第五章 B型超聲系統(tǒng)-第三次_圖文

1、第五章B型超聲系統(tǒng) B型超聲診斷儀器簡稱B超,屬于是亮度調(diào)制(Brightness Modulation型成像。B超是用平面圖形的形式來顯示被探查組織的具體情況。B超得到的是臟器或病變的斷層圖像,并可以實時動態(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)。 工作原理:利用某種方法將換能器很快地在一個平面中沿某直線移動,在移動的過程中,換能器在不同的位置上發(fā)射超聲脈沖,并接收相應(yīng)的回波信號。用回波信號的幅度調(diào)制顯示器的灰度,并按掃描線逐行顯示隨深度變化的回波信號,從而構(gòu)成一幅斷面的圖像。B型與A型相比 相同:發(fā)射和接收通道與A型完全相同,兩者的工作原理基本上是相同的。不同: 顯示方

2、式。A超用幅度調(diào)制顯示,X代表超聲波的傳播時間,相當(dāng)于深度探測,Y軸代表回波信號幅度;B超X軸為探頭位置,Y 軸為深度探測。B型與M型相比 相同:都采用亮度調(diào)制顯示方式,回波信號在放大后施加在CRT顯示器的電子槍上,不同幅度的回波信號在顯示器上顯示成不同亮度的光點,回聲越強(qiáng)光點越亮;兩者Y軸為探測深度,表示反射界面的深度信息。不同:是探頭工作方式,M型的超聲換能器固定,而B超的超聲換能器移動掃描探測。 B超的掃描方式 B超的掃描形式按其提出的時間順序先后包括:手動掃描、機(jī)械掃描、線性電子掃描、相控陣電子掃描和頻率掃描。手動掃描和機(jī)械掃描是指探頭或聲束的移動是靠手動操作或機(jī)械控制的,其掃描速度較

3、慢,實時成像困難。隨著電子技術(shù)的發(fā)展,在線陣式和面陣式探頭研制成功后,電子掃描技術(shù)得到廣泛應(yīng)用,掃描速度大大增加,實時成像成為現(xiàn)實。手動掃描 手持式B超通過對人體不同位置的手動掃描,或者在同一位置進(jìn)行的旋轉(zhuǎn)掃描實現(xiàn)對人體組織成像。缺點:成像速度慢,難以用于探查心臟等部位的動態(tài)變化,圖像質(zhì)量依賴操作者完成同步掃描的技巧。目前,手動掃描超聲成像系統(tǒng)基本被淘汰,但其基本掃描原理仍是發(fā)展起來的的多種掃描方式的基礎(chǔ)。機(jī)械掃描 機(jī)械掃描:它由單個或多個換能器晶片進(jìn)行高速機(jī)械轉(zhuǎn)動或擺動實現(xiàn)快速掃描。按聲束的形狀可分為線性聲束掃描和扇形聲束掃描。其中扇形掃描成像技術(shù)尤為適合掃查心臟。這是因為掃描聲束經(jīng)肋骨間的

4、窄小空間進(jìn)入胸腔后,呈扇形對心臟進(jìn)行大范圍掃查,避免了線性聲束經(jīng)肋骨強(qiáng)反射難以到達(dá)心臟的缺點。線性電子掃描 它以陣列式探頭為基礎(chǔ),通過了電子線路控制陣元組的發(fā)射順序,利用聲場中聲的疊加來實現(xiàn)聲束掃描,線性電子掃描采用線陣列換能器,陣列中的陣元數(shù)從早期的40個、120個發(fā)展到現(xiàn)在的256個,400個。在發(fā)射和接收聲波時,將若干個陣元編為一組,由該組陣元發(fā)射一束聲波,隨后接收回波信號,再由下一組陣元發(fā)射下一束聲波后再接收回波信號。 相控電子掃描 它在電子線路的控制下,使得線陣換能器陣元發(fā)射時有一定的位相延遲,使合成聲束的軸線與線陣平面中心線有一夾角,隨夾角的變化可實現(xiàn)扇形掃描。 掃描時如果陣列中各

5、陣元同時被激勵,則各陣元發(fā)出的子波合成的波束主瓣垂直于換能器表面;若相鄰陣元被同一激勵源激勵時依次存在一個固定時間差,或相鄰陣元被一個相位差相同的激勵源激勵,則相鄰陣元產(chǎn)生的聲脈沖也存在相同的時間延遲或固定相位差,這時各陣元發(fā)出的子波合成波束的主瓣將偏離垂直方向,與換能器的表面法線形成一個角度。 動態(tài)頻率掃描 動態(tài)掃描技術(shù)可以使得超聲儀在不更換探頭的情況下,實現(xiàn)對淺表組織的探測自動采用高工作頻率,并隨組織深度的增加工作頻率自動下降,同時兼顧了圖像的分辨能力和探查深度兩個指標(biāo)。探頭 線陣探頭機(jī)械扇掃探頭 凸陣探頭電子相控陣探頭 探頭類型線陣型扇型凸弧型超聲掃查方式示意圖 凸弧型B超切面凸弧型探頭

6、掃查 扇型探頭B超切面扇型探頭掃查 線陣型探頭掃查 線陣型B超切面B超成像系統(tǒng)中關(guān)鍵技術(shù) 診斷有效性取決于圖像的質(zhì)量,本節(jié)圍繞提高超聲圖像的質(zhì)量問題介紹超聲成像系統(tǒng)中采用的若干關(guān)鍵技術(shù)。超聲成像過程中,要涉及到超聲換能器及相應(yīng)的發(fā)射與接收電路、圖像的變換、處理及顯示等環(huán)節(jié)。 體積的寬度將決定系統(tǒng)的側(cè)向分辨力。II是換能器表面的聲強(qiáng),arcsin(0.61/a =近場內(nèi)的聲束大致是圓柱狀,在遠(yuǎn)場聲束將發(fā)散。換能器直徑愈大或工作頻率愈高則近場區(qū)的長度愈大,同時,遠(yuǎn)場區(qū)發(fā)散的程度愈小。反之,則有近場區(qū)長度變短,伴之出現(xiàn)較大的聲束發(fā)散。2max a z =超聲場特性 超聲在介質(zhì)內(nèi)傳播的過程中,明顯受到

7、超聲振動影響的區(qū)域稱超聲場。超聲場具有以下特點:如果超聲換能器的直徑明顯大于超聲波波長,則所發(fā)射的超聲波能量集中成束狀向前傳播,這現(xiàn)象稱為超聲的束射性(或稱指向性。換能器近側(cè)的超聲波束寬度與聲源直徑相近似,該區(qū)域稱近場區(qū)。近場區(qū)內(nèi)聲強(qiáng)分布不均勻。近場區(qū)以外的聲波以某一角度擴(kuò)散稱遠(yuǎn)場區(qū)。該區(qū)聲波近似球面向外擴(kuò)散,聲強(qiáng)分布均勻,但逐漸減弱,換能器的頻率愈高,直徑愈大,則超聲束的指向性越好、其能量越集中。 聲透鏡可以實現(xiàn)聲聚焦,聲束變細(xì),系統(tǒng)的側(cè)向分辨力明顯提高。主要問題是焦距不可變,聚焦范圍較小。 電子聚焦方式可以人為改變聚焦深度。只要改變延遲時間就能改變焦距的長度。適當(dāng)設(shè)置延遲線的延遲時間,就能

8、獲得指定深度處的信息。由于回波信號由近至遠(yuǎn)陸續(xù)到達(dá)換能器,因此在整個接收過程中不斷調(diào)整延遲線的設(shè)置已獲得全程聚焦的效果,稱之為“動態(tài)聚焦”。 小孔徑換能器在近場的聲束較細(xì),但在遠(yuǎn)場聲束發(fā)散嚴(yán)重,而大孔徑換能器雖然在近場的聲束較粗,但遠(yuǎn)場的發(fā)散較小。因此,在探查較淺部位時采用小孔徑,深部檢查采用大孔徑,稱之為動態(tài)孔徑。 環(huán)陣探頭由若干個環(huán)形陣元構(gòu)成,每個陣元都配有延遲線,能實現(xiàn)全程聚焦(二維聚焦,有助于改善圖像質(zhì)量。 全數(shù)字化超聲診斷儀具有圖像質(zhì)量好、系統(tǒng)可靠、易于升級換代等優(yōu)點。圖像分辨力 空間分辨力:儀器所能分辨的兩個病灶的最小距離,空間分辨力愈高就愈有可能區(qū)分細(xì)小的病灶。空間分辨力又分為縱

9、向空間分辨力和橫向空間分辨力。時間分辨力:每兩幀圖像之間的時間間隔。時間間隔短,則對應(yīng)較高的幀頻,系統(tǒng)具有較好的動態(tài)特性。在觀察心臟活動及檢測血流速度時很重要?？v向分辨力:又稱軸向分辨力或距離分辨力,表示在聲束 橫向分辨力:表示系統(tǒng)分辨與聲束軸線垂直的橫向平面兩個點的能力。它與聲束直徑或?qū)捳嘘P(guān),聲束直徑越細(xì),橫向分辨力越高,圖像越細(xì)膩,小結(jié)構(gòu)能顯示更加清晰。 當(dāng)超聲束直徑小于平面上兩個點間的距離時,才能把兩點分開,否則當(dāng)超聲束的直徑大于兩點間的距離時兩點的回波不能被區(qū)分,只能作為一個點。因此,橫向空間分辨力常用能區(qū)分兩點的最小距離來衡量。超聲圖像典型橫向分辨力為2mm-5mm,一般來說,縱向

10、分辨力總是優(yōu)于橫向分辨力。在超聲場的近場處,超聲束寬度與探頭晶片的直徑大 提高超聲波的工作頻率有助于改善橫向分辨力,同樣提高超聲波的工作頻率也有助于改善縱向分辨率,可見增加超聲波工作頻率對改善空間分辨力是有利的。影響橫向分辨力的主要因素包括探頭尺寸、形狀、發(fā)射頻率、聚集選擇等,另外一個與橫向分辨力有關(guān)的因素是實時圖像顯示中每幀圖像掃描線的數(shù)目,這主要由脈沖重復(fù)頻率決定。 對比度分辨力:區(qū)分不同的回波強(qiáng)度的能力。改善對比度分辨力重要措施是抑制超聲束的旁瓣。全數(shù)字化在完成高精度波束形成的同時對回波信號作不同的加權(quán)處理,從而使系統(tǒng)獲得較高的對比度分辨力。 數(shù)字掃描變換器:變換包括掃描格式的變換,還包

11、括掃描速度的變換。DSC主要由圖像存儲器及相應(yīng)的坐標(biāo)變換電路組成。位于信號接收電路與TV監(jiān)視器之間。 B超的扇形掃描方式是令超聲探頭以一點為圓心,向外呈扇面狀地發(fā)射脈沖和接收回波信號,這種掃描方式是極坐標(biāo)形式的。信號采樣點與顯示像素的位置不一一對應(yīng),相鄰扇形掃描線間還有很多空缺的顯示像素有待填充,在遠(yuǎn)場更明顯,DSC設(shè)計要解決的兩個主要問題是坐標(biāo)變換和數(shù)據(jù)插補(bǔ)。 大圖像存儲器方案直觀。坐標(biāo)變換電路完成從極坐標(biāo)到直角坐標(biāo)的變換,回波數(shù)據(jù)按照給出的地址寫入一個與顯示像素一一對應(yīng)的圖像存儲器中,然后在視頻同步信號的控制下逐行讀取圖像存儲器,將數(shù)據(jù)送監(jiān)視器顯示(經(jīng)過一個插補(bǔ)電路。缺點:占用存儲容量大,

12、靈活性差,一旦圖像凍結(jié)后,就不易再將顯示圖像作移動和放大縮小等,插補(bǔ)電路也難實現(xiàn)高精度的二維平面插補(bǔ)。 小圖像存儲器方案中,存儲器保存的是最原始的極坐標(biāo)形式的數(shù)據(jù),其容量一般只有128*512個單元。在光柵掃描過程中,監(jiān)視器上每個顯示像素的灰度可以根據(jù)此像素的(x,y坐標(biāo)通過坐標(biāo)變換電路找到相應(yīng)的極坐標(biāo),然后從圖像存儲器的相應(yīng)位置上讀出數(shù)據(jù)并顯示(經(jīng)過插補(bǔ)電路。這種小圖像存儲器方案所需的存儲器容量一般只是大圖像存儲器方案的1/4,而且由于它保留了全部原始回波數(shù)據(jù),使得數(shù)據(jù)插補(bǔ)環(huán)節(jié)能獲得較高的精度,操作的靈活性也較大。數(shù)據(jù)插補(bǔ) 未經(jīng)插補(bǔ)而直接顯示的圖像在掃查線間有較大的間隙,使得圖像不均勻、不連

13、續(xù),圖像質(zhì)量欠佳。插值方案:一維水平插補(bǔ)二維平面插補(bǔ)圓插補(bǔ) 一維水平插補(bǔ)是在顯示前對圖像存儲器按水平讀出,對兩采樣值間的空缺作插補(bǔ)運算。一維插補(bǔ)運算簡單,但由于沿水平方向上兩個采樣數(shù)據(jù)在遠(yuǎn)場與近場的間隔不一樣,因此在插補(bǔ)前須先判斷插補(bǔ)點數(shù)N,增加了問題的復(fù)雜性,且簡單的一維插補(bǔ)會造成圖像的失真。 對于二維圖像,更好的插補(bǔ)方法是平面二維插補(bǔ),扇面中的二維插補(bǔ)運算可以分別由模方向與角度方向兩次一維線性插補(bǔ)來完成。二維插補(bǔ)運算比較嚴(yán)格,是目前實用算法中最好的方法,但運算過程繁瑣,在實時成像系統(tǒng)中實現(xiàn)有一定難度,一般適用于高檔DSC系統(tǒng)。 對于扇形掃描B超,沿模方向的采樣數(shù)據(jù)點比較密集,沿圓弧方向上采樣數(shù)據(jù)間存在較大間距,特別是在遠(yuǎn)場。因此,可以放棄模方向上的數(shù)據(jù)插補(bǔ),只進(jìn)行圓弧方向(或稱角度方向上的插補(bǔ),即圓插補(bǔ)。圓插補(bǔ)避免了一維水平插補(bǔ)造成的圖像橫向失真,也避免了二維插補(bǔ)的復(fù)雜運算,以一維插補(bǔ)的運算量,獲得了近似二維的插補(bǔ)效果。超聲成像系統(tǒng)的評價 圖像質(zhì)量評定參數(shù):1、細(xì)微分辨率:清晰地區(qū)分細(xì)微組織的能力2、對比分辨率:有兩層含義-一是指有明亮反射物存在的情況下,鑒別弱回聲組織的能力;二是分辨回聲相接近的相鄰組織的能力。3、全場均勻性:在整個顯示范圍內(nèi)都能提供較好的細(xì)微分辨率與對比分辨率