B型超声成像诊断仪

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B型超声显示影像真实、直观，而且可以实现实时动态成像显示，具有很高的诊断价值，受到医学界的高度重视和普遍接受，因此，虽然B型超声波成像诊断仪临床应用历史不长，发展却非常迅速,目前在各级医院应用极为广泛。本节对几种应用较广又具代表性的B型超声成像诊断仪的工作原理作一扼要介绍。
    一、机械扇形扫描B超仪
    超声波束以扇形方式扫查，可以不受透声窗口窄小的限制而保持较大的探查范围。比如对心脏的探查，由于胸骨和肋骨的阻碍，就只宜用扇形扫描B型超声波诊断仪进行。由于心脏运动速度快，为了实现实时动态显示，要求用于心脏探查的扇形扫描B型诊断仪具有较高的成像速度，一般在每秒30帧以上，同时应具有足够的探查深度和适量的线密度。
    产生高速机械扇形扫描通常采用的方法有2种，其一是单振元曲柄连杆摆动法，其二是风车式多振元(3个或4个晶体换能器)旋转法。
    1.摆动式扇扫B超仪
    摆动式扇扫B超仪探头利用直流电机或步进电机驱动，通过凸轮、曲柄、连杆机构将电机的旋转运动转换为往返摆动，从而带动单个晶体换能器在一定角度(30°～90°之间)范围内产生扇形超声扫描，由于用于收发超声的晶体换能器在工作过程中是往返摆动的，因此它不能像A超探头那样直接与人体接触,而需通过某种声媒质来传递超声，通常这种声媒质为蓖麻油。这样既可以使换能器自由运动，又保证了探头发射超声能量能有效地传送。一种典型的高速机械扇形扫描B型超声诊断仪电原理方框图如图7-14所示。同步发生器控制整机的同步工作，同步信号频率通常为3～4kHz(即探头发射脉冲的重复频率),当帧频一定时，同步信号频率的高低决定了扫描的帧线数。例如，当同步信号频率取3kHz，帧扫描频率取每秒30帧，则每帧
 

图7-14 机械扇扫B超仪原理框图
扫描线为100根。适当加大同步信号的频率，在帧扫描频率不变的情况下，每帧的扫描线数可以做得更高，从而使扫描线密度加大，影像的清晰度提高。
    理论上,信号的采集可以在探头中换能器往返摆动的过程中重复进行。对30Hz帧频而言，摆动速度只需每秒15次即可。但由于机械传动系统不可避免地存在间隙,往返摆动所获得的两幅影像对应像素会出现位置上的偏差，因而使重建影像的稳定性变差。因此，接收机往往仅在换能器摆动的正程采集信号，而对逆程的回波信号予以舍弃，这就需将摆动速度提高1倍，使之达每秒30次。虽然实现这种速度在技术上并不困难，但由于摆速高，加速度大，致使噪声和振动加剧。
 

图7-15 旋转式扇扫探头示意图
  2.旋转式扇扫B超仪
    摆动式探头噪声大而且机械结构相对复杂,其寿命和扫描均匀性都不尽如人意,因此便出现了针对性的改进型设计��旋转式。旋转式基本可以克服摆动式的缺点，它的探头是采用4个（或3个）性能相同的换能器，等角度安放在一个圆形转轮上，马达带动转轮旋转，每个换能器靠近收/发窗口时开始发射和接收超声波,各换能器交替工作,如图7-15所示。因此,对于4晶片探头，转轮每旋转1周，声束对人体作4次扇形扫查，在荧光屏上获得4帧影像。而对于3晶片探头，转轮每旋转1周，在荧光屏上可获得3帧影像。当要求帧扫描为每秒30次时，驱动马达的旋转速度仅需每秒7.5周或10周。
    旋转式探头驱动马达只需单方向旋转，转速均匀，没有加速度，加之转速低，因此，扫描均匀，噪声和振动都很小，其寿命远较摆动式长。但旋转式探头对所用晶片的一致性要求很高。采用旋转式探头的扇扫B型超声诊断仪的电路原理与摆动式基本相同。
    二、高速电子线形扫描B超仪
    将多个声学上相互独立的压电晶体成一线排列称作线阵，用电子开关切换接入发射/接收电路的晶体，使之分时组合轮流工作，如果这种组合是从探头的一侧向另一侧顺序进行的，每次仅有接入电路的那一组被激励，产生合成超声波束发射并接收，即可实现电子控制下的超声波束线性扫描。
    电子线扫B型超声波诊断仪的原理如图7-16所示。
 

图7-16 电子线扫B超仪原理框图
由n个振子(或称振元)组成线阵换能器，各振子中心间距为d。每次发射和接收，由相邻m个振子构成一个组合,并借助电子开关顺序改变这种组合。比如，第1次由组合m1(假定由振子1～4组合)进行发射和接收，此时发射声束中心位于振子2、3中间,并与探头垂直;第2次发射由组合m2(由振子2-5组成)进行,此时发射声束中心位于振子3、4之间。两次发收波束空间位移为d，按顺序经过(n-m+1)次发射和接收，即可完成声束横向扫描范围为(n-m+1)d的一帧完整影像的探查。
    重建影像在垂直方向上采用平行光栅，这只要使形成光栅的x和y轴向上的锯齿波脉冲与控制信号严格同步即可。控制信号同时决定发射脉冲的重复频率和扫描光栅的行频，当发射脉冲重复频率为4kHz时，如果光栅扫描满幅线数取128线，则影像帧频约为每秒31帧。光栅扫描满幅线数的多少影响影像的质量,满幅线数愈多、即线密度愈高，则影像也愈清晰。但光栅满幅线数的多少并不是可以随意设定的,它受探头结构尺寸大小以及波束扫描方式的限制。当扫描方式确定后，在探头宽度一定的情况下，线数的多少只能依靠发射脉冲重复频率的改变来控制。当脉冲重复频率和扫描方式确定后,探头越宽，视野则越增大，但线密度必然降低。
    在探头已选定的情况下，探头中各晶体投入工作的次序和方式，即波束扫描制式将直接影响到扫描的线数，比如，将顺序扫描方式改为d/2间隔扫描方式，将可以使波束扫描的线密度提高1倍。
    三、电子相控阵扇形扫描B超仪
    应用相控技术，对施加于线阵探头的所有晶体振元的激励脉冲进行相控制，亦可以实现合成波束的扇形扫描，用此技术实现波束扫描的B型超声波诊断仪称为电子相控阵扇型扫描B超仪。
    1.相控阵扫描原理
    前已述及，对成线阵排列的多个声学上相互独立的压电晶体振元同时给予电激励，可以产生合成波束发射,且合成波束的方向与振元排列平面的法线方向一致,这种激励方式称为同相激励，其合成波束指向性如图7-17所示。
 

图7-17 同相激励指相性图
    如果对线阵排列的各振元不同时给予电激励，而是使施加到各振元的激励脉冲有一个等值的时间差τ，如图7-18（a）所示，则合成波束的波前平面与振元排列平面之间，将有一相位差θ。因此，合成波束的方向与振元排列平面的法线方向就有一相位差θ。如果均匀地减少τ值，相位差θ也将随着减少。当合成波束方向移至θ=0后，使首末端的激励脉冲时差逆转并逐渐增大，则合成波束的方向将向－θ增大的方向变化，如图7-18（b）所示。从图7-18（a）、（b）可以看出，如果对超声振元的激励给予适当的时间控制，就可以在一定角度范围内实现超声波束的扇形扫描。这种通过控制激励时间而实现波束方向变化的扫描方式，叫做相控阵扫描。
 

图7-18 项控阵探头发射波束扫描原理
    各相邻振元激励脉冲的等差时间τ与波束偏向角θ之间的关系由下式给出：
θ＝sin-1（τ·c／d）
式中，c=1540m/s，为超声波在人体软组织中传播的平均速度；d为相邻振元的中心间距。
  2.仪器组成与工作原理
    电子相控阵扇扫B型超声诊断仪的扫描单元原理如图7-19所示，整机在主控脉冲同步下工作。
    偏向角参数发生器用于在半个帧频周期内，等时差地产生64个不同周期的序列脉冲(设定每帧扫描线数为128，而单侧只有64条扫描线，所以只要64个不同的等差延迟，当设定每帧扫描线数为64时为32个)，
 

图7-19 相控阵B超扫描单元框图
这64个不同周期的序列脉冲分别代表64个偏向角的序列信号。它们分时顺序加入相位控制器。相位控制器用来把偏向角参数转换成相控阵的触发信号。每当偏向角参数发生器送入1个代表某一偏向角度的脉冲，相位控制器就产生1次发射所需的若干个等值时差为τ1的触发信号，触发信号的个数由探头振元数确定，可以是32个或者是48个。这在技术上可以采用一个32位或者48位输出的移位计数器，并通过选定移位寄存器的工作速度来保证在下一个偏向角时序脉冲到达之前，移位寄存器工作完毕。得到的32路(假设探头振元数为32)触发信号，分别送往32路发射聚焦延迟电路，各路延迟量由设定焦距而定。经聚焦延迟的32路触发信号再分送于32路脉冲激励器，所产生的32个激励脉冲分别加于探头中的32个压电振元，激励各振元产生超声波发射。
    在发射的间歇期间，来自32个振元的回波信号，通过接收延时电路合成为一路送往接收放大电路，经放大处理后送显像管的阴极进行调辉显示。需要指出的是，接收延时电路包含了接收聚焦延时和接收方向延时2个延时量，这是因为发射时32路激励脉冲接受了发射方向延时和发射聚焦延时2个延时量，因此，接收到的32路信号必须给予相应的时间补偿，才能保证它们在接收放大电路输入端同相合成。
    至此，图7-19所示电路完成了1次发射接收工作，在荧光屏上获得一条扫描线方向上的超声信息，当偏向角发生器产生的下1个时序脉冲发出时，相位控制器又产生32个等值时差为τ2(τ1≠τ2)的触发信号，并分别经过聚焦延时后去触发32路激励脉冲发生器，使探头再次发射与接收。由于τ2≠τ1，因此第2次发射波束的方向与第1次将有1个θ角位移，如此重复128次，便完成了一帧影像的扫描。
    3.相控阵扇扫与机械扇扫2种方式的比较
    机械扇扫B型超声波诊断仪采用机械式扇扫探头，探头中换能器为圆形单振子，具有较好的柱状声束，因此，容易获得较高的灵敏度与影像分辨力，且波束控制电路相对简单，仪器成本低。缺点是机械式探头制作要求严格、工作噪声强、重量较大，其性能和可靠性取决于加工精度和材料品质，并由于漏水和机械磨损等原因，探头寿命短。此外，由于机械式探头的振元必须运动(摆动或转动)，因此，振元不能直接与被检者贴近，而必须离开一定距离，这就使扇扫波束的顶点不处在探头的前端面。故与电子式扇扫探头相比，当扇扫角度相同时，机械式探头受肋骨的影响略大,不如电子式探头更适用于小的透声窗口。
相控阵扇扫B超仪采用电子式扇扫探头，其突出的优点是没有机械噪音，探头寿命长，重量轻。但其缺点也是突出的，首先是波束副瓣大，因而干扰严重，分瓣力也受影响;另外探头中晶阵切割应非常精细，整机线路复杂，仪器成本也高。但近年来研制生产的相控阵扇扫B超仪无论在成像质量还是仪器成本上都得到了较大程度上的改善，目前，相控阵扇扫方式已明显占据主导地位。
    四、B超仪的常用性能指标
  B超仪作为超声诊断仪中的主流和最普及的设备，非常有必要了解一下与其相关的性能指标。这里主要包含两方面：技术参数和使用参数。下面择其重点参数给予介绍。
    1.技术参数
    (1)分辨力  分辨力（单位：毫米）是指超声诊断仪对被检组织相邻回声图的分辨能力，分纵向(深度方向)和横向(水平方向)分辨力。
    ①纵向分辨力表示在声束轴线Z方向上，对相邻回声影像的分辨能力。可以用两回声点之间的最小可辨距离来表示，其值越小，则纵向分辨力越高。纵向分辨力受多种因素的影响。首先，纵向分辨力与发射超声频率有关。声波的纵向分辨力极限为声波的半波长，比如2.5MHz（λ＝0.6mm）声波的纵向极限分辨力为0.3mm。但这只是最高纵向分辨力的理论数值，纵向分辨力又与超声发射脉冲的宽度有关，其脉冲宽度越短，纵向分辨力越高。就系统而言，纵向分辨力还在很大程度上受机器接收增益的影响，并在一定程度上受被测介质特性(指被测体的色散吸收和运动情况)的影响，通常各种因素均能使影像在荧光屏上显示的分辨力下降而低于纵向分辨力的理论数值（λ／2）。
    ②横向分辨力表示在水平扫描X方向上，对相邻回声影像的分辨能力。影响横向分辨力的因素主要是声束的直径、聚焦特性、以及显示器件和探头换能器性能等。
    (2)超声的工作频率f和脉冲重复频率FPR
    ①超声的工作频率f是指探头与仪器联接后，实际辐射超声波的频率，也即所发射超声波在每秒中内自身的振荡次数。它可以根据配用不同的探头来变换选择,而探头的标称频率通常是固定的。仪器工作频率f的选择，主要考虑衰减和探测部位的不同，但也要考虑对纵向分辨力的影响。频率越高，波长越短，则波束的方向性越好，使纵向分辨力提高，但衰减也成比例地增加，探测深度减小，信噪比也受到影响。因此，不能无限制地提高工作频率，通常B超仪器的工作频率在0.5～10MHz范围内，应根据不同需要选择。
    ②脉冲重复频率FPR（pulse repeat frequency，PRF）指脉冲工作方式超声仪器在每秒钟重复发射超声脉冲的个数，也就是探头激励脉冲的频率。这与前述的超声波频率是2个不同概念，参见图7-20。  
图7-20 超声的工作频率f和脉冲重复频率FPR

两者的物理量纲单位一致（Hz），但取值范围差异较大。脉冲重复频率FPR决定了仪器的最大探测距离，这是由于：
Dmax ＝ ctr／2
式中:c为超声波在人体中传播的平均速度
     tr为声波往返1次所需的时间
    当脉冲重复频率FPR确定后，其脉冲周期TPR＝1／FPR也即被确定,TPR即是声波往返可利用的最大时间。为避免前、后2个脉冲相重叠而影响影像质量，并考虑显示器扫描的逆程时间，应有：
     tr＜TPR
因此有
       Dmax ＜ cTPR／2
    例如，当取FPR＝3.125kHz(对应TPR＝320μs)、c＝1540m/s，则Dmax＜24.64cm。最大探测距离并不等于仪器的探测深度(探测深度受发射功率、接收灵敏度等因素影响),只是设计中允许设定探测深度的最大值。
    脉冲重复频率FPR不可取太高，否则将限制仪器的最大探测距离，但FPR也不可取太低，否则将影响影像的帧频或线密度。因为对于固定焦点的B超仪，其显示影像的每一条扫描线对应1次超声的发射，当脉冲重复频率FPR确定为3kHz时，如果希望影像每帧的线数为100，则帧频为30　Hz。如果FPR降为1kHz，而且仍要求每帧线数为100，则帧频降为10Hz，这将不能保证实时动态显示。当然，为了保证帧频，也可以降低每帧的线数，但这将使影像质量变差。因此，脉冲重复频率Fc的选择应综合考虑。对于B型超声波成像仪，FPR的值通常在2～4kHz范围。
    (3)脉冲的宽度和振铃
    ①脉冲的宽度指脉冲从开始产生到截止的时间长短。脉宽越窄越有利于提高影像的轴向分辨率，因此激励脉冲宽度应该控制在一个较窄的范围，但激励脉冲宽度的缩小受到探测深度和系统接收通道频带宽度的限制。脉冲宽度越窄，则要求系统的接收通道频带越宽，这给接收系统的制作带来了困难。现代B超仪发射脉冲宽度小于0.2μs。
    ②振铃是指探头受电激励截止后产生声波余振动的长短。理想的情况是当施加于探头的电激励脉冲结束后，振动立即停止，但事实上这是无法做到的。由于它会严重影响超声系统的纵向分辨力，因此，希望探头产生余振(振铃)的时间也越短越好。
    当两个界面距离相隔太近时，如果发射脉冲的振铃时间长，则第1个回波的后沿将与第2个回波的前沿混在一起，以致无法分辨产生这2个回波的界面。脉冲的振铃时间及声速还影响相邻回波的最小可分辨距离。振铃时间长、声速大，则最小可辨距离大，分辨力就差。而脉冲的振铃时间的长短又受超声工作频率、探头阻尼特性的影响，降低工作频率和加大阻尼都可以使振铃减弱，从而使脉冲的振铃时间减小。激励脉冲宽度也直接影响发射脉冲的振铃时间，诸此之间既相互联系又相互矛盾。
    (4)灰阶与动态范围
    ①灰阶是表示接收机显示器调辉显示能力的一个参数，灰阶有16、32、64和128等级之分，级数越高，表示显示器调辉能力越强。仪器的灰阶级数高，其显示回声像的层次感强，影像的信息量就高。这是因为B型超声显像仪都是将回声信号振幅的高低转变为不同程度的亮度像素进行显示的，回声幅度高的信号在屏上以白色(或黑色)显示，幅度低的信号以黑色(或白色)显示，回声幅度在白色和黑色电平之间的信号，则以不同灰度进行显示。通常将黑色和白色之间的灰度区等分为16、32或64个灰阶，并对黑色和白色电平之间的相应电平回声转换成对应的灰度显示。
    ②动态范围是指在保证回声信号既不被噪声淹没也不饱和的前提下，允许仪器接收放大回声信号幅度的变化范围。一般仪器在40～60dB，也有些仪器的动态范围可调。动态范围大，所显示影像的层次丰富，影像清晰。但动态范围受显像管特性的限制，通常不可能做得很大。实际上回声的动态范围与显示器所具有的动态范围是不相同的，回声的动态范围大(约100dB)，显示器的动态范围小(约20dB)，因此，为了防止有用信息的丢失,必须对回声的动态范围进行压缩，并将动态范围内的分贝(dB)数分成等级显示出来,这种处理称作灰阶处理，又称窗口技术。经处理后的信号将压缩那些无用的灰阶信息，而保留并扩展那些具有诊断意义的微小灰阶差别，使影像质量得到改善。
    (5)聚焦方式指对探头发射和接收波束采用何种方法聚焦，有声学聚焦、电子聚焦和实时动态聚焦（图7-21）等。
 

图7-21 探头的3种主要聚焦方式
    ①声学聚焦是利用声学凸面透镜、声学凹面反射镜等方法实现对波束的聚焦，由于超声在透镜中的声速c1和在人体中的声速c2不同，当c1＜c2时采用凸面镜，当c1＞c2时采用凹面镜。以凸面镜为例，超声在透镜的边缘穿越时被延时较少，而在透镜中心穿越时则被延时较多；因此，边缘和中心的声波总会在某一时刻汇聚在声束轴上的一点，此即声学焦点，见图7-21（a）。凹面透镜的聚焦过程可据此类推。
    ②电子聚焦指应用电子延迟线技术，对多振元探头发射激励脉冲进行相位控制的方法，实现对波束的聚焦。每一次发射对应有1个相位差延时量τ，如图7-21（b），中心声波较边缘声波延迟了一段时间（或距离），由若干个子波共同合成了一个波阵凹面，最终会聚于焦点。  ③实时动态聚焦也是电子聚焦的一种，与电子聚焦不同之处是，多点动态聚焦的焦点不是固定的，而是通过改变发射激励脉冲的相位延时量，使在波束同一轴线（Z）方向上实现多点聚焦发射,见图7-21（c），并通过数字扫描变换器对几次不同焦点发射所获得的回波信息分段取样处理，最后合成为一行信息，实现接收后的二次聚焦。由于这个信息是几次对焦点区域信息的合成，因此，所显示影像的清晰度和分辨力都较一点聚焦所获得的影像更佳。目前在一些较高档次的B超机型中，常见到这种新技术的采用。
    对于线阵探头，通常在短轴（Y）方向采用声学聚焦，而在长轴（X）方向采用电子聚焦或实时动态电子聚焦。
    (6)时间增益控制(TGC)  考虑到超声在人体内传播过程中，由于介质对声波的反射、折射和吸收，超声强度将随探测深度的增加而逐渐减弱，致使处于不同深度的相同密度差界面反射回波强弱不等，从而不能真实反映界面的情况，必须对来自不同深度(不同时间到达)的回声给予不同的增益补偿，即使接收机的近场增益适当小，远场增益适当大，通常称此种控制手段为时间增益控制(time gian control，TGC)。一般超声仪器给出的TGC参数为:近区增益-80～-10dB，远区增益0～5dB。它所代表的含义为在声场近区，接收机增益可在某设定增益基础上，衰减10～80dB;而在远区，接收机增益可以控制增大0～5dB。
    2.使用参数
    B超的使用参数是使用或购买者应熟悉和了解的一类参数，它与技术参数并无严格的区分。
    (1)扫描方式和探头规格
    ①扫描方式指仪器所发射的超声波束对被测对象进行探测的方法。方式不同，仪器所配用的探头和电路构成亦不同，因此，仪器的成本和价格也不同。采用何种扫描方式的超声仪器，取决于被检目标的需要，比如对腹部脏器的探查，可以使用电子线扫B超仪，而对心脏的探查，由于受声窗的限制，仅适合使用机械或电子扇形扫描B超仪。
    ②探头规格有标称工作频率、尺寸、形状等参数，还有是否可配合穿刺等特殊要求。探头标称工作频率通常在15MHz范围以内，可根据不同需要选定。探头尺寸和形状的选定应根据被探测介质声窗大小和部位来考虑。现代B超仪通常都配有多种频率和形状的探头，以适用于不同探查的需要。
    (2)显示方式与显示范围
    ①显示方式超声诊断影像显示有A型、M型、B型等，一台B型超声诊断仪可以有其中一种或几种显示功能，比如有B单幅(在屏上仅显示1幅B型影像)显示，B双幅(在屏上同时显示1幅冻结B型影像和1幅实时B型影像)显示、B/M显示(在屏上既显示B型实时影像，又显示M型实时影像)。
    ②显示范围指的是屏上光栅的最大尺寸，它并不一定等于仪器的探测深度，不过在仪器的设计时，通常使两者基本接近。
    (3)注释和测量功能此功能可以简化资料收集的过程，提高资料收集的速度及准确性。而功能的强弱往往标示一部仪器的档次水平。
    ①注释功能某些是由仪器自行控制的，比如有关探头频率的显示、影像处理值（γ校正值等）的自动显示，接收机总增益、近程增益和远程增益值的显示等。当操作者采用某种频率的探头或设定控制接收机增益为某值时，仪器将自行控制在屏上某固定位置显示出当前数值和检查时间的年、月、日、时、分、秒。某些注释功能则需要操作者进行相应操作才能在屏上插入，比如被检者编号(ID)、体位标志、病灶注释、探头标志等，都必须由操作者控制插入。
    ②测量功能指仪器对被探查脏器进行定量分析所具有的各种测量功能。有距离测量，脏器或病灶面积、周长和重量的测量，M方式运动速度和心功能参数的测量，对妊娠周期的测量等。除距离和速度的测量之外，其它测量通常必须在影像冻结的状态下进行。
(4)记录方式  探查获得的超声影像通常只在荧光屏上进行显示，为了保留资料还必须考虑将影像记录下来。影像的记录有多种方式，比如用波拉一步照相机拍照、视频打印机打印或采用录像机进行磁带录像等。一般B型超声成像诊断仪都配有相应的输出信号接口，可由用户确定选用1～2种记录方式。

来源：https://blog.csdn.net/NCTU_to_prove_safety/article/details/86173621
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