关于医学超声基础在检验检测领域的应用价值研究

2020-12-07

中国医疗器械信息 2020年21期

内容提要：现代超声诊断已经广泛应用彩色多普勒血流成像、谐波成像、造影成像、三维成像等很多新技术。声像图诊断和超声断层扫描技术是现代超声的主体，声像图即超声断层图，可反映人体断面解剖结构。医学超声领域涉及的基本概念、数学物理基础众多，如超声换能器及其声场的产生、生物组织的基本声参量、超声的成像原理、超声多普勒效应、声波的声特性等。对这些应用于检验检测方面的医用超声基础的详细了解和掌握，对增强检验检测能力，提高检验检测效率起到了重要的作用。文章是对医学超声基础在检验检测领域的应用价值研究方面的深入探讨。

现代超声诊断已经广泛应用彩色多普勒血流成像、谐波成像、造影成像、三维成像等很多新技术。医学超声领域涉及的基本概念、数学物理基础众多，如超声换能器及其声场的产生、生物组织的基本声参量、超声的成像原理、超声多普勒效应、声波的声特性等。对应用于检验检测方面的医用超声基础的详细了解和掌握，对增强检验检测能力及提高检验检测效率可起到重要的作用。本文对医学超声基础在检验检测领域的应用价值研究方面的深入探讨。

1.超声的基本特点

1.1 传播速度

超声波属于声波，其传播速度和普通声音的传播速度一样，传播速度取决于传播介质和温度。通常在固体中传播最快，液体中次之，气体中最慢。人是不均匀的介质，超声波在体内的平均传播速度为1540m/s，除骨骼和空气以外，声速相差不大。例如：在脂肪内的传播速度为1450m/s，在脑内的传播速度为1541m/s，在肝脏内的传播速度为1561m/s，在肾脏内的传播速度为1566m/s，在脾内的传播速度为1570m/s，在血液内的传播速度为1585m/s，在肌肉内的传播速度为1585m/s，在软组织内的传播速度平均为4080m/s，超声波只是频率比较高，本质上还是声波，所以传播速度是声速，在空气中的传播速度为330m/s，在水中的传播速度为1480m/s。

1.2 成像方式及分类

超声成像需要三个步骤完成，及发射声波，接收反射声波，以及信号的分析处理得到图像。超声的成像方式包括A模式、M模式、B模式、Doppler模式和CDFI模式。多普勒模式又分为彩色多普勒、能量多普勒和频谱多普勒。A模式是一种振幅的模式，它在显示器上形成垂直偏转的波形图。M模式的M是运动的意思，M模式通过B模式图像来显示一个光标，在以时间为轴线的波形图上表示运动的状态。M模式普遍用于心脏及胎儿的心率的检查。B模式的图像是由不同亮度的点所组成的直线构成。点的亮度代表接收回声的振幅。进行连续扫描的时候，二维的剖面图像一直处于被更新状态，这是实时的B模式。

在超声领域，多普勒效应分为脉冲波多普勒和连续波多普勒。接收反射波的是同一个超声探头，压电陶瓷换能器将声波信号转换成电信号，之后电脑系统进行信号处理成像。

1.3 成像频率范围

超声波具有很强的穿透能力，波长越短穿透能力越强，超声的波长比普通声音波长要小很多，穿透能力更强。超声波的频率每秒钟晶片振动次数，外加交变电压的频率，晶片的固有频率。每秒振动的次数称为声音的频率，单位Hz。由于超声波频率很高，所以超声波与一般声波相比，功率很大。人类耳朵能听到的声音频率范围是20～20000Hz，高于20000Hz的声波称为“超声波”，低于20Hz的是次声波。用于医学诊断的超声波频率为1～30MHz。一般成像的频率范围见表1。

表1.一般成像的频率范围(MHz)

2.超声波成像设备按超声波型分类

超声波成像设备按超声波型分类分为连续波超声设备和脉冲波超声设备（见表2）。脉冲多普勒是由一个或者是一组晶片发射并接收超声波的，它用较少的时间发射，而用更多的时间接收。连续波多普勒（CW）发射与接收是各自分开的两个晶片，由其中一组连续的发射超声，而由另一组连续的接收回波，具有极高的速度分辨力，能够检测到很高的血流，在取样线上有符号标记，其符号仅表示波束发射声束与接收声束的焦点。频谱分析的目的是产生一种显示，它的两个正交轴分别代表时间（水平轴）和频率（垂直轴），相应的符号幅度则用密度或亮度表示。

表2.脉冲波多普勒和连续波多普勒区别

3.多普勒效应

3.1 彩色血流成像

彩色血流成像（CFM）是在二维声像图上叠加彩色实时血流显像。彩色多普勒的流速图（CDV），通过信号的自相关运算获得速度、加速度、方差等信息。彩色多普勒图又分为彩色多普勒流速图和彩色多普勒能量图。区别见表3。

表3.彩色多普勒流速图和彩色多普勒能量图区别

表4.彩色超声诊断仪按性能分类

3.2 声波的多普勒效应在医学上的临床应用

为了检查心脏、血管的运动状态，了解血液流动速度，可以通过发射超声来实现。由于血管内的血流是流动的物体，所以超声波振源与相对运动的血液间就产生多普勒效应。血管向着超声源运动时，反射波的波长被压缩，因而频率增加。血管离开声源运动时，反射波的波长变长，因而在单位时向里频率减少。反射波频率增加或者减少的量，是与血液流速成正比，从而就可根据超声波的频移量，测定血液的流速。血管内的血流速度和血液流量，对心血管的疾病诊断具有一定价值，特别是对循环过程中供氧情况、闭锁能力、血管粥样硬化等均能提供有价值的诊断信息。

3.3 彩色多普勒超声诊断仪主要技术分类

彩色超声诊断仪按性能分类见表4，彩色多普勒超声诊断仪的应用范围见表5。

表5.不同性能彩色多普勒超声诊断仪的应用范围

4.超声换能器

4.1 超声换能器定义

超声换能器又叫做超声探头。对某些不对称的结晶材料（石英等）进行一定方向的加压或者拉伸时，表面的两侧将会出现相反的电荷，这种现象叫做压电效应。具有此性质的材料称为压电材料，分为压电晶体、极化陶瓷、高分子聚合物和复合材料。原理：对压电晶体施加以一交变电场由于逆压电效应，晶片发生机械性的压缩与扩张，推动周围介质振动，发出相应频率的声波。超声检查的时候，探头发出的超声波在人体组织中传播分为：线阵探头、凸阵探头、相控阵扇扫探头、经食管探头、腔内探头、容积探头、导管探头。线阵探头主要应用于血管和小器官；凸阵探头主要应用于腹部和妇产科；相控阵扇扫探头主要应用于心脏；经食管探头应用于TEE；腔内探头应用于妇产科和泌尿科；容积探头用于三维成像和实时三维成像；导管超声应用于心腔与冠状动脉。

4.2 换能器扫描方式

换能器扫描方式分为电子扫描方式、机械扫描方式，还有部分特殊方式。电子扫描方式使用的探头为线阵探头、凸阵探头和相控阵探头。机械扫描方式包括机械扇扫和径向扫描，特殊方式包括斜向扫描、梯形扫描、扩大扫描、向量扫描。探头从外形上来看，机械扇扫探头和凸阵探头相似，都为圆柱形，线阵探头是长方体形状的。从扫描工作方式来说，机械扇扫探头是由微电机驱动变向机构带动压电陶瓷进行的扇形运动，凸阵探头和线阵探头为电子扫描，是通过依次触发压电陶瓷阵列中的阵元来实现扫描。从探测显示出来的图像上来看，机械扇扫和凸阵探头的扫描图像为扇子形状，凸阵的大，扇形的小，图像来说上面小下面大，线阵探头则是等宽的平面。机械扫描方式的超声换能器工作时存在机械噪声和威震感，凸阵和线阵探头却没有这些现象。相控阵探头是通过在阵列探头中单个晶片的信号发射（触发）和接收（回波）注入时间延时来实现的，通过连续变换延时线来得到产生超声波束的不同角度偏转。主要用于心脏的检查。