超聲成像原理

1、第十章第十章超聲成像原理2n 超聲波（ Ultrasound）的物理特點(diǎn)）的物理特點(diǎn)l 超聲波是機(jī)械波：振動(dòng)源和傳播介質(zhì)。l 超聲波的振動(dòng)頻率在20KHz以上，超過(guò)人類(lèi)的聽(tīng)覺(jué)上限（20Hz20KHz）。l 超聲波波長(zhǎng)短、方向性強(qiáng)、能量大。l 超聲波與光波相比，頻率和傳播形式不同。310.1 引言引言l 超聲波可以在人體組織內(nèi)傳播，對(duì)人體無(wú)損傷、無(wú)痛苦。l 超聲設(shè)備價(jià)格低廉，易于推廣。l 超聲波掃描成像能實(shí)時(shí)提供影像。l 超聲波對(duì)人體軟組織的探測(cè)和對(duì)心血管臟器的血流動(dòng)力學(xué)觀察有獨(dú)到之處。n 超聲波成像的特點(diǎn) 在醫(yī)學(xué)超聲影像技術(shù)中，使用的頻率一般在15MHz之間。對(duì)于較薄的組織，比如眼球，可以使用

2、20MHz的頻率。410.1 引言引言n 根據(jù)聲阻抗的不同，人體組織可以分為三大類(lèi)：1）低聲阻的氣體或充氣組織，如肺部組織；2）中等聲阻的液體和軟組織，如肌肉；3）高聲阻的礦物組織，如骨骼。 三類(lèi)組織聲阻抗相差甚大，彼此不能傳播聲波。超聲檢測(cè)適用于第二類(lèi)組織。在這類(lèi)組織中，聲阻抗相差不大，聲速大致相等，又可以利用不同組織之間的聲阻抗造成的聲波反射、散射來(lái)識(shí)別不同軟組織與器官的形態(tài)和性質(zhì)。510.1 引言引言610.1 引言引言n 超聲波成像的發(fā)展l 超聲波成像研究起源于二十世紀(jì)四十年代。l 1942年奧地利的K.T.Dussik使用A型超聲裝置，用穿透法探測(cè)顱腦。l 1952年，美國(guó)的D.H.

3、Howry和Bliss開(kāi)始使用B超檢測(cè)人體。l 1954年，瑞典人用M型超聲檢查心臟。l 1956年，日本人首先將多普勒效應(yīng)原理應(yīng)用于超聲診斷。 l 1959年，研制出脈沖多普勒超聲。l 1975年，美國(guó)的Greenleaf開(kāi)始用計(jì)算機(jī)處理超聲圖像。l 1983年，日本Aloka公司首先研制成功彩色血流圖（CFM）。710.2 超聲波的物理屬性超聲波的物理屬性n 超聲波的傳播特性超聲波的傳播特性固體中，縱波、橫波均可。氣體、液體中為縱波。 根據(jù)機(jī)械振動(dòng)方向與波的傳播方向，可以分成兩種波動(dòng)方式：方向一致為縱波，互相垂直為橫波。l 波型轉(zhuǎn)換 超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，由于傳播條件的改變，會(huì)產(chǎn)生波型轉(zhuǎn)換

4、。垂直聲束不發(fā)生波型轉(zhuǎn)換。 超聲波的波型轉(zhuǎn)換具有臨床意義。例如：超聲波通過(guò)腦軟組織打在顱骨上時(shí)，會(huì)轉(zhuǎn)換成一部分橫波，產(chǎn)生偽影。8l 在超聲診斷中使用的脈沖波，一般為阻尼衰減振蕩波。n 連續(xù)波與脈沖波連續(xù)波與脈沖波l 按照發(fā)射方式，超聲波可以分為連續(xù)波與脈沖波。l 在超聲診斷中使用的連續(xù)波，一般為正弦等幅波，超聲頻率與振幅都穩(wěn)定不變。10.2 超聲波的物理屬性超聲波的物理屬性脈沖波的特征量脈沖波的特征量 ：間歇期脈沖寬度重復(fù)周期l 脈沖寬度：脈沖持續(xù)時(shí)間，通常在1.55微秒之間。910.2 超聲波的物理屬性超聲波的物理屬性l 平均功率：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)輸出的功率。l 間歇期：相鄰脈沖之間的間歇時(shí)間。l

5、 占空因子：脈沖周期中脈沖寬度與間歇期之比。l 峰值功率：脈沖發(fā)射期間的最大輸出功率。l 脈沖重復(fù)周期：指兩個(gè)相鄰脈沖前沿的相隔時(shí)間。 l 脈沖重復(fù)頻率：每秒內(nèi)脈沖重復(fù)出現(xiàn)次數(shù)。1010.2 超聲波的物理屬性超聲波的物理屬性l 聲阻抗：聲壓與聲振動(dòng)速度之比。聲壓與振動(dòng)速度同相時(shí)，Z=pc。單位是瑞利。 n 超聲波的描述參量超聲波的描述參量l 聲壓：壓強(qiáng)瞬時(shí)值與無(wú)聲傳播時(shí)壓強(qiáng)值之差，單位為帕斯卡（N/m2）。l 聲強(qiáng)：聲波在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位橫截面積的周期平均能量。 在聲學(xué)介質(zhì)中，只要聲阻抗相同，則可以認(rèn)為它們是聲學(xué)的同種均勻介質(zhì)，不存在界面。1110.2 超聲波的物理屬性超聲波的物理屬性超聲波

6、在界面發(fā)生反射或折射的條件是：反射與透射（折射）反射與透射（折射）l 介質(zhì)的聲阻抗在界面處發(fā)生突變。l 界面的線度遠(yuǎn)大于聲波波長(zhǎng)及聲束直徑。ir1Z1c2ct2Zivrvtv界面超聲波的反射與折射 聲壓反射系數(shù)聲壓反射系數(shù)反射聲壓與入射聲壓之比聲壓連續(xù)方程： irtPPP1210.2 超聲波的物理屬性超聲波的物理屬性法向速度連續(xù)方程 coscoscosiirrttvvv2121coscoscoscositrpirtZZPrPZZ垂直入射時(shí)：2121pZZrZZ1310.2 超聲波的物理屬性超聲波的物理屬性由界面聲壓連續(xù)和法向速度連續(xù)條件2122coscoscosiptrZtZZ垂直入射時(shí)212

7、2pZtZZ聲壓透射系數(shù)聲壓透射系數(shù)透射聲壓與入射聲壓之比1410.2 超聲波的物理屬性超聲波的物理屬性衍射與散射衍射與散射 超聲波繞過(guò)障礙物的邊緣傳播叫做衍射（也叫繞射），衍射與障礙物的線度有關(guān)。 如果介質(zhì)中存在許多懸浮粒子，會(huì)使部分聲能偏離原來(lái)的方向，形成散射現(xiàn)象。根據(jù)散射物體線度與超聲波長(zhǎng)的關(guān)系，可以有不同的散射效果。衍射散射1510.2 超聲波的物理屬性超聲波的物理屬性聲通量反射系數(shù)：2prr聲通量透射系數(shù)：212coscostpiZttZ聲傳播能量守恒聲傳播能量守恒為了測(cè)量超聲波能量的變化，一般采用聲通量來(lái)描述。聲通量聲強(qiáng)面積聲通量聲強(qiáng)面積1610.2 超聲波的物理屬性超聲波的物理屬

8、性 聲束通過(guò)介質(zhì)薄層是臨床超聲檢測(cè)經(jīng)常會(huì)遇到的情況，分別有以下幾種可能： d1Z2Z3Z123iItI聲束通過(guò)介質(zhì)薄層 當(dāng)Z2比Z1和Z3小得多時(shí)，聲束不能透過(guò)。 當(dāng)薄層厚度遠(yuǎn)小于2 ，或者d= 2/2, 2, 22, n2/4 （n為不等于零的偶數(shù)）時(shí)，聲束完全透過(guò)。當(dāng) ，且d為2/4 的奇數(shù)倍時(shí)，相當(dāng)于兩個(gè)介質(zhì)界面都不存在。21 3ZZZ1710.2 超聲波的物理屬性超聲波的物理屬性薄層匹配原理薄層匹配原理薄層匹配原理在臨床上用來(lái)進(jìn)行耦合劑材料的設(shè)計(jì)。即：通過(guò)探頭、耦合劑和被檢體的聲阻抗值相互之間的匹配，讓探頭發(fā)出的超聲最大限度地透過(guò)耦合劑薄層進(jìn)入被檢體。 現(xiàn)在臨床使用的耦合劑是液體石蠟，

9、最大透射率只是入射強(qiáng)度的四分之三。 1810.2 超聲波的物理屬性超聲波的物理屬性 聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，聲強(qiáng)會(huì)隨著傳播距離增加而減弱，即聲波衰減。聲波衰減規(guī)律聲波衰減規(guī)律l 擴(kuò)散衰減： 波陣面能量分布的改變引起。l 散射衰減 ：聲波與散射中心作用，轉(zhuǎn)化為熱能。l 吸收衰減： 粘滯吸收、熱機(jī)制吸收、馳豫吸收。1910.2 超聲波的物理屬性超聲波的物理屬性l 空化作用：指超聲場(chǎng)使充有氣體或水蒸汽的空腔發(fā)生振蕩，可以分為穩(wěn)態(tài)空化和瞬態(tài)空化。（作用機(jī)理復(fù)雜，仍有許多未知領(lǐng)域）。l 熱作用：分子振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能量可逆轉(zhuǎn)增加或者分子結(jié)構(gòu)永久性地改變。l 機(jī)械作用：振動(dòng)和壓力對(duì)細(xì)胞和組織產(chǎn)生直接作用。超聲波的生

10、物效應(yīng)（超聲波的生物效應(yīng)（沒(méi)有累積效應(yīng)和電離損害）2010.2 超聲波的物理屬性超聲波的物理屬性 超聲安全劑量的確定需要同時(shí)考慮強(qiáng)度和時(shí)間。目前，有的國(guó)家將安全聲強(qiáng)閾值定為幾十毫瓦/平方厘米。 超聲生物效應(yīng)主要取決于輻射超聲的強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間。在一定的閾值范圍內(nèi)，超聲對(duì)人體的損傷可以忽略不計(jì)，有時(shí)還可以起到治療作用。比如增加細(xì)胞活力，促進(jìn)血液循環(huán)等。2110.3 超聲換能器超聲換能器n 超聲換能器超聲換能器 實(shí)現(xiàn)電聲轉(zhuǎn)換和聲電轉(zhuǎn)換的器件，按其工作原理，可以分為電場(chǎng)式和磁場(chǎng)式。l 電場(chǎng)式換能器是利用電場(chǎng)所產(chǎn)生的各種力的效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)聲電能量的相互轉(zhuǎn)換，內(nèi)部存儲(chǔ)元件是電容，又可分為壓電式、電致伸縮式、電

11、容式。l 磁場(chǎng)式換能器是借助磁場(chǎng)力的效應(yīng)實(shí)現(xiàn)聲電能量的相互轉(zhuǎn)換，內(nèi)部?jī)?chǔ)能元件是電感，又可分為電動(dòng)式、電磁式、磁致伸縮式。 在醫(yī)學(xué)超聲工程中，一般采用電場(chǎng)式中的壓電效應(yīng)。2210.3 超聲換能器超聲換能器 超聲換能器（超聲探頭）由壓電晶片組成，晶片受電信號(hào)激發(fā)發(fā)射超聲，進(jìn)入人體組織，遇不同聲阻界面產(chǎn)生反射與散射；晶片接收回聲信號(hào)，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，送入儀器。晶片將電能轉(zhuǎn)換成聲能（發(fā)射），又能將聲能轉(zhuǎn)換成電能（接收），所以稱為聲電換能器。u 工作原理 超聲探頭可以是圓片形，也可以是半圓片形，其厚度一般選擇所用超聲波長(zhǎng)的一半。產(chǎn)生超聲波需要兩個(gè)必要條件：高頻聲源和傳播介質(zhì)。2310.3 超聲換能器超聲換

12、能器 某些各向異性的材料，在外部拉力或壓力作用下引起材料內(nèi)部正負(fù)電荷重心移動(dòng)，在相應(yīng)表面產(chǎn)生符號(hào)相反的表面電荷。即在機(jī)械力的作用下產(chǎn)生了電場(chǎng)，或者在電場(chǎng)作用下，材料產(chǎn)生幾何形變。這種機(jī)械能與電能的相互轉(zhuǎn)換稱為壓電效應(yīng)。壓電效應(yīng) 材料的居里點(diǎn)表示使其失去壓電效應(yīng)的臨界溫度值。24壓電效應(yīng)的表征參數(shù)l 壓電接收常數(shù)g：指壓電片單位形變所產(chǎn)生的電位移，表示換能器接收性能的好壞。l 壓電發(fā)射常數(shù)d：指壓電片由所加電場(chǎng)單位場(chǎng)強(qiáng)引起的形變。 l 相對(duì)介電常數(shù)：指均勻電極化狀態(tài)下，壓電材料的電容與真空電容之比。 10.3 超聲換能器超聲換能器l 機(jī)電耦合系數(shù)k：機(jī)械能和電能之間耦合強(qiáng)弱的一個(gè)常數(shù)。l 機(jī)械品

13、質(zhì)因數(shù)Q：壓電體振動(dòng)時(shí)，儲(chǔ)存的機(jī)械能與一個(gè)周期內(nèi)損耗的機(jī)械能量之比稱為機(jī)械品質(zhì)因數(shù)，它反映壓電體振動(dòng)時(shí)克服內(nèi)摩擦消耗的能量大小。Q值越大，機(jī)械能消耗愈小。2510.3 超聲換能器超聲換能器另外，還需要考慮選擇徑向振動(dòng)小的材料。超聲換能器材料的選擇需要根據(jù)用途決定l 發(fā)射超聲波，選擇發(fā)射系數(shù)d大的材料，如鋯鈦酸鉛（PZT）4。l 接收超聲波，選擇接收系數(shù)g大的材料，如硫酸鋰。l 同時(shí)用來(lái)發(fā)射和接收，選擇d與g乘積較大的材料，如PZT-4。 晶片的厚薄決定著超聲頻率的高低，晶片越薄，頻率越高。目前運(yùn)用壓電晶片的頻率大致在110MHz范圍內(nèi)，單晶片探頭的直徑在812mm范圍內(nèi)。2610.3 超聲換能

14、器超聲換能器超聲探頭發(fā)射與接收示意 2710.3 超聲換能器超聲換能器u 超聲換能器的超聲場(chǎng) 超聲在介質(zhì)內(nèi)傳播時(shí)，明顯受到超聲振動(dòng)影響的區(qū)域稱為超聲場(chǎng)。如果超聲換能器的直徑明顯大于超聲波波長(zhǎng)，則所發(fā)射的超聲波能量集中成束狀向前傳播，這種現(xiàn)象稱為超聲的束射性（或稱指向性）。聲源直徑 近場(chǎng)距離半擴(kuò)散角 圓形活塞聲源的聲場(chǎng)分布理論計(jì)算表明：理想的、性能均勻的壓電換能器，其近場(chǎng)和遠(yuǎn)方區(qū)域內(nèi)的聲場(chǎng)分布都是很不均勻的。以圓形單晶片探頭為例。2810.3 超聲換能器超聲換能器l 聲場(chǎng)中某點(diǎn)的聲壓是每個(gè)小聲源輻射到該點(diǎn)處聲壓的疊加。l 圓形活塞聲源面上各點(diǎn)作同位相、同速率的振動(dòng)。l 圓形聲源看作無(wú)限多個(gè)小聲源

15、組成。l 每一個(gè)小聲源，都在360度立體角的半空間輻射球面波。聲場(chǎng)計(jì)算假定以下條件成立：經(jīng)理論推導(dǎo)，圓形活塞聲源產(chǎn)生的超聲場(chǎng)中心軸上的聲壓為：2202sin()sin()4DppXXtD（10-1）P0為圓形晶片表面的聲壓幅值，D為晶片直徑，為超聲波長(zhǎng)。29l 近場(chǎng)區(qū)近場(chǎng)區(qū) 換能器近側(cè)的超聲波束寬度與聲源直徑相近似，平行而不擴(kuò)散，近似平面波，該區(qū)域稱近場(chǎng)區(qū)。近場(chǎng)區(qū)內(nèi)聲強(qiáng)分布不均勻。聲學(xué)上，稱L=a2/以內(nèi)的近場(chǎng)區(qū)為菲涅爾區(qū)。a為晶片的半徑。 據(jù)式10-1，可以計(jì)算出近場(chǎng)區(qū)聲壓極小值和極大值的位置分別為：22min(2)8DnXn（10-2） 其中，n取小于D/2的正整數(shù)，m取包含0在內(nèi)小于（D

16、-）/2的正整數(shù)?？梢?jiàn)，D越大，輻射頻率越高，n和m值越大，近場(chǎng)內(nèi)聲壓起伏越大，不均勻性越明顯。222max(21)4(21)DmXm303110.3 超聲換能器超聲換能器 指近場(chǎng)區(qū)以外的聲波以某一角度擴(kuò)散區(qū)域，據(jù)式10-1，可以近似估算出遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)聲壓幅值：01mAPPX（10-3） 對(duì)于給定的探頭和周?chē)膹椥越橘|(zhì)，P0，A（圓形晶片面積），都是常數(shù)，聲壓隨距離X增大而減弱。l 遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū) 10-3式是對(duì)晶片中心軸上的聲壓公式用牛頓二項(xiàng)式展開(kāi)進(jìn)行的近似計(jì)算得到，只有當(dāng)X5L時(shí)，反比關(guān)系表現(xiàn)得比較明顯。3210.3 超聲換能器超聲換能器 圓形活塞晶片的輻射聲壓，不僅在中心軸上的分布是不均勻的，而

17、且在中心軸以外的聲壓分布也是不均勻的，即在中心部分的主瓣旁邊出現(xiàn)許多旁瓣，這種現(xiàn)象叫做換能器的指向性，也可以說(shuō)是聲束的集中程度。指向性因數(shù)Dc可以表示為： l 超聲場(chǎng)的角分布超聲場(chǎng)的角分布12(sin )( , )( ,0)sincJ kaP rDP rka（10-4） 指向性因數(shù)Dc可以理解為距晶片中心距離為r，并與聲場(chǎng)中心軸線成角處的聲壓與中心軸線上相同距離處的聲壓之比。3310.3 超聲換能器超聲換能器 指向性因數(shù)Dc為零的第一點(diǎn)對(duì)應(yīng)的角度稱為半擴(kuò)散角，可由下式計(jì)算： 1sin (1.22)D（10-5）結(jié)論：超聲振動(dòng)頻率越高（波長(zhǎng)越短），晶片半徑越大，則近場(chǎng)長(zhǎng)度L越大，擴(kuò)散角越小，表示

18、聲束方向性好。 若被檢查組織或臟器位于近場(chǎng)范圍內(nèi)，由于近場(chǎng)內(nèi)的超聲束平行度最高，反射界面與晶片的垂直性最好，因此反射的聲強(qiáng)較高，失真度小。而遠(yuǎn)場(chǎng)有聲束擴(kuò)散，反射聲強(qiáng)較弱，失真度高，故在醫(yī)學(xué)診斷上，要求超聲擴(kuò)散角應(yīng)在3.5度以內(nèi)，否則超聲束截面積太大，使超聲的橫向分辨力降低。3410.3 超聲換能器超聲換能器 實(shí)際應(yīng)用中，希望聲束焦點(diǎn)直徑小，而焦距大一些。也就是說(shuō)，希望得到既細(xì)又長(zhǎng)的聚焦聲束。一般可以通過(guò)聲束聚焦的辦法來(lái)變窄聲束，但是需要考慮聲束強(qiáng)度的安全性：l 聲透鏡聚焦l 聲反射鏡聚焦l 曲面換能器l 電子聚焦（相控扇形掃描） 3510.4 超聲成像方法超聲成像方法 超聲診斷儀有采用連續(xù)波的

19、，也有采用脈沖波的。由于脈沖檢測(cè)技術(shù)能夠定位回聲界面，還可以消除發(fā)射信號(hào)對(duì)反射信號(hào)的影響，靈敏度高，應(yīng)用廣泛。超聲診斷成像的基本物理假定：l 聲束在介質(zhì)中以直線傳播。l 在各種介質(zhì)中聲速均勻一致。l 在各種介質(zhì)中介質(zhì)的吸收系數(shù)均勻一致。3610.4 超聲成像方法超聲成像方法n 超聲脈沖回波檢測(cè)技術(shù)基本原理超聲脈沖回波檢測(cè)技術(shù)基本原理 脈沖回波檢測(cè)技術(shù)是利用超聲波在傳播路線上遇到介質(zhì)的不均勻界面能發(fā)生反射的物理特性檢測(cè)回波信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行接收放大和信號(hào)處理，最后在顯示器上顯示。 人體組織和臟器具有不同的聲速和聲阻抗，在界面會(huì)反射聲波。但這些界面兩側(cè)介質(zhì)的聲學(xué)性質(zhì)差異通常并不很大，所以大部分超聲能

20、量穿過(guò)界面繼續(xù)向前傳播，依次可以得到不同深度界面的回波。3710.4 超聲成像方法超聲成像方法l 超聲脈沖回波成像系統(tǒng)的組成超聲脈沖回波成像系統(tǒng)的組成u 換能器：將電脈沖轉(zhuǎn)換成超聲脈沖發(fā)射到人體內(nèi)，再接收反射回聲信號(hào)并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。 u 信號(hào)處理部分：對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行檢波、放大等必要處理，使之適合顯示和記錄。包括：時(shí)間增益補(bǔ)償（TGC）：深度不同，衰減不同，亮度不同，成像困難。聲波在深度上幅度減少的分貝數(shù)與聲波穿過(guò)該層介質(zhì)的時(shí)間成正比。接收器的增益可以按衰減幅度補(bǔ)償，隨掃描時(shí)間增加而增大。即較深部位回聲信號(hào)放大倍數(shù)大，較淺部位回聲信號(hào)放大倍數(shù)小。3810.4 超聲成像方法超聲成像方法 檢波器：根

21、據(jù)終顯要求檢出相應(yīng)信息，有幅度檢波、位相檢波和頻率檢波之分。對(duì)檢波器的要求：波形失真小，傳輸系數(shù)大，濾波性能好、輸入電阻大。抑制電路：用來(lái)抑制不希望有的干擾信號(hào)和雜波噪聲，即限定視頻信號(hào)的下限電平，壓縮動(dòng)態(tài)范圍。視頻放大：放大信號(hào)幅度，壓縮動(dòng)態(tài)范圍，一般采用微分電路突出信號(hào)前后沿。u 顯示記錄部分3910.4 超聲成像方法超聲成像方法 A型顯示是超聲診斷儀最基本的顯示方式，屬于幅度調(diào)制，用回波脈沖的大小決定顯示器中脈沖的幅度。熒光屏上出現(xiàn)的是脈沖波形，脈沖之間的距離正比于反射界面之間的距離。A型超聲主要用于顱腦的占位性病變的診斷。10.4.1 A型超聲型超聲10.4.2 M型超聲型超聲 M型超

22、聲診斷儀是在A超基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，適于觀察心臟的運(yùn)動(dòng)狀況，所以也稱為超聲心動(dòng)儀。M超的探頭、發(fā)射和接收通道與A超完全一樣，不同的只是顯示方式：1）改幅度顯示為亮度顯示；2）縱軸像A超那樣表示掃描深度，橫軸表示時(shí)間（慢速幀掃描），以反映心臟活動(dòng)周期內(nèi)反射界面的振動(dòng)曲線。40發(fā)射電路同步電路時(shí)基電路觸發(fā)脈沖換能器可變衰減電路放大器TGC時(shí)間標(biāo)尺顯示器給出顯示器的橫軸，也可以換算成反射界面的深度標(biāo)尺10.4 超聲成像方法超聲成像方法產(chǎn)生幅值達(dá)近百伏的高頻振蕩電壓輸出控制脈沖高度，即顯示器的Y軸偏轉(zhuǎn)板探頭接收的反射信號(hào)幅度大約在十幾微伏到幾百毫伏A型超聲診斷儀的方框原理圖型超聲診斷儀的方框原理圖41M

23、型超聲診斷儀的方框原理圖型超聲診斷儀的方框原理圖同步激勵(lì)信號(hào)除雜波探頭放大檢波選通門(mén)脈寬調(diào)制輝度放大顯示器距離展開(kāi)/行掃描時(shí)間展開(kāi)/幀掃描XYZ 運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)表面與聲束的相對(duì)取向改變時(shí)，回波幅度要改變； 混合結(jié)構(gòu)要求增益補(bǔ)償曲線是變化的。10.4 超聲成像方法超聲成像方法4210.4 超聲成像方法超聲成像方法10.4.3 B型超聲型超聲 B超是目前超聲圖像診斷應(yīng)用最廣泛的機(jī)型，它得到的是臟器或病變的斷層圖像，并可以進(jìn)行實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)觀察。它還能與其它形式的超聲設(shè)備復(fù)合成更先進(jìn)的超聲診斷系統(tǒng)。其特點(diǎn)為：l 輝度調(diào)制型，光點(diǎn)的亮度由回波幅度線性控制。l Y軸表示檢測(cè)深度，自上而下的一串光點(diǎn)表示在各個(gè)深度界

24、面上的回波。l X軸偏轉(zhuǎn)板加掃描電壓，隨探頭的移動(dòng)同步變化。l B超的幀掃描需要和聲線的實(shí)際位置嚴(yán)格對(duì)應(yīng)，M型幀掃描與時(shí)間成線性關(guān)系的慢變化。4310.4 超聲成像方法超聲成像方法同步激勵(lì)信號(hào)檢波探頭放大視頻放大顯示器距離展開(kāi)方位展開(kāi)XYZTGC電子掃描B型超聲診斷儀的方框原理圖4410.4 超聲成像方法超聲成像方法 聲學(xué)反射式：換能器靜止不動(dòng)，用輕體的聲學(xué)反射鏡代替它振動(dòng)。n B超的掃描方式超的掃描方式l 機(jī)械掃描機(jī)械掃描 機(jī)械掃描由單個(gè)或多個(gè)換能器晶片進(jìn)行高速機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)或擺動(dòng)實(shí)現(xiàn)快速掃描。有三種類(lèi)型： 機(jī)械旋轉(zhuǎn)式：換能器安裝在旋轉(zhuǎn)輪上高速轉(zhuǎn)動(dòng)，徑向發(fā)射波束實(shí)現(xiàn)扇形掃描。輪周上的晶片數(shù)可以有2

25、，3，4片。 機(jī)械擺動(dòng)式：只需一個(gè)晶片和一個(gè)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。壓電晶片被固定在支點(diǎn)上，換能器繞著支點(diǎn)擺動(dòng)，使波束扇形傳播。4510.4 超聲成像方法超聲成像方法（a）機(jī)械旋轉(zhuǎn)式，（b）機(jī)械擺動(dòng)式，（c）聲學(xué)反射式4610.4 超聲成像方法超聲成像方法 電子線性掃描是以線陣式探頭為基礎(chǔ)，以電子開(kāi)關(guān)或全數(shù)字化系統(tǒng)控制陣元組順序發(fā)射來(lái)實(shí)現(xiàn)。陣元數(shù)已經(jīng)從早期的40、120發(fā)展到現(xiàn)在的256、400等。每次發(fā)射和接收聲波時(shí)，將若干陣元編為一組，由一組陣元產(chǎn)生一束掃描聲束，并接收信號(hào)，然后由下一組陣元發(fā)射下一束，并接收。電子線性電子線性掃描的幾種形式：掃描的幾種形式：l 電子線性掃描電子線性掃描 常規(guī)掃描：相鄰聲

26、束之間錯(cuò)開(kāi)一個(gè)陣元，掃描線數(shù)為M-N+1，M為陣元數(shù)，N為組陣元數(shù)； 隔行掃描：每個(gè)陣元組相差兩個(gè)陣元，先掃描奇數(shù)線，再掃描偶數(shù)線，錯(cuò)開(kāi)掃描聲束位置。掃描線數(shù)仍為M-N+1 ；4710.4 超聲成像方法超聲成像方法 飛越掃描：為進(jìn)一步降低前后掃描聲束間的干擾，將掃描聲束位置固定排列（128陣元：5，65，6，66，64，124）； 半間距掃描：為了提高橫向分辨率，可以采用半間距掃描方式，即第一條合成聲束用110號(hào)陣元發(fā)射，19號(hào)陣元接收，第二條用110號(hào)發(fā)射，210號(hào)接收；而在第三條合成聲束，用211號(hào)陣元發(fā)射，210號(hào)接收，第四條聲束用211號(hào)陣元發(fā)射，311號(hào)接收，依此類(lèi)推。這樣，掃描聲束

27、總數(shù)為2（M-N+1）。實(shí)際中，常將半間距掃描與飛越掃描結(jié)合使用。4810.4 超聲成像方法超聲成像方法 通過(guò)控制線陣探頭的激勵(lì)時(shí)序，使合成聲束方向改變。相控陣超聲診斷儀掃描聲束范圍一般在正負(fù)45度之間。同時(shí)激勵(lì)時(shí)，合成波陣面垂直于換能器表面。偏轉(zhuǎn)角，發(fā)射延遲時(shí)間以及陣元間距d的關(guān)系為：sindc（10-6）l 相控陣扇形掃描（電子扇形掃描）相控陣扇形掃描（電子扇形掃描）4910.4 超聲成像方法超聲成像方法5010.4 超聲成像方法超聲成像方法“相控”接收 相控陣探頭發(fā)出的超聲束遇到目標(biāo)產(chǎn)生的回波信號(hào)到達(dá)晶片的時(shí)間是有差異的，必須對(duì)各晶片接收回波進(jìn)行準(zhǔn)確地時(shí)差補(bǔ)償，才能獲得目標(biāo)空間位置地正確

28、信息。這也是稱之為“相控”接收的原因。1234567P+延遲相控接收原理示意圖5110.4 超聲成像方法超聲成像方法 指根據(jù)檢測(cè)組織的深度自動(dòng)調(diào)節(jié)探頭工作頻率，對(duì)較淺組織，使用高頻率，提高縱向分辨率，對(duì)較深組織，使用低頻率，提高超聲穿透能力。 l 動(dòng)態(tài)頻率掃描動(dòng)態(tài)頻率掃描 動(dòng)態(tài)頻率掃描器把各種單頻探頭集于一體，需要和可變帶通濾波器組合。5210.4 超聲成像方法超聲成像方法p 空間后處理，包括讀出電子放大和圖像翻轉(zhuǎn)。l 數(shù)字掃描變換器（數(shù)字掃描變換器（DSC） DSC的作用是將模擬圖像轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像，經(jīng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)處理后再轉(zhuǎn)換成模擬圖像顯示。其中，圖像后處理是B超圖像處理的重要部分，主要包括：p

29、像素亮度后處理，按給定灰階數(shù)進(jìn)行擴(kuò)展和壓縮。p 時(shí)間后處理，指利用數(shù)字濾波器對(duì)圖像做噪聲抑制，平滑和邊緣增強(qiáng)處理。p 圖像凍結(jié)，便于觀察和拍照令圖像在顯示屏幕上靜止不動(dòng)。p 掃描數(shù)據(jù)變換，可以將扇形掃描數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成線性掃描數(shù)據(jù)。5310.4 超聲成像方法超聲成像方法胎兒的超聲檢測(cè)B超圖像5410.4 超聲成像方法超聲成像方法 超聲多普勒技術(shù)是研究和應(yīng)用由運(yùn)動(dòng)物體反射或散射所產(chǎn)生的多普勒效應(yīng)的一種技術(shù)。它在醫(yī)學(xué)臨床診斷中用于心臟、血管、血流和胎兒心率的診斷。相應(yīng)的儀器有超聲血流測(cè)量?jī)x，超聲血管顯像儀等。10.4.4 超聲多普勒技術(shù)超聲多普勒技術(shù) 聲源和接收體作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，接收體在單位時(shí)間內(nèi)收到的振

30、動(dòng)次數(shù)（頻率），除聲源發(fā)出者外，還由于接收體向前運(yùn)動(dòng)而多接收到（距離/波長(zhǎng)）個(gè)振動(dòng)，即收到的頻率增加了；相反，聲源和接收體作背離運(yùn)動(dòng)時(shí)，接收體收到的頻率就減少，這種頻率增加和減少的現(xiàn)象稱為多普勒效應(yīng)。 多普勒效應(yīng)多普勒效應(yīng)5510.4 超聲成像方法超聲成像方法ir體表血管發(fā)射接收多普勒頻移測(cè)量原理5610.4 超聲成像方法超聲成像方法多普勒效應(yīng)的數(shù)學(xué)表示： 0(coscos)dirvffc （10-7）實(shí)際應(yīng)用中，一般采用 ，這樣，多普勒頻移為： 45oir02 cosdvffc （10-8） fd一定，f0越小，測(cè)量的流速越大。因此，為了測(cè)量高速血流，應(yīng)盡可能的選用低頻探頭。5710.4 超

31、聲成像方法超聲成像方法n 連續(xù)多普勒超聲測(cè)量?jī)x（連續(xù)多普勒超聲測(cè)量?jī)x（CWD） 連續(xù)波多普勒是最早出現(xiàn)的一種多普勒超聲技術(shù)，它只能觀察某些淺表組織結(jié)構(gòu)和動(dòng)脈血流。 連續(xù)式多普勒技術(shù)使用雙晶片探頭，一個(gè)連續(xù)發(fā)射脈沖波，另一個(gè)連續(xù)接收反射回聲。連續(xù)式多普勒有測(cè)量高速血流的能力，根據(jù)音頻信號(hào)和頻譜形態(tài)的變化可以指導(dǎo)探查方向。缺點(diǎn)是缺乏距離選通能力，無(wú)法確定聲束內(nèi)回聲信號(hào)的來(lái)源，不能進(jìn)行定位診斷。5810.4 超聲成像方法超聲成像方法n 脈沖多普勒超聲測(cè)量?jī)x（脈沖多普勒超聲測(cè)量?jī)x（PWD） 脈沖式多普勒技術(shù)具有距離選通功能，可以對(duì)沿超聲束不同深度的某一區(qū)域進(jìn)行定位檢測(cè)，增加了血流定位探測(cè)的準(zhǔn)確性。 脈沖多普勒血流儀用同一塊晶片完成發(fā)射和接收，脈沖重復(fù)頻率會(huì)限制所測(cè)血流速度的大小。 脈沖重復(fù)頻率必須大于多普勒頻移的兩倍，才能準(zhǔn)確顯示頻移的方向和大小。5910.4 超聲成像方法超聲成像方法如何根據(jù)多普勒頻譜提取有