第1章 超聲類設備

1.1 概述

聲波由物體振動產生。物體每秒振動的次數稱為聲波的頻率，單位是赫茲(Hz)。聲波按頻率可分為次聲波（頻率小于20Hz）、可聞聲波（頻率為20～20000Hz，人類耳朵能夠聽到）和超聲波（頻率大于20000Hz）。其中，超聲波具有方向性好、反射能力強、聲能集中等特點，被廣泛運用于醫學、軍事、工業等多個領域。在醫學領域應用最廣泛的超聲類設備是用于臨床診斷的超聲診斷儀。本節將從超聲診斷儀的基本原理、結構組成、類型、臨床應用、發展簡史五個方面對其展開介紹。

1.1.1 超聲診斷儀的基本原理

超聲診斷儀的主要工作原理是超聲在人體中傳播時的反射現象。超聲波發射到人體內，在遇到人體界面時會發生反射現象。人體各組織形態與結構存在差異，其反射超聲波的程度也各不相同，醫護人員可通過分析超聲診斷儀所呈現的回波波形、曲線及影像特征，并結合解剖學、病理學等相關知識來診斷所檢查的器官是否正常。超聲診斷儀的顯示方式比較多，主要有A型(amplitude mode)、M型(motion mode)、B型(brightness mode)、D型(doppler mode)，下面分別介紹其原理。

1.1.1.1 A型超聲診斷儀

A型超聲診斷儀（簡稱A超，見圖1-1）采用幅度調制的方法進行診斷，以回聲幅度的高低來表示組織回波信號的強弱，形成一維超聲振幅波型，主要用于測量器官的徑線。它由探頭定點發射超聲波并獲得回波所在位置，從而測得人體臟器的厚度、病灶在人體組織中的深度以及病灶的大小，并對病灶進行定性分析（液性病灶或者實質性病灶）。A超的特點是原理簡單，組織鑒別力較高，測量距離精確度高。目前，A超主要用于眼活體的結構測量，包括前房深度、晶狀體厚度、玻璃體腔長度和軸長度。

1.1.1.2 M型超聲診斷儀

M型超聲診斷儀（簡稱M超）也被稱為時間-運動型(time-motion mode)超聲診斷儀。它以亮度的強弱來表示組織回波信號的強弱（見圖1-2），同時通過慢掃描電路使得到的亮度可以隨時間展開，形成連續曲線，以反映一維組織結構和運動信息。M超主要用于分析心臟和大血管的運動幅度。它對心房黏液瘤、附壁血栓及心包積液等的診斷較準確，可為先天性心臟病、瓣膜脫垂等的診斷提供重要的影像學依據。

1.1.1.3 B型超聲診斷儀

B型超聲診斷儀（簡稱B超），以亮度的強弱來表示組織回波信號的強弱，并采用多聲束掃描法，將獲得的各掃描線整合組成二維灰度圖像（見圖1-3）。圖像灰階的級差與模數轉換器的位數(bit)有關，位數越高，灰階級差（梯度）越小，圖像的分辨率越高，越能反映臟器細微的回聲變化。因此，B超可實現二維斷面圖像及實時組織結構的顯示，具有形象直觀、方便診斷等特點。

1.1.1.4 D型超聲診斷儀

D型超聲診斷儀（簡稱D超），又稱多普勒成像超聲，以幅度的大小顯示目標（如血流等）速度的大小，并顯示該速度隨時間的變化（見圖1-4）。它能夠較準確地測量血流速度，主要用于檢測心臟及血管的血流動力學狀態，其特點為對病人無損傷，操作簡單、迅速，方便重復應用。D超包括脈沖式多普勒、連續式多普勒、能量多普勒以及彩色多普勒血流顯像等四種。

D超中的彩色多普勒超聲診斷儀（簡稱彩超）是目前最常用的超聲設備之一。彩超形成的二維圖像以色彩的飽和度表示目標速度的大小，以顏色表示目標速度的方向。流向超聲探頭方向的血流一般用紅色表示，相反方向的血流則用藍色表示（見圖1-5）。彩超能夠直觀地顯示血流動力學狀態，對研究先天性心臟病和瓣膜病的分流及反流情況有較重要的價值。

1.1.2 超聲診斷儀的結構組成

超聲診斷儀主要由超聲探頭（換能器）、發射模塊、接收模塊、圖像處理模塊和系統控制模塊等組成，下面分別對這幾個模塊進行詳細介紹。

1.1.2.1 超聲探頭（換能器）

超聲探頭（換能器）是利用壓電效應及逆壓電效應實現電能和機械能轉換的器件，其具體工作原理為：將電子線路產生的電激勵信號轉換成超聲脈沖信號射入人體，并將人體組織產生的超聲回波信號轉換成可接收的電信號。超聲探頭一般由聲透鏡、匹配層、壓電振子、墊襯和電極引線組成（見圖1-6）。

超聲探頭可以按以下幾種方式進行分類。

(1)按探頭所用陣元數，可分為單元探頭和多元探頭。

(2)按工作方式，可分為電子掃描式探頭（包括線陣型、凸陣型及電子相控陣型）和機械掃描式探頭（包括擺動式及旋轉式）。

(3)按探頭的形狀，可分為矩形探頭、弧形探頭、柱形探頭和圓形探頭等。

(4)按診斷部位，可分為顱腦探頭、眼科探頭、心臟探頭、腔內探頭和腹部探頭等。

(5)按應用方式，可分為體內探頭、體外探頭和穿刺活檢探頭。

1.1.2.2 發射模塊

發射模塊通常由發射時序生成模塊、發射驅動模塊、通道選擇模塊、探頭切換模塊等組成（見圖1-7）。

(1)發射時序生成模塊

發射時序生成模塊根據探頭類型、成像模式、圖像參數（如焦點位置）、掃描時序等生成發射脈沖的控制時序，輸出控制信號LVP[Z]控制發射驅動模塊產生高壓發射脈沖。

(2)發射驅動模塊

發射驅動模塊用于生成最終發射脈沖序列TR[M]。其中，發射脈沖的時序（脈沖重復頻率、單次發射脈沖個數和每個脈沖寬度）由發射時序生成模塊產生的時序控制信號決定；發射脈沖的幅度由程控電壓的電壓值決定。

(3)探頭切換模塊

探頭切換模塊負責將發射與接收信號切換到相應的探頭插座，脈沖發射與接收信號共用通道（分時復用）。TR[N]中的“TR”為脈沖發射的收發信號，“N”為探頭的陣元數（探頭中有通道選擇電路的探頭除外）。

1.1.2.3 接收模塊

接收模塊主要由高壓隔離模塊、低噪聲放大模塊、可變增益放大器模塊、VGA控制信號生成模塊、AD采樣模塊、波束合成模塊和包絡檢測模塊組成（見圖1-8）。

(1)高壓隔離模塊

發射與接收對應通道連接在一起，因此發射的高壓脈沖不只會傳輸到探頭，其中一部分高壓脈沖還會傳輸至接收電路。而接收電路都是低壓器件，不耐高壓，故需要引入高壓隔離模塊，用于保護接收電路不被高壓脈沖損壞。高壓隔離模塊既可以保證將發射脈沖限幅至安全電壓，又可以保證回波信號不失真地通過。

(2)低噪聲放大模塊

超聲的回波信號比較小，因此要通過低噪聲放大模塊將其放大一定倍數來提高信號的信噪比。

(3)可變增益放大模塊

超聲信號經過人體反射回探頭，遠場（深處）衰減多，近場（淺處）衰減少。因此，一般采用可變增益放大補償遠近場衰減的不同，使得遠場的放大倍數比近場大且均勻過渡，以保證遠近場回波信號幅度的一致性。

(4)VGA控制信號生成模塊

該模塊能產生一個電壓信號，控制可變增益放大器的增益，使可變增益放大器按照預期設定改變增益（放大倍數）。

(5)AD采樣模塊

該模塊負責將模擬信號轉換為數字信號。當其輸入的模擬信號為M路信號時，需要M個AD芯片。由于輸入信號沒有去掉發射載波，因此該模塊對AD芯片的采樣頻率要求比較高。

(6)波束合成模塊

該模塊通過延時把M路回波信號合成一路信號，從而達到信號增強的目的，最終輸出一路信號Q。

(7)包絡檢測模塊

二維圖像的信息包含在回波信號的幅度中，通過包絡檢測模塊可以得到回波的幅度信息，從而得到圖像信息。

1.1.2.4 圖像處理模塊和系統控制模塊

圖像處理模塊主要負責對接收模塊接收到的回波信號進行一系列處理并形成全電視信號。系統控制模塊主要負責控制超聲診斷儀內部各個不同功能模塊，使各模塊有序協調運行。由于不同類型的超聲診斷儀工作原理不同，所以不同超聲診斷儀中這兩個模塊的差異較大，這里就不具體展開描述。

1.1.3 超聲診斷儀的類型

超聲診斷儀按外形可分為臺式超聲和便攜式超聲兩類，按顯示色彩可分為黑白超和彩超兩類，具體介紹如下。

(1)臺式超聲診斷儀一般由顯示器、控制面板、超聲主機和探頭組成（見圖1-9和圖1-10）。臺式超聲診斷儀按功能可分為全身機、心臟機、婦產機等，其特點是圖像清晰、配置多樣，可滿足臨床不同的使用場景及需求。

(2)便攜式超聲診斷儀一般為類似筆記本電腦或平板電腦的超聲診斷儀，可同時接1～3把探頭（見圖1-11和圖1-12），主要應用于麻醉、急診、ICU等科室。其功能雖然不如臺式超聲診斷儀配置豐富多樣，但較臺式超聲診斷儀輕便、易搬運。

1.1.4 超聲診斷儀的臨床應用

超聲成像與X線成像、磁共振成像、核素顯像為醫學影像學(medical imageology)的四大影像技術，具有圖像清晰、分辨率高、對人體安全無害、重復性好、能實時顯示、費用低、機動靈活等特點，被廣泛用于產科、婦科、消化科、泌尿科、心血管科、胸科、普外科、眼科、口腔科、骨科等。超聲診斷儀不僅可用于確定受檢者是否妊娠，胎位、胎兒發育情況，以及胎兒有無畸形等，而且可用于檢查諸多人體器官是否有病變及病變情況。

1.1.5 超聲診斷儀的發展簡史

1.1.5.1 國外發展史

1880年，法國科學家皮埃爾·居里(Pierre Curie)和雅克·保羅·居里(Jacques Paul Curie)發現了壓電效應，這是超聲探頭工作的基礎。1929年，蘇聯學者謝爾蓋·索科洛夫(Sergeo Sokolov)發表了一篇文章，提出了利用超聲波良好的穿透性來檢測不透明物體內部缺陷的設想，并于1935年申請了穿透法專利。1940年，美國科學家佛洛迪·法爾斯通(Flody Firestone)首次介紹了基于脈沖發射法的超聲檢測儀器，并在之后幾年進行了試驗和完善。1942年，奧地利科學家卡爾·西奧多·杜西克(Karl Theodore Dussik)首次使用A型超聲裝置采用穿透法成功測量了顱腦內部結構（A型超聲診斷法）。1946年，英國的唐納德·奧爾·斯普勞爾(Donald Orr Sproule)成功研制了第一臺A型脈沖反射式超聲波檢測儀。1952年，美國科學家道格拉斯·霍瑞(Douglass Howry)開始研究超聲顯像法（B超），并于1954年將B超應用于臨床。1954年，瑞典科學家英奇·埃德勒(Inge Edler)與西門子公司工程師卡爾·赫茲(Carl Hertz)合作，開始用M型超聲（M超）診斷多種心血管疾病。1957年，脈沖多普勒超聲技術（D超）首次被日本科學家里村茂夫用于醫學診斷。20世紀80年代，美國先進技術研究院(Advanced Technology Laboratories, ATL)生產出了全球第一臺數字化彩色超聲診斷儀，由于其具有彩色血流分布圖，故被人們形象地稱為彩超。在此之后，現代超聲發展迅速、新技術層出不窮，如：法國聲科影像公司在1999年提出了超聲彈性成像技術；沃爾沃公司在2000年左右推出了超聲造影技術；日立公司于2003年推出了按壓式彈性成像；西門子公司于2008年推出了聲壓力主動式彈性成像模式（也稱聲輻射力）。

1.1.5.2 國內發展史

1958年，上海市第六人民醫院率先采用江南Ⅰ型超聲波探傷儀對人體進行探索，成為我國超聲診斷技術應用的發源地。1965年，姚錦鐘成功開發出CTS-5型A型超聲診斷設備，該設備成為此后約20年我國唯一一臺A超診斷設備。1983年，姚錦鐘在汕頭研制出CTS-18型B型超聲診斷設備，實現了我國B型超聲設備零的突破。1989年，安科推出了我國第一臺彩色多普勒超聲診斷設備。1993年，邁瑞推出了我國第一臺經顱多普勒腦血流診斷設備。2001年，邁瑞推出了我國第一臺全數字黑白超聲診斷設備DP-9900。2003年，開立推出了我國第一臺具有自主知識產權的便攜式彩超SSI-1000。2006年，邁瑞推出了我國第一臺具有自主知識產權的臺式彩超DC-6。此后，無錫海鷹、汕頭超聲電子、深圳藍韻、深圳華聲等眾多公司也積極加入了超聲領域，我國超聲設備進入了迅速發展時代。