獸醫超聲診斷儀技術要點及質量評價

張晶聲,董 明，金聞名，張 旭，于遵波

(1.中國獸醫藥品監察所, 北京 100081;2.涿州市農業農村局, 涿州072750)

獸醫超聲診斷儀自20世紀60年代以來[1]，伴隨著超聲探測技術一路發展，從檢查豬、牛的動物組織與確定肉用動物的組分和體況，到羊的妊娠診斷，到犬的眼科掃描，到動物腹部器官的影像檢查，到動物臟器的疾病診斷，涉及到獸醫診斷的各個領域。獸醫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。相關學術專著[2-3]從物理技術原理到動物診斷實例論述詳細，推動了獸醫超聲診斷技術在我國的發展。梳理獸醫超聲診斷儀的技術要點，分析影響其性能的質量評價指標，對指導產品的質量檢測十分必要。

1 獸醫超聲診斷儀的工作原理

獸醫超聲診斷儀對動物軟組織進行斷面圖像顯示，達到對器官形狀進行觀察，對組織尺寸進行檢測功能，主要是利用了超聲波能量(聲強)大、在不同組織界面上發生反射、透射、繞射、衍射的兩大特征，脈沖回波技術的聲束直線傳播、傳播速度恒定和不同組織的吸收系數一致三個基本假設，和聲束聚焦、動態頻率掃描等多種技術來實現的。

具體工作過程：超聲探頭通電，發射一定頻率的超聲波束，通過耦合劑進入動物體，在不同深度的組織界面上產生反射，回波返回超聲探頭，激勵壓電晶片產生電壓信號，通過成像技術在屏幕上顯像。圖像是由許多返回回波的小點組成的。這些小點根據返回所花的時間被放置在影像屏幕上適當的深度，位置代表了不同的組織深度，灰階表示了回波的振幅或強度。慣例是將低強度的回波顯示成近似黑色、中等強度的回波顯示成不同灰度的陰影、高強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

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

表1 工作頻率對參數的影響

由此可見，工作頻率越高，超聲能量越大，近場長度越長，聲束指向性越好，成像質量越好。這些都是正面的影響。負面的影響是超聲衰減越大，超聲波抵達的有效深度變淺。獸醫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適用于經直腸體內探測。

2.2 聲阻抗 聲阻抗表示組織對聲音傳播的阻礙作用，是組織本身的聲學特性。當聲壓與振動速度同相位時，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、透射與界面兩側的聲阻抗密切相關。

2.2.1 聲壓反射系數與聲壓透射系數 聲壓反射系數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t定義為界面上的透射聲壓與入射聲壓的比值，當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，它們的數值如下：

(1)

(2)

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

2.2.2 耦合劑和保護膜 由上節表述可知，為了使超聲波從探頭進入動物體，必須在探頭和動物體之間使用某種耦合劑。根據超聲波在三層介質中的傳播理論可知，如果中間層的厚度等于其中波長四分之一的奇數倍，且中間層的聲阻抗的平方等于第一層和第三層介質聲阻抗的乘積時，超聲波能量能全部從第一層透射進第三層，這就是探頭—耦合劑—動物體的工作模式。

同樣的理論表明，如果中間層的厚度遠小于在其中傳播的超聲波波長，中間層對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的性能。

2.3.2 多晶片陣列 多個晶片直線排列成線型陣列時，其聲場由多個晶片形成的陣元聲場疊加而成。在陳元高度上做成曲面形狀或加裝曲面聲透鏡，進行聲束聚焦；或者按一定的時序延遲激發壓電晶片，可以形成圓形波陣面，達到圓心聚焦效果。另外，可通過改變各晶片的激發延遲時間，改變聲束的方向，使聲束與陳列的法線形成一個偏轉角，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 動態頻率掃描 主要依賴多頻同時收發探頭和可變通帶濾波器等技術，使得探頭在以主頻率為中心的一個小頻帶范圍內工作，對淺層組織自動采用高工作頻率，對深層組織自動采用低工作頻率探測，兼顧了圖像的分辨率和探測深度。而且方便使用。

2.5 時間增益補償 由于吸收衰減的原因，距離探頭越遠的界面反射越小，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，需要對聲波由于傳播距離導致的聲壓衰減進行補償。這種對回波進行的增益補償技術稱為時間增益補償。

3 獸醫超聲診斷儀的質量評價思路

對獸醫超聲診斷儀最基本的要求是實現其觀測動物組織形態尺寸以供診斷的功能。所以使用性能是質量評價的第一考慮，落實到實際操作上就是圖像質量指標。同時，應考慮安全性能要求，包括對動物體的安全、操作者的安全、環境安全等，具體落實到電氣安全和超聲安全兩個方面。

3.1 圖像質量評價[5]基本的評價指標為分辨率、探測深度和盲區。分辨率是診斷儀對被檢組織相鄰回聲圖的分辨能力，分為軸向(縱向)和側向(橫向)分辨率。軸向分辨率指的是聲束軸線方向上可以區分開的相鄰兩點的距離，理論最小值為半個超聲波波長。實際上受脈沖長度、脈沖重復頻率、超聲強度、時間增益補償等綜合影響。側向分辨率指的是垂直于聲束軸線的橫向平面上可以區分開的相鄰兩點的距離。由聲束直徑決定，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，橫向分辨率越高。探測深度和盲區指診斷儀能夠探測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，探測深度越淺。盲區的大小受脈沖寬度影響。

常規超聲檢測系統的準確性通用方式是采用具有已知固定特性的試塊[6]進行評價。對于獸醫超聲診斷儀，采用超聲仿組織體膜[7]衡量超聲圖像的質量。針對超聲體膜，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回波信號的兩靶線之間的最小距離。探測深度指的是縱向靶線群中能明確成像的最遠靶線與聲窗之間的距離，盲區指的是盲區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、孕期監測和背膘厚度的測量對經濟動物的繁殖育種至關重要。由于動物體形差異大、妊娠不同時期器官游離度大，探測深度要求更深；而且動物皮(例如豬皮和牛皮)厚，盲區數值要求更小。

3.2 安全性評價

3.2.1 電氣安全性 獸醫超聲診斷儀作為電器產品，需要遵循醫用電氣設備安全通用要求GB9706.1，對其耐壓性能、泄漏電流等指標進行測量。

3.2.2 超聲安全性 由于超聲波的空化效應和熱效應，可能產生對動物體組織畸變的不良影響，應控制超聲診斷儀探頭的輸出聲強。一種是要求聲強不超過10 mW/cm2，用超聲功率計直接測量探頭聲輸出功率，需要對探頭有效面積進行計算[8]。另一種是將聲功率參數換算為熱指數和機械指數，利用輻射力天平和水聽器測量[9-10]。后者符合超聲診斷和監護設備安全專用要求GB9706.9-2008。

4 結 語

目前市場上的獸醫超聲診斷儀品牌諸多，進口的有GE、Esaote(意大利百勝)、日本木村、祥生(Chison)等，國產的有遼寧漢德、EDAN(理邦)、邁瑞等，它們在動物臨床診療和畜牧業育種養殖中發揮著重要作用。應在依據上述指標加強產品質量檢測的基礎上，不斷充實完善檢測參數，為產品行業標準的制定和行業管理打下堅實的基礎。