超声成像基本原理和设计原则.doc

超声原理
1.1超声的传播
介质的密度与超声在介质中传播速度的乘积称声阻抗。声阻抗值一般为固>液>气体。
超声在密度均匀的介质中传播，不产生反射和散射。当通过声阻抗不同的介质时，在两种介质的交界面上产生反射与折射，或散射与绕射。
反射、折射与透射:凡超声束所遇界面的直径大于超声波波长(称大界面)时，产生反射与折射。成角入射，反射角等于入射角，反射声束与入射声束方向相反。垂直入射时，产生垂直反射与透射。反射声强取决于两介质的声阻差异及入射角的大小。垂直入射时，反射声强最大。反射声能愈强则折射或透射声能愈弱。进入第二介质的超声继续往前传播，遇不同声阻抗的介质时，再产生反射，依次类推，被检测的物体密度越不均匀，界面越多，则产生的反射也愈多。散射与绕射:超声在传播时，遇到与超声波波长近似或小于波长(小界面)的介质时，产生散射与绕射。散射为小介质向四周发散超声，又成为新的声源。绕射是超声绕过障碍物的边缘，继续向前传播。散射回声强度与超声入射角无关。
2超声在人体组织中的传播和诊断原理
超声衰减:超声在介质中传播时，随着传播距离的增加，声强逐渐减弱，这种现象称为超声的衰减。引起衰竭的主要原因是介质对超声的吸收(粘滞吸收及热传导吸收)。超声频率愈高，介质的吸收愈多;其次为能量的分散如反射、折射、散射等。使原传播方向上的能量逐渐减弱。
超声诊断是通过人体各种组织声学特性的差异来区分不同组织。按照声学特性。人体组织大体上可分为软组织和骨骼两大类，软组织的声阻与水近似，骨骼则属固体。人体组织的声速、声阻抗、声吸收系数、衰减系数等反映人体组织基本声学特性，人体不同组织的声学特性不同。人体各种软组织的平均声速约为1540米/秒，声衰减系数约与声频率成正比。声频率1兆赫时，衰减系数约1分贝/1厘米。
超声在人体内传播时，在两种不同组织的界面处产生反射和折射，在同一组织内传播，由于人体组织的不均匀性而发生散射。超声通过不同器官和组织产生不同的反射与散射规律，仪器利用这些反射和散射信号，显示出脏器的界面和组织内部的细微结构，作为诊断的依据。
正常脏器的回声规律:
（1）含液体脏器如胆囊、膀肤、血管、心脏等，壁与周围脏器及内部液体间为界面、液体为均匀的无回声区。
（2）实质性软组织脏器如肝、脾、肾等脏器均有包膜，周围有间隙，内部各有
一定结构，如肝可以显示脏器轮廓、均匀的肝实质与肝内管道结构。
（3）含气脏器如肺、由于肺泡内空气与软组织间声阻差异极大，在其交界面上产生全反射(几乎100%)，并形成多次反射，即超声不能进入正常肺泡。胀气的胃肠亦如此。
（4）正常骨骼与周围软组织的差异大，在软组织与骨皮质交界处产生强反射，进入骨骼的超声由于骨松质组织吸收极多而不能穿透。其后方形成无回声区称声影。
病变脏器的回声规律:
当脏器有病变时，由于病变组织与正常组织的声学特性不同，超声通过时产生不同正常的回声规律，各种病变组织亦各有其声学特性、其反射规律亦不相同。如肝内液性病变为无回声区，肝癌为强弱不均的实质性回声区、边缘不整齐，胆囊内结石则在无回声区中有强回声光团，后方有声影。
1.2超声诊断仪的构成简介
超声诊断仪由两大部分组成，即超声换能器及仪器。
1.超声换能器(transducer):超声换能器是由压电晶片组成，晶片受电信号激发发射超声，进入人体组织，遇不同声阻界面产生反射与散射、晶片又接收回声信号，转换成电信号、送入仪器。晶片将电能转换成声能(发射)，又能将声能转换成电能(接收)，称之为声电换能器。
2.仪器:目前所用超声诊断仪多应用超声脉冲回波技术，将接收到的回波信号、经过放大并显示在显示屏上。主要电路部分有:超声收发、超声扫查和回波信号的形成、接收信号的放大与处理、D/A与A/D转换、存储和可编程逻辑器件、数字扫描变换、显示、电源等等。
现代高分辩力、高灵敏度仪器都具有实时显像，显示动态图像、灰阶(gryasacel)编码及动态聚集功能，横向分辨力达2-3mm。时间增益补偿GTC(timeganiocmPensatnin)，以补偿由超声衰减造成的深部组织显示不清的缺陷。采用数字扫描转换器(digiatl~ocnveertr)，增加了很多附加功能。如图像处理，图像轮廓增强，探头位置显示、字符显示、局部放大、停帧、拼幅、电子标尺，面积及心功能自动显示，产科胎儿测量计算及预产期显示等，便于临床使用。并多附有摄影、录像及打印机等记录设备，记录静态的或实时图像供会诊或教学用。
1.3 B超基本设计原则
明确使用目的和设计目标，对产品进行定位，根据性价比预测市场前景。在这个大前提之下，选择扫查类型和技术指标，同时也要注意到国家标准对基本技术指标和安全指标的规定，一般来讲设计的产品都必须高于这些规定。由于超声诊断设备的研制牵涉到换能器、信号处理，图像处理等，因此常常是几部分分别设计，要把确定的技术指标详细划分到各个组件，使各个组件都有明确的分技术指标，以减少联调时间并避免有较大修改。
另外必须考虑到设计的合理性，整机功能必须适当划分为硬件功能和软件功能，这些功能的划分必须要考虑到实时性和经济性，即要求速度快的由硬件完成，但是硬件修改困难，生产成本高，所以一些计测功能和速度不快的功能由软件完成，这样修改更新灵活。
对于一个医疗设备来说，各方面的性能指标固然很重要，但是设备能够长时间安全稳定地工作更是很重要的一点。提出或者确定先进而又能够达到的可靠性定量指标，是提高设计可靠性的最重要措施，其目的就是在现有技术水平、研制周期、经费、体积重量以及环境条件等线之下，既完成性能指标又满足可靠性指标。
另外还有电磁兼容设计、人际关系设计、维修性设计、工艺使用性设计，都是整个系统设计中需要注意的问题。
B型超声诊断设备一般可以分为探头、发射电路、接受电路、数字扫描变换器、控制及定时、监视器、电源几大部分。其中:发射电路要满足以下几项要求:多阵元探头超声束发射方向的控制，发射聚焦控制，发射阵元切换电路，探头切换等。接收电路包括:接收超声束的方向应与发射超声束的方向一致，接收聚焦控制，高频放大器，检波和视频放大器等部分。
现代超声诊断设备都具有强大的处理功能，通过简单的操作就能够得到医生所需要的各种参数，各种复杂的计算功能都由设备自动完成，例如:预产期计算、长度、周长、面积的计算，报告的生成和打印，等等。
软件的设计要符合软件工程学的要求，要有强调信息隐藏的单元概念，应用基于操作和数据封装构成的单元设计技术，应用专门的机制可靠地处理并发控制和分布系统问题，提出基于模型的系统结构和设计方法。所有这些实现技术都独立于某种具体的软件描述方法。这些实现技术是:抽象、封装、数据隐藏、模块化、注意点分离、祸合和内聚、充分性、完备性和原始性、策略和实现的分离、接口与实现的分离、引用的单一性、分而制之、层次化。这些概念多数是在70年代为结构化程序设计研究而提出的。虽然它们的重要性己经被人们认识已久了，但它们对软件开发成功的重要性近几年越来越强了，而且紧密地与体系结构
的研究联系起来了。