超声基础知识

第二部分
超声成像原理
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超声的模式
在监视器上显示的超声图像是二维图像，这与CT和核磁共振所 回波振幅 形成的图像相同。
1. A模式：是一种振幅的模式。它在显示上形成垂直偏转的曲线图。 探头 2. B模式：是一种亮度的模式。其图像由不同亮度的点所组成的 直线构成。点的亮度代表接收到回声的振幅。通过连续扫描，二 维的剖面图像不断地被更新，这就是实时B模式。
－相控阵： 相控阵方式是通过连续变换延时线来得到产生超声波束的不同角度。主要用于心脏。
延时线扫描
相控阵探头
通过延时线聚焦
超声波束
3. 机械扫描方式
机械扫描是通过单个或多个基元机械运动（摆动） 来产生超声波束的。 －机械扇扫：是超声波束通过基元机械运动来回 摆动进行扫描的。 特点：制作成本低；扫描角度大。 噪音大；帧频低；寿命短。
– 与声束相垂直的线或面上，能在荧光屏上被分别显示为两 个点的最小距离的能力。 – 与声束的宽窄有关
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超声的穿透力
• 穿透力的增加，以分辨力的损失为代价
• 频率越高，分辨力越高，穿透力越小
• 频率越低，穿透力越强，分辨力越低
超声波的传播
• 超声波的种类：
– 横波：质点的运动方向垂直于传播方向。在固体中波以横 波形式传播 – 纵波：质点的运动方向平行于传播方向。在软组织中波以 纵波形式传播。 – 在超声诊断中，主要应用超声纵波
• 声速与介质有关
– 固定>液体>气体
空 气
液 体
固 体
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腔内探头：经食道探头
面阵探头：M7C
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超声扫描方式
超声设备在医学临床上有多种诊断方式。目前主要采用以下的 方式：
电子扫描方式 －线阵 －凸阵（含微型凸阵） －相控阵 机械扫描方式 －机械扇扫 －径向扫描 特殊方式 －斜向扫描 －梯形扫描 －扩大扫描 －向量扫描
C=λ*f
f=1/T
Wavelength Time
Amplitude
Frequency
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超声诊断的物理基础（1）
超声波的回声是反射式超声成像的基础
• 界面反射
– 超声在均匀介质中沿直线传播 – 不同介质界面，会发生反射与折射
• 镜面反射及反射系数
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4. D模式（多普勒模式）－（后面详述）
t
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图像的形成(con’t.)
Pulser/receiver System CPU Digital Scan Converter
• 介质
– – – – 气体，固定，液体是传播声音的介质 声音必须在介质中传播，不能在真空中传播 超声成像中，人体脏器，器官都是介质 介质的声学特性，与成像的关系非常密切
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超声波与频谱图
可听范围：20-20000HZ 超声波：>20 000HZ 超声成像范围：2-20MHZ – 1000HZ=1KHZ – 1MHZ=106HZ
详见右图所示。 其中：压电陶瓷－发射/接收超声波；声透镜－轴向 聚焦；背衬材料－防止产生超声波反向振动；
衬套 声透镜
• 压电效应：是指具有压电特性的材料(陶瓷、石英)
在受到外界压力后，在其受压端面产生电压；在其 端面施加交变电信号时，其端面会产生机械振动， 发出声波。
电缆 背衬材料
压电陶瓷(基元)
• 工作原理：
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医学超声波的应用范围
• 3.5-5MHZ应用于成人心脏及腹部成像
• 7-10MHZ应用于小器官成像，例如甲状腺，血 管
• 10-40MHZ应用于血管和皮肤成像
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电子扫描方式
探头的许多基元通过电子控制产生扫描波束并且通过延时线对波束进行聚 焦。
－线阵：用于小器官、血管及术中。 －凸阵：也称弯曲线阵，与线阵的区别在于 基元是弯曲的。用于腹部和妇产科。 特点： • 孔径大 • 近场视野宽 • 旁瓣影响小 特点： • 近、远场视野宽
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超声波的衰减特性
• 超声波的衰减与传播距离成正比；与频率的2/3方成正比。 • 高频衰减大，低频衰减小（穿透力强） • 引起衰减的因素 • 吸收 • 散射，折射等减弱
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超声的多普勒效应
多普勒公示：
公式中，C，f0不变，v是变化 的 多普勒效应是血流成像的基础！
换能器 监视器
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23 / GE Presenter and Even的M表示运动，M模式通过B模式图象来显示一个取样线，然后在以时 间为轴线的波形图上表示其运动状态。通常M模式用于检测心脏及胎儿的心率。 Transducer Transducer Transducer Transducer
4. 数字化
数字化的标志是数字化处理装置。 前端数字化－全数字化 后端数字化－部分数字化
放大、 滤波
数字化 处理 A/D 放大、 处理 显示 数字化 处理 A/D
数字波束形成器
Σ
•
目标
处理
显示
探头
数字化延时
数字化叠加
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5. 分辨率
名词解释
1. 聚焦
许多超声设备都有调整聚焦的功能，对感兴趣的 区域进行聚焦，从而使图象分辨率更高，图象更清晰。
超声系统的几种聚焦方式： －只在发射端聚焦（接收端：自动聚焦）：保持较高的帧频 －发射和接收端聚焦：可使图象质量更好，但是帧频很低 常用的聚焦方式：分段聚焦；动态聚焦；连续动态聚焦(CDF） 动态接收聚焦
透镜 焦点 聚焦 发散
通过窄孔径， 在近场聚焦
中场
通过宽孔径， 在远场聚焦
对每一深度聚焦
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2. 宽频及变频
宽频是指探头的工作频率范围比较宽。
宽频带探头是实现变频的基础。
变频是一种新技术：改变同一个探头的 频率。若目标区域在近场，可以选用高 频率；若目标区域在远场，可以切换到 低频率。
超声原理
主要内容
1.超声诊断的物理基础
2.超声成像原理
3.超声应用
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第一部分 超声诊断的物理基础
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声源、介质
• 声源：
– 能发声的物体称声源。 – 声源振动后产生声波。 – 在超声成像中，探头的晶片高频振动时即产生超声
超声诊断的物理基础（3）
声学特性阻抗差异小的界面反射特性
如果Z1和Z2相近，则反射很小。
软组织的特性阻抗非常相近
例如：肝-肾界面只有6%的入射波能量反射会肝中，其余94% 的能量透入界面送入肾
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小结
界面反射是超声成像的基础，只要有1‰的声 阻抗差异，就会产生反射，所以超生对软组织 的分辨力非常高。 如果不发生反射？
声波在软组织中的速度
在软组织的平均速度是1540米/秒
探测1cm深度目标所需时间为13us
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超声波的几个重要物理量
• 波长λ( 一个超声波周期所经 • 振幅A (超声信号的强度) 历的长度) • 周期T (完成一个完整的波长 • 频率f (每秒发射的超声波的 所需的时间) 脉冲数量)
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超声的分辨力
分辨力的定义
– 指超声检查时，能在荧光屏上被分别显示为两个点的最小 距离的能力。
轴向分辨力
– 声束穿过介质中能被分辨为前后两点的最小距离 – 与超声波的频率成正比 – 最大分辨力为λ/2
侧向分辨力或者横向分辨力
5MHz 5MHz
传统探头
频带宽度
宽频带探头 主机带宽 探头带宽
宽频＋变频－－有效地解决探头分 辨率与穿透力的矛盾 3. 帧频
帧频是指单位时间内 移 动 获得图象的帧数。 的
物 高帧频可以捕捉细小 体
远场 5MHz 低 帧 频
近场 10MHz 高 帧 频
的信息。
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反射太强？
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超声波的散射
散射：入射声波遇到小界面时产生散射
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超声波的折射
折射系数
• 由于超声波在界面两边的声速不同，其声速之比决定折射程 度
• 如果速度相等，则不发生折射 • 伪像的产生—折射 • 人体各种软组织的声速都是接近的
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超声诊断的物理基础（2）
声学特性阻抗差异大的界面反射特性
Z1<<Z2（气体-固体）
Or Z1>>Z2 （固体-气体） 将会发生近乎全部反射， 即强力反射， 例如甲状腺（气管黑色）；肺部很难成像；超声耦合 剂
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基元
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超声系统
主机
延时线路 脉冲发射/接收
监视器
处理
滤波器、对数放大 器、时间增益控制
记录设备
探头
DSC
数字扫描转换器
录像机
打印机
彩色打印机
存储
硬盘、磁光盘 图象档案管理
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主机通过电缆在基元上施加电信号，使基元振动， 发出超声波，超声波经物体反射作用在基元上，使基元 两端产生电信号，通过电缆传送至主机处理、显示。
发射 反射
物 体
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探头的种类
相控阵探头：3S
曲阵探头：3.5C，4C
线阵探头：10L
Sound beam
Transducer
Monitor
Recording Devices
VCR / Printer Laser Camera
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探头
用于超声的探头也称为换能器，是用来产生和检测超声波的部件，即换能器。 既是发射器，也是接收器。它是超声设备最重要的部分。 • 结构：
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超声波的声场特性
声场分布
• 由换能器发出超声后，呈狭窄的圆柱形分布，其直径与晶体大小接近， 有明显的方向性，称为超声束。
主瓣和旁瓣
a-主瓣 b,c-旁瓣
• 旁瓣会产生伪像—克服旁瓣，增强主瓣
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超声诊断的优点
• 安全、无辐射。适用于胎儿诊断。 • 设备可移动，成本低。 • 实时成像 • 通过扫描角度变化，获得更佳的图像。 • 多普勒－检测血流量信息。
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轴向分辨率
分辨率是指对两个靠近物体的识别能力，即对图象的区分。 分辨率
几何分辨率 侧向分辨率 灰度分辨率
轴向（纵向）分辨率：是指沿超声波束轴方向上可区分的 两个点目标的最小距离。
轴向分辨率由超声波束的波长所决定。 一般来说，轴向分辨率为波长的2到4倍?? 侧向（横向）分辨率：是指对垂直于超声波束轴方向上可 区分的两个点目标的最小距离。 侧向分辨率取决于超声波束的宽度和波束聚焦情况。 灰度（对比度）分辨率：是指对两个相似密度的物体的 识别能力。 几何分辨率高－－灰度分辨率差