超声诊断仪通过连接探头接触人体，可以了解人体内部结构，就像是看得见的听诊器。其广泛的运用于妇产科和常规体检检查等领域的筛查和诊断，是临床不可缺少的一种检查方式。超声诊断是利用超声反射形成切面图像的一种检查方法，无放射性，可以重复检查。与其他影像学检查不同的是，可以动态实时观察，并可获得不同方位、方向及角度的图像。如今超声诊断仪增加了彩色多普勒成像、弹性成像、4维成像等功能，仪器变得越来越复杂，设备的改进也必将增加了临床医生操作和理解上的难度。本书将针对上述情况，用通俗的语言解释超声诊断仪的基本原理，帮助医生更好的利用机器。

1. 1.      超声波的物理基础知识

2.      

3. 

  超声波是一种频率大于20000Hz的声波，人耳可听到的频率范围为20~20000Hz，因此超声无法被人耳接收。通常，超声诊断仪的超声频率为1~14MHz，不同的部位使用的频率不同，往往浅表分辨率高的探头频率更高。超声本质是一种机械波，机械波就是一种振动在介质当中的传播。超声诊断仪以人体作为介质进行传播，功率控制在一定范围以内，对人体无损伤。超声成像就是利用超声波在人体组织传播的不同的声学特性进行成像，以下是超声波的基本特性：

（1）方向性：由于超声波的频率高，波长短，接近红外线的波长，因此和光线一样，具有较强的方向性，形成超声波束，能沿一定的方向传播。

（2）反射和透射性：超声波在体内传播中碰到不同组织密度形成的界面时，一部分产生反射波，另一部分可透过该界面进入深层组织。透射波遇到深层界面又可产生新的反射和透射波，如此到达深部。

（3）衰减（attenuation）超声在介质中传播的超声逐渐衰减，衰减是由于介质吸收、散射、反射，造成声强逐渐减弱的现象，衰减与距离和频率均有密切的关系，人体软组织的衰减系数约为1Db /(cm.MHz)。距离越远，频率越高，衰减越强。

（4）声速与频率、波长的关系是：λ=c/f；λ：波长，c：声波在1秒的传播距离（声速），f：频率（一秒振动的次数）。在不同的介质中，声波的频率是恒定不变的，但是，在不同的介质中波长随声速变化而变化。

（5）反射强度：超声波成像是利用声波在不同声阻抗的界面反射的原理。这里要介绍一个概念叫声阻抗Z=p*c  z:声阻抗， c:介质固有的声速，p:介质的密度，不同声阻抗的差别越大，反射强度越大，超声回波信号就越强，反应在图像中代表的亮度就越高。

（6）轴向（纵向）分辨力（axial resolution）：分辨超声声束在传播方向上的2个回声反射源最小距离的能力称为轴向分辨力。

（7）横向分辨力（lateral resolution）分辨与声束垂直方向上的2个回声反射源最小距离的能力称为横向分辨力。横向分辨力由声束宽度决定，为1/2声束宽度（d）。

1. 2.      超声波诊断系统

2. 2.1探头的组成

  超声探头又叫超声换能器，如图所示，由压电晶体、垫衬、匹配层等组成，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。

2.2压电效应

  超声探头内部的主要元件就是压电晶体（又叫晶振），利用压电晶体独特的物理特性——压电效应产生超声波和接收超声波的射频信号。

  压电效应分为正压电效应和逆压电效应。正压电效应是若压缩晶振，受压缩的晶振两侧产生电压；若拉伸晶振受拉伸的晶振两侧与受压缩的晶振相比产生相反方向的电压。 

  逆压电效应是与压电效应相反的过程，若晶振两侧加电场时，长度伸展；若压电晶振两侧加相反的电场时，长度压缩。因此，超声成像的原理就是利用逆压电效应使晶振高频振动发射超声波，利用压电效应接收超声波的振动，接收射频信号，通过后处理进行成像。

1. 2.3   探头种类

    探头的种类很多，可以从以下不同方面来分类，按诊断部位分类，有眼科探头、心脏探头、腹部探头、颅脑探头、腔内探头等之分;按应用方式分类，有体外探头、体内探头、穿刺活检探头之分;按探头中换能器所用振元数目分类，又有单元探头和多元探头之说;按探头的形状分类，又可分为线阵、凸振、环振等探头，但是探头的基本结构和基本原理是一样的。

单探头：它通常选用磨制成平面薄圆片形的压电陶瓷作为换能器。超声聚焦通常采用薄壳球形或碗型换能器有源聚焦和平面薄圆片配声透镜聚焦两种方式。常用于A型、M型、机械扇扫和脉冲多普勒工作方式的超声诊断仪中。

术中探头：它是在手术过程中用来显示体内结构及手术器械位置的，属于高频探头，频率在7MHz左右，具有体积小，分辨力高的特点。它有机械扫描式、凸阵式和线控式三种。

胃气和骨组织，以接近被检的深部组织，提高可检查性和分辨力。目前已有经直肠探头、经尿道探头、经阴道探头、经食管探头、胃镜探头和腹腔镜探头。这些探头有机械式、线控式或凸阵式；有不同的扇形角；有单平面式和多平面式。其频率都比较高，一般在6MHz左右。近年还发展了口径小于2mm、频率在30MHz以上的经血管探头。

经腔内探头：它通过相应的体腔，避开肺气、肠胃气和骨组织，以接近被检的深部组织，提高可检查性和分辨力。目前已有经直肠探头、经尿道探头、经阴道探头、经食管探头、胃镜探头和腹腔镜探头。这些探头有机械式、线控式或凸阵式；有不同的扇形角；有单平面式和多平面式。其频率都比较高，一般在6MHz左右。近年还发展了口径小于2mm、频率在30MHz以上的经血管探头。

1. 2.4   超声诊断仪的构造

  目前的超声诊断仪大都分前端、后端、电源三部分。前端的功能比较复杂，大致包括探头、探头连接板、发射/接收通道板、前端数字信号处理控制板和DMA（Direct Memory Access）直接寄存器等；其中探头连接板用来连接探头，前端的数字信号处理板还用来产生发射接收的频率（也叫脉冲重复频率），通常B超成像的脉冲重复频率为4kHz，控制通道板发射接收，发射/接收通道板用来进行波束合成，产生震荡信号激励探头上的晶振发射超声波，并接收超声波；前端数字信号处理板进行初步的信号处理，并进行模数变换，使模拟信号变换成数字信号，暂时储存在寄存器中，按顺序发送至后端主板中进行数字图像处理。后端是以PC（Personal
Computer）单元为主，利用强大的数字处理器进行数字信号处理和图像处理，通过控制台进行人机交互，利用显示器显示处理后的图像。

1. 3.      超声基本成像原理

2. 3.1A型模式（A-mode）

    A超模式的A为amplitude的首字母，为一维超声，通过反复发射一束超声波，穿透人体组织，并接收不同深度的回声。发射到接收信号的时间随深度而延长，并以坐标图来表示回声强度。目前主要用在眼科用于生物测量，如图所示，为眼科的A超波形图。

3.2B超（B-mode）

    B型超声中的B来自于brightness的第一个字母，为辉度图像。其与A超一样，接收不同深度的回声，在声像图中，用辉度（brightness）变化表示回声强度变化，只有产生回声的部位（深度）才有辉度点。发射-接收1次信号，辉度点连成一线，即辉度线（扫描线）；1次发射-接收信号后，略微移动探头的位置，再次进行发射-接收信号，重复相同过程，随着探头的移动，相应形成新的辉度线；如此反复，回声源的位置和形态就在声像图中得到显示。

（简述：以亮度的强弱显示组织回波信号的强弱，并转为二维灰度图像。二维断面图像，实时显示组织结构，形象直观。）

3.3 M型模式（M-mode）

    M型模式的超声简称M超，其中的M来自于motion的第一个字母，也是一维超声，用于显示体内某一声束上各界面与探头的距离随时间变化的曲线。纵轴代表人体组织的深度，横轴代表这些不同深度的界面在某一段时间内的运动曲线。主要应用在于心脏的检查，可将运动的心壁，血管壁或瓣膜的活动情况，一般和B型同步显示。

（简述：用于显示体内某一声束上各界面与探头的距离随时间变化的曲线。纵轴代表人体组织的深度，横轴代表这些不同深度的界面在某一段时间内的运动曲线。一维时间运动曲线图，主要用于分析心脏和大血管的检查，可将运动的心壁，血管壁或瓣膜的活动情况。一般和B型同步显示。）

3.4多普勒法超声（D-mode）

    D型模式的超声是应用多普勒效应原理设计的，其中的D来源于Doppler的第一个首字母。应用于超声检查的多普勒分为：连续多普勒（continuous
wave Doppler,CWD）、脉冲多普勒（pulsed
wave Doppler,PWD）、高脉冲重复频率法（high
pulse repetition frequency method, HPRF）、彩色血流成像（color
flow mapping,CFM）。

3.4.1多普勒原理

当探头与反射界面之间有相对运动时，反射回探头的信号的频率发生改变。反射回探头接收到的频率为为发射频率，Fd为多普勒频移，发射界面的速度可以通过如下公式计算得出：

其中c为超声波在人体内传播的速度，θ为超声声束与血流之间形成的角度，通过计算出频移和发射声束与血流之间的角度就可以推导出血流流速。

在超声诊断仪中，往往在纵轴上显示速度，横轴上显示时间，零基线为换算出速度值，纵轴的正负轴分别显示相反方向的速度值。其中的速度就是通过频移计算出来的。需要注意的是频移是有最大范围的，无法辨认PRF/2以上的频率，如果大于PRF/2，波形会折返，表现为混叠。少许的折返也比较容易判断，可以利用超声仪的零频移调节功能，上下移动零基线，使频移范围在区间。

1. 3.4.2连续多普勒（  CWD） 

连续多谱勒(CW)是将换能器探头分成发射探头和接收探头两部分,一个探头发射恒定的超声波,另一个探头接收反射回来的超声反射波。会将沿声束出现的血流和组织运动信息总和全部显示出来。CW不能提供距离信息,不具有距离选通性,不受深度限制,能测深部血流,可测高速血流,在取样线上有符号标记,其符号仅表示波束发射声束与接受声束的焦点。

1. 4.4.3脉冲多普勒（PWD）

脉冲多普勒（PWD）发射信号与接收信号由同一探头进行，探头发射脉冲波（即发射一个短暂的超声波，然后停止一段时间的发射，改为接收回波信号），如此重复发射脉冲波，可以接收到不同时间包含不同深度信息的数据，可以通过信号处理选择性的显示某一特定深度的血流流速信息。

在应用脉冲多普勒测量速度时，需要选定测量部位，称为取样容积。取样容积的宽度依赖超声声束粗细。根据部位大小长度设定1~20mm。

对脉冲多普勒和连续多普勒所探测的血流信息进行实时频率分析，最终以频谱图来表示。其中，中央的线（零基线）表示速度为0，零基线上方的光点表示朝向探头的血流。零基线下方的光点表示背离探头的血流。

较小的取样容积，放置在血管中央时：仅仅测量血管中央的快速血流，显示为较窄的频带

取样容积略变大时：能测到中央血流附近的较慢速血流，频带略变宽

取样容积变大、几乎等于血管内径时：中央的快速血流和周边的慢速血流都被测到，显示为宽的频带

3.4.4彩色血流成像（CFM）

彩色多普勒血流显像(CDFI)或彩色多普勒显像(CDI)主要是利用血液中运动的红细胞对声波的散射，产生多普勒效应，经伪彩色编码技术，在二维图像上显示彩色血流影像。其与脉冲多普勒一样的原理，不同的是脉冲多普勒表示一小段深度的血流速度随时间的变化；而CFM法是用色彩来表示沿接收信号声束多个部位（深度）的血流速度，并叠加在B超图像上，其特征是可以发现异常血流（反流、动静脉短路等）。CFM法显示主要分为速度显示法、速度-离散显示法。

速度显示法：血流方向由红色（朝向探头的血流）、蓝色（远离探头的血流）来表示。速度快慢由红色变为黄色、蓝色变为蓝绿色的色彩变化来表示。

速度-离散显示法：血流方向由红色、蓝色来表示，速度快慢由不同颜色的亮度来表示，速度紊乱（分散）以绿色来表示，能清楚显示瓣膜反流等快速血流，主要应用于循环系统检查。

1. 3.5  三维成像

三维超声是将连续不同平面的二维图像进行计算机处理，得到一个重建的有立体感的图形。早期的三维重建一次必须采集大量的二维图像（10~50幅），并将其存在计算机内，进行脱机重建和联机显示，单次三维检查的图像数据所需的存储空间达数十兆字节，成像需要数小时甚至数天时间。近年来三维超声与高速的计算机技术的联合使其具备了临床实用性。1996年开始了实时超声束跟踪技术，而最新发展的真正的实时三维超声可以称作四维超声（four-dimensional
ultrasound），数据采集和显示的速率与标准的二维超声系统相接近，即每秒15~30帧，被称作高速容积显像（high speed ultrasound volumetric imaging, HSUVI）。

容积探头有一维探头和二维探头，一维探头是通过内部马达旋转晶振阵列，采集多层横断图像数据，通过后处理进行三维重建。二维探头的晶振阵列为面振，可以同时采集多层的横断图，重建出三维立体图像。

4超声前沿技术

1. 4.1谐波成像（harmonic imaging）

  当超声以固定的频率范围发射到人体中，超声在人体中传播并经历反射、折射、散射等过程，再次被探头接收到后，存在高于发射频率的超声信号（谐波频率信号），利用谐波频率信号进行信号处理而重建得到的图像即为谐波成像技术。根据谐波形成的原理大致分为组织谐波成像和对比谐波成像两种模式。

  组织谐波成像：因谐波是发射频率的整数倍，倍数越大衰减越明显，所以主要采用频率为2倍发射频率的谐波进行成像，2倍谐波又叫做二次谐波。相对于主瓣而言，旁瓣声压低，产生谐波少，超声成像中干扰主要是由于旁瓣的影响，因此这种谐波成像干扰少，可以提高常规检查的图像质量。由于旁瓣干扰少，在循环系统检查中，肋骨伪像减少；腹部检查中，可较清晰显示肠管的管腔。

对比谐波成像：利用超声造影剂增强信号、提高灵敏度的方法叫做回声对比谐波成像。

  由于血细胞的散射回声强度比软组织低1000－10000倍，在二维图表现为“无回声”，对于心腔内内膜或大血管的边界通常容易识别。但由于混响存在和分辨力的限制，有时心内膜显示模糊，无法显示小血管。通过在造影剂中注入生理盐水，用手振荡，可以产生微米级的微气泡，然后注入人体血液中，通过造影剂来增强血液的背向散射，使血流清楚显示，从而达到对某些疾病进行鉴别诊断的目的。由于在血液中的造影剂回声比心壁更均匀，而且造影剂是随血液流动的，不易产生伪像。这种存在人体中的微气泡能产生非常强烈的反射回声，超声在体内的震动可以使气泡破裂，在破裂的时候能大量的谐波。

1. 4.2超声弹性成像

    超声弹性成像是近二十年发展的新兴技术之一。由于多种重大疾病（例如甲状腺肿瘤、乳腺肿瘤、病毒性肝纤维化等），其硬度改变往往早于结构变化，传统的超声影像诊断技术难以实现早期诊断，迫切需要对硬度定量测量的无创方法和仪器。超声弹性成像技术与触诊这一传统诊疗方式的目的类似，是为了获取组织的弹性程度。如今超声弹性成像技术在诊断肝脏、乳腺、前列腺等组织的疾病方面有显著效果，临床上也得到了广泛应用。该技术通过一定的方法激励人体组织其发生形变或振动，并用超声成像系统检测，提取组织的弹性模量并对此成像。按激励方式进行分类可以分为：准静态弹性成像（也叫应变弹性成像）、声辐射力弹性成像、外加低频振动的弹性成像，其中后两类都是产生剪切波，一个是外加振动方式，一个是声辐射力方式。

准静态弹性成像（strain elastography）：通过医生手持探头按压浅层组织使组织产生形变，发射超声并获取带有组织形变信息的回波射频信号，利用信号算法进行处理，可以获取到探头接触下的不同深度的组织的位移值，将位移值的大小由小到大的显示不同的颜色，或者利用数学关系转换成弹性值显示不同的颜色即可以获取到比传统成像方式更有优势的组织硬度分布图。此技术已经十分成熟，在很多国内外的超声诊断仪中都有此功能。

声辐射力弹性成像(acoustic
radiation force imaging, ARFI)：声辐射力弹性成像激励方式是利用超声探头将超声波能量短暂的聚焦在一个焦点，当超声能量聚焦在一点时，会产生声辐射力，导致组织产生剪切波，剪切波快速从焦点部位往周围传播。通过利用超声捕捉剪切波传播的速度，可以推导出组织的弹性值。这种方法的优势是可以测量深层组织的硬度，检测速度更快，缺点是受操作人的手法的影响比较大。

外加低频振动的弹性成像：此方法是利用外部振子贴附于人体皮肤表面，超声探头放置在人体的另一侧，振子产生振动，振动在组织中传导，超声探头接收振动的射频信号，经过信号处理获取振动的机械波传播速度，推导出组织的弹性值。

目前国内外的弹性成像的研究以及对应的医疗产品均有很多差异，如下表是欧洲医学和生物学超声联盟(EFSUMB)于2013年正式发表了导则性文件：

     欧洲医学和生物学超声联盟(EFSUMB)于2013年正式发表了导则性文件

5.1.1 清洁探头

探头外壳及探头连接器清洁：

l工具：温和肥皂水、干软布

l方法：

a)使用干软布擦拭探头声头，连接器外壳及电缆的附着灰尘；

b)探头连接器端子上的灰尘可用细软刷轻轻刷掉；

c)若仍有顽固污渍，可用干软布沾少许温和肥皂水擦除探头电缆表层或连接器外壳的附着灰尘或污渍，然后风干。

5.1.2 清洁杯套

l工具：温和肥皂水、干软布、细软刷

l方法：

a)使用干软布擦拭探头/耦合剂杯套内外及杯套缝隙的附着灰尘；对较小的腔内探头杯套或缝隙，可用细软刷轻轻刷掉里层的灰尘及污渍；

b)若仍有顽固污渍，可将杯套取下，用干软布沾少许温和肥皂水擦除外部或里层附着的污渍，风干后安装即可。

c)耦合剂加热杯：拔掉耦合剂加热杯电源线，将加热杯取下，用干抹布或沾少许肥皂水清洁加热杯内外，用细软刷清洁底部小孔内的灰尘，或沾少许肥皂水清除残留污渍，风干后安装即可。

5.1.3 清洁机器外壳

l工具：温和肥皂水、干软布

l方法：使用干软布擦拭机器外壳（祼露在外的部分）灰尘。或用干软布沾少量温和肥皂水擦洗去除污渍，后自然风干。

5.1.4 清洁探头电缆

a)使用柔软的干布擦除探头电缆的污渍。

b)如果仍然难以去除污渍，可使用浸有温和清洁剂的软布擦掉污渍，然后风干。

5.1.5 清洁显示器（触摸屏）

l工具：干软布、清水或温和肥皂水

l方法：

显示器和触摸屏表面的清洁可直接使用干软布擦拭，若仍有污渍，可用干软布沾少许清水或温和肥皂水进行擦拭，然后风干。

5.1.6 清洁控制面板、外壳

l工具：温和肥皂水、干软布

l方法：

使用干软布擦拭控制面板表面（含按键，编码器，拨杆）的灰尘。或用干软布沾少量温和肥皂水擦洗去除顽固污渍，再用另外的干软布擦干或风干。如果清洁操作面板比较困难，可以先拆下编码器帽，然后使用温和肥皂水进行清洁。

5.1.7 清洁轨迹球

l 工具：温和肥皂水、干软布

l方法： 

a)拆卸轨迹球：用两手指扣住轨迹球压圈上的凸条，按逆时针方向转动约45度，压圈随着旋转升起，此时即可取出压圈、轨迹球球体（小心轨迹球球体跌落造成破裂）。如下图所示：

b)清洁：用干净柔软的干布或干纸巾清洁轨迹球内的两长轴、轴承及塑料壳体，压圈内侧部分（如下图所示），同时清洁球体。

c)恢复安装：先将轨迹球球体放入，再将压圈放入（压圈上的凸条与水平呈约15度），顺时针旋转，直到压圈上的凸条水平，卡扣就会被卡住，此时再旋转已转不动，表示压圈已经安装到位。如下图所示。

5.1.8 清洁防尘网

防尘网分机身防尘网和探头插座防尘罩。需要定期（一季度一次）清洁机器所有的防尘网，否则容易对机器造成损坏。在户外或其它灰尘较多的场所使用时，应增加清洁的次数。

l工具：细软刷

l方法：

a)清洁之前请先拆卸防尘网

不同的超声诊断仪的防尘网的设计均不相同，对应的拆解方式也不一样，具体的可以咨询厂家工程师和设备科的工程师。

b)清洁防尘网/罩：用细软刷轻轻刷掉防尘网/罩上的灰尘；

c)安装防尘网/罩：清理完防尘网后，一定要重新安装回去。

目视，检查探头声头无裂纹或膨胀，表面平滑无损伤。

目视，检查探头线缆无老化或脱皮。

目视，检查探头连接器无弯曲，损坏或脱落的针脚。

目视，检查电源线缆无折皱，裂纹或老化。

手动操作，检查电源插头连接可靠，无松动或断裂现象出现,电源线防脱钩有效。

为防止系统硬盘上的数据损坏或丢失，请定时对系统硬盘的数据（病人资料信息，预置数据等）进行备份。硬盘中的数据也需要定期删除，否则影响机器的运行速度和工作效率。