超声成像原理与技术

医学超声原理与技术 课 程 安 排 第一章 绪 论 第二章 医学超声物理基础 第三章 医学超声换能器与辐射场 第四章 医学超声脉冲回升技术总论 第五章 超声诊断仪基本结构 A超 第六章 M型超声诊断仪原理及应用 第七章 B型超声显像诊断仪 第八章 医学超声多普勒技术 第一章 绪 论 医学超声 ：超声物理学、超声工程学，与医学超声诊断 与治疗。 超声物理 ：振动和波是理论基础，研究超声波在生物组 织中的传播特性和规律。 超声工程学 :电子技术、计算机技术为基础，依靠超声 物理的结论。设计研制医学诊断设备和治疗设备。 超声诊断 ：主要是根据超声波在生物组织中传播规律、 组织特性、组织几何尺寸的差异使超声波的透射、反射、 散射、绕射及干涉等传播规律和波动现象也不同，从而 使接收信号的幅度、频率、相位、时间等参量发生不同 的改变，通过对这些参量的测量、成像来识别组织的差 异、判别组织的病变特征。 超声治疗 ：主要利用生物体吸收超声波的特性、也即利 用超声波的生物效能和机理，达到治疗的目的。 超声成像设备分类（上） 一、按超声波型分类 连续波超声设备 脉冲波超声设备 二、按利用物理特性分类 回波式超声诊断仪 透射式超声诊断仪 三、按设备的结构分 A超：是一种最基本的显示，示波器上横坐标表示超声波的 传播时间（探测深度），纵坐标表示脉冲回波幅度 （ Amplitutede),故称为 A型显示，简称 A超。临床运用测量 人体器官位置，尺寸、组织的声学特性、诊断疾病 超声设备分类（下 ） M型超声诊断设备 -M超超声心动图仪 ：在荧光屏上得到组织器官 （ 心脏 )许多曲线构成超声心动图。反映不同介面不时间反射超 声波的强弱。是亮度调制型设备。临床主要用于研究心血管疾病、 可与心电图、心音图、脉搏结合考虑分析，测量心血管的部分大 小、厚度，瓣膜的运动。 B型超声诊断设备： B超切面显像仪。静止目标 B型超声显像仪； 实时 B型超声显像仪，数字扫描 B型超声成像设备，代计算机的 B型 超声成像设备四种。 C超与 F型超声成像设备：横断面成像，曲面成像 。 D超： 脉冲回波 D型超声诊断仪，连续波 D型超声诊断仪。 彩超 =B+D+M,多功能超声成像设备。彩色显示。 CDFI 彩色血流 （低速 )显像仪 CDTI(高速） CDE(彩色、幅度，大小）低速 血流的彩色多普勒能谱图， DPA(大小，方向） CHI,THI 超声全息诊断设备 超声显微镜 超声 CT 超声外科设备 超声治疗设备 二、超声设备发展历程 1880年，法国科学家 皮尔和 Jacques.居里 压电效应 。 1917年法国 科学家保罗郎之万 发现逆压电效应。 1921年 声纳 1942年 奥地利科学家 A超，探测头颅 1952年 美国科学家 B超 1954年 B超临床 1956年 日本科学家 多普勒超声 探测心脏 1967年 电子探头 1968年 TGC 1968年 研究计算机用于 B超设备， DSC数字扫描 1973年 C超， 1978年 F超 1983年彩色学流图（ CFM）， 1990年 3D扫描研制 1991年数字化超声成像系统不步入新的发展阶段 CDTI CDE DPA CHI THI 三、超声波基础知识简介 （一） 超声波 1、是频率超过 2万 Hz的机械波，在空气中传播平 均速度为 340m/s， 在人体软组织，液体中约 1540m/s， 在颅骨中 3860m/s。 2、 描述超声波的物理量 : 周期 T,频率 f， 波长 ，波速 C， 相位 =(t) 介质特征声学参数声阻抗 Z= C (单位瑞利 ) 声压 p， 声压级 Lp， 声强 I， 声强级 LI 声压反射系数，折射系数， 声强反射系数，声强折射系数 3、次声波、声波、超声波 4、超声波的特点 方向性好：定向发射。 能量高： 传输特性： 穿透能力：工作频率与发射功率 5、超声波的类型 纵波与横波：固体、液体、气体 均可 传播纵波。 只能 在固体传播横波，不能在 液体、气体传播横波。 表面波：延介质表面传播的波，是瑞丽 1887年提出又叫瑞丽波 板波：在板厚与波长相当的介质中传播 平面波：波阵面互相平行的平面的波 柱面波：波阵面是同轴圆柱面的波 球面波：波阵面是同心球面的波 连续波：波源不断振动，连续不断辐射的波。脉冲波：波源振动时间较短，间 歇辐射的波 一维超声波的数学表达式 声压 p 介质密度 ，超声波传播速度 C， 振幅 A 角频率 2，超声波传播时间 t )(s i n c x tcAp 3、超声波在介质中的传播规律 反射：反射系数 =（ Z2-Z1） /（ Z2+Z1） 全反射 与 反射强烈 折射： 衍射： 干涉 与 驻波 散射： 声学界面：声阻抗不同的两组织形成。 条件：声学界面的几何尺寸与超声波波长比较。 声阻抗 Z： 与介质密度 和超声波传播速度 C有关， 人体组织按声阻抗分类（低，中，高）。 （二）超声波在介质中的衰减 1、衰减：超声波强度随传播距离增加，减少的 现象，称为超声波的衰减。 2、衰减表现几种形式 扩散衰减：有距离造成与距离平方成反比。 散射衰减：与微粒作用改变超声波传播方向。 吸收衰减：摩擦内耗，与频率的关系较大， 高 频超声波衰减大，传播距离近，宜探测浅表组 织。 （三）成像原理 1、雷达测距原理 界面位置判定 :L=Ct/2 t 超声波在人体 来回距离 回波时间 ， 表示界面位置 ， C 超声波在人体组织中的传播速度 2、 回波大小与界面出组织声阻抗或密度有关，界面一定 反射超声波的大小一定，可以根据回波强弱判定界面处 的参数；只要密度有变化的地方有反射，可以探测，设 备质量高，低决定能否识别微小变化 回波大小表示介质 声阻抗变化（密度变化）。 第二节 超声探头（换能器） 一、作用：机械能与电能相互转换完成发射或接收超声波的任务 二、结构：换能器、壳体、电缆、其它部件（如电机、位置检测器）等。主 体（ 压电振子、吸收层、保护层） 与壳体（ 外壳、电缆、接插部件 ）两部分。 三、原理：发射超声波和接收超声波 压电效应：晶片施力在端面上出现电荷。 逆压电效应：晶片上施加正弦交变电压引起 晶片振动，发射超声波。 四、压电材料与压电振子 压电材料物理上都是弹性体，物理特性方向各异，有的方向有压电效应，有 的方向无。 压电材料：压电单晶体（天然石英、电石类，人工制造硫酸锂，铌酸锂）， 压电陶瓷（许多不同单晶体构成，一定温度范围有压电效应，如钛酸钡，锆 钛酸铅 PZT）， 压电高分子聚合材料，聚偏氟乙烯 PVF2。 压电振子：最小几何尺寸的压电材料，基本单元。 晶片的振动模式 伸缩振动（厚度、长度、径向 ) 切变振动 (厚度切变、面切变） 弯曲振动（厚度弯曲，长度弯曲） 能陷振动 在临床中，不同器官组织要用不同的探头。 这是学习超声诊断十分重要的技术。 五、探头的分类 （一）、按工作原理分 脉冲回波探头 多普勒式探头 （二）、按结构分 机械探头与电子探头 （三 )、按用途分 眼科、腹部、妇产科等 （四 )按振子单元数分单元探头，多元探头（线阵、相 控阵、方阵、凸阵）。 （五）按声束特性分、聚焦探头 ,非聚焦换能器 （六）收发方式分（发射、接收、收发兼用） 按晶片形状分（圆形，环形、方形、矩形、 六、质量指标探头的性能参数 (书 172页） 居里点： 压电材料发生压电效应的临界温度。 频率常数 fc： 确定晶片几何尺寸的重要参数。 谐振状态 。 电容常数 ： 表示晶片的介电性能参数。极间电容越小越好。 发射系数 D： 电能转变成机械能，压力恒定时，单位电场强度 变化引起应变变化。 接收系数 G： 机械能转变成电能，电位移恒定，单位压力引起 电场变化。 机电耦合系数 K： 机械能与电能转换系数，与晶片的灵敏度有 关，材料决定，无单位。 力学品质因素 Qm： 决定探头通频带的重要因素，谐振时晶片储 存能量与晶片损耗能量之比， Qm大损耗小。通频带窄。无单位。 介质损耗因子 tg： 平面活塞探头性能探讨（ 174页） 远场与近场 超声波波长 ，晶片半径 a 扩散半角 a 2a Z a 61.0s in 2a Z 七、压电振子的特性讨论 晶片的等效电路 频率特性 换能器的许多参数与频率有关 工作频率 频带宽度 电阻抗匹配 声阻抗匹配 频率相应 同一振子接收不同频率的超声波 同一振子加不同的压力 晶片的形状，几何尺寸，振动模式，晶片的材 料，对图象质量，分辩率、噪声 探头的基本组成 探头的等效电路 一、临床运用，回波波形显 示 Y轴 :表示回波强弱 X轴 :表示界面的位置或者说 超声波在介质中的传播速度 二、工作原理 第三节 显 像 管（ CRT) 一、黑白显像管 结构：电子枪、荧光屏、偏转线圈、高真空玻璃容器。 作用： 将视频图象信号还原成可见光图象。 工作原理： 电子枪的作用： 产生一束聚焦性能良好，能量较高的阴极 射线。阴极（灯丝），控制级、第一加速级，第二加速级， 第三加速级，聚焦级。 荧光屏 :(荧光粉颗粒 )高速电子打在荧光粉，发光，发光强 度与阴极射线的强度成正比 ；改变控制级（ Z轴）的电压 调 制阴极射线强度达到调制荧光屏亮度等级 ； 把发光持续时 间叫 余辉时间 ，不同材料的荧光粉余辉时间不同。 高速电 子打在不同荧光材料发出不同颜色的光。 偏转系统： 显像管的偏转有静电偏转与磁偏转两种，前者构 成示波管，后者叫显象管 静电偏转系统 :水平偏转电极、垂直偏转电极。 磁偏转系统：水平线圈（ X轴）、垂直线圈（ Y 轴）。 作用：控制高速电子打亮荧光屏上亮点位置。可 已通过控制线圈的电流 (线性电流）实现扫描。 扫描：高速电子是按顺序打亮荧光屏的，从左到 右从上之下。 工作原理 景物亮度信号加在 CRT的 Z轴上，调制飞往荧光屏的阴极 射线强度，调制荧光屏上的亮度等级使得荧光屏上的亮 度等级与景物的亮度等级一一 对应。 把提取到景物上的位置信号加在 CRT的偏转系统上，调 制流过偏转线圈的电流，使得荧光屏上的亮点位置和景 物的亮点位置一一对应。 合理选择荧光屏的余辉时间。 人体器官组织的解剖图像展示在荧光屏上。 显示器的参数书（ 178页） 象素，灰阶，扫描线性是显示器 质量参数。 亮度 对比度与灰阶 分辨率 几何尺寸：对角线 彩色显像原理与彩色显象管 彩色显像管： 三基色原理： 液晶显示器（书 177页） 液晶：固体与液体之间一种材料，不同电压 下受光照射时折射率发生改变实现成像，重 量轻、省电，地址精度较高。 超声设备物理结构模型 信号发生器 发射通道 探 头 接收通道 显示 人 体 电源 第四节 A型超声诊断仪 一、 A超是回波幅度显示设备 荧光屏上物理含义 Y轴：表示回波强弱 X轴：表示超声波在介质中传播的距离或时间 二、临床运用；测量器官组织的距离或线度 三、 A型超声仪器的基本结构 主控电路：多谐振荡器，产生同步触发脉冲，对各单元 控制，发射，接收等， 脉冲重复频率（ PRF) 延时电路： 发射电路：利用电子开关，对高压电容充放电， 接收电路：射频放大、检波、视频放大， 标距电路： 13s/cm 时基电路：产生锯齿波、放大加在 CRT的 X轴上 增辉电路：示波器的控制极 电源：整机的能量供应者。 探头： 显示器： 第五节 M型超声诊断仪 M超又叫超声心动图仪，是亮度调制型设备 。 一、荧光屏的物理含义 ： X轴：表示时间（回波展开时间） Y轴： y轴距离表示界面位置 Z轴：亮点的亮度等级表示回波强弱 二、超声心动曲线： 一个声学界面（器官组织），在不同时间（每隔 0.5秒） 不同的位置反射回波强弱用一条曲线表示，该曲线称为超 声心动曲线。 三、 M型超声诊断仪的基本结构 主控电路： 接收电路： 发射电路： TGC： 深度扫描电路 : 点阵时表电路 : 时间扫描电路 : 探头 : 显示器 : 电源 : 多参数 M型超声心动图仪 （书 187页） 得到人体心脏的 1、超声心动曲线 2、心电图 3、心音图 4、心尖搏动图等 联合同步显示 采用长余辉磁偏转显像管 第六节 B型超声成像设备 一、 成像 : 用荧光屏上可见光图象表示器官组织解剖形状 1、成像平面：平行超声束的平面 2、成像原理：如何采集探测平面上一点的密度大小，以及相应点的 位置坐标。回波时间确定一个坐标，超声束的方向（晶片摆动角度） 确定另一个坐标。 3、基本组成 二、实时成像：每秒 25幅图象 1、扫描：超声照射探测平面的方式或顺序，常见的形状有扇行，矩 形，和圆形。 2、位置检测器：提取探测面位置坐标的器件 三、 B超的常见类型 静止目标的 B型超声成像 实时成像 B型超声成像仪 带 DSC的 B型超声成像设备 带计算机的 B超设备 声驱动方式 声束扫查方 式 聚焦方式 成像速度 体表 /经体 腔 机械 矩形 几何聚焦 非实时 体表 机械 扇型 几何聚焦 实时 体表 机械 径向 几何聚焦 实时 体腔 电子 线阵 电子聚焦 实时 体表 电子 凸阵 电子聚焦 实时 体表 电子 相控阵 电子聚焦 实时 经体腔 四、旋转变压器 (书 189页） 作用：获得层面上的位置信息 结构：正余弦变压器 工作原理：机械运动转变成电信号 其他器件：光码盘 五、 B超的扫描与探头（书 188页， 191、 194） 机械扫描：扇形扫描、矩形扫描、径向扫描 晶片的驱动 : 聚焦方式 : 位置检测： 电子扫描：凸阵 扇扫、相控阵扇扫 数字扫描： 192页 194页 B超探头的结构 六、聚焦（ 196页 ) 几何聚焦机械聚焦： 电子聚焦：二次函数延迟 七、 数字扫描 DSC的 B型超声成像设备 1、数字化：将电信号转变成数字信号 2、图象存储器：是 DSC的核心器件 3、读写操作：用软件、程序的方式实现对图象存储 器扫描即 DSC数字扫描 4、强大的图象处理功能 测量、灰阶处理、空间处理，感兴趣区确定、图象 反转等 八、 B超的性能参数（上） 工作频率 :超声波的频率每秒钟晶片振动次数，外加交变电 压的频率，晶片的固有频率。 脉冲重复频率（ PRF):每秒钟发射超声波的次数。 采样频 率 重复周期 ： T 发射时间接收时间（间歇时间）（ 178页 ） PRF的下限 最低重复频率 ，不小于最高运动频率的二倍。 PRF的上限：取决于最大探测深度 Rm与介面多次反射时间 最大穿透深度 Rm： 估算公式 200波长。 实时扫描与 帧频 。 帧频：每秒钟成像的帧数。帧频 F， 扫描线数 N， 最大穿透 深度 Rm三者乘积为常数。 分辨率：横向分辨率和纵向分辨率。从理论上分析能测到 物体的 最小直径波长 的一半 。称为最大理论分辨率。实 际分辨率要低于理论分辨率的 5 8倍。 人体组织对超声衰减一般规律 骨组织 肝组织 血液 骨 肌腱（软骨） 肝脏 脂肪 血液 尿液（或 胆汁）。含胶原蛋白和钙越多，声衰减越大。 系统参数（下） 动态范围 DR： 描述信号幅度变化范围 ,单位 db 接收信号的动态范围，系统动态范围 (输入动态范围、 输出动态范围） 动态范围压缩比 CR m i n m a xlg20 U UDR 探测不同组织的诊断仪使用的频率 探测对象 频率范围 (MHZ) 对应波长 (mm) 腹部、神经 1-3 1.54-0.51 心血管 2-5 0.77-0.30 眼、浅表 5-20 0.30-0.77 第八节多谱勒超声成像系统 一 、 多谱勒效应：当声源和接收者存在相对运动 ， 接收者 接收的频率与发射频率不同 （ 即 ffo、 ffo） 。 1、 多谱勒频移 fd=f-fo 脏器运动速度不同 ， 运动速度也 不同 、 利用选频放大器可提取多普勒频移信号 。 早期听多 普勒频移声音 ， 现在在微机帮助下实时测量 。 可以判定红 血球速度大小与方向 。 2、 超声波与红血球的作用 散射 波长是红血球直径约 60倍。 3种情况：障碍物几何尺寸比 超声波波长 大许多 ，不散射。 小许多 （能量均匀分布在各 方向，散射强度与波长四次方成正比，瑞丽散射。 接近时 散射 强度十分复杂。 散射强度与障碍物几何尺寸有关。随 障碍物有的尺寸与波长的比值的增大而增加。 3、 红血球速度的公式 c o s2 o d f Cf V （ 1） 、 cos 是血流与超声束的夹角的余弦 ， 当相 对固定时 ， V与 fd成正比 。 （ 2） 、 对一定的 fd， fo越小 ， 测定的红血球的速度 越大 。 即测量高速红血球的速度宜用较低的超声波 的频率 。 （ 3） 、 当血流速度保持恒定时 ， fd与 cos 有关 ， 与超声波的入射角有关 。 0 90度： cos 为正值 ， fd为正值 ， 表示红血 球向着探头运动 。 90 180： cos 为负值 ， fd为负值 ， 表示红血 球离开探头运动 0度或 180度 : cos 1表示 ， fd为 最大 ， 红血球与声束在同一直线上运动 。 90度 ， cos 0， 即血流方向与声束垂 直 。 fd为 0， 检测不到 。 二、 D型超声检测设备 （ 一）、连续波 D型超声设备 1、测量红血球速度大小方向 2、 解调：提取多普勒频移信号的过程 3、多普勒频谱分析： 4、声谱图：三维信息（ X,Y,Z) 5、幅频图频率直方图的速度大小与方向 6、连续波 D型超声设备的基本组成 (二）、脉冲波 D型超声设备 测量红血球速度大小，方向，位置信息 主要考虑的技术指标载波频率 fo，脉冲重复 频率 PRF、最大探测深度 Rmax、可测量的最 高流速 Vmax Rmax、 C/21/ PRF Vmax C/2 fmax / fo cos= C/4PRF/ fo cos Rmax Vmax C2/8fo cos 连续波 D型超声与脉冲波 D型超声的区别 因为动脉和静脉常常重叠在一起，所以，有 的显象仪没有监测血流方向的线路以抑制反 向的血流信息。连续波多普勒系统缺乏距离 分辨率。对深度不同、血管血流方向相同的 两条血管就不能分辩，这也许是二维血管观 察的缺点。 Mosersky等 (197l和 Fish(1972) 分别提出了脉冲多谱勒系统，它们具有距离 定位的能力，从而可以把上述两血管区分开， 工作频率都是 5MH入 （三）、超声信号信号分析 1、 时间波形 S（ t）： 表示信号在不同时间的取值。回波强 弱是时间的函数。 2、频谱 S()等于 S（ t） 的傅立叶变换。 3、功率谱等于频谱 S()振幅的平方。 4、任何形式 S（ t)可以看成是基本三角函数的线性叠加。 5、接收信号规则信号非规则信号 有用信号（调频、调相、调幅）噪声 6、相关函数与自相关函数：相关函数又叫互相关函数衡量在 不同时刻两个信号的之间的相关性或相似性。同一信号在不 同时刻的关系。信号的自相关函数 R（ t） 和功率谱密度函数 是一对傅立叶变换对 dtetSs ftj 2_)()( 三、彩超与彩色显示 1、伪彩色显示：用不同颜色表示红血球的 运动信息（速度大小，方向，分散） 2、是多功能成像系统 3、 B+D+M+计算机 四、关于超声图象质量问题