超声波技术在医疗上的应用
超声波技术及其应用报告超声波技术在医疗上的应用
硕士研究生：
学号：
学科：
报告日期：
超声波技术及其应用报告
摘要
频率高于可听声频范围（20KHZ以上）的机械波，称为超声波（ultrasonic)，简称超声。它方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，在水中传播距离远，可用于测距、测速、清洗、焊接、碎石、杀菌消毒等。在医学、军事、工业、农业上有很多的应用。本文主要介绍超声波技术在医疗上的应用。主要由超声波在医疗检测上的应用和超声波在治疗上的应用两部分组成。主要内容包括B超，彩超，超声全息影像技术，超声波手术刀，超声波碎石技术。文章论述了这些超声波技术的基本原理，相比于传统技术的优缺点，存在的局限和发展前景，以及超声波技术要突破的一些技术瓶颈和将来的发展方向。由于篇幅及理论基础有限，本文避免了难以理解的公式推导和证明，只是定性地，原理性地介绍了超声波在医疗上应用的这些技术。
关键词：超声检测；手术刀；超声全息影像技术；超声碎石；超声理疗
- -I
超声波技术及其应用报告
- -
II 目录
摘 要 ....................................................................................................................... I
1.1 技术应用的领域 (3)
1.2 技术应用特点及原理 (3)
1.3 国内外情况分析 (6)
1.3.1 国外情况 (7)
1.3.2 国内情况 (7)
1.4 系统组成 (7)
结论 (10)
参考文献 (11)
超声波技术及其应用报告
- -
III
1.1 技术应用的领域 超声波是频率高于20000赫兹的声波，它方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，在水中传播距离远，可用于测距、测速、清洗、焊接、碎石、杀菌消毒等。在医学、军事、工业、农业上有很多的应用。超声波因其频率下限大约等于人的听觉上限而得名。在医学上，由于超声波对人体的无害性，超声波检测技术广泛应用于组织形貌检测，器官病变的诊断，判断血管的通畅程度，[3]胎儿成长情况鉴定等等。让医生可以提前看到人体内部组织的病变情况，提早诊断，尽早治疗，让广大患者得到了福音。现在，随着超声波技术的进一步发展，超声波碎石技术，超声波手术刀已经得到应用，患者已经可以在无需开刀（或者创口几下送）的前提下完成手术，大大减轻了患者的痛苦和手术的风险。随着计算机技术和相关技术的发展，超声检测也向着全息影像技术方向发展。这样一声可以得到更直观，更全面，更详细的人体内部组织图像，为疾病的治疗和确定手术方案带来极大的帮助。
1.2 技术应用特点及原理 医学超声波检查的工作原理与声纳有一定的相似性，即将超声波发射到人体内，当它在体内遇到界面时会发生反射及折射，并且在人体组织中可能被吸收而衰减。因为人体各种组织的形态与结构是不相同的，因此其反射与折射以及吸收超声波的程度也就不同，医生们正是通过仪器所反映出的波型、曲线，或影象的特征来辨别它们。此外再结合解剖学知识、正常与病理的改变，便可诊断所检查的器官是否有病。
目前，医生们应用的超声诊断方法有不同的形式，可分为A 型、B 型、M 型及D 型四大类。
A 型：是以波形来显示组织特征的方法，主要用于测量器官的径线，以判定其大小。可用来鉴别病变组织的一些物理特性，如实质性、液体或是气体是否存在等。
B 型：用平面图形的形式来显示被探查组织的具体情况。检查时，首先将人体界面的反射信号转变为强弱不同的光点，这些光点可通过荧光屏显现出来，这种方法直观性好，重复性强，可供前后对比，所以广泛用于妇产
超声波技术及其应用报告
科、泌尿、消化及心血管等系统疾病的诊断。
M型：是用于观察活动界面时间变化的一种方法。最适用于检查心脏的活动情况，其曲线的动态改变称为超声心动图，可以用来观察心脏各层结构的位置、活动状态、结构的状况等，多用于辅助心脏及大血管疫病的诊断。[4]
D型：是专门用来检测血液流动和器官活动的一种超声诊断方法，又称为多普勒超声诊断法。可确定血管是否通畅、管腔是否狭窄、闭塞以及病变部位。新一代的D型超声波还能定量地测定管腔内血液的流量。近几年来科学家又发展了彩色编码多普勒系统，可在超声心动图解剖标志的指示下，以不同颜色显示血流的方向，色泽的深浅代表血流的流速。现在还有立体超声显象、超声CT、超声内窥镜等超声技术不断涌现出来，并且还可以与其他检查仪器结合使用，使疾病的诊断准确率大大提高。超声波技术正在医学界发挥着巨大的作用，随着科学的进步，它将更加完善，将更好地造福于人类。
全息技术是利用干涉和衍射原理记录并再现物体真实的三维图像的记录和再现的技术。[1]全息技术第一步是利用干涉原理记录物体光波信息，此即拍摄过程：被摄物体在激光辐照下形成漫射式的物光束；另一部分激光作为参考光束射到全息底片上，和物光束叠加产生干涉，把物体光波上各点的位相和振幅转换成在空间上变化的强度，从而利用干涉条纹间的反差和间隔将物体光波的全部信息记录下来。记录着干涉条纹的底片经过显影、定影等处理程序后，便成为一张全息图，或称全息照片；其第二步是利用衍射原理再现物体光波信息，这是成象过程：全息图犹如一个复杂的光栅，在相干激光照射下，一张线性记录的正弦型全息图的衍射光波一般可给出两个象，即原始象（又称初始象）和共轭象。再现的图像立体感强，具有真实的视觉效应。全息图的每一部分都记录了物体上各点的光信息，故原则上它的每一部分都能再现原物的整个图像，通过多次曝光还可以在同一张底片上记录多个不同的图像，而且能互不干扰地分别显示出来。
全息学的原理适用于各种形式的波动，如X射线、微波、声波、电子波等。[2]只要这些波动在形成干涉花样时具有足够的相干性即
- -4
超声波技术及其应用报告
可。全息以它独特的优点解决了许多其他技术难以解决的问题，为疾病的诊治做出了贡献。激光全息技术首先在眼科疾病诊治的应用中获得了成功，一张全息照片所提供的信息相当于480张普通眼底照片所提供的信息。在眼科疾病的诊断过程中，利用激光全息成像技术可以提供整个眼睛的三维立体图像，并可以用显微镜对整个眼睛图像的不同位置(如角膜、前房、晶状体、玻璃体以及视网膜等)进行逐层观察和研究。也可以利用激光全息成像技术提供眼睛各个部分单独的三维立体图像以做深入的检查。在临床检查中，利用全息诊断方法可以查出直径在1 mm以上的乳腺癌，有利于癌症的早期诊断和治疗。超声全息可用于医疗上的透视等。
理论研究表明，在振幅相同的条件下，一个物体振动的能量与振动频率成正比，超声波在介质中传播时，介质质点振动的频率很高，因而能量很大。有些疾病如咽喉炎、气管炎等疾病，很难利用血流使药物到达患病的部位。利用超声波加湿器的原理，把药液雾化，让病人吸入，能够提高疗效。利用超声波巨大的能量还可以使人体内的结石做剧烈的受迫振动而破碎，从而减缓病痛，达到治愈的目的。初次之外，利用超声波的高能量还能破坏细菌结构，对物品进行杀菌消毒。[5] 超声手术刀是采用超声能对软组织进行止血切开和凝固。适用于对需要控制出血和最小程度热损伤的软组织进行切开，被广泛的应用于外科手术。超声手术刀可以用来配合或取代高频手术刀、激光手术刀和钢制手术刀，大大拓宽了超声治疗的应用领域。超声白内障乳化是超声外科手术在眼科的应用。主要利用超声波的空化效应。3mm 从到5mm 切口将白内障乳化后吸除，再将人工晶体经切口植入。利用超声乳化技术后，手术时间短，无出血，切口长度比常规手术大大缩小，为自封闭形的。能保持正常眼压，故此，术后散光和炎症反应明显减少，视力可早期恢复。此类仪器的技术已经很成熟。超声骨科手术主要利用超声波机械效应，它既可以用于骨骼的切割，如心胸外科切胸骨、脑神经外科开颅、手术切开椎板、骨肿瘤摘除、在骨干上切开
- -5
超声波技术及其应用报告
“窗口”，又可以用于各种骨组织整形修复，如关节手术对关节腔中的半月板进行修复、骨科的的矫形、面额骨整形美容等等。超声骨科手术的独特优点在于：骨科手术中超声刀省力、切缘整齐；激化了凝血酶的活性，使手术中出血少，手术视野清晰；可用于安全性要求高的场合。
利用强度较低的超声波的热效应和机械效应，用聚焦或非聚焦声束对疾病部位进行“加热”和机械刺激来治疗某些疾病，这称为超声理疗。超声理疗主要包括超声按摩、超声针灸及超声热疗等。超声按摩和针灸对于治疗某些皮肤病、坐骨神经痛和某些神经疾病、脑血栓及促进伤口愈合和囊肿的吸收等都有较好的效果。经过数10年实验尝试，表明用聚焦超声可有效地抑制某些癌细胞的生长，甚至杀死癌细胞。而正常组织则不受影响。这表明超声治癌很有前景。
1.3国内外情况分析
超声波在医学上的应用大致可分成两大类：检测超声和功率超声。检测超声主要用于疾病的诊断，而功率超声主要用于治疗。功率超声用于治疗已经有70多年dldq.jh 在1928 年。德国人Mulwert 就试用了超声治疗慢性耳聋；到上世纪五、六十年代，超声治疗以理疗为主：到了70 年代，出现了超声粉碎结石、超声洁牙等；80 年代，超声手术刀开始在外科应用，包括超声白内障乳化、超声切割团组织、超声骨科形成和超声肝脏肿瘤吸引等；近年来，高强度聚焦治癌、超声治疗血管阻塞是、超声药物渗透、超声才华吸入治疗等技术的发展，大大拓宽了超声治疗的应用领域。
超声外科手术主要包括超声白内障乳化、超声骨科手术、超声外科吸引、超声止血手术、超声体外粉碎结石、高强度超声聚焦手术等，下面重点介绍前 4 种外科手术在国内外发展状况。美国首先将超声乳化技术应
- -6
超声波技术及其应用报告
用到眼科白内障手术。目前，利用超声乳化手术进行白内障摘除已经占总数的90%以上。基本上取代传统的手术方法。国外超声乳化仪已经标准化生产，具备乳化抽吸、灌注等多种功能。80 年代末，俄罗斯开发出磁致伸缩原理的超声外科手术仪，尝试用于骨骼切割。由于效率比较低。导致手柄发热严重；另外刀头容易断裂，工作寿命短，需要经常更新。日本住友公司也推出了样机，为避免刀具容易断裂问题，采用无齿刀具。相比俄罗斯有具刀具、无齿刀具寿命大大延长；但无齿刀具易打滑，手术过程难以掌握，切割速度亦不如有齿刀具，因而日本该项设备也尚未真正投入使用。
1.3.1国外情况
八十年代俄罗斯开发出磁致伸缩原理的超声外科手术仪。日本住友公司为避免刀具容易断裂问题采用无齿刀具，相比有齿刀具，无齿刀具寿命大大得到延长。国内主要是清华大学对超声骨科手术进行研究。 美国Valleylab 公司采用磁致伸缩换能器进行外科吸引，法国、英国、德国等相继推出压电陶器换能器的超声吸引器，意大利推出了超声脂肪吸引等产品。美国强生公司于九十年代初期开始致力于超声止血手术并推出“Uitraci—sion”超声止血刀主要用于切割软组织和血管，近年，强生GEN300数码超声切割止血刀被广泛用于医院各手术科室。
1.3.2国内情况
我国从20 世纪90 年代后期引入超声乳化技术，现在已经在全国一些大医院临床应用。之后国内先后也有多家公司开发出超声乳化仪。国内现有清华大学生产的超声乳化仪和中科院电工所研究的超声手术仪。
1.4系统组成
1.4.1与组织定征有关的超声成像新技术
- -7
超声波技术及其应用报告
（1）超声背向散射积分成像声学密度定量分析是通过定量地分析某些声学参数来研究组织特性以达到组织定征的目的。超声背向散射积分成像(integrated backscatter,IBS)技术作为声学密度定量分析新技术，为组织原始回声信号的定量分析提供了新方法。
传统的声学密度定量分析法即视频分析法。组织的回声信号经传统成像方式形成二维灰阶图，视频分析法即对该灰阶图的灰阶分级水平及其分布进行分析，方法有：①灰阶直方图；②计算机定量分析回声的灰阶值及其分布；③纹理参数分析。由于视频信号是组织的回声信号经处理(检波、对数压缩等)后所得的信号，并非组织的原始回声信号，其受动态范围的限制，信号被压缩并有丢失，因此，从严格的定量角度讲，视频分析法并非真正的声学密度定量分析方法，由于影响视频信号的因素太多，所得结果不可靠，故有人称之为半定量研究。
（2）超声背向散射积分成像技术
超声背向散射原理[7]：由声源来的超声波在介质中传播时，若遇到两种具有不同声阻抗的介质(声阻抗差大于0.1%)所形成的界面，且界面大于超声波波长时产生反射，若界面远远小于超声波波长，则产生散射。散射是各向性的，朝向探头的散射即为背向散射，能为探头所接收。
背向散射积分技术：探头所接收的背向散射信号与同时接收的反射信号相比是非常微弱的，故在经传统成像方式形成的二维图像上，由大界面来的反射回声表现为高回声，如脏器的包膜回声、血管壁回声及大的组织结构回声等，而由微小界面来的散射回声则表现为弱回声或无回声，如脏器实质回声为弱回声，血液、胆汁尿液等为无回声。然而由于背向散射信号来源于组织的微细结构，其更能反映组织的结构特性。为了有效的提取和分析微弱的背向散射信号，近几年来一种以背向散射原理为基础的超声成像技术——背向散射积分成像技术得到了较快的发展。
探头接收人体组织的回声信号，超声仪将各界面来的信号经放大、滤波，并进行各信号的延迟合成得到射频信号(组织回波的原始信号)，若将射频信号经检波并输入视频处理器处理(对数压缩、数字扫描转换等)后，再输入显示器显示，则形成常规的二维图像。背向散射积分技术是通过特制的时间门控电路[8]，在射频信号被处理前，提取相关区域(取样容积内)的射频信号，并将其功率谱与一理想平面反射器的回声信号功率谱相比，取其有效频率范围进行积分，单位为分贝(dB)，并将积分值显示出来。目前具有该技术的仪器均为联机分析系统，一旦取样，仪器将自动报出感兴趣区域局部背向
- -8
超声波技术及其应用报告
散射积分值。
1.4.2 声参量成像
此技术临床应用尚不普及，有的还处于理论阶段，因此本节仅简单讲述其物理声学基础。
(1)组织特性成像：组织特性成像(tissue statistic imaging，TSI)[6]目前主要是对组织的弹性参数(coefficient elasticity)及其分布进行测量和成像。其原理是利用特殊设计的声源(如聚焦调制或双束相交等)产生的低频间断性辐射力对待测组织进行激励(impulse)，测量其动态位移，据此计算出相应的应变，知道了应力和应变，就可求出其弹性参数，最后将组织的这种弹性参数以彩色或灰阶编码显示为声弹性图(sonoelastogram)。最近已有关于软组织切变模量分布及其成像的研究报道。这一新技术在组织定征、病变鉴别及器官老化诊断等方面，可能具重要的潜在应用价值。
(2)非线性声参量B/A成像：B/A是描绘声波非线性效应的声学参量之一，是声波通过介质时产生非线性效应大小的一个量度，将B/A参量作为成像特性量进行的成像即Ｂ／Ａ声参量成像[7]。研究发现，此参量与其他线性声参量相比，对组织特性的变化特别敏感，已有研究表明，软组织中密度和声速等参量的差异小5%，而B/A参量的差异则可达50%，而且造影剂中微泡的共振还导致非线性参量B/A值的急剧增加，可比正常组织的B/A 值高出数百倍。因此，将B/A声参量成像与超声造影技术结合，可望为超声组织定征和早期非占位性癌变的诊断开辟新的途径。但是，由于B/A参量不能在一般B超上用脉冲回波法直接测得，必须采用特殊发射波型，专门的信号提取和处理技术，并对接收数据进行换算和反演，才能重建出B/A 值随位置分布的断面图像，即B/A参量的超声层析(CT)成像技术。目前该技术在理论及方法学上已较为成熟，但关于成像装置、重建软件的设计以及实时成像与显示等问题尚有待解决。
(3)声速及声衰减参量成像：声速及声衰减参量成像是以超声波在介质中的传播速度或超声波通过介质时的声衰减量为成像特性量进行成像的技术。最近问世的新型设备UBIS 3000骨扫描仪能同时测量超声波在骨中的传播速度和声衰减量，并具有骨质测定成像系统，克服了以往无图像而造成取样的盲目性。国内外已有利用该技术诊断临床病例的报道。声速及声衰减参量成像也有助于超声组织定征和早期非占位性癌变的诊断。
- -9
超声波技术及其应用报告
- -
10 结论
近几年来，国内外兴起了定向能量治疗技术，超生治疗技术是能量治疗技术的一个重要组成部分。但是，目前国内外超声外科手术上存在的主要技术问题是：(1)电声转换效率低，导致切割速度较慢以及手柄长时间使用后发热。(2)需要解决手术刀具及加工工艺问题，延长刀具的使用寿命。(3)超声手术机理研究不足。因此，在超声外科手术的关键技术的攻关上首先要深入研究超声手术刀具的选材、加工及处理问题，延长刀具寿命。其次，探索新型超磁致伸缩材料的设计与应用。在超磁致伸缩材料应用上获得突破，研制出超轻小、大功率的超声振动系统。最后进行功率超声手术设备的微创、无创研究治疗。
对于超声理疗，现在的问题在于不同癌细胞对热疗的反应不同，目前尚未找到规律，对治疗机理尚缺乏了解，加之体内温度的精确测定尚未得到解决，因而，超声热疗法治疗癌症目前还未能在临床上得到广泛应用。这点的突破还有赖于医学界对癌症机理有更深入的研究。
为发展我国的医学超声事业，需加强横向协作，这种协作不仅仅是项目、产品的分工，而应是职能的分工，根据科研单位、大专院校、工厂各自的特长和长远目标来确定任务。七五期间，有些大专院校参加了工厂牵头的样机研制，虽然对摆脱目前仪器研制的落后局面起到一点帮助 ，但若不同时搞一些高技术的储备研究，很可能一直步美国、日本超声仪的后尘而无创新。要提倡医学超声的研究设计人员学习一些医学知识，医学超声的诊断人员学习一些理工知识。随着科学技术的发展，超声波技术在医学中的应用必然会更加的可靠，更加的安全，更加的广泛。
超声波技术及其应用报告
- - 11 参考文献
[1]葛宏伟，裴敏.激光全息技术在防伪领域中的应用.华中理工大学学报,
1997
[2]李明.激光全息技术的发展及应用趋势研究.激光杂志.2008
[3]胡建恺，张谦琳.超声检测原理和方法.中国科学技术大学出版社.1999
[4]利用超声波和微气泡对准癌症细胞的分子影像技术.中国数字技术论坛
[5]董平栓.血管内超声在介入治疗中的应用前景.洛阳医学网.2011
[6]William F.walker,Stanislav Y.Emelianov. Medical Imaging. Ultrasonic
Imaging and Signal Processing.2005
[7]luojie Hu.The application of coded excitation technology in medical
ultrasonic Doppler imaging.中国知网.2010