医学成像技术课件

课程介绍课程介绍 医学影像由于含有及其丰富的人体信息，能医学影像由于含有及其丰富的人体信息，能以非常直观的形式向人们展示人体内部组织以非常直观的形式向人们展示人体内部组织结构、形态或脏器的功能等，因此，医学成结构、形态或脏器的功能等，因此，医学成像已成为医学研究及临床诊断中最活跃的领像已成为医学研究及临床诊断中最活跃的领域域之一。之一。医学成像技术作为医学图像研究领域中的一医学成像技术作为医学图像研究领域中的一个研究方向，是物理学、电子技术、计算机个研究方向，是物理学、电子技术、计算机技术、工程数学及材料科学与精细加工等多技术、工程数学及材料科学与精细加工等多种高新技术相互渗透的产物。种高新技术相互渗透的产物。课程介绍 医学影像由于含有及其丰富的人体信息，能以非常直观的作为生物医学工程专业的一门重要专作为生物医学工程专业的一门重要专业方向课程，医学成像技术将为学生业方向课程，医学成像技术将为学生对实现医学自动化所必须的图像化诊对实现医学自动化所必须的图像化诊断提供依据，使学生从医学成像原理、断提供依据，使学生从医学成像原理、医学成像设备及医学成像系统分析等医学成像设备及医学成像系统分析等方面系统掌握该研究领域的基础知识，方面系统掌握该研究领域的基础知识，了解该领域的最新了解该领域的最新发展方向发展方向。作为生物医学工程专业的一门重要专业方向课程，医学成像技术将为学习目的学习目的 掌握掌握X X射线成像、磁共振成像、核医学射线成像、磁共振成像、核医学成像、超声成像的基本原理，了解各种基本成像、超声成像的基本原理，了解各种基本的成像装置及系统的性能，培养较强的抽象的成像装置及系统的性能，培养较强的抽象与逻辑思维能力以及用理论解决实际问题的与逻辑思维能力以及用理论解决实际问题的能力，从而初步具备研究医学成像方法、系能力，从而初步具备研究医学成像方法、系统以及设备的能力。统以及设备的能力。学习目的 参考书：参考书：医学影像物理学（第医学影像物理学（第2 2版）版）张泽宝张泽宝 人民卫生出版社人民卫生出版社 2005 2005年年 医学成像系统医学成像系统 高上凯高上凯 清华大学出版社清华大学出版社 2000 2000年年 医学影像成像原理医学影像成像原理 李月卿李月卿 人民卫生出版社人民卫生出版社 2001 2001年年 医学影像设备学（第医学影像设备学（第2 2版）版）徐跃徐跃 人民卫生出版社人民卫生出版社 2005 2005年年 医学仪器（下册）医学仪器（下册）齐颁扬齐颁扬 高等教育出版社高等教育出版社 1991 1991年年 课时安排课时安排总学时：总学时：3838学时学时 第一章第一章 医学成像技术概论医学成像技术概论 2 2学时学时第二章第二章 X X线成像技术线成像技术 14 14学时学时第三章第三章 医学磁共振成像医学磁共振成像 8 8学时学时 第四章第四章 核医学成像核医学成像 6 6学时学时第五章第五章 超声医学成像超声医学成像 6 6学时学时 课时安成绩评定成绩评定平时占平时占30%30%，期末考试占，期末考试占70%70%。成绩评定平时占30%，期末考试占70%。第一章第一章 医学成像原理概论医学成像原理概论 问题：什么是医学成像问题：什么是医学成像?医学成像是借助于某种介质（如医学成像是借助于某种介质（如 X X线、电磁场、线、电磁场、超声波、放射性核素等）与人体的相互作用，把超声波、放射性核素等）与人体的相互作用，把人体内部组织、器官的形态结构、密度、功能等，人体内部组织、器官的形态结构、密度、功能等，以图像的方式表达出来，提供给诊断医生，使医以图像的方式表达出来，提供给诊断医生，使医生能根据自己的知识和经验对医学图像中所提供生能根据自己的知识和经验对医学图像中所提供的信息进行判断，从而对病人的健康状况进行判的信息进行判断，从而对病人的健康状况进行判断的一门科学技术。断的一门科学技术。问题：医学成像的目的是什么？问题：医学成像的目的是什么？通过各种方式探测人体，获得人体内部结构的形通过各种方式探测人体，获得人体内部结构的形态、功能等信息，将其转变为各种图像显示出来，态、功能等信息，将其转变为各种图像显示出来，进行医学研究和诊断。进行医学研究和诊断。第一章 医学成像原理概论 问题：什么是医学成像?医学影像学的组成医学影像学的组成 医学影像学的组成 医学影像学的主要内容医学影像学的主要内容 医学影像学的主要内容 专业现状及发展前景专业现状及发展前景 伦琴伦琴（wilhelm konrad Roentgen)1895wilhelm konrad Roentgen)1895年年发现发现X X线以后不久，线以后不久，X X线就被用于对人体进线就被用于对人体进行检测，从而形成了放射诊断学行检测，从而形成了放射诊断学 （diagnostic radiology)diagnostic radiology)的新学科，并奠的新学科，并奠定了医学影像学定了医学影像学 （medical imaging)medical imaging)的基的基础。础。上世纪上世纪50506060年代年代开始应用超声与核素扫描开始应用超声与核素扫描进行人体检查，进行人体检查，出现了超声成像（出现了超声成像（USGUSG）和）和闪烁成像（闪烁成像（scientigraphy)scientigraphy)。专业现状及发展前景 伦琴（wilhelm konrad Ro7070年代和年代和8080年代年代相继出现了相继出现了X X线计算机体层成像线计算机体层成像（X-CT)X-CT)、磁、磁 共振成像（共振成像（MRI)MRI)和发射体层成像和发射体层成像（ECT),ECT),包括单光子发射体层成像（包括单光子发射体层成像（SPECT)SPECT)与正电与正电子发射体层成像（子发射体层成像（PET)PET)等新的成像技术。等新的成像技术。7070年代年代迅速兴起了介入放射学（迅速兴起了介入放射学（interventional interventional radiology)radiology)，介入超声和超声组织定位，介入超声和超声组织定位，MRIMRI和和CTCT的立体组织定位等，以及的立体组织定位等，以及PETPET在分子水平上利用影在分子水平上利用影像技术研究人体心、脑代谢和受体功能，大大扩像技术研究人体心、脑代谢和受体功能，大大扩展了本专业的应用领域。展了本专业的应用领域。70年代和80年代相继出现了X线计算机体层成像（X-CT)、近年来，我国医学影像学发展非常迅速，医学影像设备不近年来，我国医学影像学发展非常迅速，医学影像设备不断更新，检查技术不断完善，断更新，检查技术不断完善，介入治疗介入治疗的效果已提高到一的效果已提高到一个新的水平，并有力地促进了临床医学的发展。个新的水平，并有力地促进了临床医学的发展。现在，除了现在，除了X X线诊断设备外，线诊断设备外，USGUSG、CTCT等已在较多医疗单位等已在较多医疗单位应用，应用，PETPET、X-X-刀、全身刀、全身刀刀等也在较高的医疗中心使用。等也在较高的医疗中心使用。作为学术团体的作为学术团体的中华医学会放射、超声、磁共振中华医学会放射、超声、磁共振等有力地等有力地推动了国内和国际地学术交流，世界性的推动了国内和国际地学术交流，世界性的北美放射学北美放射学会也会也代表了世界医学影像学最高水平。代表了世界医学影像学最高水平。我国医学影像学高等教育已开展十余年，是目前发展较快我国医学影像学高等教育已开展十余年，是目前发展较快的一门学科。的一门学科。“全国高等医学影像教育研究会全国高等医学影像教育研究会”于于19991999年年8 8月月2323日在天津正式成立，这可以说是我国医学影像学高日在天津正式成立，这可以说是我国医学影像学高等教育发展史中的里程碑等教育发展史中的里程碑。近年来，我国医学影像学发展非常迅速，医学影像设备不断更新，检我国医学成像设备的发展我国医学成像设备的发展 19511951年年 上海精密医疗器械厂试制第一台上海精密医疗器械厂试制第一台 X X线机线机 19831983年年 第一台颅脑第一台颅脑CTCT试制成功试制成功 19881988年年 第二代颅脑第二代颅脑 CT CT问世问世 19901990年年 第三代全身第三代全身CTCT装置研究成功装置研究成功近期近期 永磁型和超导型永磁型和超导型MRI,X-MRI,X-刀刀,全全 身身 刀等设备刀等设备我国医学成像设备的发展 第一节第一节 医学成像技术的分类医学成像技术的分类 按其成像原理和技术的不同，分为按其成像原理和技术的不同，分为两大领两大领域：域：一、以研究生物体微观结构为主要对象的一、以研究生物体微观结构为主要对象的生物医学显微图像学生物医学显微图像学(biomedical(biomedical microimaging,BMMI)microimaging,BMMI)二、以人体宏观解剖结构及功能为研究对二、以人体宏观解剖结构及功能为研究对象的象的现代医学影像学现代医学影像学(modern medical(modern medical imaging,MMI)imaging,MMI)第一节 医学成像技术的分类 按其成像原理和技术的不同，分为现代医学成像按其信息载体可分为以下几种基本现代医学成像按其信息载体可分为以下几种基本类型：类型：（1）X X线成像：线成像：测量穿过人体组织、器官后的测量穿过人体组织、器官后的X X线强度；线强度；（2 2）磁共振成像：磁共振成像：测量人体组织中同类元素原子核的磁共测量人体组织中同类元素原子核的磁共振信号；振信号；（3 3）核素成像：核素成像：测量放射性药物在体内放射出的测量放射性药物在体内放射出的射线；射线；（4 4）超声成像：超声成像：测量人体组织、器官对超声的反射波或透测量人体组织、器官对超声的反射波或透射波；射波；（5 5）光学成像：光学成像：直接利用光学及电视技术，观察人体器官直接利用光学及电视技术，观察人体器官形态；形态；（6 6）红外、微波成像：红外、微波成像：测量体表的红外信号和体内的微波测量体表的红外信号和体内的微波辐射信号。辐射信号。现代医学成像按其信息载体可分为以下几种基本类型：诊断用诊断用X X线机分类线机分类 (1)透视用透视用X X线机线机 (2)(2)普通摄影用普通摄影用X X线机线机 (3)(3)消化道造影用消化道造影用X X线机线机 (4)(4)胸部摄影用胸部摄影用X X线机线机 (5)(5)心血管造影用心血管造影用X X线机线机 (6)(6)其他其他诊断用X线机分类数字血管减影系统数字血管减影系统-计算机与常规计算机与常规X X线血管造影的结合线血管造影的结合 减影技术的基本内容减影技术的基本内容:把人体同一部位的两帧影像相减把人体同一部位的两帧影像相减,从而从而得出其差值部分，减影像中骨骼和软组织得出其差值部分，减影像中骨骼和软组织等背景影像被消除，只留下含有造影剂的等背景影像被消除，只留下含有造影剂的血管影像。血管影像。数字血管减影系统-计算机与常规X线血管造影的结合 减影二、磁共振成像二、磁共振成像 概述：概述：不但能从形态上，而且能从器质上和不但能从形态上，而且能从器质上和新陈代谢的情况上诊断各种疾病，因此在新陈代谢的情况上诊断各种疾病，因此在临床上的应用范围在不断扩大。临床上的应用范围在不断扩大。二、磁共振成像 概述：三、核医学成像三、核医学成像 概述：概述：核医学成像是一种以脏器内外或脏器内核医学成像是一种以脏器内外或脏器内正常组织与病变之间的放射性浓度差别为正常组织与病变之间的放射性浓度差别为基础的脏器或病变的显像方法。基础的脏器或病变的显像方法。三、核医学成像 概述：经典的核医学成像系统经典的核医学成像系统 同位素闪烁扫描机同位素闪烁扫描机 照相机照相机 发射型计算机断层成像（发射型计算机断层成像（ECT ECT）单光子发射型计算机体层（单光子发射型计算机体层（SPECT)SPECT)正电子发射型计算机体层（正电子发射型计算机体层（PETPET）经典的核医学成像系统 四、超声成像四、超声成像 超声成像的发展超声成像的发展 19281928年年 研究超声的生物效应；研究超声的生物效应；19501950年年 应用应用A A型超声显示仪对人体进行检查；型超声显示仪对人体进行检查；6060年代年代 应用超声波进行理疗，眼科及牙科手应用超声波进行理疗，眼科及牙科手 术；术；7070年代年代 实时实时B B型超声显像仪应用于临床；型超声显像仪应用于临床；8080年代年代 图像质量大为提高，各种特殊探头出图像质量大为提高，各种特殊探头出 现彩色多普勒超声诊断仪出现。现彩色多普勒超声诊断仪出现。四、超声成像 超声成像的发展 超声诊断仪的基本结构超声诊断仪的基本结构 超声诊断仪的基本结构包括：探头、显示超声诊断仪的基本结构包括：探头、显示器、基本电路器、基本电路 超声诊断仪的类型超声诊断仪的类型 A A型超声诊断仪（幅度显示）型超声诊断仪（幅度显示）M M型超声诊断仪（运动显示）型超声诊断仪（运动显示）B B型超声诊断仪（切面显示）型超声诊断仪（切面显示）彩色多普勒超声诊断仪彩色多普勒超声诊断仪 超声诊断仪的基本结构 第二节第二节 医学成像技术的比较医学成像技术的比较 应从各个不同角度全面分析成像系统的优缺点，并指明其应从各个不同角度全面分析成像系统的优缺点，并指明其临床适用范围。临床适用范围。一、电磁波透射成像的分析一、电磁波透射成像的分析 用透射方法成像时，需考虑的主要因素：用透射方法成像时，需考虑的主要因素：分辨力、衰减。分辨力、衰减。从分辨力的角度考虑：从分辨力的角度考虑：用于成像的辐射波的波长至少应小用于成像的辐射波的波长至少应小于于1.0cm 1.0cm 从衰减的角度考虑从衰减的角度考虑：若衰减过大，则很难检测到透过人体：若衰减过大，则很难检测到透过人体 的射线；若衰减过小，则不能得到对比清晰的图像。的射线；若衰减过小，则不能得到对比清晰的图像。第二节 医学成像技术的比较 应从各个不同角度全面分析成像系二、超声成像与二、超声成像与X X线成像的比较线成像的比较超声波与超声波与X X线在人体组织中的传播过程不同，因此线在人体组织中的传播过程不同，因此这两种成像方式有明显不同的特点：这两种成像方式有明显不同的特点：1 1、X X线波长短（线波长短（11011012125105101111 m m），在人体），在人体内沿直线传播，不受组织差异的影响，图像分辨内沿直线传播，不受组织差异的影响，图像分辨率高；诊断用超声波波长为率高；诊断用超声波波长为0.5mm0.5mm左右，在人体中左右，在人体中传播时将发生衍射，造成图像分辨力降低，这是传播时将发生衍射，造成图像分辨力降低，这是超声成像制约因素。超声成像制约因素。2 2、空气对超声波呈现明显的衰减特性；而空气对、空气对超声波呈现明显的衰减特性；而空气对X X线的衰减作用可忽略不计线的衰减作用可忽略不计二、超声成像与X线成像的比较3 3、超声成像可直接获取三维空间中某一特定点的、超声成像可直接获取三维空间中某一特定点的信息，即可方便地获取人体断面图像；而信息，即可方便地获取人体断面图像；而X X线难以线难以有选择地对所指定的平面成像。有选择地对所指定的平面成像。4 4、对人体有无危害是它们之间的一个重要区别。、对人体有无危害是它们之间的一个重要区别。5 5、具有各自最适宜的临床应用范围。脉冲回波式、具有各自最适宜的临床应用范围。脉冲回波式超声适用于腹内软组织结构或心脏的显像，不宜超声适用于腹内软组织结构或心脏的显像，不宜对胸腔肺部进行检查；对胸腔肺部进行检查；X X线探查胸腔很成功，但对线探查胸腔很成功，但对腹部检查只能显示极少的器官（若采用腹部检查只能显示极少的器官（若采用X X线造影法，线造影法，也可有选择地对特定器官显像。）也可有选择地对特定器官显像。）3、超声成像可直接获取三维空间中某一特定点的信息，即可方便地三、形态学成像与功能成像三、形态学成像与功能成像形态学成像：形态学成像：X X线成像显示的是人体结构的解剖学形态，对线成像显示的是人体结构的解剖学形态，对疾病的诊断主要是根据形态上的密度变化，较难疾病的诊断主要是根据形态上的密度变化，较难在病理研究中发挥作用。在病理研究中发挥作用。功能成像：功能成像：放射性同位素能直接显示脏器功能，特别是放射性同位素能直接显示脏器功能，特别是代谢方面的问题。代谢方面的问题。三、形态学成像与功能成像四、对人体的安全性四、对人体的安全性评价评价X X线与放射性同位素成像给人体造成电离辐射损伤时注线与放射性同位素成像给人体造成电离辐射损伤时注意其差别：意其差别：X X线摄影时，辐射强度相对较大，但照射时间短；线摄影时，辐射强度相对较大，但照射时间短；放射性同位素材料浓度虽低，但对人体的照射持续较长时放射性同位素材料浓度虽低，但对人体的照射持续较长时间，直至其排出体外或衰变结束。间，直至其排出体外或衰变结束。因此，进行因此，进行X X线检查时应尽可能减少对人体的照射剂量；选线检查时应尽可能减少对人体的照射剂量；选择放射性材料时，应考虑其具有较短的半衰期。择放射性材料时，应考虑其具有较短的半衰期。超声成像无损、无创，特别是对敏感区域，如胎儿与眼部超声成像无损、无创，特别是对敏感区域，如胎儿与眼部的检查，比的检查，比X X线安全得多。但对发育初期的胚胎，也应慎线安全得多。但对发育初期的胚胎，也应慎用。用。四、对人体的安全性医学成像技术课件第三节第三节 医学成像技术展望医学成像技术展望 现代医学影像学未来发展趋向：现代医学影像学未来发展趋向：在保证人身安全的前提下，努力改进在保证人身安全的前提下，努力改进信息传递方式，提高信息传递方式，提高信息传递效率信息传递效率并开创并开创新的信息表达方式，提高新的信息表达方式，提高图像显示质量图像显示质量；其最终的医疗意义是更精确地发现人体组其最终的医疗意义是更精确地发现人体组织初期病理变化，为早期诊断、治疗提供织初期病理变化，为早期诊断、治疗提供依据。依据。第三节 医学成像技术展望 现代医学影像学未来发展趋向：一、开发超高分辨力的显示系统一、开发超高分辨力的显示系统二、提高成像设备的性能，增加新的功能二、提高成像设备的性能，增加新的功能磁共振方面磁共振方面：磁共振波谱成像（：磁共振波谱成像（MRSMRS）超声方面超声方面：彩色血流成像（：彩色血流成像（CFMCFM）、腔内超）、腔内超 声成像、数字处理三维图像显声成像、数字处理三维图像显 示、超声示、超声CT CT 等。等。CTCT方面方面：继续提高空间分辨力和扫描速：继续提高空间分辨力和扫描速 度；重点研究疾病在新陈代谢方度；重点研究疾病在新陈代谢方 面的变化；降低成本面的变化；降低成本 。一、开发超高分辨力的显示系统三、医学图像数字化三、医学图像数字化 综合数字图像诊断装置（综合数字图像诊断装置（TDISTDIS）将得到发展）将得到发展 三、医学图像数字化 四、医学图像存储与通讯系统四、医学图像存储与通讯系统（picture archiving and communication picture archiving and communication systems,PACSsystems,PACS)PACSPACS是基于现代计算机和通讯技术，替代传统的胶片格式图像，是基于现代计算机和通讯技术，替代传统的胶片格式图像，以数以数 字格式处理图像，从而以高效率、高性能价格比来检查、存储、字格式处理图像，从而以高效率、高性能价格比来检查、存储、查询、提取查询、提取 医学图像。其特点是利用计算机通讯网络在图像获取设备、医学图像。其特点是利用计算机通讯网络在图像获取设备、图像存储设备、图像存储设备、医学图像工作站等医学图像工作站等PACSPACS设备之间实现数据传送。设备之间实现数据传送。四、医学图像存储与通讯系统（picture archiviPACSPACS类型及其特征类型及其特征1.1.全规模全规模PACS(full-service PACS)PACS(full-service PACS)涵盖全放射科和医学影像学科范围，涵盖全放射科和医学影像学科范围，包括所有医学成像设备，有独立的影像存包括所有医学成像设备，有独立的影像存储及管理亚系统，足够量的软拷贝显示和储及管理亚系统，足够量的软拷贝显示和硬拷贝输出设备，以及临床影像浏览，会硬拷贝输出设备，以及临床影像浏览，会诊系统和远程放射学服务。诊系统和远程放射学服务。PACS类型及其特征2.2.数字化数字化PACS(digital PACS)PACS(digital PACS)包括常规包括常规X-X-线影像以外的所有数字影像设备如线影像以外的所有数字影像设备如（CTCT、MRIMRI、DSADSA等），具备独立的影像存储及管等），具备独立的影像存储及管理亚系统和必要的软硬拷贝输出设备。理亚系统和必要的软硬拷贝输出设备。3.3.小型小型PACS(mini-PACS)PACS(mini-PACS)局限于单一医学影像部门或影像亚专业范围内，局限于单一医学影像部门或影像亚专业范围内，在医学在医学 影像学科内部分地实现影像的数字化传输、影像学科内部分地实现影像的数字化传输、存储和软拷贝显存储和软拷贝显 示功能。示功能。2.数字化PACS(digital PACS)应用应用PACSPACS系统可望取得以下明显效果：系统可望取得以下明显效果：实现过去与现在的图像对比，提高诊断精度；实现过去与现在的图像对比，提高诊断精度；经过图像处理，可以更容易、更精确地发现病经过图像处理，可以更容易、更精确地发现病 灶；灶；除查询病历和其他资料外，还可以作化验、心除查询病历和其他资料外，还可以作化验、心 电图记录，比人工取片、查寻等更省时省力。电图记录，比人工取片、查寻等更省时省力。从临床使用的角度来看，其操作的实时性和获从临床使用的角度来看，其操作的实时性和获 得图像信息的可靠性，尤其可贵。得图像信息的可靠性，尤其可贵。应用PACS系统可望取得以下明显效果：医学成像系统的发展趋势医学成像系统的发展趋势 医学成像系统将向着从医学成像系统将向着从模拟模拟图像到图像到数字数字图像、从图像、从平面平面图像到图像到立体立体图像、从图像、从局部局部图像到图像到整整体体图像、从图像、从宏观宏观图像到图像到微观微观图像、从图像、从静态静态图像到图像到动态动态图像、从图像、从形态形态图像到图像到功能功能图像、从图像、从单一单一图像图像到到综合综合图像等方向发展。即是要获得图像等方向发展。即是要获得多时相多时相（动（动态）图像、态）图像、多维多维图像、图像、多参数多参数图像、图像、多模式多模式图像，图像，以供临床多种诊断指标（包括病灶检测、定性、以供临床多种诊断指标（包括病灶检测、定性、脏器功能评估、血流估计等）、治疗（包括三维脏器功能评估、血流估计等）、治疗（包括三维定位、体积计算、外科手术规划等）的多种参考定位、体积计算、外科手术规划等）的多种参考以及多地域显示观察。以及多地域显示观察。医学成像系统的发展趋势 医学成像技术课件 医学超声成像技术医学超声成像技术 Ultrasound Imaging Technology 成像原理与系统之成像原理与系统之夏志勋 深圳大学生物医学工程重点实验室.医学超声成像技术 Ultrasound Im医学超声成像技术医学超声成像技术 目录目录夏志勋 深圳大学生物医学工程重点实验室第一节第一节 概述概述第二节第二节 超声波的基本性质超声波的基本性质第三节第三节 超声成像原理与系统超声成像原理与系统第四节第四节 超声多普勒成像原理与系统超声多普勒成像原理与系统第五节第五节 新技术新技术目目 录录医学超声成像技术 医学超声成像技术医学超声成像技术 概述概述 夏志勋夏志勋 深圳大学生物医学工程重点实验室深圳大学生物医学工程重点实验室 研究和应用超声的物理特性，以某种方式扫查人体、诊断疾病的研究和应用超声的物理特性，以某种方式扫查人体、诊断疾病的科学称为超声诊断学。是超声医学的一部分。科学称为超声诊断学。是超声医学的一部分。第一节第一节 概述概述 超超 声声 Ultrasonic therapy action reactionUltrasonic diagnosisU UL LT TR RA AS SO OU UN ND D 超声诊断超声诊断医学超声成像技术 概医学超声成像技术医学超声成像技术 概述概述 夏志勋夏志勋 深圳大学生物医学工程重点实验室深圳大学生物医学工程重点实验室 超声成像超声成像 超声成像是利用超声的物理特性和人体器官组织声学性超声成像是利用超声的物理特性和人体器官组织声学性质上的差异，以波形、曲线或图像的形式显示和记录，借以质上的差异，以波形、曲线或图像的形式显示和记录，借以进行疾病诊断的检查方法。进行疾病诊断的检查方法。超声成像由于设备不似超声成像由于设备不似CTCT或或 MRI MRI设备那样昂贵，可获得设备那样昂贵，可获得器官的任意断面图像，还可观察运动器官的活动情况，成像器官的任意断面图像，还可观察运动器官的活动情况，成像快，诊断及时，无痛苦与危险，属于非损伤性检查，因此在快，诊断及时，无痛苦与危险，属于非损伤性检查，因此在临床上应用已普及，是医学影像学中的重要组成部分。不足临床上应用已普及，是医学影像学中的重要组成部分。不足之处在于图像的对比分辨力和空间分辨力不如之处在于图像的对比分辨力和空间分辨力不如CTCT和和MRIMRI高。高。医学超声成像技术 概医学超声成像技术医学超声成像技术 概述概述夏志勋 深圳大学生物医学工程重点实验室 超声成像发展简史超声成像发展简史1950sA型型(A-mode)回声图回声图(echogram)我国自我国自19581958年年1111月开始将月开始将A A型超声诊断应用于临床型超声诊断应用于临床1960sM型型(M-mode)超声心动图超声心动图(M-modeechocardiograph)1970sB型型(B-mode)声像图声像图(sonograph，ultrasonograph)我国自我国自19781978年开始应用年开始应用B B型超声诊断疾病。型超声诊断疾病。1980s双功双功(duplex)声像图声像图+多普勒频谱多普勒频谱(sonograph+Dopplerspectrum)1990s三功三功(triplex)声像图声像图+多普勒频谱多普勒频谱+彩色多普勒血流显示彩色多普勒血流显示(sonograph+Dopplerspectrum+colourDopplerflowimageCDFI)1990s三维三维立体声像图立体声像图(3diamentions)医学超声成像技术 概医学超声成像技术医学超声成像技术 超声波的基本性质超声波的基本性质振动的传播称为波动（简称波）。分为机械波和电磁波。声振动的传播称为波动（简称波）。分为机械波和电磁波。声波是一种机械波。波是一种机械波。以频率划分声波可分为三大类：以频率划分声波可分为三大类：次声：次声：10-4Hzf16Hz(20Hz)声（可听声）：声（可听声）：16Hzf2104Hz超声：超声：2104Hzf109Hz。夏志勋夏志勋 深圳大学生物医学工程重点实验室深圳大学生物医学工程重点实验室第二节第二节 超声波的基本性质超声波的基本性质 超声波的概念超声波的概念超声波具有波长（超声波具有波长（）、频率（）、频率（f f）和传播速度（和传播速度（c c）c c f f超声诊断使用的频率范围：超声诊断使用的频率范围：2 2 20MHz 20MHz医学超声成像技术 超声波的基本性质 振动医学超声成像技术医学超声成像技术 超声波的基本性质超声波的基本性质夏志勋 深圳大学生物医学工程重点实验室(1)1)方向性好。方向性好。超声波频率很高，方向性相对较强，当超声超声波频率很高，方向性相对较强，当超声波发生体压电晶体的直径尺寸远大于超声波波长时，则晶体所波发生体压电晶体的直径尺寸远大于超声波波长时，则晶体所产生的超声波就类似于光的特性。产生的超声波就类似于光的特性。(2)(2)能量高。能量高。动能与速度的平方成正比，频率与速度成正比动能与速度的平方成正比，频率与速度成正比。因此能量与频率的平方成正比。因此能量与频率的平方成正比。(3)(3)传播特性。传播特性。具有几何声学等特点，具有几何声学等特点，传播过程中能发生反射，折射，散射，传播过程中能发生反射，折射，散射，绕射等现象。绕射等现象。(4)(4)穿透能力。穿透能力。声波在各种媒质中传声波在各种媒质中传播时，媒质要吸收掉它的一部分能量，播时，媒质要吸收掉它的一部分能量，随着传播路程的增加，声波的强度会逐随着传播路程的增加，声波的强度会逐渐减弱。渐减弱。超声波的特性超声波的特性超声波是疏密波超声波是疏密波医学超声成像技术 超声波的基本性质夏志勋 深医学超声成像技术医学超声成像技术 超声波的基本性质超声波的基本性质夏志勋 深圳大学生物医学工程重点实验室超声在介质中传播的速度，称为声速。声速与传播的介质的弹性和超声在介质中传播的速度，称为声速。声速与传播的介质的弹性和密度有关，遵循下列公式：密度有关，遵循下列公式：c=c=，一般在固体中声速值最大，液，一般在固体中声速值最大，液体次之，气体又次之，人体软组织的平均声速为体次之，气体又次之，人体软组织的平均声速为1540m/s1540m/s，其中脂肪的，其中脂肪的声速较低（声速较低（1450m/s1450m/s），骨与软骨声速高，约为），骨与软骨声速高，约为4500m/s4500m/s，含气脏器声速，含气脏器声速最低，仅最低，仅350m/s350m/s 。超声波的物理量：声速超声波的物理量：声速医学超声成像技术 超声波的基本性质夏志勋 深医学超声成像技术医学超声成像技术 超声波的基本性质超声波的基本性质夏志勋 深圳大学生物医学工程重点实验室(1)声压声压P介质中有声波传播时的压强与无声波时的静压强之差介质中有声波传播时的压强与无声波时的静压强之差称为声压。称为声压。P=P-P0=cAcos(t-x/c)-/2 声压幅声压幅Pm Pm=cA 有效值有效值Pe Pe=Pm/(2)声阻抗声阻抗表示超声场中介质对质点振动的阻碍作用表示超声场中介质对质点振动的阻碍作用 =Pm/Vm=c(3)声强声强I垂直声波传播方向上单位面积单位时间内通过的能量垂直声波传播方向上单位面积单位时间内通过的能量 I=1/2cA22(4)声强级声强级L声波强度的另一种量度单位声波强度的另一种量度单位 L=lgI/I0 贝尔贝尔 I0:1000Hz、1012瓦瓦/米米2 =10lgI/I0分贝尔分贝尔超声波的物理量：声压、声阻抗、声强、声强级超声波的物理量：声压、声阻抗、声强、声强级医学超声成像技术 超声波的基本性质夏志勋 深医学超声成像技术医学超声成像技术 超声波的基本性质超声波的基本性质夏志勋 深圳大学生物医学工程重点实验室超声波的传播特性超声波的传播特性 超超 声声 透透 射射transmission 反反 射射reflection 折折 射射refraction 衍衍 射射difration 散散 射射scattering 衰衰 减减attenuation 吸吸 收收absorption H U M A N B O D Y U L T R A S O U N D 界面（界面（interfaceinterface）为两种不同声阻抗介质的接触面。）为两种不同声阻抗介质的接触面。医学超声成像技术 超声波的基本性质夏志勋 深 近场近场远场远场D DD D声源直径声源直径 扩散角扩散角频率高，波长短，呈直线传播频率高，波长短，呈直线传播超声波的指向性超声波的指向性医学超声成像技术医学超声成像技术 超声波的基本性质超声波的基本性质夏志勋 深圳大学生物医学工程重点实验室 近场远场DD声源直径 扩散角频率高，波长短，超声波的超声波的反射反射和和折射折射v反射反射 1.1.声阻抗声阻抗(z z)=)=介质密度介质密度()()声速声速(c)(c)Z Z0.1%0.1%即可产生反射即可产生反射 2.2.声阻抗差大，反射强声阻抗差大，反射强v折射折射 两种介质内声速不同可产生两种介质内声速不同可产生 折射现象折射现象 结果：导致入射声束的偏转结果：导致入射声束的偏转 医学超声成像技术医学超声成像技术 超声波的基本性质超声波的基本性质夏志勋 深圳大学生物医学工程重点实验室超声波的反射和折射反射医学超声成像技术 超声超声波的入射、反射和折射示意图超声波的入射、反射和折射示意图大界面大界面 折射波折射波 入射波入射波 反射波反射波 医学超声成像技术医学超声成像技术 超声波的基本性质超声波的基本性质夏志勋 深圳大学生物医学工程重点实验室 任何一种反射波任何一种反射波或折射波所对应角度或折射波所对应角度的正弦与声速之比恒的正弦与声速之比恒等于一个定值等于一个定值i it t当入射区域声阻抗当入射区域声阻抗大于折射区域时大于折射区域时超声波的入射、反射和折射示意图大界面 折射波 入射波 反射波2-2.2-2.超声波的超声波的散射散射 遇界面远遇界面远小于小于波长的微小粒子，超声波将产生散射，人体波长的微小粒子，超声波将产生散射，人体内的散射源为红细胞和脏器内的细微结构。内的散射源为红细胞和脏器内的细微结构。医学超声成像技术医学超声成像技术 超声波的基本性质超声波的基本性质夏志勋 深圳大学生物医学工程重点实验室2-2.超声波的散射 遇界面远小于波长的微小粒子，超声2-3.2-3.超声波的超声波的绕射绕射 目标大小约为目标大小约为1 1 2 2或稍小，超声波将绕过该靶目标继续前或稍小，超声波将绕过该靶目标继续前进，很少发生反射。进，很少发生反射。医学超声成像技术医学超声成像技术 超声波的基本性质超声波的基本性质夏志勋 深圳大学生物医学工程重点实验室2-3.超声波的绕射 目标大小约为1 2 超声波的吸收与衰减超声波的吸收与衰减v声衰减定义：声衰减定义：是指声能随着传播距离而减弱的现象是指声能随着传播距离而减弱的现象 衰减量衰减量=频率频率深度深度v频率高，衰减重频率高，衰减重 原因：吸收损耗、声束扩散、反射和折射原因：吸收损耗、声束扩散、反射和折射医学超声成像技术医学超声成像技术 超声波的基本性质超声波的基本性质夏志勋 深圳大学生物医学工程重点实验室 超声波的吸收与衰减声衰减定义：医学超声成像技术 超声波的分辨力与穿透力v频率高，分辨好，穿透差频率高，分辨好，穿透差v频率低，分辨低，穿透强频率低，分辨低，穿透强v对应的临床应用：对应的临床应用：检测检测浅表浅表器官，采用器官，采用高频高频探头探头检测检测深部深部脏器，采用脏器，采用低频低频探头探头医学超声成像技术医学超声成像技术 超声波的基本性质超声波的基本性质夏志勋 深圳大学生物医学工程重点实验室 超声波的分辨力与穿透力频率高，分辨好，穿透差医学超声成像医学超声成像技术医学超声成像技术 超声成像原理与系统超声成像原理与系统主机：包括基本电路、计算机信号处理器等。主机：包括基本电路、计算机信号处理器等。探头探头ProbeProbe（换能器（换能器TransducerTransducer）：核心器件是压电晶体，）：核心器件是压电晶体，其作用是向人体发射和接收超声波。其作用是向人体发射和接收超声波。显示器：显示各种类型的超声图像。显示器：显示各种类型的超声图像。探头的种类：依晶片排列方式的不同分为线阵、凸阵、相控阵、探头的种类：依晶片排列方式的不同分为线阵、凸阵、相控阵、扇扫、扇括及腔内探头等不同种类。扇扫、扇括及腔内探头等不同种类。夏志勋 深圳大学生物医学工程重点实验室超声诊断仪的基本构成超声诊断仪的基本构成第三节第三节 超声成像原理与系统超声成像原理与系统医学超声成像技术 超声成像原理与系统主机：包括基本医学超声成像技术医学超声成像技术 超声成像原理与系统超声成像原理与系统 如果对线阵排列的各振元不同时给予电激励，而是使施加到各振如果对线阵排列的各振元不同时给予电激励，而是使施加到各振元的激励脉冲有一个等值的时间差元的激励脉冲有一个等值的时间差，如图，如图1111的相控阵扫描原理，则的相控阵扫描原理，则合成波束的波前平面与振元排列平面之间，将有一相位差合成波束的波前平面与振元排列平面之间，将有一相位差。相控阵相控阵夏志勋 深圳大学生物医学工程重点实验室 对成线阵排列的多个声学上相互独立的压电振元同时给予电激励，对成线阵排列的多个声学上相互独立的压电振元同时给予电激励，可以产生合成波束发射，且合成波束的方向与振元排列平面的法线方可以产生合成波束发射，且合成波束的方向与振元排列平面的法线方向一致，这种激励方式称为同相激励。向一致，这种激励方式称为同相激励。Wave frontTimeDelayElementFocal law医学超声成像技术 超声成像原理与系统 如果对医学超声成像技术医学超声成像技术 超声成像原理与系统超声成像原理与系统 超声波的发生与接收超声波的发生与接收逆压电效应逆压电效应(发生发生)正压电效应正压电效应(接收接收)在交变电场的作用导在交变电场的作用导致厚度的交替改变从而产致厚度的交替改变从而产生声振动，即由电能转变生声振动，即由电能转变为声能。为声能。-。+。-。+由声波的压力变化使压电晶由声波的压力变化使压电晶体两端的电极随声波的压缩体两端的电极随声波的压缩(正正压压)与弛张与弛张(负压负压)发生负电位交发生负电位交替变化。替变化。夏志勋 深圳大学生物医学工程重点实验室医学超声成像技术 超声成像原理与系统 超声波的发生医学超声成像技术医学超声成像技术 超声成像原理与系统超声成像原理与系统A A型超声诊断法，简型超声诊断法，简称称 A A超。因其一维波形超。因其一维波形显示的局限性，目前仅显示的局限性，目前仅用于眼科检查。用于眼科检查。B B型超声诊断法，简型超声诊断法，简称称 B B超。目前广泛应用超。目前广泛应用于临床的是实时显像于临床的是实时显像（Real-time imagingReal-time imaging）。）。M M型型(Motion type)(Motion type)超声诊断法。超声诊断法。是是B B型超声的一种特殊显示方式，即型超声的一种特殊显示方式，即M M型超声心动图。型超声心动图。普通超声诊断仪的种类普通超声诊断仪的种类夏志勋 深圳大学生物医学工程重点实验室医学超声成像技术 超声成像原理与系统A型超声诊断法医学超声成像技术医学超声成像技术 超声成像原理与系统超声成像原理与系统 A A型超声型超声Amplitude mode Amplitude mode 回声以波型显示回声以波型显示型仪型仪 幅度调制型幅度调制型 以波幅的高低代表界面反射信号的以波幅的高低代表界面反射信号的强弱。强弱。反射强，波幅高。反射强，波幅高。反射弱，波幅低。反射弱，波幅低。目前已基本淘汰目前已基本淘汰夏志勋 深圳大学生物医学工程重点实验室医学超声成像技术 超声成像原理与系统 A型超声Am医学超声成像技术医学超声成像技术 超声成像原理与系统超声成像原理与系统 B B型超声型超声Brightness mode Brightness mode 回声以辉度显示回声以辉度显示 辉度调制型辉度调制型 以不同辉度光点反射信号以不同辉度光点反射信号的强弱显示。的强弱显示。反射强则亮，反射弱则暗。反射强则亮，反射弱则暗。采用多声束连续扫描，显采用多声束连续扫描，显示脏器的二维图像，是目前使示脏器的二维图像，是目前使用最为广泛的超声诊断法。用最为广泛的超声诊断法。B B超图像由不同亮度的像素构超图像由不同亮度的像素构成，像素亮度由反射回声的强弱成，像素亮度由反射回声的强弱所决定。所决定。黑色：没有反射黑色：没有反射 灰色：中等反射灰色：中等反射 白色：反射较强白色：反射较强 像素在屏幕上形成不同亮度像素在屏幕上形成不同亮度的层次，既为灰阶。的层次，既为灰阶。灰阶（灰阶（Gray scaleGray scale）夏志勋 深圳大学生物医学工程重点实验室医学超声成像技术 超声成像原理与系统 B型超声Br医学超声成像技术医学超声成像技术 超声成像原理与系统超声成像原理与系统 B B型超声仪结构图型超声仪结构图夏志勋 深圳大学生物医学工程重点实验室医学超声成像技术 超声成像原理与系统 B型超声仪结医学超声成像技术医学超声成像技术 超声成像原理与系统超声成像原理与系统 B B型超声的扫描方式型超声的扫描方式 机械扫描机械扫描 由单个或多个换能器晶片进行高速机械转动由单个或多个换能器晶片进行高速机械转动或摆动实现快速扫描。或摆动实现快速扫描。目前有摆动式和转子式两种。目前有摆动式和转子式两种。电子扫描电子扫描 以电子开关或全数字式化系统控制阵元组发以电子开关或全数字式化系统控制阵元组发射来实现。在临床上广泛使用。射来实现。在临床上广泛使用。分为直线电子扫描和相控阵电子扫描。分为直线电子扫描和相控阵电子扫描。夏志勋 深圳大学生物医学工程重点实验室医学超声成像技术 超声成像原理与系统 B型超声的扫医学超声成像技术医学超声成像技术 超声成像原理与系统超声成像原理与系统 M M型超声型超声Motion mode Motion mode 回声以时间曲线显示回声以时间曲线显示 B B 型的一种变异型：系在水平偏转板上加入一对慢扫描锯齿，使型的一种变异型：系在水平偏转板上加入一对慢扫描锯齿，使回声光点沿水平方向扫描，代表时间。保留原来的深度扫描线回声光点沿水平方向扫描，代表时间。保留原来的深度扫描线 以单声束取样获得以单声束取样获得活动界面回声，再以慢活动界面回声，再以慢扫描方式将某活动界面扫描方式将某活动界面展开展开“距离距离-时间时间”曲线曲线夏志勋 深圳大学生物医学工程重点实验室医学超声成像技术 超声成像原理与系统 M型超声Mo医学超声成像技术医学超声成像技术 超声成像原理与系统超声成像原理与系统 M M型超声型超声Motion mode Motion mode 回声以时间曲线显示回声以时间曲线显示 由于探头位置固定，心脏有规由于探头位置固定，心脏有规律地收缩和舒张，心脏各层组织和律地收缩和舒张，心脏各层组织和探头间的距离便发生节律性的改变。探头间的距离便发生节律性的改变。随着水平方向的慢扫描，便把心脏随着水平方向的慢扫描，便把心脏各层组织的回声展开成曲线，即为各层组织的回声展开成曲线，即为M M型超声心动图型超声心动图夏志勋 深圳大学生物医学工程重点实验室医学超声成像技术 超声成像原理与系统 M型超声Mo医学超声成像技术医学超声成像技术 超声成像原理与系统超声成像原理与系统 M M型超声仪结构图型超声仪结构图夏志勋 深圳大学生物医学工程重点实验室医学超声成像技术 超声成像原理与系统 M型超声仪结夏志勋 深圳大学生物医学工程重点实验室多普勒效应多普勒效应第四节第四节 超声多普勒成像原理与系统超声多普勒成像原理与系统 由于波源和观察者之间有相对运动，使观察者感到频率由于波源和观察者之间有相对运动，使观察者感到频率变化的现象叫做变化的现象叫做多普勒效应多普勒效应 波源的频率等于单位时间内波源发出的完全波的个数。波源的频率等于单位时间内波源发出的完全波的个数。a a）当）当波源和观察者相对靠近波源和观察者相对靠近时，单位时间内接收到的完全时，单位时间内接收到的完全波的个数大于波源产生的完全波的个数大于波源产生的完全波个数，即观察者接收到的频波个数，即观察者接收到的频率高于波源频率率高于波源频率 b b）当波源和观察者相对远离）当波源和观察者相对远离时，单位时间内接收到的完全时，单位时间内接收到的完全波的个数小于波源产生的完全波的个数小于波源产生的完全波个数，即观察者接收到的频波个数，即观察者接收到的频率低于波源频率率低于波源频率 观察者接受到的频率等于观察者在单位时间内接受到完全波的个数。观察者接受到的频率等于观察者在单位时间内接受到完全波的个数。医学超声成像技术医学超声成像技术 超声多普勒成像原理与系统超声多普勒成像原理与系统夏志勋 深圳大学生物医学工程重点实验室多普勒效应第四节 超医学超声成像技术医学超声成像技术 超声多普勒成像原理与系统超声多普勒成像原理与系统超声多普勒应用临床以来，其应用价值超声多普勒应用临床以来，其应用价值 已愈加明显，尤其在以运动器官为主要研究已愈加明显，尤其在以运动器官为主要研究 对象的心血管科，超声多普勒诊断仪更成为对象的心血管科，超声多普勒诊断仪更成为 不可或缺的有力诊断工具。不可或缺的有力诊断工具。多普勒效应应用于超声诊断多普勒效应应用于超声诊断 原理应用：运动结构（如心脏瓣膜）或原理应用：运动结构（如心脏瓣膜）或散射子集合（如血管中的红细胞群体）反射散射子集合（如血管中的红细胞群体）反射回来的超声波束，检测出其中的多普勒频移，回来的超声波束，检测出其中的多普勒频移，得到探查目标的运动速度信息，然后被人耳得到探查目标的运动速度信息，然后被人耳监听、用仪器去分析、用图像去显示或者用监听、用仪器去分析、用图像去显示或者用影像去显现人体内部器官的运动状态。影像去显现人体内部器官的运动状态。右图：超声多普勒胎音仪与彩色能量图右图：超声多普勒胎音仪与彩色能量图夏志勋 深圳大学生物医学工程重点实验室医学超声成像技术 超声多普勒成像原理与系统 超声波向着流动中的红细胞集合体传播，遇到声障（红细胞）时，相对于超声波向着流动中的红细胞集合体传播，遇到声障（红细胞）时，相对于流动中的红细胞，声波流动中的红细胞，声波 f f已经产生了一次多普勒频移（已经产生了一次多普勒频移（ff），频移量），频移量fffff f；而声障反射回来的超声波（；而声障反射回来的超声波（ff）仍沿着原来的传播路径向反方向传）仍沿着原来的传播路径向反方向传送至探头，同时又迭加了一个相同方向的运动速度（送至探头，同时又迭加了一个相同方向的运动速度（v v），因此探头处检测到），因此探头处检测到的超声波又产生了一次新的频移（的超声波又产生了一次新的频移（ff），最终频移量），最终频移量f=ff=ff=2ff=2f 即即 ff 2f 2fv vc c医学超声成像技术医学超声成像技术 超声多普勒成像原理与系统超声多普勒成像原理与系统血流的运动状态检测血流的运动状态检测 假定频率假定频率f f为为3.5MHz3.5MHz的超声波，向着以的超声波，向着以0.1m/s0.1m/s速度运动的血流发射，正常速度运动的血流发射，正常 声速声速c=1540m/sc=1540m/s，则回声的频移量，则回声的频移量ff（由（由ff 2f 2fv vc c可得）约为可得）约为450Hz450Hz。由此可见，由此可见，多普勒频移量多普勒频移量ff与超声固有频率与超声固有频率f f及反射目标的运动速度及反射目标的运动速度V V成成 正比；与声波在某种组织中的传播速度成反比正比；与声波在某种组织中的传播速度成反比。另外，常用超声频率在人体组织中产生的多普勒频移量另外，常用超声频率在人体组织中产生的多普勒频移量ff恰好在人耳的恰好在人耳的 敏锐听觉辨别范围内（大约敏锐听觉辨别范围内（大约2002001200Hz1200Hz），因此只要将此信号检测放大后，），因此只要将此信号检测放大后，仅凭有经验的医生聆听，就可以获得有价值的临床诊断信息。仅凭有经验的医生聆听，就可以获得有价值的临床诊断信息。应用举例应用举例夏志勋 深圳大学生物医学工程重点实验室医学超声成像技术 超声多普勒成像原理与系统血医学超声成像技术医学超声成像技术 超声多普勒成像原理与系统超声多普勒成像原理与系统 在实际应用中，超声的发射与接收并不一定正对着探测目标在实际应用中，超声的发射与接收并不一定正对着探测目标的运动方向，多数情况下它们之间会存在一个夹角的运动方向，多数情况下它们之间会存在一个夹角，因此上述，因此上述多普勒频移量多普勒频移量ff的完整表达式应为：的完整表达式应为：ff2fcos2fcosv vc c血流的运动状态检测血流的运动状态检测夏志勋 深圳大学生物医学工程重点实验室医学