生物医学工程基础（四）生物医学图象课件

单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,*,四川大学材料学院生物医学工程系,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2020/9/14,#,生物医学图象,(Biomedical Image),生物医学工程基础（四）,超声医学成象,（2007.11）,Imaging technologies,are changing the way science is done,(R.P. Crease, Science, Vol. 261, July 1993),8/28/2024,1,生物医学图象(Biomedical Image)生物医学工程,超声医学成象,医学超声是超声物理学、电子探测技术和生物医学在发展中相互渗透的产物，具有理、工、医相结合的特点。其研究包括,基础物理理论研究,、,仪器工程开发,、,图像处理,、,换能材料研究,等相互联系又相互促进的多个方面。,它以研究超声波与生物组织媒质互作用规律和生物效应为理论基础，以研制先进的生物医学超声仪器为工具，应用于诊断、康复、监护、普查人体疾病。,8/28/2024,2,四川大学材料学院生物医学工程系,超声医学成象 医学超声是超声物理学、电子探测技术和生物医学在,主要内容,一、发展简史和发展概况,二、超声医学图象的特点,三、超声成像物理原理概述,四、超声成像系统的构成,五、超声探头与压电效应,六、超声成像工作方式,七、B超成像原理,八、超声医学成象的新进展,8/28/2024,3,四川大学材料学院生物医学工程系,主要内容一、发展简史和发展概况9/3/20233四川大学材料,一、发展简史和发展概况,1917年，,压电超声辐射器,发明，开创,超声探测,。（超声探测水下潜艇）,1928年，德国有了,超声治疗机,发明专利,1939年，有了,应用超声治疗效果的报告,，超声对于关节炎和神经痛等疾病疗效显著。发展起了,超声治疗学,40年代，超声,脉冲回声法,取代了透射法。,A型超声诊断,研制成功，开始,超声诊断学,50年代，A型超声诊断获得推广应用。,M型超声心功仪,发明用于临床诊断,8/28/2024,4,四川大学材料学院生物医学工程系,一、发展简史和发展概况1917年，压电超声辐射器发明，开创超,一、发展简史和发展概况,60年代，,B型超声诊断仪,发明。各种医用超声新技术，如,超声多普勒技术、超声全息超声显微镜等,开始发展。,70年代，进入了蓬勃发展时期。B型超声显像仪不断更新换代，同时,超声CT，超声刀和超声加热治癌,研究不断发展,80年代，,彩色多普勒血流技术,迅速发展，,3D超声诊断,的研究开始,80年代以来超声诊断的发展特点是由体表诊断向内窥诊断，出单参数诊断发展到多参数诊断，由定性观察向组织定征发展，由临床诊断向健康普查发展。,8/28/2024,5,四川大学材料学院生物医学工程系,一、发展简史和发展概况60年代，B型超声诊断仪发明。各种医用,一、发展简史和发展概况,40年代,探索阶段,50年代,A型、M型超声仪,70年代,灰阶实时超声（B型）,双功能超声仪（ B型+频谱）,80年代,彩色多普勒超声仪,（ B型+ 彩色+频谱）,90年代,新技术,（超声造影、谐波成像、,超高频探头、三维超声等）,8/28/2024,6,四川大学材料学院生物医学工程系,一、发展简史和发展概况40年代 探索阶段9/3/2023,开端,1942Dr. Karl Theodore Dussik (1908-) 第一个发表，用超声波透射脑部,Karl Theodore Dussik (1908-),Dussik的脑部影像,8/28/2024,7,四川大学材料学院生物医学工程系,开端1942Dr. Karl Theodore Dussi,History：B-Mode出现,1949Dr. Douglass Howry, W. Roderick Bliss与Gerald Posakony 开发出用人体的反射声波成像之B-mode系统,8/28/2024,8,四川大学材料学院生物医学工程系,History：B-Mode出现1949Dr. Dougl,History：A-Mode,1951-Dr. John Julian Wild用A-mode超音波扫描人体,8/28/2024,9,四川大学材料学院生物医学工程系,History：A-Mode1951-Dr. John J,History：,接触皮肤的B-mode,1958Dr. Ian Donald 与电机工程师 Tom Brown开发出接触皮肤的B-mode超声波探头,1,8/28/2024,10,四川大学材料学院生物医学工程系,History：接触皮肤的B-mode1958Dr. Ia,History：末梢血管的血液流动,1959Dr. Shigeo Satomura(里村茂夫)与Dr. Ziro Kaneko首先发表用Doppler检查末梢血管的血液循环,8/28/2024,11,四川大学材料学院生物医学工程系,History：末梢血管的血液流动1959Dr. Shig,History：胎儿心脏检查,1964武汉医学院之王新房及萧济鹏医生首先发表用M-mode检查胎儿心脏,8/28/2024,12,四川大学材料学院生物医学工程系,History：胎儿心脏检查1964武汉医学院之王新房及萧,History：3D,1984Dr. Kazunori Baba(马场一宪)首先开发出3D超音波影像,1996-Dr. Kazunori Baba与ALOKA合作，发表实时3D超音波影像,8/28/2024,13,四川大学材料学院生物医学工程系,History：3D1984Dr. Kazunori Ba,二、超声医学图象的特点,无伤害性,局部成像,可以动态显示体内器官的活动情况,血流显示,目前心脏功能评价和心脏疾病诊断的主要手段,分辨率低,图象质量差,Speckle noise,Dynamic range,8/28/2024,14,四川大学材料学院生物医学工程系,二、超声医学图象的特点无伤害性9/3/202314四川大学材,三、超声成像物理原理概述,采用频率高于声波频率的超声波 (typically above 1MHz)，医用频率2.513MHz(常用2.5 5MHz),超声是,机械波,，由物体机械振动产生，,用压电晶体产生超声波,进入人体的超声波遇到密度变化的组织界面时，产生较强的回波信号,记录回波 （Echoes）,反射波的延迟确定界面位置，根据接收到的回波成象，反映人体断面结构,对多普勒回波信号频移的分析，可以得到血流（组织）运动方向和速度信息,8/28/2024,15,四川大学材料学院生物医学工程系,三、超声成像物理原理概述采用频率高于声波频率的超声波 (ty,人体组织对超声波的衰减系数,8/28/2024,16,四川大学材料学院生物医学工程系,人体组织对超声波的衰减系数9/3/202316四川大学材料学,超声波在人体中的传播速度,8/28/2024,17,四川大学材料学院生物医学工程系,超声波在人体中的传播速度9/3/202317四川大学材料学院,超声在,特性阻抗相同,的介质中传播，不产生反射和散射,经过声阻抗不同的相邻介质时（,声阻抗差大于0.1%）,，在交界面上产生：,反射、折射（透射）,（,界面直径大于超声波波长，大界面,）,散射与绕射,(,界面直径,近似或小于波长,小界面）,8/28/2024,18,四川大学材料学院生物医学工程系,超声在特性阻抗相同的介质中传播，不产生反射和散射9/3/20,超声波的反射与折射,8/28/2024,19,四川大学材料学院生物医学工程系,超声波的反射与折射9/3/202319四川大学材料学院生物医,当,界面直径,波长,几乎只反射，无绕射，这时反射回波很强,当界面直径与,波长,相当，既反射又绕射，波的绕射使反射回波减弱,所以，超声波能探测到的最小病灶为,波长2,8/28/2024,20,四川大学材料学院生物医学工程系,当界面直径波长，几乎只绕射无反射，这时无反射回波。9,被界面反射的这部分声波携带着,界面位置,和,形状,的重要信息，而透射进去的那一部分声波，则继续前进，探索组织更深处的奥秘。,进入第二介质的超声继续往前传播，遇不同声阻抗的介质时，再产生反射，依次类推,被检测的物体密度越不均匀，界面越多，则产生的反射也愈多。,8/28/2024,21,四川大学材料学院生物医学工程系,被界面反射的这部分声波携带着界面位置和形状的重要信息，而透射,不同组织界面的反射率,8/28/2024,22,四川大学材料学院生物医学工程系,不同组织界面的反射率9/3/202322四川大学材料学院生物,四、,超声成像系统的构成,8/28/2024,23,四川大学材料学院生物医学工程系,四、超声成像系统的构成9/3/202323四川大学材料学院生,线阵探头,凸阵探头,相控阵探头,五、超声探头与压电效应,线阵、 凸阵、 相控阵、 二维面阵,8/28/2024,24,四川大学材料学院生物医学工程系,线阵探头凸阵探头相控阵探头五、超声探头与压电效应线阵、,Array Types,Linear Sequential (switched) 1 cm,10-15 cm, up to 512 elements,Curvilinearsimilar to (a), wider field of view,Linear Phasedup to 128 elements, small footprint,cardiac imaging,1.5D Array3-9 elements in elevation allow for focusing,2D PhasedFocusing, steering in both dimensions,8/28/2024,25,四川大学材料学院生物医学工程系,Array TypesLinear Sequential (,超声探头产生与探测超声波原理,压电效应:,Piezoelectric Effect,采用压电换能法，发射、接收超声波,正压电效应（压电效应）,逆压电效应（电致伸缩效应）,8/28/2024,26,四川大学材料学院生物医学工程系,超声探头产生与探测超声波原理压电效应:Piezoelectr,正压电效应（压电效应）,The Direct Piezoelectric Effect,法国居里,Pierre Curie,对晶体对称性的研究, 发现压电效应,什么是正压电效应：,形变电荷,一些离子型晶体的电介质(如石英、酒石酸钾钠、钛酸钡等)不仅在电场力作用下，而且在机械力作用下，都会产生极化现象.,+,-,+,-,正负电荷中心相对转移,8/28/2024,27,四川大学材料学院生物医学工程系,正压电效应（压电效应） The Direct Piezoe,逆压电效应（电致伸缩效应）,Converse Piezoelectric Effect,电压（电场）形变,当在电介质的,极化方向,施加电场，这些电介质就在,一定方向,上产生,机械变形或机械压力,，当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失的现象。,8/28/2024,28,四川大学材料学院生物医学工程系,逆压电效应（电致伸缩效应） Converse Piezoe,压电陶瓷的压电效应,压电陶瓷属于铁电体一类的物质，是人工制造的多晶压电材料，它具有类似铁磁材料磁畴结构的电畴结构。电畴是分子自发形成的区域，它有一定的极化方向，从而存在一定的电场。在无外电场作用时，各个电畴在晶体上杂乱分布，它们的极化效应被相互抵消，因此,原始的压电陶瓷内极化强度为零,。,直流电场,E,剩余极化强度,剩余伸长,电场作用下的伸长,极化处理前,极化处理中,极化处理后,8/28/2024,29,四川大学材料学院生物医学工程系,压电陶瓷的压电效应直流电场E剩余极化强度剩余伸长电场作用下的,在陶瓷片上加一个与极化方向平行的压力,F：,陶瓷片将产生,压缩形变,（图中虚线），片内的正、负束缚电荷之间的距离变小，极化强度也变小。因此，原来吸附在电极上的自由电荷，有一部分被释放，而出现,放电荷现象,。,当压力撤消后，陶瓷片恢复原状(这是一个,膨胀过程,)，片内的正、负电荷之间的距离变大，极化强度也变大，因此电极上又吸附一部分自由电荷而出现,充电现象,。,正压电效应：机械效应转变为电能,。, , , , ,极化方向,F,8/28/2024,30,四川大学材料学院生物医学工程系,在陶瓷片上加一个与极化方向平行的压力F： ,在陶瓷片上加一个与极化方向相同的电场,由于电场的方向与极化强度的方向相同，所以电场的作用使极化强度增大。这时，陶瓷片内的正负束缚电荷之间距离也增大，就是说，陶瓷片沿极化方向产生,伸长形变,（图中虚线）。,如果外加电场的方向与极化方向相反，则陶瓷片沿极化方向产生,缩短形变,。,逆压电效应：电能转变为机械能, , , , ,极化方向,电场方向,电能,机械能,正压电效应,逆压电效应,8/28/2024,31,四川大学材料学院生物医学工程系,在陶瓷片上加一个与极化方向相同的电场 ,如果施加较小的交变电场，压电陶瓷的长度就会周期变化，这种变化的频率与外加交变电场的频率一致。,超声发射探头就是这种电致伸缩效应，将电压转变为声压，并向人体发射,而利用压电效应,接收超声波,。,8/28/2024,32,四川大学材料学院生物医学工程系,如果施加较小的交变电场，压电陶瓷的长度就会周期变化，这种变化,压电材料,Piezoelectric materials,种类：,压电晶体，如石英等；,压电陶瓷，如钛酸钡、锆钛酸铅等；,压电半导体，如硫化锌、碲化镉等。,8/28/2024,33,四川大学材料学院生物医学工程系,压电材料Piezoelectric materials种类,对压电材料特性要求,转换性能。要求,具有较大压电常数,。,机械性能。压电元件作为受力元件，希望它的机械强度高、刚度大，以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率。,电性能。希望具有,高电阻率,和,大介电常数,，以减弱外部分布电容的影响并获得良好的低频特性。,环境适应性强。温度和湿度稳定性要好，要求具有,较高的居里点,，获得,较宽的工作温度范围,。,时间稳定性。要求压电性能不随时间变化,8/28/2024,34,四川大学材料学院生物医学工程系,对压电材料特性要求转换性能。要求具有较大压电常数。9/3/,t,换能器,回波信号,六、超声成像工作方式：,A型,8/28/2024,35,四川大学材料学院生物医学工程系,t换能器回波信号六、超声成像工作方式：A型9/3/20233,六、超声成像工作方式,：M型,8/28/2024,36,四川大学材料学院生物医学工程系,六、超声成像工作方式：M型9/3/202336四川大学材料学,六、超声成像工作方式,：B型,8/28/2024,37,四川大学材料学院生物医学工程系,六、超声成像工作方式：B型9/3/202337四川大学材料学,换能器,C型平面,六、超声成像工作方式,：C型,8/28/2024,38,四川大学材料学院生物医学工程系,换能器C型平面六、超声成像工作方式：C型9/3/202338,皮肤,血管,六、超声成像工作方式：D型（,多普勒血流成像）,8/28/2024,39,四川大学材料学院生物医学工程系,皮肤血管六、超声成像工作方式：D型（多普勒血流成像）9/3,多普勒血流测量原理,当发射超声传入人体某一血液流动区，被红细胞散射返回探头，回声信号的频率可增可减，朝向探头运动的血流，探头接收到的频率较发射频率增高，背离探头的血流则频率减低。这种接收频率与发射频率之差称,多普勒频移或差频。,8/28/2024,40,四川大学材料学院生物医学工程系,多普勒血流测量原理当发射超声传入人体某一血液流动区，被红细胞,多普勒血流测量原理,多普勒频移（F,d,）与(,发射频率（f,o,）、血流速度（V）、超声束与血流间夹角（）的余弦),成正比，,与声速（C）,成反比，公式为：,式中F,d,、cos均可测得，f,o,及C为已知，可以计算出V;声束与血流方向平行时可记录到最大血流速度，声束与血流方向垂直时则测不到血流信号。,V,8/28/2024,41,四川大学材料学院生物医学工程系,多普勒血流测量原理多普勒频移（Fd）与(发射频率（fo）、血,超声多普勒回波信号的频谱,8/28/2024,42,四川大学材料学院生物医学工程系,超声多普勒回波信号的频谱9/3/202342四川大学材料学院,声谱图,8/28/2024,43,四川大学材料学院生物医学工程系,声谱图9/3/202343四川大学材料学院生物医学工程系,系统框图,血流,测量,流速剖面,形成,B型,成像,探头,谱分析,8/28/2024,44,四川大学材料学院生物医学工程系,系统框图血流流速剖面B型探头谱分析9/3/202344四川大,六、B超显像原理,波束形成,电路,图像,存储器,坐标变换,电路,DSC部件,探头,显示器,8/28/2024,45,四川大学材料学院生物医学工程系,六、B超显像原理波束形成图像坐标变换DSC部件探头显示器9/,8/28/2024,46,四川大学材料学院生物医学工程系,9/3/202346四川大学材料学院生物医学工程系,DP-9900全数字超声实验系统,(1)RF信号采集,探头的参数:,探头名称: 35C50HA,原来名称:CA3.5/R50,标称频率(MHz):3.5MHZ,半径 (mm) :50,阵元间距 (mm) : 0.498,阵元数量:128,最大角度为73度,8/28/2024,47,四川大学材料学院生物医学工程系,DP-9900全数字超声实验系统 (1)RF信号采集 9/3,A/D,图像存储、,处理与显示,模拟延迟线,回波信号,换能器,阵元,S,模拟波束形成器,A/D,A/D,数字延迟线,回波信号,换能器,阵元,数字波束形成器,图像存储、,处理与显示,S,A/D=,模拟 / 数字,波束形成器,8/28/2024,48,四川大学材料学院生物医学工程系,A/D图像存储、模拟延迟线回波信号换能器S模拟波束形成器A/,波束形成器 # P,波束形成器 # 3,波束形成器 # 2,回波信号,换能器,阵元,1,2,3,N,换能器阵元数N,A/D,物理通道数 Z,S,波束形成器 # 1,A/D #1,A/D #M,波束形成通道数 M,波束形成器数 P,物理通道数 Z,阵元数 N,波束形成通道数 M,波束形成器数 P,一个声束由17个振元合成发生,文件链接,8/28/2024,49,四川大学材料学院生物医学工程系,波束形成器 # P 波束形成器 # 3 波束形成器,换能器,阵元,回波,信号,波束形成器,# 1,波束形成器,# 4,# 1,# 4,波束形成器,# 2,波束形成器,# 3,# 3,# 2,8/28/2024,50,四川大学材料学院生物医学工程系,换能器回波 波束形成器 波束形成器 # 1# 4 波束,B超的横向分辨率决定因素:,声束宽度决定,扫描线之间的距离,等于振元中心间距d,半个振元中心间距d(DP-9900半间距扫描),四分之一个振元中心间距d,8/28/2024,51,四川大学材料学院生物医学工程系,B超的横向分辨率决定因素:声束宽度决定9/3/202351四,8/28/2024,52,四川大学材料学院生物医学工程系,9/3/202352四川大学材料学院生物医学工程系,8/28/2024,53,四川大学材料学院生物医学工程系,9/3/202353四川大学材料学院生物医学工程系,(2)高通滤波 (滤除直流分量),(3)RF信号正交移频,8/28/2024,54,四川大学材料学院生物医学工程系,(2)高通滤波 (滤除直流分量)9/3/202354四川大学,(4)低通滤波,采用积分梳状滤波器(设计滤波器设计),滤波器的阶数n62,滤波器的通带截止频率过大,阻带截止频率过小,8/28/2024,55,四川大学材料学院生物医学工程系,(4)低通滤波滤波器的阶数n629/3/202355四川大,滤波器的阶数n138,获得了足够大的阻带衰减,8/28/2024,56,四川大学材料学院生物医学工程系,滤波器的阶数n1389/3/202356四川大学材料学院生,8/28/2024,57,四川大学材料学院生物医学工程系,9/3/202357四川大学材料学院生物医学工程系,(5) 数据抽取: 进行16倍抽取,8/28/2024,58,四川大学材料学院生物医学工程系,(5) 数据抽取: 进行16倍抽取 9/3/202358,(6)图象灰度的对数线性变换实质: 图象增强算法的点处理方法,8/28/2024,59,四川大学材料学院生物医学工程系,(6)图象灰度的对数线性变换实质: 图象增强算法的点处理方,超声回波,信号采样点,电视显示,象素点,坐标变换,数据插补,(7)坐标变换,8/28/2024,60,四川大学材料学院生物医学工程系,超声回波电视显示 坐标变换(7)坐标变换9/3/2023,8/28/2024,61,四川大学材料学院生物医学工程系,9/3/202361四川大学材料学院生物医学工程系,彩色多普勒超声图象（心脏）,8/28/2024,62,四川大学材料学院生物医学工程系,彩色多普勒超声图象（心脏）9/3/202362四川大学材料学,彩色多普勒超声图象（肾脏）,8/28/2024,63,四川大学材料学院生物医学工程系,彩色多普勒超声图象（肾脏）9/3/202363四川大学材料学,小型化,8/28/2024,64,四川大学材料学院生物医学工程系,小型化9/3/202364四川大学材料学院生物医学工程系,我国的超声仪,8/28/2024,65,四川大学材料学院生物医学工程系,我国的超声仪9/3/202365四川大学材料学院生物医学工程,B超图象（Fetal profile）,8/28/2024,66,四川大学材料学院生物医学工程系,B超图象（Fetal profile）9/3/202366四,B超图象（Fetal profile）,8/28/2024,67,四川大学材料学院生物医学工程系,B超图象（Fetal profile）9/3/202367四,正常颈动脉分叉,8/28/2024,68,四川大学材料学院生物医学工程系,正常颈动脉分叉9/3/202368四川大学材料学院生物医学工,颈动脉狭窄,8/28/2024,69,四川大学材料学院生物医学工程系,颈动脉狭窄9/3/202369四川大学材料学院生物医学工程系,静脉瓣,8/28/2024,70,四川大学材料学院生物医学工程系,静脉瓣9/3/202370四川大学材料学院生物医学工程系,Gallbladder,8/28/2024,71,四川大学材料学院生物医学工程系,Gallbladder9/3/202371四川大学材料学院生,八、超声医学成象的新进展,造影谐波成象,组织多普勒成象,多维成像,8/28/2024,72,四川大学材料学院生物医学工程系,八、超声医学成象的新进展造影谐波成象9/3/202372四川,Before,During,After,SAN,SVC,RAA,RAA,RAA,SVC,SVC,A,B,C,8/28/2024,73,四川大学材料学院生物医学工程系,BeforeDuringAfterSANSVCRAARAAR,3D Freehand,8/28/2024,74,四川大学材料学院生物医学工程系,3D Freehand9/3/202374四川大学材料学院生,3D Freehand,8/28/2024,75,四川大学材料学院生物医学工程系,3D Freehand9/3/202375四川大学材料学院生,三维成像,8/28/2024,76,四川大学材料学院生物医学工程系,三维成像9/3/202376四川大学材料学院生物医学工程系,医学成像方式功能比较-1,8/28/2024,77,四川大学材料学院生物医学工程系,医学成像方式功能比较-19/3/202377四川大学材料学院,医学成像方式功能比较-2,功,能,特,点,X线机,XCT,磁共振,同位素,超声,透视,拍片,无创、无电离辐射,断层成像,实时、动态,形态、功能与定征,设备价格便宜,结构形态,血流测量,组织定征,断层,结构,设备简单,电离辐射,影像重叠,断层摄影,电离辐射,非实时,断层摄影,设备昂贵,非实时,断层摄影,分辨力低,放射性药物,断层,结构,代谢,功能,代谢,功能,8/28/2024,78,四川大学材料学院生物医学工程系,医学成像方式功能比较-2功特X线机XCT磁共振同位素超声,经常,不断地学习,你就什么都知道。你知道得越多,你就越有,力量,Study Constantly, And You Will Know Everything. The More You Know, The More Powerful You Will,Be,学习总结,经常不断地学习,你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量学,结束语,当,你尽了自己的最大努力,时,，,失败,也是伟大,的，所以不要放弃，坚持就是正确的。,When You Do Your Best, Failure Is Great, So DonT Give Up, Stick To The,End,演讲,人：,XXXXXX,时,间：,XX,年,XX,月,XX,日,结束语,