超声脉冲回波（声）技术

超声脉冲回声技术系目前用于临床超声诊断的一项成熟技术。它是以时间极为短促的超声脉冲 (通常1μs左右)入射人体，以一定方式检测和显示遇到各种大小界面时产生的反射及散射的回声。超声束从一个方向入射人体时，可得到一条单轴轴线上的回声；不断移动入射声束方向可接收对应每条声束线的回声，并在屏幕上作同步显示，这种方式称为超声扫描。根据声束移动及显示方式，超声脉冲回声技术可分为A型、B型、M型、C型和F型等多种类型。
A型超声技术 它是以显示屏上波形多少、分布及振幅高低代表单束超声射入人体时，声束轴线上回声数、回声时间顺序与回声强度的分布。这一方法称为 “振幅调制法”(Amplitude modulation)，简称A型。其回声由界面产生，一般用示波器显示。在示波器屏幕上，X轴代表距离或深度；Y轴代表探头接收到的回声振幅（强度）。A型技术提取回声信息的真实性取决于：
❶接收器的频响与通频带。通常频带宽度应等于探头工作频率； 通频带变窄会造成频率失真；
❷放大器动态范围应符合回声振幅动态范围，一般应达到80～100dB。放大器动态范围在30dB以下时，会造成严重的幅度失真；
❸视频放大应取甲类，避免失真。
B型超声技术 它是以显示屏上光点分布图代表多条声束扫过体内某一切面时的超声切面图 (Ultrasono-to-mogram)或称声象图(sonogram)。其光点疏密及亮度代表该切面的界面分布及回声强弱。这种技术称为“辉度调制法”(Brightness modulation)，简称B型。声象图由无数的成象单元组成，成象单元称为象素(pixels)，每一象素占有面积愈小，图形愈细微，一幅图中象素的数量决定图形的连续与均匀性。数量愈多，图形愈均匀。图形显示辉度的等级数称为灰阶。16灰阶可以显示人体内部结构回声强度的差别； 64或>64灰阶则能显示较细小结构的特征。声象图按每秒显示图形帧数分为实时显示、准实时显示和静态显示三类：
❶每秒24帧以上(通常30帧)时，可使活动脏器成为连续变化图形，称为实时显示；
❷每秒24帧以下(8～23帧)时，呈片断接续图形，称为准实时显示；
❸每秒2帧以下，甚或数十秒钟显示一帧时，仅适于检查静止脏器而不能检查活动脏器，称为静态显示。B型超声技术已相当成熟，所得图象等效于X-CT切面图。系统的原理方框图如图1所示，图中粗线条方框为“人-机”系统的各段功能； 细线条方框为达到各粗线条方框的必要条件或所赖的物理特性。

图1 B型超声系统方框图

分类 根据扫查和同步显示方式，B型超声技术可分为线扫(linear scan)、径向圆周扫(P.P.I)、扇扫(sectorscan)、和弧扫(aro scan)四种基本类型及“线-扇”扫(linear-sector或convex array)、“扇-扇”扫(sector-scetor)和“弧-扇”扫(arc-sector)三种综合型。
(1) 线扫型： 系多晶片电子扫描。其特点是，成象为矩形图，图形实时显示，近区与远区分辨力相似，能连续显示邻近各切面，易在人脑中形成三维概念。通常这种方式的发射聚焦固定，接收聚焦可变，要求有较大透声窗。
(2) 扇扫型： 分机械式单（双或三）晶片扫描和多晶片相控阵式扫描两种方式。机械式扫描的特点是，成象为扇形图，图形实时显示，近区显示宽度过小而远区分辨力下降，图形边缘往往呈锯齿状模糊。这种方式的发射与接收聚焦均固定，故需配焦距不同的多种探头(除非使用多环形相控阵单探头，使声束在声轴线上多处聚焦)，其机械设备易发生故障。相控阵式扫描不同于机械式扫描的特点是发射聚焦固定而接收聚焦可变(分3～4段)，其探头小而轻便，易获三维概念。
(3) “线-扇”扫型： 系凸弧形多晶片阵列电子扫描。其特点是：成象为扇面图，图形清晰，实时显示，近区宽达40mm(或76mm)，远区分辨力较高，发射聚焦固定而接收聚焦可变，易获三维概念。
(4)径向圆周扫型：系单晶片机械旋转式。其特点是，成象为圆面图，适于管腔内应用，但不能实时显示。
(5) 弧扫型：系单晶片手动接触式。其特点是：可成象为任何型式的图样，扫线密度可高达数千至数万线以上，可获得甚大区域的断面图，亦可放大观察诸如眼、甲状腺等小部位，但每次成象需时甚久，不能实时显示，不易在人脑中获得三维概念。
(6)弧-扇扫型：采用8晶片(或4晶片)弧阵的扇扫叠加技术的机械式扫描。其特点是：能获得各部位、各脏器的完整断面图，对透声窗要求不严格，可获得自动等距连续断面图，但不能实时显示。这种方式每帧扫线为4800线。接收与放大 仪器性能在很大程度上取决于接收放大器的设计。一般要求放大器具有100～120dB的高动态范围、80～100dB的高增益和高信/噪比。高频放大部分可采用对数放大器或数字化高频采样技术。对数放大器是将强信号端压缩40dB左右，再作A/D(模/数)转换或直接显示，数字化高频采样技术是将回声经一级高放后以22MHz的取样率直接数字化，输入存储器。后者可提高轴向与侧向分辨力，减低多级对数放大器的失真度，扩大回声显示动态范围，提高信/噪比，提高微弱信号的检出率，并使图形清晰。
放大器具有深度（时间）增益补偿(DGC或TGC) 电路，其作用是补偿不同深度人体组织对入射超声的衰减，其调节方式有两种：
❶折线式调节：系用多个电位器分段调节对应不同深度的增益补偿。通常每一电位器控制1.5～2.5cm的一段深度。折线式调节用手随意选择某一深度上结构的清晰显示，或对其压低、抹去。这种方式较适合于心血管诊断，但不能定量；
❷近区、远区调节：用一个电位器调节0～4cm段的近区，抑制其一定放大倍数；另一个电位器调节其整段的增益补偿，使远区回声衰减所降低的倍数经补偿后恢复至应有电平，如此，获得一幅显示深浅均匀的图象。这种调节可在屏幕上显示其抑制或提升的数值(以dB表示)，有利于量化及图形的前后比较。
扫描变换器 其作用是将超声扫描制式转换成电视制式，以使显示屏上扫线与声束扫线一一对应，顺次显示。主要有五种扫描变换器：
❶光学扫描转换器(OSC):用摄象机对准超声显示图象完成。显示屏上扫线沿Y轴，摄象机靶面扫描沿X轴。这种方式麻烦，比较费人力和时间，且有差拍线条成为屏面干扰；
❷模拟扫描变换器(ASC):采用一电真空器件，其结构如同屏幕与屏幕的两个示波器，一端依超声扫描制式输入电信号后记在靶面上；另一端用电子束依电视制式扫描靶面，取出靶面上所记录的信号。本法需要特制电真空器件，制作技术要求高，易老化，实际上已淘汰；
❸数字扫描转换器(DSC):将接收、放大后的回声数字化(模/数转换)，存入存储器，然后用电视制式隔行读出。通常以纵列方向依次写入（线扫）或以Rθ程序依次写入（扇扫）存储器，而以横行方向隔行读出，如图2所示。

图2 用数字扫描转换器的显示方法
(a)线扫 (b)扇扫

超声帧图的线密度与电视扫描线数的乘积为每帧声象图的象素，该象素与字符显示的象素之和为总象素。总象素与帧频相乘则为每秒写、读的象素，通常为512×512×30=7,864,320象素，有的可高至15,728,640象素；
❹数字扫描处理器(DSP): 在数字扫描转换技术基础上发展更多功能，以快速完成输入处理，按时间顺序处理数据，复合新旧图象，存储两幅以上的图象，并行输出处理；
❺数字图形处理器(DIP):可处理多种图象特征。

图形信息后处理

存储器存入数字信号后，可直接取出存入的原信号作数/模转换，或者将原信号的某种振幅予以提升、降低或消除后作数/模转换，从而形成图象，这一过程称为后处理或图形的灰度变换。各种不同的变换系通过转换函数曲线完成。通常有四类转换函数曲线：
❶线性变换：以X轴为输入灰阶数，Y轴为输出灰阶数。两者间呈线性关系，图形信息无失真；
❷对数与指数变换：对数变换使低端灰阶提升，高端饱和，以突出微弱回声；指数变换明显抑制微弱回声，提升强回声；
❸S型曲线与反S型曲线变换： S型曲线变换使高低两端灰阶电平受很制，中段灰阶充分放大，用以选择性展宽脏器内部结构回声；反S型曲线则与之相反；
❹窗口提升与窗口抑制变换： 窗口提升用以突出某一小段的灰阶信号而抹去其他一切回声信号； 窗口抑制则用以选择性地抹去某一小段灰阶信号，但保留原图中其他信号。两者均可使病灶高度突出，具有高度选择性。

灰阶百分直方图分析

系分析声象特定区域 (即感兴趣区，ROI)中的显示灰阶的范围及百分分布。因灰阶代表回声振幅，故从本图中可分析最高振幅、最低振幅及平均振幅等(在使用对数放大器的仪器上，灰阶与回声振幅不成正比。)。
M型超声技术 以显示屏上曲线代表体内在一条声束轴线上的各界面活动情况。通常，Y轴代表界面深度分布，X轴为时间变化(全长常为2秒～10秒)。这一技术为“时间一动作法”(time-motion mode)，简称M型，多用于心脏检查，并须与心电、心音及其他生理参数同步显示。
M型技术的性能取决于：
❶声束束宽： 减窄声束束宽，可提高分辨力及清晰度；
❷动态范围与灰阶：放大器至少80dB动态范围及16级以上灰阶，方能显示心内膜面、心外膜面与心肌层；
❸显示方法： 以卷轴(scrolling)为先进，不致在回扫期间失落重要特征信息。由于M型曲线的振幅为界面实际振幅在声束轴线上的投影，随声束角度的改变而改变，故曲线上的时间测量可靠，而振幅测量缺乏重复性。
C型超声技术 为等深扫描(constant depth scan)技术。它采用多晶片线扫探头作机械横移或单晶片螺旋形旋扫，以获得与B型法的切面垂直的切面图，等效于一般X线断层图，并在接收器中用等距的选通门取得某一深度的切面图。
F型超声技术 为C型超声技术的变化，系在接收器中使用可调选通门，以获得深度不等的曲面图形。