獸醫(yī)超聲診斷儀技術(shù)要點(diǎn)及質(zhì)量評(píng)價(jià)

張晶聲,董 明，金聞名，張 旭，于遵波

(1.中國獸醫(yī)藥品監(jiān)察所, 北京 100081;2.涿州市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局, 涿州072750)

獸醫(yī)超聲診斷儀自20世紀(jì)60年代以來[1]，伴隨著超聲探測(cè)技術(shù)一路發(fā)展，從檢查豬、牛的動(dòng)物組織與確定肉用動(dòng)物的組分和體況，到羊的妊娠診斷，到犬的眼科掃描，到動(dòng)物腹部器官的影像檢查，到動(dòng)物臟器的疾病診斷，涉及到獸醫(yī)診斷的各個(gè)領(lǐng)域。獸醫(yī)超聲診斷儀的類型也從簡單聽聲的A型超聲到直觀成像的B型、M型超聲和彩色多普勒超聲,類別繁多。相關(guān)學(xué)術(shù)專著[2-3]從物理技術(shù)原理到動(dòng)物診斷實(shí)例論述詳細(xì)，推動(dòng)了獸醫(yī)超聲診斷技術(shù)在我國的發(fā)展。梳理獸醫(yī)超聲診斷儀的技術(shù)要點(diǎn)，分析影響其性能的質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)指導(dǎo)產(chǎn)品的質(zhì)量檢測(cè)十分必要。

1 獸醫(yī)超聲診斷儀的工作原理

獸醫(yī)超聲診斷儀對(duì)動(dòng)物軟組織進(jìn)行斷面圖像顯示，達(dá)到對(duì)器官形狀進(jìn)行觀察，對(duì)組織尺寸進(jìn)行檢測(cè)功能，主要是利用了超聲波能量(聲強(qiáng))大、在不同組織界面上發(fā)生反射、透射、繞射、衍射的兩大特征，脈沖回波技術(shù)的聲束直線傳播、傳播速度恒定和不同組織的吸收系數(shù)一致三個(gè)基本假設(shè)，和聲束聚焦、動(dòng)態(tài)頻率掃描等多種技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的。

具體工作過程：超聲探頭通電，發(fā)射一定頻率的超聲波束，通過耦合劑進(jìn)入動(dòng)物體，在不同深度的組織界面上產(chǎn)生反射，回波返回超聲探頭，激勵(lì)壓電晶片產(chǎn)生電壓信號(hào)，通過成像技術(shù)在屏幕上顯像。圖像是由許多返回回波的小點(diǎn)組成的。這些小點(diǎn)根據(jù)返回所花的時(shí)間被放置在影像屏幕上適當(dāng)?shù)纳疃?，位置代表了不同的組織深度，灰階表示了回波的振幅或強(qiáng)度。慣例是將低強(qiáng)度的回波顯示成近似黑色、中等強(qiáng)度的回波顯示成不同灰度的陰影、高強(qiáng)度的回波顯示成白色。最終顯示的是組織的超聲斷面聲像圖。

2 基本參數(shù)

2.1 工作頻率 工作頻率是獸醫(yī)超聲診斷儀工作時(shí)探頭中壓電晶片的振動(dòng)頻率，直接影響到超聲束的多個(gè)參數(shù)[4]和儀器的工作性能，具體見表1。

表1 工作頻率對(duì)參數(shù)的影響

由此可見，工作頻率越高，超聲能量越大，近場(chǎng)長度越長，聲束指向性越好，成像質(zhì)量越好。這些都是正面的影響。負(fù)面的影響是超聲衰減越大，超聲波抵達(dá)的有效深度變淺。獸醫(yī)超聲診斷儀探頭頻率通常是3.5 MHz，適用于體外使用，而7.5 MHz適用于經(jīng)直腸體內(nèi)探測(cè)。

2.2 聲阻抗 聲阻抗表示組織對(duì)聲音傳播的阻礙作用，是組織本身的聲學(xué)特性。當(dāng)聲壓與振動(dòng)速度同相位時(shí)，聲阻抗的大小等于組織的密度與波速的乘積。超聲波在組織界面上的反射、透射與界面兩側(cè)的聲阻抗密切相關(guān)。

2.2.1 聲壓反射系數(shù)與聲壓透射系數(shù) 聲壓反射系數(shù)r定義為界面上的反射聲壓與入射聲壓的比值，聲壓透射系數(shù)t定義為界面上的透射聲壓與入射聲壓的比值，當(dāng)聲波垂直由聲阻抗為Z1的組織入射到聲阻抗為Z2的組織時(shí)，它們的數(shù)值如下：

(1)

(2)

可以看出，當(dāng)界面兩側(cè)組織的聲阻抗幾乎相等時(shí)，r≈0,t≈1，入射波幾乎全透射。當(dāng)Z1?Z2時(shí)，r≈-1，t≈0，入射波幾乎全反射。反之，當(dāng)Z1?Z2時(shí)，r≈1，入射波也幾乎全反射。前者相當(dāng)于從探頭進(jìn)入空氣，后者相當(dāng)于從空氣進(jìn)入動(dòng)物體。Z1與Z2的差值小，反射聲波少。動(dòng)物體內(nèi)體液、軟組織、肌肉等聲阻抗相差不大，是超聲診斷的主要適合對(duì)象。

2.2.2 耦合劑和保護(hù)膜 由上節(jié)表述可知，為了使超聲波從探頭進(jìn)入動(dòng)物體，必須在探頭和動(dòng)物體之間使用某種耦合劑。根據(jù)超聲波在三層介質(zhì)中的傳播理論可知，如果中間層的厚度等于其中波長四分之一的奇數(shù)倍，且中間層的聲阻抗的平方等于第一層和第三層介質(zhì)聲阻抗的乘積時(shí)，超聲波能量能全部從第一層透射進(jìn)第三層，這就是探頭—耦合劑—?jiǎng)游矬w的工作模式。

同樣的理論表明，如果中間層的厚度遠(yuǎn)小于在其中傳播的超聲波波長，中間層對(duì)超聲波的透射就沒有影響。所以在探頭前加與波長相比很薄的保護(hù)膜，防止探頭磨損和腐蝕。

2.3 超聲探頭 壓電晶片是探頭的核心元件，其厚度和陳列方式直接決定超聲探測(cè)的性能。

2.3.2 多晶片陣列 多個(gè)晶片直線排列成線型陣列時(shí)，其聲場(chǎng)由多個(gè)晶片形成的陣元聲場(chǎng)疊加而成。在陳元高度上做成曲面形狀或加裝曲面聲透鏡，進(jìn)行聲束聚焦；或者按一定的時(shí)序延遲激發(fā)壓電晶片，可以形成圓形波陣面，達(dá)到圓心聚焦效果。另外，可通過改變各晶片的激發(fā)延遲時(shí)間，改變聲束的方向，使聲束與陳列的法線形成一個(gè)偏轉(zhuǎn)角，改變此角度可得到扇形掃描的超聲束，即為相控陣扇形掃描。

2.4 動(dòng)態(tài)頻率掃描 主要依賴多頻同時(shí)收發(fā)探頭和可變通帶濾波器等技術(shù)，使得探頭在以主頻率為中心的一個(gè)小頻帶范圍內(nèi)工作，對(duì)淺層組織自動(dòng)采用高工作頻率，對(duì)深層組織自動(dòng)采用低工作頻率探測(cè)，兼顧了圖像的分辨率和探測(cè)深度。而且方便使用。

2.5 時(shí)間增益補(bǔ)償 由于吸收衰減的原因，距離探頭越遠(yuǎn)的界面反射越小，不利于成像。為了使得不同深度組織界面上反射回波的幅度與聲波傳播的距離無關(guān)，需要對(duì)聲波由于傳播距離導(dǎo)致的聲壓衰減進(jìn)行補(bǔ)償。這種對(duì)回波進(jìn)行的增益補(bǔ)償技術(shù)稱為時(shí)間增益補(bǔ)償。

3 獸醫(yī)超聲診斷儀的質(zhì)量評(píng)價(jià)思路

對(duì)獸醫(yī)超聲診斷儀最基本的要求是實(shí)現(xiàn)其觀測(cè)動(dòng)物組織形態(tài)尺寸以供診斷的功能。所以使用性能是質(zhì)量評(píng)價(jià)的第一考慮，落實(shí)到實(shí)際操作上就是圖像質(zhì)量指標(biāo)。同時(shí)，應(yīng)考慮安全性能要求，包括對(duì)動(dòng)物體的安全、操作者的安全、環(huán)境安全等，具體落實(shí)到電氣安全和超聲安全兩個(gè)方面。

3.1 圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)[5]基本的評(píng)價(jià)指標(biāo)為分辨率、探測(cè)深度和盲區(qū)。分辨率是診斷儀對(duì)被檢組織相鄰回聲圖的分辨能力，分為軸向(縱向)和側(cè)向(橫向)分辨率。軸向分辨率指的是聲束軸線方向上可以區(qū)分開的相鄰兩點(diǎn)的距離，理論最小值為半個(gè)超聲波波長。實(shí)際上受脈沖長度、脈沖重復(fù)頻率、超聲強(qiáng)度、時(shí)間增益補(bǔ)償?shù)染C合影響。側(cè)向分辨率指的是垂直于聲束軸線的橫向平面上可以區(qū)分開的相鄰兩點(diǎn)的距離。由聲束直徑?jīng)Q定，而聲束直徑由工作頻率、探頭大小和穿透深度決定的。聲束直徑越細(xì)，橫向分辨率越高。探測(cè)深度和盲區(qū)指診斷儀能夠探測(cè)到的最大距離和最小距離。由于超聲波的衰減，工作頻率越高，探測(cè)深度越淺。盲區(qū)的大小受脈沖寬度影響。

常規(guī)超聲檢測(cè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性通用方式是采用具有已知固定特性的試塊[6]進(jìn)行評(píng)價(jià)。對(duì)于獸醫(yī)超聲診斷儀，采用超聲仿組織體膜[7]衡量超聲圖像的質(zhì)量。針對(duì)超聲體膜，分辨力指在指定深度處，沿超聲波束軸向和垂直于超聲波束軸線方向上能夠清晰顯示為兩個(gè)回波信號(hào)的兩靶線之間的最小距離。探測(cè)深度指的是縱向靶線群中能明確成像的最遠(yuǎn)靶線與聲窗之間的距離，盲區(qū)指的是盲區(qū)靶群中能明確成像的最近靶線與聲窗之間的距離。

早期妊娠診斷、孕期監(jiān)測(cè)和背膘厚度的測(cè)量對(duì)經(jīng)濟(jì)動(dòng)物的繁殖育種至關(guān)重要。由于動(dòng)物體形差異大、妊娠不同時(shí)期器官游離度大，探測(cè)深度要求更深；而且動(dòng)物皮(例如豬皮和牛皮)厚，盲區(qū)數(shù)值要求更小。

3.2 安全性評(píng)價(jià)

3.2.1 電氣安全性 獸醫(yī)超聲診斷儀作為電器產(chǎn)品，需要遵循醫(yī)用電氣設(shè)備安全通用要求GB9706.1，對(duì)其耐壓性能、泄漏電流等指標(biāo)進(jìn)行測(cè)量。

3.2.2 超聲安全性 由于超聲波的空化效應(yīng)和熱效應(yīng)，可能產(chǎn)生對(duì)動(dòng)物體組織畸變的不良影響，應(yīng)控制超聲診斷儀探頭的輸出聲強(qiáng)。一種是要求聲強(qiáng)不超過10 mW/cm2，用超聲功率計(jì)直接測(cè)量探頭聲輸出功率，需要對(duì)探頭有效面積進(jìn)行計(jì)算[8]。另一種是將聲功率參數(shù)換算為熱指數(shù)和機(jī)械指數(shù)，利用輻射力天平和水聽器測(cè)量[9-10]。后者符合超聲診斷和監(jiān)護(hù)設(shè)備安全專用要求GB9706.9-2008。

4 結(jié) 語

目前市場(chǎng)上的獸醫(yī)超聲診斷儀品牌諸多，進(jìn)口的有GE、Esaote(意大利百勝)、日本木村、祥生(Chison)等，國產(chǎn)的有遼寧漢德、EDAN(理邦)、邁瑞等，它們?cè)趧?dòng)物臨床診療和畜牧業(yè)育種養(yǎng)殖中發(fā)揮著重要作用。應(yīng)在依據(jù)上述指標(biāo)加強(qiáng)產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)的基礎(chǔ)上，不斷充實(shí)完善檢測(cè)參數(shù)，為產(chǎn)品行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的制定和行業(yè)管理打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。