成像理論課件

1、第二節(jié) 超聲探測(cè)的物理基礎(chǔ)一、超聲的發(fā)射與接收產(chǎn)生超聲波的具體方法很多，在醫(yī)學(xué)超聲診斷中大多采用壓電晶片的超聲換能方法來(lái)產(chǎn)生超聲波（一）壓電效應(yīng)1880年法國(guó)物理學(xué)家居里兄弟發(fā)現(xiàn)。壓電效應(yīng)（piezoelectric effect）：機(jī)械能與電能相互轉(zhuǎn)換的物理現(xiàn)象。 具有壓電效應(yīng)的晶體稱壓電晶體，亦稱換能器（transducer）。正壓電效應(yīng)：對(duì)晶體兩端施加壓力或拉力時(shí)，晶體的兩側(cè)表面會(huì)出現(xiàn)異名電荷產(chǎn)生電場(chǎng)分布效應(yīng)。逆壓電效應(yīng)：當(dāng)晶體的兩端施加一交變電場(chǎng)時(shí)，晶體厚度有所改變，即晶體沿著電軸方向出現(xiàn)壓縮或拉伸壓電晶體：自然生長(zhǎng)的單晶體（石英、電氣石）；人工培養(yǎng)的單晶體（硫酸鋰、鈮酸鋰、酒石酸鉀鈉

2、）圖8-10表示SiO2結(jié)晶形成的石英晶體的壓電效應(yīng)原理。圖8-10a表示晶體在無(wú)外力時(shí)，兩側(cè)不帶電荷圖8-10b所示，當(dāng)晶體受到一定外力壓縮作用時(shí)，硅離子和氧原子間的相對(duì)位置發(fā)生變化，這種離子間相對(duì)位置的改變使分子間的電場(chǎng)發(fā)生不平衡，在晶體的上面出現(xiàn)負(fù)電荷，晶體下面出現(xiàn)正電荷，這就產(chǎn)生了正壓電效應(yīng)超聲儀器中廣泛應(yīng)用壓電陶瓷材料，如鈦酸鋇、鈦酸鉛、鋯鈦酸鉛等多晶體結(jié)構(gòu)。多晶體壓電陶瓷的壓電效應(yīng)產(chǎn)生機(jī)制與單晶體石英有所不同，多晶體壓電陶瓷由于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在許多自發(fā)極化方向一致的小區(qū)域分子集團(tuán)，類似于鐵磁體的磁疇，或稱電疇。經(jīng)過(guò)人工對(duì)這種材料外加強(qiáng)極化電場(chǎng)處理后，使壓電陶瓷中雜亂無(wú)章的電疇基本上轉(zhuǎn)

3、到與極化電場(chǎng)一致的方向；當(dāng)極化電場(chǎng)除去后，電疇基本保持不變，而且成為很強(qiáng)的剩余極化。圖8-11處理后的材料再施加較小的交變電場(chǎng)時(shí)，這些電疇將發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，其長(zhǎng)度將沿外電場(chǎng)方向發(fā)生交替變化。在醫(yī)學(xué)診斷中：超聲波發(fā)射是利用壓電晶體的逆壓電效應(yīng)，即應(yīng)用交變電壓使壓電晶體產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，振動(dòng)頻率與所加交變電場(chǎng)的振動(dòng)頻率一樣，振動(dòng)在彈性介質(zhì)中的傳播就形成聲波；超聲波接收是利用壓電晶體的正壓電效應(yīng)，即把超聲反射波對(duì)壓電晶體的機(jī)械壓力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。接受超聲時(shí)，利用正壓電效應(yīng)將從人體組織返回的超聲接收，并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，由接收電路進(jìn)行信息處理 實(shí)際工作中大多采用間歇脈沖工作方式，因此，同一探頭可以分別完成發(fā)生和接收功

4、能。 分類單晶片與多晶片單晶片探頭是最基本的結(jié)構(gòu)：主體和殼體組成1、探頭主體 發(fā)射和接收超聲的功能部分，由壓電晶體、面材及背材構(gòu)成。性能主要取決于晶片材料、晶片直徑與厚度、面材前保護(hù)層的耦合、背材的阻尼吸收等（1）面材（保護(hù)層）：作用是防止壓電元件與人體組織經(jīng)常直接接觸導(dǎo)致磨損、碰壞或氧化等。探頭與人體組織接觸的端面加有保護(hù)層。選用衰減小、高耐磨、柔順性好的材料，其聲阻抗應(yīng)接近人體組織的聲阻抗。 通常將保護(hù)層兼作為聲阻抗匹配層，其厚度為/4（3）背材（阻尼吸聲塊）：作用是吸收背向輻射的聲能，最好使背向輻射的超聲全部透進(jìn)吸聲塊中并衰減掉，不再反射回壓電元件。背材由耐磨的環(huán)氧樹(shù)脂薄膜、鎢粉、二氧化

5、鉬、鐵氧體、橡膠粉組成。 （4）聲隔離：通常在壓電晶片、吸聲塊和殼體之間加軟木、橡皮、尼龍等材料進(jìn)行聲隔離，消除金屬制成的殼體與晶片之間產(chǎn)生的振動(dòng)耦合對(duì)超聲能量輻射的影響。2、殼體 起支撐、密封、絕緣、承壓、屏蔽以及保護(hù)壓電元件的作用，也是探頭與儀器的電氣信號(hào)連接的插接部件。 1、點(diǎn)聲源的超聲場(chǎng) 對(duì)于單個(gè)振子，當(dāng)它的尺寸極小時(shí)，可以將它看成是一個(gè)點(diǎn)聲源。根據(jù)惠更斯菲涅爾原理，它所產(chǎn)生的超聲場(chǎng)是沒(méi)有指向性的球面波 圖8-132、兩個(gè)點(diǎn)聲源的超聲場(chǎng) 兩個(gè)點(diǎn)聲源所產(chǎn)生的超聲場(chǎng)是由兩個(gè)點(diǎn)聲源子波疊加的結(jié)果，其超聲場(chǎng)呈一定的指向性分布而形成聲束，稱為超聲的指向性。其指向性函數(shù)為：式中，d表示兩個(gè)點(diǎn)聲源之

6、間的距離，表示點(diǎn)聲源輻射聲波的波長(zhǎng)。當(dāng)d=時(shí)其指向性圖案如圖8-14所示，可見(jiàn)，此時(shí)點(diǎn)聲源S1，S2在能量集中的主瓣旁邊還出現(xiàn)了一些副瓣3、圓形單晶片振源的超聲場(chǎng) 圓形晶片處于發(fā)射狀態(tài)時(shí)，就像一個(gè)往復(fù)振動(dòng)的活塞，因此常稱為圓形活塞振源，簡(jiǎn)稱圓活塞或圓探頭，它是醫(yī)學(xué)超聲診斷中常用的也是最基本的探頭。設(shè)定：圓形晶面聲源由無(wú)限多個(gè)點(diǎn)聲源組成圓形晶面各點(diǎn)為同相位、同速率的振動(dòng)聲場(chǎng)中任一點(diǎn)M的聲壓是晶面所有點(diǎn)聲源輻射到M點(diǎn)疊加的結(jié)果，其指向性如圖815所示圖中，通常稱為主瓣的半擴(kuò)散角。超聲傳播方向上聲能量密度最大的軸線稱為聲軸，其周圍-3dB（-50%）范圍內(nèi)的聲場(chǎng)分布區(qū)稱為聲束，聲束橫截面的直徑稱為束

7、寬。當(dāng)超聲振源的線徑遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)時(shí)，超聲波就集中成一束，并以角擴(kuò)散，所形成的超聲場(chǎng)根據(jù)聲程將其分為近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)。圖8-16近場(chǎng):靠近振源的超聲場(chǎng)，其瞬間聲壓和質(zhì)點(diǎn)振速不同相，稱為近場(chǎng)（菲涅爾區(qū)）遠(yuǎn)場(chǎng)：距振源一定距離后的超聲場(chǎng)，其瞬間聲壓和質(zhì)點(diǎn)振速同相，稱為遠(yuǎn)場(chǎng)（夫瑯禾費(fèi)區(qū)）根據(jù)理論推導(dǎo)，近遠(yuǎn)場(chǎng)交界面離探頭表面的聲程L：r是圓形晶片的半徑如果r,則可把忽略，則（1）近場(chǎng)特性：圓晶片輻射場(chǎng)中，超聲能量基本上集中在半徑為0.96r的圓柱聲束中，直到最后一個(gè)極大聲強(qiáng)處。由（8-27）式可知，D越大，越小，L越大。近場(chǎng)區(qū)是一個(gè)花瓣區(qū)，由于干涉和衍射是聲壓和聲強(qiáng)起伏很大，不能用于超聲診斷的死區(qū)，希望越短越好。

8、 上述討論是連續(xù)波的討論。超聲治療主要利用大功率的連續(xù)超聲波醫(yī)學(xué)診斷中常用脈沖超聲波。脈沖超聲波易于發(fā)射和接收，同時(shí)脈沖波的檢測(cè)可以基本避免發(fā)射信號(hào)和反射信號(hào)的影響，提高了檢測(cè)的靈敏度。4、脈沖波的超聲場(chǎng)三種波形：?jiǎn)渭饷}沖、具有幾個(gè)周期的窄脈沖、方波調(diào)制脈沖 圖8-17對(duì)脈沖波的超聲場(chǎng)用傅立葉變換進(jìn)行分析，即將脈沖超聲波分解為多個(gè)正弦（或余弦）波的疊加，從而通過(guò)分析各個(gè)頻率的正弦波的聲場(chǎng)分析脈沖波聲場(chǎng)，即: 上式表明，脈沖超聲波的頻率響應(yīng)正是綜合了各諧波分量頻率響應(yīng)特性的結(jié)果。另外，求寬頻帶脈沖超聲波的近場(chǎng)長(zhǎng)度和半擴(kuò)散角時(shí)，應(yīng)先求出各個(gè)諧波的近場(chǎng)長(zhǎng)度和半擴(kuò)散角，然后求其合成結(jié)果。二、超聲脈沖回

9、波成像原理醫(yī)學(xué)診斷中超聲脈沖回波成像：利用超聲波在傳播路徑上遇到不均勻介質(zhì)界面發(fā)生反射的物理特性。向人體內(nèi)發(fā)射超聲波脈沖，當(dāng)超聲遇到人體組織和臟器界面時(shí)即有反射回波，檢測(cè)這些回波信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行接收放大和信號(hào)處理，最后在顯示器上出現(xiàn)。連續(xù)波脈沖波基本原理：超聲脈沖回波法，就是把幾兆赫至幾十兆赫的高頻超聲脈沖發(fā)射到生物體內(nèi)再接收來(lái)自生物體內(nèi)的反射波（回波）。超聲脈沖回波法，通過(guò)檢測(cè)回波脈沖就可以獲得有關(guān)超聲脈沖在介質(zhì)內(nèi)反射界面的位置信息和方位信息。（一）基本原理人體組織和臟器具有不同的聲速和聲阻抗，因而在界面上會(huì)反射超聲波（又稱回波）。這些分界面兩邊介質(zhì)的聲學(xué)差異不大，所以大部分超聲將穿過(guò)界面繼續(xù)

10、前進(jìn)。當(dāng)遇到第二個(gè)界面時(shí)，又將產(chǎn)生回波，并仍有很大部分超聲能量穿過(guò)第二個(gè)界面繼續(xù)前進(jìn)；這樣可以產(chǎn)生第三個(gè)、第四個(gè)回波。超聲在組織中衰減，因此接收回波個(gè)數(shù)有限。為了能分清回波個(gè)數(shù)和發(fā)射的先后次序，超聲回波使用脈沖波束，即每發(fā)射一個(gè)脈沖接收幾個(gè)回波，這種成像方法稱為脈沖回波法。脈沖回波測(cè)距，就是測(cè)定發(fā)射脈沖與回波之間的時(shí)間間隔t，算出反射界面與探頭之間的距離。由于聲脈沖通過(guò)同一路徑一往一返，這時(shí)距離S即為：c受頻率的影響很小，通常忽略不計(jì)，生物組織取其平均值為1540m/s。運(yùn)用這個(gè)原理，將探頭的掃描運(yùn)動(dòng)與顯示器上光點(diǎn)的掃描運(yùn)動(dòng)巧妙配合，把回波信號(hào)作為光點(diǎn)的亮度調(diào)制信號(hào)，即用亮點(diǎn)來(lái)顯示反射回波的界

11、面，這樣就構(gòu)成不同的掃查與顯示形式，從而制成相應(yīng)各種形式的醫(yī)用超聲診斷儀器。A-MODE，B-MODE，M-MODE，D-MODE（二）成像參數(shù)參數(shù)分類：聲系統(tǒng)參數(shù)、圖像特性參數(shù)、電氣特性參數(shù)1超聲頻率 指超聲成像系統(tǒng)的工作頻率。兩個(gè)方面作最佳選擇：從分辨力的角度來(lái)看，增高超聲波頻率，可以改善分辨力。頻率越高，波長(zhǎng)越短，則波束的指向性越好（近場(chǎng)距離大，而發(fā)散角?。?，橫向和縱向分辨力都能提高。從穿透深度的角度來(lái)看，工作頻率越高，則衰減成正比地增加，必然使探測(cè)深度減小。若要求較大的穿透深度，就必須選用較低的工作頻率。工作中應(yīng)在工作深度與頻率之間取合理的折衷。探測(cè)距離較大的不宜采用較高頻率。如：肝臟

12、、妊娠子宮等超聲探測(cè)2-3.5MHz要求深度不大的可以用較高頻率提高分辨力。如眼球、乳腺等探查一般選7-10MHz。另外，探測(cè)組織的距離不大，但衰減很快，即半衰距非常小或者超聲穿透的界面較多,如顱腦、肺等，也不宜選用較高頻率，一般1-2MHz2脈沖重復(fù)頻率 脈沖重復(fù)頻率Fp：每秒超生脈沖發(fā)射的次數(shù)，它由電激勵(lì)的頻率所決定，即： Fp=1/TT表示脈沖間隔時(shí)間，即脈沖發(fā)射周期，也是聲波往返可利用的最大時(shí)間。脈沖重復(fù)頻率Fp 決定了儀器的最大探測(cè)距離。Dmax=cT/23脈沖寬度脈沖寬度指超聲波脈沖的持續(xù)時(shí)間。最小探測(cè)深度與脈沖寬度的關(guān)系密切。探頭即發(fā)射脈沖又能接受脈沖，只有當(dāng)探頭在發(fā)射脈沖停止以

13、后，處于靜止的期間，才能接收。當(dāng)反射波回到探頭的時(shí)間大于脈沖寬度，發(fā)射脈沖與反射脈沖才可能被分別接收到。最小探測(cè)深度：實(shí)際上，Dmin比理論計(jì)算值大數(shù)倍。如果病灶處于Dmin內(nèi)，則反射信號(hào)在脈沖尚未發(fā)射完就已返回探頭，已無(wú)法接受而漏掉，所以，Dmin以內(nèi)ude距離稱為“盲區(qū)”為了縮短盲區(qū)，只有縮短脈沖寬度，但這樣又可能使發(fā)射超聲能量減少，影響靈敏度。通常在適當(dāng)縮短的同時(shí)，提高超聲頻率，使能量不至于減少，即縮短盲區(qū)，又不影響靈敏度。4、穿透深度指超聲診斷儀發(fā)射的超聲束可以穿透并能顯示回聲圖像的被測(cè)介質(zhì)深度，又稱作用距離影響穿透深度的主要因素：脈沖信號(hào)在傳播途中的衰減。提高儀器探測(cè)深度途徑：降低工作頻率，但分辨率也降低提高接收機(jī)的靈敏度和擴(kuò)大動(dòng)態(tài)范圍加大發(fā)射功率5、幀頻指超聲成像系統(tǒng)每秒鐘可以成像的幀數(shù)F。超聲診斷：10幀/s靜態(tài)成像系統(tǒng)10幀/s 24幀/s，可以觀察臟器運(yùn)動(dòng)情況，但圖像閃爍，屬準(zhǔn)實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)25幀/s以上，能顯示臟器運(yùn)