超聲的基本概念

1、超聲的基本概念2011-03-0714:18:56|分類：超聲專業(yè)知識(shí)交流|標(biāo)簽：血流彩色流體彩超超聲波|字號(hào)大中小訂閱一、超聲波基本物理量：1、超聲波是聲源振動(dòng)的頻率大于20000Hz的機(jī)械波2、超聲波有三個(gè)基本物理量，即頻率（f）,波長(zhǎng)（,），聲速（c）,它們的關(guān)系是：c=f*或入=c/f傳播超聲波的媒介物質(zhì)叫做介質(zhì)，不同頻率的超聲波在相同介質(zhì)中傳播時(shí)，聲速基本相同。在人體軟組織中聲速為1540m/s。探測(cè)1cm深度目標(biāo)所需的時(shí)間約13.41S.3、相同頻率的超聲波在不同介質(zhì)中傳播，聲速不相同，人體軟組織中超聲波速度總體差異約為5%。利用超聲方法進(jìn)行測(cè)距的誤差也是5%左右。4、臨床常用的超

2、聲頻率在2MHz10MHz之間。二、超聲波的物理性能1、超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，遇到不同聲阻的分界面，會(huì)產(chǎn)生反射和折射。2、人體軟組織聲阻抗差異很小，但只要有1%。的聲阻抗差，就會(huì)產(chǎn)生反射回波，所以超聲波對(duì)軟組織分辨力很高。3、當(dāng)超聲波垂直于不同聲抗阻分界面入射時(shí)，可得到最佳的反射效果。4、當(dāng)分界面兩邊的聲速不同時(shí)，超聲波透入第二種介質(zhì)后，其傳播方向?qū)l(fā)生改變一即產(chǎn)生折射。5、超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，有聲能占據(jù)的空間，叫做聲場(chǎng)。6、多振子探頭的聲場(chǎng)分布呈花瓣”狀，其主瓣”越細(xì)（窄）越好，而副瓣”在聲束掃描時(shí)將產(chǎn)生偽象。聲束處理技術(shù)之一就是消除副瓣”，突出瓣7、超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，隨著距離增加，聲

3、能將隨之減弱，這就是衰減。8、為了使深度回聲信息清楚，在診斷中要使用STC（TGC）調(diào)節(jié)，補(bǔ)償聲能的衰減。衰減用IX=I0e-2.來描述。IX是距離聲源X點(diǎn)的聲強(qiáng)，X是距離聲源的距離。I0是X=0處的聲強(qiáng)“為衰減的系數(shù)e為自然對(duì)數(shù)之底，e=2.71聲強(qiáng)或聲壓的衰減吸收以分貝（dB）作單位，組織的衰減系數(shù)用dB/cm表示。在人體組織中衰減程度一般規(guī)律是：骨組織肝組織血液。若進(jìn)一步細(xì)分：骨（或鈣化）肌腱（或軟骨）肝（或腎）脂肪血液尿液（或膽汁）。組織中含膠原蛋白和鈣質(zhì)越多，聲衰減越大，液體內(nèi)含蛋白成分的聲衰減大。紅細(xì)胞的直徑比超聲波要小得多，紅細(xì)胞是一種散射體，其反（后）向散射信息是研究、分析紅細(xì)

4、胞運(yùn)動(dòng)規(guī)律的極有用的信息，聲束內(nèi)紅細(xì)胞數(shù)量越多，后向散射強(qiáng)度就越大。、超聲多普勒效應(yīng)1、當(dāng)聲源與反射界面（或散射體）作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于超聲波在一定介質(zhì)中傳播的速度是恒定的，故可看作超聲的波長(zhǎng)被壓縮或擴(kuò)展。波長(zhǎng)的變化必將伴隨著頻率的移動(dòng)（改變），它仍需滿足C=f*入的關(guān)系，這種現(xiàn)象稱之為多普勒效應(yīng)。四、超聲波分辨力，穿透力1、分辨力指能在熒光屏上被分別顯示為兩個(gè)點(diǎn)的最小間距的能力，一般可分為軸（縱）向和側(cè)（橫）向兩種。2、軸向分辨力系指聲束方向，能被分辯前后兩點(diǎn)間的最小間距，它與超聲波的頻率有關(guān)，頻率越高，波長(zhǎng)越短，則軸向分辨越好。3、側(cè)向分辨力系指與聲束相垂直的面上，能被分辨兩點(diǎn)的最小間距，它

5、與超聲束的寬窄有關(guān)。聲束越窄（細(xì)），其側(cè)向分辨越好。4、穿透力是指超聲在介質(zhì)中傳播能到達(dá)最大深度的能力，它與聲衰減系數(shù)有關(guān)，并與頻率成正比，用dB/cm/MHz表示，所以頻率高的超聲波在人體中衰減也越大。超聲生物效應(yīng)一、超聲聲強(qiáng)概念：對(duì)超聲診斷設(shè)備的超聲輻射，針對(duì)人體不同部位，規(guī)定了限定值，人體不同部位超聲強(qiáng)度的限定值FDA（美國(guó)食品藥品局）規(guī)定Isppa：空間峰值脈沖平均聲強(qiáng)Ispta:空間峰值時(shí)間平均聲強(qiáng)Im：最大聲強(qiáng)度Iob:真實(shí)聲束聲強(qiáng)國(guó)際電工委員會(huì)：IEC1157-92規(guī)定Iob<20mw/cm2胎兒Ispta<100mw/cm2我國(guó)的計(jì)量檢定規(guī)程規(guī)定，超聲診斷設(shè)備的輸出

6、聲強(qiáng)<100mw/cm2超出這些規(guī)定值應(yīng)公布其聲強(qiáng)軍出，超聲強(qiáng)度超出規(guī)定，將造成若干生物效應(yīng)，如：育齡婦女早熟排卵，受孕率下降，胎兒體重減輕，產(chǎn)后兒童發(fā)育遲緩等。二、超聲對(duì)生物體影響的作用原理1、空化作用：在液體中產(chǎn)生強(qiáng)超聲時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一種類似霧狀的氣泡，就如輪船推進(jìn)器在產(chǎn)生推動(dòng)力的同時(shí)會(huì)濺出氣泡那樣，這就是空化作用。生物組織由于超聲空化作用而產(chǎn)生不能復(fù)原的破壞性形變，以至使細(xì)胞壞死和整個(gè)生物組織壞死。2、熱作用：生物組織在超聲機(jī)械能作用下，由于沾滯吸收，將一部分超聲能轉(zhuǎn)化為熱能，使生物組織的溫度上升。3、超聲的生物作用：超聲對(duì)組織器官的影響：在強(qiáng)超聲作用下，將使坐骨神經(jīng)、脊髓、淋巴細(xì)胞、

7、肝組織損傷。超聲對(duì)細(xì)胞的影響：超聲診斷聲強(qiáng)較強(qiáng)時(shí)對(duì)子宮癌HELA細(xì)胞，人羊膜的FK細(xì)胞，三個(gè)月胎兒腦組織的胎生纖維細(xì)胞有影響。超聲對(duì)染色體的影響：超聲診斷聲強(qiáng)較強(qiáng)時(shí)，對(duì)白細(xì)胞、淋巴、成纖維細(xì)胞有影響超聲對(duì)精子的影響：強(qiáng)超聲對(duì)精子活動(dòng)力及受精卵易發(fā)生危害。三、超聲診斷的安全因素：超聲劑量（聲強(qiáng)）的限定值Ispta<100mw/cm2超聲照射時(shí)間：通常一次超聲10-20分鐘超聲波形的形態(tài)：脈沖占空比為0.001,1嘲發(fā)射，1ms接受。彩色多普勒第一節(jié)多普勒基本概念1、多普勒超聲血流檢測(cè)技術(shù)主要用于測(cè)量血流速度，確定血流方向，確定血流種類：如，層流、射流等；獲得速度、時(shí)間積分，壓差等有關(guān)血流的

8、參數(shù)。2、多普勒方式表達(dá)血流速度的公式如下：COSQ是血流與聲束夾角的余弦函數(shù)，當(dāng)相對(duì)固定時(shí)，則fd與流速成正比，fd即影響流速值V。當(dāng)多普勒入射角（Q）恒定時(shí)，頻移fd僅決定于發(fā)射頻率foo對(duì)于某一定的fd,fo越小，則可測(cè)白血流速度V就越大。欲測(cè)高速血流，fo就應(yīng)選擇低頻率的探頭。當(dāng)血流速度保持恒定時(shí)，如：100cm/s（以及恒定的fo和C）,那影響fd的參數(shù)只有COSQ,即頻移的數(shù)值依賴于入射角的變化，而速度的數(shù)值與入射角無關(guān)。Q角改變的一般規(guī)律：a）當(dāng)OO<Q<900時(shí)，COSQ為正值，即血流迎超聲探頭而來，頻率增加，fd為正向頻移。b）當(dāng)900<Q<1800時(shí)

9、，COSQ為負(fù)值，即血流背離超聲探頭而去，頻衰減低，fd為負(fù)向頻移。c）當(dāng)時(shí)Q=0或Q=1800時(shí)，COSQ=±1,即血流與聲束在同一線上相向或背向運(yùn)動(dòng)，這時(shí)fd最大。d）當(dāng)時(shí)Q=900,COSQ=0時(shí)，即血流方向與聲束垂直，此時(shí)fd=0,檢不出多普勒頻移。3、三種多普勒方式（1）連續(xù)波多普勒（CW）采用兩種超聲換能器，一個(gè)發(fā)射恒定的超聲波，另一個(gè)換能器恒定地接收其反射波（或后向散射波），沿聲束出現(xiàn)的血流和組織運(yùn)動(dòng)多普勒頻移全部被接受，分析，顯示出來。CW不能提供距離信息，即不具有距離選通性，不受深度限制，能測(cè)深部血流，無折返現(xiàn)象，可測(cè)高速血流。連續(xù)波多普勒在取樣線上有符號(hào)標(biāo)記，其符

10、號(hào)僅表示波束發(fā)射聲束與接受聲束的焦點(diǎn)，或聲束與血流的焦點(diǎn)。（2）脈沖波多普勒（PW）、采用單個(gè)換能器，在很短的脈沖期發(fā)射超聲波，而在脈沖間期內(nèi)有一個(gè)“可聽期脈沖多普勒具有距離選通能力，可設(shè)定取樣容積的尺寸，并調(diào)節(jié)其深度、位置，利用發(fā)射與反射的間歇接受頻移信號(hào)，測(cè)值相對(duì)準(zhǔn)確，但檢查深部及高速血流受到限制。并受脈沖重復(fù)頻率-PRF的影響，PRF越高，測(cè)量血流速度也越高。多普勒頻譜技術(shù)的分析基礎(chǔ)是快速富里葉變換-FFT。(3)高重復(fù)頻率脈沖多普勒-HPRF是在脈沖多普勒基礎(chǔ)上改進(jìn)，探頭在發(fā)射一組超聲脈沖波之后，不等采樣部位的回聲信號(hào)反回探頭又發(fā)射出新的超聲脈沖群，這樣在一組聲束方向上，若有一組超聲脈

11、沖向心腔內(nèi)發(fā)射，第二組超聲發(fā)射后，探頭接受的實(shí)際上是來自第一組超聲脈沖的回聲，依次類推，相當(dāng)于PRF加倍，頻移也就增加一倍，擴(kuò)大了血流速度測(cè)量范圍。第二節(jié)彩色血流顯像一、彩超發(fā)展歷史與臨床應(yīng)用1、1983年11月Aloka公司在世界范圍內(nèi)首次推出適用于臨床的彩超SSD-880,從此彩色血流顯像技術(shù)實(shí)用化、商品化，這是彩色多普勒血流顯像技術(shù)發(fā)展的起始階段一一首臺(tái)彩色顯像裝置問世。2、1989年以后彩色多普勒血流顯像儀在技術(shù)上，功能上都有了很大的突破，多數(shù)都可達(dá)到全身性應(yīng)用檢查，他們的設(shè)計(jì)原理大致相同，基本上都屬檢測(cè)多普勒頻移的范圍。這是彩超技術(shù)發(fā)展的第二階段一一改進(jìn)和提高階段，在這段時(shí)間，彩超的

12、臨床應(yīng)用得到很大的發(fā)展，成為超聲醫(yī)學(xué)的重要階段一一彩色多普勒時(shí)代。3、1990年以來，重要特征是以數(shù)字化技術(shù)為代表，采用了許多與傳統(tǒng)方式不同的信息檢測(cè)及波束形成技術(shù)，使彩超的性能有新的突破，圖像質(zhì)量有很大的提高。這是彩超發(fā)展的第三階段一一由模擬數(shù)字混合處理到全數(shù)字化處理的發(fā)展階段一一即步入數(shù)字化時(shí)4、1996年后形成具有綜合圖像形成及處理功能的全數(shù)字一體化工作站的彩色血流現(xiàn)顯設(shè)備。它不僅有極佳的圖像質(zhì)量，同時(shí)有極強(qiáng)的處理功能，并向三維立體顯像方向發(fā)展。這就是今日彩超”的新面貌。彩超”的發(fā)展已進(jìn)入第四階段一一全數(shù)字化多功能信息化時(shí)代。二、彩色血流顯像原理1、彩色多普勒是使用一種運(yùn)動(dòng)目標(biāo)顯示器一M

13、TI法，檢測(cè)血細(xì)胞的動(dòng)態(tài)信息，并根據(jù)血細(xì)胞的運(yùn)動(dòng)方向、速度、分散情況，調(diào)配紅、藍(lán)、綠三基色，變化其顏色亮度，疊加在二維灰階圖像上的彩色血流圖。MTI是彩色血流顯像核心技術(shù)之一MTI的濾波特性好壞與彩色顯像質(zhì)量直接相關(guān)。從接受到的回聲中，只分離出血流信號(hào)成分，而濾去非血流信息(心室壁，瓣膜)。當(dāng)用于TDI時(shí)，作用正相反。2、自相關(guān)技術(shù)也是彩超的重要技術(shù)之一。它用于分析血流信號(hào)相位差，并將兩個(gè)相鄰的回聲進(jìn)行復(fù)數(shù)相乘，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算。多普勒信號(hào)屬于隨機(jī)信號(hào)。隨機(jī)信號(hào)不服從確定的規(guī)律，即便觀察條件相同，各次察結(jié)果也不一樣，根據(jù)過去已得知識(shí)不能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)其未來。這種信號(hào)的特征只能通過統(tǒng)計(jì)

14、結(jié)果來描述。如對(duì)同一位置的采樣線上的某一相同采樣容積所獲得的多普勒信息，必須用一些統(tǒng)計(jì)量來描述它在不同時(shí)刻的特征的總的結(jié)果，即不同時(shí)刻信號(hào)取值的相互關(guān)系，這就是自相關(guān)函數(shù)。一般用均值，均方，方差和功率譜表征。為了形成二維彩色血流圖，保證顯像質(zhì)量，每幀圖像應(yīng)有32條采樣線，每條采樣線有256個(gè)采樣點(diǎn)或64條采樣線，每條線上128個(gè)采樣點(diǎn)。3、血流分散分散是表示血流的紊亂情況(顯示紅細(xì)胞速度，方向的分散情況)，當(dāng)血流為層流時(shí)，紅細(xì)胞以基本的恒定速度朝大致一樣的方向移動(dòng)，當(dāng)血流處于亂流狀態(tài)時(shí)，紅細(xì)胞的移動(dòng)速度，方向皆不相同，這就有必要顯示分散”，它正好對(duì)應(yīng)于頻譜多普勒的頻帶寬度。頻帶窄=分散范圍小，

15、頻帶寬=分散范圍大4、彩色顯示經(jīng)過MTI濾波器后測(cè)出的紅細(xì)胞運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)信息，有方向、速度、分散三個(gè)因素組成(1)彩色血流的特點(diǎn)是：出現(xiàn)血流紊流時(shí)，以紅藍(lán)混合色表示當(dāng)高速血流超過最大顯示頻率范圍時(shí)，(尼奎斯特頻率極限)將出現(xiàn)與PW頻譜同樣的折返現(xiàn)象。折返現(xiàn)象表現(xiàn)為幾種色彩的套疊，如同熾光的光焰色。(2)二維彩色血流圖每幀采樣點(diǎn)可達(dá)到64X256或32X512個(gè)，采樣點(diǎn)多，能提高信噪比及敏感度，(3)彩色顯像的角度范圍一般從300-900選擇，角度大則成像速度降低，幀頻下降；檢查血流的深度與彩色顯像幀速度也有關(guān)，增加深度將減少幀數(shù)。所以彩色血流顯像的幀速率與采樣點(diǎn)數(shù)，角度大小，探測(cè)深度是相互制約的

16、。在實(shí)際臨床應(yīng)用時(shí)注意到這點(diǎn)是必要的。當(dāng)其相互間的矛盾解決得越好，這說明該彩超設(shè)備的技術(shù)水平越高，而彩色血流顯像必須要保證一定的幀速度率，最低可視幀頻不能少于10-12幀/秒。(4)在常規(guī)的PAL,NTSC制式的監(jiān)視器顯示中，必須和電視同步掃描，超聲顯示的幀數(shù)必須是50的約數(shù)，否則即為非同步掃描，將造成不穩(wěn)定。5、彩色顯像的局限性：彩色顯像與PW同樣，存在類似的問題，顯示深度受脈沖頻率影響，減少脈沖頻率最大速度又受影響，增加角度，每秒的成像速度也受6、小結(jié)：(1)彩色血流顯像的基本構(gòu)成及工作流程應(yīng)包括：由探頭獲取多普勒信息，經(jīng)正交檢波器，低通濾波，A/D轉(zhuǎn)換，并將A/D轉(zhuǎn)換后形成的數(shù)字信號(hào)輸入

17、到自相關(guān)器，計(jì)算出平均多普勒速度，血流分散和平均功率后而得到血流速度，方向和湍流的有關(guān)數(shù)據(jù)，進(jìn)行彩色編碼，并作彩色處理。(2)在一定角度范圍內(nèi)形成若干條采樣線，每條線上設(shè)置若干采樣點(diǎn)，形成二維的彩色血流圖后再與二維灰階圖像疊加，構(gòu)成一幅完整的彩色多普勒血流圖。（3）彩超儀器有多種專門顯示血流的彩色標(biāo)尺（ColerBar或Colermap）,常用的有速度、方差、功率方式。（4）彩色血流顯像可表示血流的存在，血流速度和方向及血流性質(zhì)等，屬于間接轉(zhuǎn)換的二維顯示方式。（5）彩色多普勒能量圖（CDE）,不受聲束與血流夾角的影響，不存在折返現(xiàn)象，它與血流中紅細(xì)胞的濃度（數(shù)量）有關(guān)，對(duì)于低速血流靈敏度高，可

18、更理想地顯示血流的空間分布。CDE不能表達(dá)血流的速度和方向。第三節(jié)彩超、偽彩一、彩色基礎(chǔ)1、在圖像處理中應(yīng)用彩色是由于人的眼睛能分辨幾千種彩色色調(diào)和強(qiáng)度。而人眼對(duì)灰度只有十幾到二十級(jí)的分辨能力。2、我們從一個(gè)物體上察覺的顏色基本上決定于物體反射的性質(zhì)。所有可見光都平衡反射時(shí)，則觀察物體呈白色，若觀察物體呈某種顏色，則該顏色的波長(zhǎng)光波被反射。3、各種彩色是不同波長(zhǎng)的光混合的結(jié)果。紅色、綠色、蘭色為三種基本顏色，即三基色?；B加后構(gòu)成二次色，如品紅色（紅加蘭），青色（綠加蘭），和黃色（紅加綠）。彩色電視接收機(jī)就是彩色光相加性質(zhì)的一個(gè)例子。二、彩超一彩色多普勒血流顯像一CDFI實(shí)時(shí)彩色顯示血流方向

19、，血流速度，血流分散；在血流接近超聲波束時(shí)（近”流）用紅色表示血流方向；在血流遠(yuǎn)離超聲束時(shí)（選”流），用蘭色表示血流方向；多普勒頻移的大小（流速）用不同強(qiáng)度的顏色色調(diào)表示；多普勒頻移分散（湍流）用綠顏色與紅、蘭混合色表示。當(dāng)血流速度增快，流量大，彩色多普勒成像的敏感度也提高。三、偽彩一灰階到彩色變換對(duì)二維灰階圖像進(jìn)行彩色編碼處理，用于彩色增強(qiáng)一即偽彩，可以提高圖像的分辨力，豐富影象層次，增加實(shí)感，提高B型超聲對(duì)病理組織變化的可視度。所以彩超”主要對(duì)血流，偽彩”主要對(duì)灰階圖像，即把不同等級(jí)的灰度變換為某種顏色一灰階到彩色變換。兩者是不同的概念，應(yīng)用領(lǐng)域亦不同，所以彩超與偽彩完全不同。目前眾多彩色血流顯像儀均帶有以灰階為基礎(chǔ)的“冊(cè)，其作用是增強(qiáng)顯示圖像的邊界分辨力。第四節(jié)血流動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)一、基本概念1、穩(wěn)流：流體元素以恒定的速度和方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，這種流動(dòng)稱為穩(wěn)定流一一穩(wěn)流。在穩(wěn)流中，流體元素的速度被認(rèn)定為在時(shí)間&nbsp;t通過的距離s即：s/t在人體血流中，靜脈血流和毛細(xì)血管內(nèi)的的血流可看成穩(wěn)定流動(dòng)。當(dāng)流體元素內(nèi)任何一點(diǎn)的速度大小和方向均隨時(shí)間而變化時(shí)，這種流動(dòng)稱為非穩(wěn)定流動(dòng)，在人體內(nèi)，動(dòng)脈血流顯現(xiàn)脈