全數(shù)字超聲診斷系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)淺析①

劉尊亮

(徐州雷奧醫(yī)療設(shè)備有限公司 江蘇徐州 221116)

超聲波是一種振蕩頻率超過了2MHz的機(jī)械波,超過了人的耳朵的聽覺范圍。而超聲波的傳播也是要求在介質(zhì)中發(fā)生的,它的速度會(huì)因?yàn)榻橘|(zhì)的聲阻抗的而發(fā)生變化,而在人體的軟組織中大概是1540m/s。而和另外一些的波動(dòng)的過程是一樣的,超聲波的發(fā)生是要求具有聲源的。而在全數(shù)字超聲診斷系統(tǒng)當(dāng)中,探頭晶片受激發(fā)射就產(chǎn)生了超聲波,因此探頭晶片也就是聲源。

1 全數(shù)字超聲診斷系統(tǒng)簡析

超聲波和其他的波動(dòng)過程是一樣的,都是具有聚焦性、方向性、衰減性、聲阻抗、折射、反射、衍射、散射、多普勒效應(yīng)等等的物理特性。而在介質(zhì)中的傳播通常是要遵循幾何的光學(xué)原則。

超聲診斷儀是按照波束掃查的方式來分類的,它能夠劃分為brightness型、amplitude型、doppler型和motion型。而另外一些如超聲CT和超聲顯微鏡、超聲全息等都是處于研制的階段。

2 全數(shù)字超聲診斷系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 換能器技術(shù)

超聲波的接收和發(fā)射是按照壓電效應(yīng)的原理來進(jìn)行的,有一些有特殊功能的人工或者天然晶體,例如鋯酸鉛、石英等等,當(dāng)人們?cè)谒钠渲幸欢ǚ较蛏线M(jìn)行施壓的時(shí)候,晶體的兩側(cè)的表面就會(huì)產(chǎn)生相反的電荷。相反的,如果把它放在交變電場之中,同時(shí)讓晶體壓電軸方向和電場的方向相同,晶體就會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的舒張和壓縮。

在超聲診斷系統(tǒng)中超聲換能器常被稱作探頭,它是人工或者天然的壓電晶片所結(jié)合而成的,分為單晶片和多晶片,它的作用是接收回聲信號(hào),還有發(fā)射超聲波。而晶片的前面是有保護(hù)膜的,它是環(huán)氧樹脂或者硅橡膠所制造而成的。

2.2 數(shù)字波束合成

全數(shù)字超聲診斷儀的核心技術(shù),實(shí)現(xiàn)圖像獲取、處理過程的全數(shù)字轉(zhuǎn)化,保證圖像不失真,邊緣清晰。接收的通道當(dāng)收到回波的信號(hào)時(shí)并對(duì)它進(jìn)行隔離、整序和AD采樣等等的基本處理之后就進(jìn)入了數(shù)字波束的合成模塊。

而當(dāng)運(yùn)用多陣元探頭成像的時(shí)候,圖像的數(shù)據(jù)處理是用幾個(gè)通道接收到的數(shù)據(jù)來進(jìn)行合成的,所以波束合成的質(zhì)量是圖像的質(zhì)量高低的決定因素。而多波束合成的作用主要有對(duì)接收到的不同通道的回波信號(hào)進(jìn)行一系列的延時(shí)求和,最終進(jìn)行動(dòng)態(tài)變跡、動(dòng)態(tài)聚焦,還有動(dòng)態(tài)孔徑處理。而實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)聲束變跡是隨深度連續(xù)地抑制旁瓣,有效降低背景噪聲,獲得最高信噪比,實(shí)現(xiàn)高清晰度圖像。而實(shí)時(shí)逐點(diǎn)動(dòng)態(tài)接收聚焦是最理想的接收聚焦技術(shù),大大改善了遠(yuǎn)近場的圖像顆粒均勻度和提高整場組織的分辨率,獲得高質(zhì)量的二維圖像。而實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)孔徑成像技術(shù)是超聲成像系統(tǒng)的一個(gè)重要環(huán)節(jié),良好的動(dòng)態(tài)孔徑控制技術(shù)能夠有效地改善圖像質(zhì)量,根據(jù)不同探測深度確定波束寬度所需的孔徑大小?，F(xiàn)代全數(shù)字超聲診斷系統(tǒng)常用的寬頻帶探頭多頻率同時(shí)發(fā)射,接收時(shí)系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)字化自適應(yīng)帶通濾波器,根據(jù)檢查部位深淺差異,自動(dòng)選擇最佳的接收頻率,有效地解決了分辨率和穿透力之間的矛盾,在同一幅圖像上實(shí)現(xiàn)了最佳分辨率和最高穿透力。而延時(shí)的精度則是合成波束好壞決定因素。那是因?yàn)閯?dòng)態(tài)聚焦的延時(shí)精度是與整個(gè)系統(tǒng)的性能有著直接的聯(lián)系。

2.3 動(dòng)態(tài)濾波

動(dòng)態(tài)濾波器的目的是為了滿足人體組織的各個(gè)不同的深度對(duì)回波信號(hào)的衰減的變化而設(shè)計(jì)的。很多的實(shí)驗(yàn)和研究都顯示,人體組織細(xì)胞對(duì)超聲的衰減和被探測的介質(zhì)的深度是相關(guān)的,同時(shí)還和超聲波的頻率相關(guān)。多層匹配的超聲探頭和單層匹配的超聲探頭,它們的發(fā)射超聲波頻譜都并不是簡單的頻率,所以接收的頻率也是會(huì)有一定的帶寬的。它隨著頻率的不斷上升,介質(zhì)對(duì)低頻分量的衰減要比對(duì)高頻分量的衰減少。所以,在近場的時(shí)候,回波頻率的成分是比較集中在頻帶的高端位置,而隨著探測的深度的不斷加深,回波信號(hào)的頻譜的中心頻率會(huì)不斷向頻帶低端頻去移動(dòng)。而中心頻率的不斷下移就會(huì)使橫向分辨率不斷惡化。按照超聲回波在近、遠(yuǎn)場的不同分布規(guī)律,來決定接收器的帶寬,也就是不斷的變更濾波器的系數(shù)能夠在很大的程度上管理這類頻譜移動(dòng)所產(chǎn)生的影響。

而濾波器的類型選擇主要的決定因素是濾波的時(shí)候要強(qiáng)調(diào)的信號(hào)的特點(diǎn)和側(cè)重面。濾波的主要目的是要去除噪聲,可是有的可能只是希望能夠盡可能的除掉噪聲,某些則是希望在除掉噪聲的時(shí)候還可以使濾波器含有線性的特性,而某些就是注重濾波的實(shí)時(shí)性。

3 結(jié)語

全數(shù)字超聲診斷系統(tǒng)采用了先進(jìn)的高精度數(shù)字化技術(shù),圖像真實(shí)、細(xì)節(jié)豐富、功能強(qiáng)大、操作簡便,能夠滿足臨床上不斷提高的診斷要求。全數(shù)字超聲診斷系統(tǒng)是工程技術(shù)與醫(yī)學(xué)診斷技術(shù)融合的結(jié)晶,將超聲診斷設(shè)備帶入了超聲影像的新境界,是醫(yī)療衛(wèi)生系統(tǒng)超聲診斷設(shè)備的最佳選擇。

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[2]楊慶余.超聲在醫(yī)學(xué)診斷中的應(yīng)用[J].物理與工程,2003,13.

[3]包毅.醫(yī)學(xué)超聲影像的技術(shù)及發(fā)展[J].中國招標(biāo)周刊,2006,6.