（见图1-2），同时通过慢扫描电路使得到的亮度可以随时间展开，形成连续曲线，以反映一维组织结构和运动信息。M超主要用于分析心脏和大血管的运动幅度。它对心房黏液瘤、附壁血栓及心包积液等的诊断较准确，可为先天性心脏病、瓣膜脱垂等的诊断提供重要的影像学依据。

1.1.1.3 B型超声诊断仪

B型超声诊断仪（简称B超），以亮度的强弱来表示组织回波信号的强弱，并采用多声束扫描法，将获得的各扫描线整合组成二维灰度图像（见图1-3）。图像灰阶的级差与模数转换器的位数(bit)有关，位数越高，灰阶级差（梯度）越小，图像的分辨率越高，越能反映脏器细微的回声变化。因此，B超可实现二维断面图像及实时组织结构的显示，具有形象直观、方便诊断等特点。

1.1.1.4 D型超声诊断仪

D型超声诊断仪（简称D超），又称多普勒成像超声，以幅度的大小显示目标（如血流等）速度的大小，并显示该速度随时间的变化（见图1-4）。它能够较准确地测量血流速度，主要用于检测心脏及血管的血流动力学状态，其特点为对病人无损伤，操作简单、迅速，方便重复应用。D超包括脉冲式多普勒、连续式多普勒、能量多普勒以及彩色多普勒血流显像等四种。

D超中的彩色多普勒超声诊断仪（简称彩超）是目前最常用的超声设备之一。彩超形成的二维图像以色彩的饱和度表示目标速度的大小，以颜色表示目标速度的方向。流向超声探头方向的血流一般用红色表示，相反方向的血流则用蓝色表示（见图1-5）。彩超能够直观地显示血流动力学状态，对研究先天性心脏病和瓣膜病的分流及反流情况有较重要的价值。

1.1.2 超声诊断仪的结构组成

超声诊断仪主要由超声探头（换能器）、发射模块、接收模块、图像处理模块和系统控制模块等组成，下面分别对这几个模块进行详细介绍。

1.1.2.1 超声探头（换能器）

超声探头（换能器）是利用压电效应及逆压电效应实现电能和机械能转换的器件，其具体工作原理为：将电子线路产生的电激励信号转换成超声脉冲信号射入人体，并将人体组织产生的超声回波信号转换成可接收的电信号。超声探头一般由声透镜、匹配层、压电振子、垫衬和电极引线组成（见图1-6）。

超声探头可以按以下几种方式进行分类。

(1)按探头所用阵元数，可分为单元探头和多元探头。

(2)按工作方式，可分为电子扫描式探头（包括线阵型、凸阵型及电子相控阵型）和机械扫描式探头（包括摆动式及旋转式）。

(3)按探头的形状，可分为矩形探头、弧形探头、柱形探头和圆形探头等。

(4)按诊断部位，可分为颅脑探头、眼科探头、心脏探头、腔内探头和腹部探头等。

(5)按应用方式，可分为体内探头、体外探头和穿刺活检探头。

1.1.2.2 发射模块

发射模块通常由发射时序生成模块、发射驱动模块、通道选择模块、探头切换模块等组成（见图1-7）。

(1)发射时序生成模块

发射时序生成模块根据探头类型、成像模式、图像参数（如焦点位置）、扫描时序等生成发射脉冲的控制时序，输出控制信号LVP[Z]控制发射驱动模块产生高压发射脉冲。

(2)发射驱动模块

发射驱动模块用于生成最终发射脉冲序列TR[M]。其中，发射脉冲的时序（脉冲重复频率、单次发射脉冲个数和每个脉冲宽度）由发射时序生成模块产生的时序控制信号决定；发射脉冲的幅度由程控电压的电压值决定。

(3)探头切换模块

探头切换模块负责将发射与接收信号切换到相应的探头插座，脉冲发射与接收信号共用通道（分时复用）。TR[N]中的“TR”为脉冲发射的收发信号，“N”为探头的阵元数（探头中有通道选择电路的探头除外）。

1.1.2.3 接收模块

接收模块主要由高压隔离模块、低噪声放大模块、可变增益放大器模块、VGA控制信号生成模块、AD采样模块、波束合成模块和包络检测模块组成（见图1-8）。

(1)高压隔离模块

发射与接收对应通道连接在一起，因此发射的高压脉冲不只会传输到探头，其中一部分高压脉冲还会传输至接收电路。而接收电路都是低压器件，不耐高压，故需要引入高压隔离模块，用于保护接收电路不被高压脉冲损坏。高压隔离模块既可以保证将发射脉冲限幅至安全电压，又可以保证回波信号不失真地通过。

(2)低噪声放大模块

超声的回波信号比较小，因此要通过低噪声放大模块将其放大一定倍数来提高信号的信噪比。

(3)可变增益放大模块

超声信号经过人体反射回探头，远场（深处）衰减多，近场（浅处）衰减少。因此，一般采用可变增益放大补偿远近场衰减的不同，使得远场的放大倍数比近场大且均匀过渡，以保证远近场回波信号幅度的一致性。

(4)VGA控制信号生成模块

该模块能产生一个电压信号，控制可变增益放大器的增益，使可变增益放大器按照预期设定改变增益（放大倍数）。

(5)AD采样模块

该模块负责将模拟信号转换为数字信号。当其输入的模拟信号为M路信号时，需要M个AD芯片。由于输入信号没有去掉发射载波，因此该模块对AD芯片的采样频率要求比较高。

(6)波束合成模块

该模块通过延时把M路回波信号合成一路信号，从而达到信号增强的目的，最终输出一路信号Q。

(7)包络检测模块

二维图像的信息包含在回波信号的幅度中，通过包络检测模块可以得到回波的幅度信息，从而得到图像信息。

1.1.2.4 图像处理模块和系统控制模块

图像处理模块主要负责对接收模块接收到的回波信号进行一系列处理并形成全电视信号。系统控制模块主要负责控制超声诊断仪内部各个不同功能模块，使各模块有序协调运行。由于不同类型的超声诊断仪工作原理不同，所以不同超声诊断仪中这两个模块的差异较大，这里就不具体展开描述。

1.1.3 超声诊断仪的类型

超声诊断仪按外形可分为台式超声和便携式超声两类，按显示色彩可分为黑白超和彩超两类，具体介绍如下。

(1)台式超声诊断仪一般由显示器、控制面板、超声主机和探头组成（见图1-9和图1-10）。台式超声诊断仪按功能可分为全身机、心脏机、妇产机等，其特点是图像清晰、配置多样，可满足临床不同的使用场景及需求。

(2)便携式超声诊断仪一般为类似笔记本电脑或平板电脑的超声诊断仪，可同时接1～3把探头（见图1-11和图1-12），主要应用于麻醉、急诊、ICU等科室。其功能虽然不如台式超声诊断仪配置丰富多样，但较台式超声诊断仪轻便、易搬运。

1.1.4 超声诊断仪的临床应用

超声成像与X线成像、磁共振成像、核素显像为医学影像学(medical imageology)的四大影像技术，具有图像清晰、分辨率高、对人体安全无害、重复性好、能实时显示、费用低、机动灵活等特点，被广泛用于产科、妇科、消化科、泌尿科、心血管科、胸科、普外科、眼科、口腔科、骨科等。超声诊断仪不仅可用于确定受检者是否妊娠，胎位、胎儿发育情况，以及胎儿有无畸形等，而且可用于检查诸多人体器官是否有病变及病变情况。

1.1.5 超声诊断仪的发展简史

1.1.5.1 国外发展史

1880年，法国科学家皮埃尔·居里(Pierre Curie)和雅克·保罗·居里(Jacques Paul Curie)发现了压电效应，这是超声探头工作的基础。1929年，苏联学者谢尔盖·索科洛夫(Sergeo Sokolov)发表了一篇文章，提出了利用超声波良好的穿透性来检测不透明物体内部缺陷的设想，并于1935年申请了穿透法专利。1940年，美国科学家佛洛迪·法尔斯通(Flody Firestone)首次介绍了基于脉冲发射法的超声检测仪器，并在之后几年进行了试验和完善。1942年，奥地利科学家卡尔·西奥多·杜西克(Karl Theodore Dussik)首次使用A型超声装置采用穿透法成功测量了颅脑内部结构（A型超声诊断法）。1946年，英国的唐纳德·奥尔·斯普劳尔(Donald Orr Sproule)成功研制了第一台A型脉冲反射式超声波检测仪。1952年，美国科学家道格拉斯·霍瑞(Douglass Howry)开始研究超声显像法（B超），并于1954年将B超应用于临床。1954年，瑞典科学家英奇·埃德勒(Inge Edler)与西门子公司工程师卡尔·赫兹(Carl Hertz)合作，开始用M型超声（M超）诊断多种心血管疾病。1957年，脉冲多普勒超声技术（D超）首次被日本科学家里村茂夫用于医学诊断。20世纪80年代，美国先进技术研究院(Advanced Technology Laboratories, ATL)生产出了全球第一台数字化彩色超声诊断仪，由于其具有彩色血流分布图，故被人们形象地称为彩超。在此之后，现代超声发展迅速、新技术层出不穷，如：法国声科影像公司在1999年提出了超声弹性成像技术；沃尔沃公司在2000年左右推出了超声造影技术；日立公司于2003年推出了按压式弹性成像；西门子公司于2008年推出了声压力主动式弹性成像模式（也称声辐射力）。

1.1.5.2 国内发展史

1958年，上海市第六人民医院率先采用江南Ⅰ型超声波探伤仪对人体进行探索，成为我国超声诊断技术应用的发源地。1965年，姚锦钟成功开发出CTS-5型A型超声诊断设备，该设备成为此后约20年我国唯一一台A超诊断设备。1983年，姚锦钟在汕头研制出CTS-18型B型超声诊断设备，实现了我国B型超声设备零的突破。1989年，安科推出了我国第一台彩色多普勒超声诊断设备。1993年，迈瑞推出了我国第一台经颅多普勒脑血流诊断设备。2001年，迈瑞推出了我国第一台全数字黑白超声诊断设备DP-9900。2003年，开立推出了我国第一台具有自主知识产权的便携式彩超SSI-1000。2006年，迈瑞推出了我国第一台具有自主知识产权的台式彩超DC-6。此后，无锡海鹰、汕头超声电子、深圳蓝韵、深圳华声等众多公司也积极加入了超声领域，我国超声设备进入了迅速发展时代。