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医学超声检查

时间:2013-10-22来源:机器视觉网http://shixinhua.com 作者:石鑫华机器视觉网 点击:

医学超声检查

石鑫华机器视觉网:医学超声检查(超声检查、超声诊断学)是一种基于超声波(超声)的医学影像学诊断技术,使肌肉和内脏器官——包括其大小、结构和病理学病灶——可视化。产科超声检查在妊娠时的产前诊断广泛使用。
超声频率的选择是对影像的空间分辨率和患者探查深度的折中。典型的诊断超声扫描操作采用的频率范围为2至13兆赫。
虽然物理学上使用的名词“超声”用于指所有频率在人耳听阈上限(20,000赫兹)以上,但在医学影像学中通常指频带比其高百倍以上的声波。
29周大正在发育中的胎儿的“三维超声”
29周大正在发育中的胎儿的“三维超声”

应用

超声诊断学的历史并不悠久,是在20世纪才开始运用,但在现在的医学诊断学中,却有着难以取代的作用。现在超声检查在医学中广泛应用。它可能起诊断作用,也可能在治疗过程中起引导作用(例如活检或积液引流)。通常使用手持式探头(通常称为探头)放置于患者身上并移动扫查,一种水基凝胶被涂在患者身体和探头之间起耦合作用。
举例来说,医学超声检查通常用于:
  • 心脏科
  • 内分泌科
  • 消化科
  • 妇科; 见妇科超声
  • 产科; 见产科超声
  • 眼科; 见A型超声,B型超声
  • 泌尿科
  • 血管科
  • 超声造影
  • 眼科学

盆腔超声

盆腔超声是多囊卵巢综合征的主要诊断工具,也可用于子宫、卵巢和膀胱的成像。妊娠时超声用于检查胎儿的发育情况。男性有时进行盆腔超声用于检查膀胱和前列腺的健康状况。有两种方式进行盆腔超声检查:经皮和腔内。腔内超声可经阴道(女性)或者经直肠(男性)。参见:-
  • 妇科超声
  • 产科超声

治疗中的应用

超声诊断在对腹部脏器疾病的诊断中,因为它的快速、价廉而在腹部疾病的检查中常作为首选。另外,近年来在心脏超声、妇产科超声和腔内超声等领域也有了很大的发展。同时,随着介入超声和超声治疗的加盟,肝肾的穿刺、癌症的治疗、震波碎石、造瘘等检查和治疗迅速发展起来,超声诊断的同时进行治疗。
  • 聚焦超声外科(FUS)或称强度聚焦超声HIFU,可用于治疗良性和恶性肿瘤及其他疾病,通常使用的超声波较诊断用超声波的频率要低(250kHZ至2000kHz),但是其平均时间强度显著提高。治疗通常由磁共振成像引导,参见磁共振引导聚焦超声。
  • 更强的超声源可以在口腔卫生中用来清洁牙齿或使生物组织局部加热,例如物理治疗、职业治疗、肿瘤治疗(包括癌症治疗)。
  • 聚焦超声源可用来震碎肾结石,即震波碎石;也可利用超声乳化术治疗白内障。
  • 近期发现一些低强度超声的其他生理学作用,例如,刺激骨生长以及破坏脑血管障壁以利于药物的扩散。
  • 肝肾的穿刺
  • 造瘘

由声波产生图像

由声波产生图像经由三个步骤:产生声波,接收回声并将这些回声可视化。

产生声波

医学超声检查仪
医学超声检查仪
在医学超声检查中,压电换能器(一般是陶瓷的)的相位阵列产生的短而强的声音脉冲制造声波。电线和换能器都封装在探头中。电脉冲使陶瓷振荡产生一系列的声音脉冲。声波的频率可表现为2至13兆赫中的任一频率,远超于人耳能听到的频率。任何频率超过人耳能听到的范围的声波都可称为“超声波”。而医学超声的目的在于使由换能器散射出的声波汇总产生单一聚焦成弧形的声波。
为了使声波有效地传导入人体(即阻抗匹配),探头的表面由橡胶包被。为此,水基凝胶也涂布在探头和患者皮肤之间。
声波部分地从不同组织之间的界面反射回探头,即为回声。由非常小的结构散射的声波也产生回声。

接收回声

声波返回探头,与探头发射声波相似,只是过程恰恰相反。返回的声波使探头的单元振荡并使振荡转化为电脉冲,脉冲由探头发送至超声主机,并处理数字图像。

形成图像

超声仪必须确定接收到的回声的3个要素:
  1. 在探头的众多单元中是哪个单元接收到的回声;
  2. 回声的信号强度;
  3. 从探头发射声波到接收到其回声用了多少时间。
一旦超声仪确定了这3点,即可明确图像中哪个象素应该显示,亮度为多少。接收信号转化为数字图像可比方为往一个空白的电子表格上填写数据。接收脉冲的探头单元决定电子表格的哪一'列'(如A,B,C列等)。接收回声所用的时间决定哪一'行'(如1,2,3行等),回声的强度决定亮度(白色表示强回声,黑色表示无回声,不同的灰阶表示2者之间的不同回声),如同在电子表格的格子里填入数据。

设备

超声检查使用含有一个或多个换能器的探头向物体发射脉冲。当声波遇到声阻抗不同的物体,部分声波就会被反射,当探头探测到时即为回声。回声返回探头的时间被测量记录,用于计算产生此回声的组织界面的深度。2种物质之间的声阻抗差异越大,回声越强。液体和气体之间的声阻抗差异极大,导致遇到其界面的绝大多数声能被反射,致使其区域外的物体不能显像。
在不同的物质中声波的传播速度不同,这取决于该物质的声阻抗。但是,医学超声的主机假定声速恒为1540m/s。虽然由于产生回声,会丧失一部分声能,但与由于声波被吸收而产生的衰减而言影响很小。
为了产生二维图像,声束采用机械或电子方式的声学换能器相控阵列进行扫射。接收的数据则进行处理以构建图像。
用于医学超声的声波频率一般在1至13兆赫。频率越高相应的波长越短,所得影像的分辨率越高。但是随着声波频率的增高,声波的衰减也越快。所以为了探查更深的组织,使用较低的频率(3-5兆赫)。
大多数超声仪也能显示各种彩色图像。这仅仅是指定不同的颜色用以表示接收到的回声的振幅。 此外。由一系列的2维图像可以生成三维图像,通常使用的是特殊探头。
线阵探头
线阵探头

多普勒超声

多普勒超声大大提高了医学超声检查的能力,它利用多普勒效应判断某结构(通常是血流)是否朝向或背离探头运动,并计算出其相对速度。通过计算部分样本容积的频率漂移(例如心脏瓣膜上方的喷射血流),可以确定其方向、速度,并显示出来。这对心血管方面的研究特别有用,对其他的一些医学领域也是必要的,比方说诊断肝脏门脉高压症时的血流逆行。多普勒信息的图形化显示可以使用频谱多普勒,也可以使用彩色多普勒或者能量多普勒。通常此信息利用立体声扬声器表现出来:是一种虽然为人工合成,但是特征明显的声音。
严格说来,大多数现代超声仪并不使用多普勒效应来测定流速,而是依赖脉冲多普勒(PW)技术。机器发出超声波脉冲,然后再切换至接收模式。这样,接收到的反射脉冲并没有频率漂移,声学效应也不连续。但是,经过多次测量,这些序贯的测量的相变可以用来得到频率漂移(因为频率是相变的速度)。为了从发射信号和接收信号得到相变漂移信息,通常使用2种算法中的一种:自相关技术或者相关性技术。更旧的机器,采用连续多普勒(CW)技术,按上述方式显示多普勒效应。为了做到这点,机器的发射和接收换能器必须是分立的。采用连续多普勒技术的机器,其主要缺点在于不能获得距离信息(而这正是脉冲多普勒系统的主要优点——发射和接收脉冲所花的时间在知道声速的情况下可以换算成距离信息)。
在超声领域(但不是指信号处理领域),术语多普勒超声兼指脉冲多普勒和连续多普勒系统,而忽视速度测量的不同机理。
颈总动脉多普勒频谱
颈总动脉多普勒频谱
颈总动脉彩色超声多普勒声像图
颈总动脉彩色超声多普勒声像图

超声检查的优势

  • 对肌肉和软组织显像良好,对于显示固体和液体腔隙之间的界面有特别用处;
  • 实时生成图像,检查操作者可动态选择对诊断最有用的部分观察并记录,利于快速诊断;
  • 显示脏器的结构;
  • 目前未知有长期副作用,一般不会造成患者不适;
  • 设备广泛分布并相对灵活;
  • 有小型的、便携式扫描仪;可在患者床边进行检查;
  • 相对于其他检查价格便宜(例如CT成像,双向X射线吸收成像或者核磁共振成像)。

超声显像的不足

  • 超声设备对骨的穿透性差。例如,脑的超声成像就极为受限;
  • 因为声阻抗的差异过大,当探头与要探查的组织之间有气体时超声显像质量很差。例如,由于前方受到胃肠道气体的干扰,使得胰腺的成像非常困难,肺脏成像也是不可能的(除非是探查胸腔积液);
  • 即使没有骨骼或气体的干扰,超声的探查深度也是有限的,使得远离体表的结构成像困难,特别是肥胖病人;
  • 操作者的手法十分重要。高超的技巧和丰富的经验对于获得高质量的图像和做出准确诊断是必要的。

超声成像的危险性

对于超声的安全性曾经有过争议。既然超声是能量的一种形式,那么就存在一个问题:“此种能量波会对我的组织产生何种影响?”有一些报道称一些接受了超出建议次数超声检查的产妇产出低体重儿。
美国FDA警告说,实验室研究表明诊断水平的超声波会对组织产生物理效应,例如机械震动和温度升高。并且建议,公众如无必要,不要随便暴露在超声波下,尤其是孕妇。尽管没有证据表明这些物理效应会伤害胎儿,但绝不可认为超声波检查传送的能量对胎儿完全无害,并且FDA不许可利用医学超声波成像设备进行胎儿写真、视频留念等非医学用途行为,并将医学超声波成像设备列为处方设备。
可能的一些副作用:
  • 效应:局部组织吸收超声的能量并使组织的温度升高。
  • 空化效应:溶解的气体因为局部的温度升高从溶质中释出。
 
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