B超的基本原理與性能指標(biāo).ppt

醫(yī)學(xué)課件,1,第二章 超的基本原理與性能指標(biāo),醫(yī)學(xué)課件,2,2.1 超聲診斷儀的一般介紹,超聲成像技術(shù)概述,超聲成像技術(shù)適用的人體區(qū)域,醫(yī)學(xué)課件,3,臨床超聲波診斷技術(shù),基于回波掃描的技術(shù),基于多普勒效應(yīng)的技術(shù),基于透射法的技術(shù),醫(yī)學(xué)課件,4,超聲回波 一個(gè)典型的超聲回波應(yīng)包含大界面的反射波和小粒子的散射波兩種成分 。,反射回波：超聲成像的位置信息 ； 超聲反射成像機(jī)制,散射回波：被測(cè)介質(zhì)的結(jié)構(gòu)信息 。 散射波場(chǎng),醫(yī)學(xué)課件,5,超聲診斷成像的基本原理 1. 基于幾個(gè)假定為前提（人體中近似成立）,聲束在介質(zhì)中沿直線傳播； 在各種介質(zhì)中聲速均勻一致； 各種介質(zhì)中介質(zhì)對(duì)超聲波的吸收系數(shù)均勻一致。,醫(yī)學(xué)課件,6,2. 脈沖回波測(cè)距的理論基礎(chǔ),回波的強(qiáng)度則反映界面的性質(zhì)，回波信號(hào)的時(shí)間反映了界面的位置。 根據(jù)不同界面的回波時(shí)間t可以計(jì)算出各個(gè)界面與換能器之間的距離l。,醫(yī)學(xué)課件,7,3. 超聲診斷儀器的功能模塊,醫(yī)學(xué)課件,8,超聲診斷儀的分類,按圖像信息的獲取方法分類 反射法超聲診斷儀 多普勒法超聲診斷儀 透射法超聲診斷儀,醫(yī)學(xué)課件,9,按圖像信息顯示的成像方法分類 A型（ Amplitude Modulation ） M型（ Motion-time ） 廣義B型（ Brightness Modulation ） B型，P型，BP型，C型、F型、超聲全息,醫(yī)學(xué)課件,10,按超聲波束的掃描方式分類 低速（手動(dòng)）掃描 高速機(jī)械線性掃描 高速機(jī)械扇形掃描 高速電子線性掃描 高速電子扇形（相控陣）掃描,醫(yī)學(xué)課件,11,A型超聲診斷儀 幅度調(diào)制（ Amplitude modulation）,醫(yī)學(xué)課件,12,1. 診斷基礎(chǔ) 人體臟器、組織其正常與異常的物理性質(zhì)及結(jié)構(gòu)不同，形成相應(yīng)的超聲界面。這些界面會(huì)對(duì)超聲產(chǎn)生規(guī)律的反射回波。 2. 工作原理 脈沖回波理論,醫(yī)學(xué)課件,13,3. 顯示方式 橫坐標(biāo)為時(shí)間軸，代表被探測(cè)物體的深度；縱坐標(biāo)代表回波脈沖的幅度。,醫(yī)學(xué)課件,14,4. 臨床應(yīng)用 適用于醫(yī)學(xué)各科的檢查 ，其中應(yīng)用最多的是對(duì)肝、膽、脾、眼、腎、子宮等的探測(cè)。,5. 缺點(diǎn) 只能反映局部組織的回波信息；診斷的準(zhǔn)確性與操作醫(yī)師的識(shí)圖經(jīng)驗(yàn)關(guān)系很大。,醫(yī)學(xué)課件,15,M型超聲診斷儀 輝度調(diào)制、時(shí)間動(dòng)態(tài)顯示（ Motion-Time）,醫(yī)學(xué)課件,16,1. 診斷基礎(chǔ) 探頭位置固定，臟器有規(guī)律的收縮和舒張，臟器各層組織和探頭的距離便產(chǎn)生節(jié)律性的改變，隨著水平方向的時(shí)間慢掃描，便把心臟各層組織的回聲展開成曲線。,醫(yī)學(xué)課件,17,2. 顯示方式 反射回波的幅度，通過(guò)輝度調(diào)制，用亮點(diǎn)的形式 ；縱坐標(biāo)代表發(fā)射界面的深度 ；橫坐標(biāo)代表掃描時(shí)間信號(hào)。,A - mode display,Timemotion display,醫(yī)學(xué)課件,18,3. 工作原理 與A超比較，有三個(gè)方面的特點(diǎn) ：,深度掃描信號(hào)加在y軸偏轉(zhuǎn)板上，回波信號(hào)距頂部的距離表示被探查的組織界面的深度。 輝度調(diào)制，亮點(diǎn)的強(qiáng)弱代表回波信號(hào)的幅度。 增加一個(gè)時(shí)間掃描信號(hào)發(fā)生器，它產(chǎn)生的信號(hào)加在x偏轉(zhuǎn)板上。,醫(yī)學(xué)課件,19,4. 臨床應(yīng)用 適用于人體中的運(yùn)動(dòng)臟器，如心臟、胎兒胎心、動(dòng)脈血管等功能的檢查具有優(yōu)勢(shì)，并可進(jìn)行多種心功能參數(shù)的測(cè)量，如心臟瓣膜的運(yùn)動(dòng)速度、加速度等。,5. 缺點(diǎn) 不能獲得解剖圖像，不適用于靜態(tài)臟器。,醫(yī)學(xué)課件,20,為了獲得人體組織和臟器解剖影像，繼A型超聲診斷儀應(yīng)用于臨床之后，B型、P型、BP型、C型和F型超聲成像儀又先后問(wèn)世，由于它們的一個(gè)共同特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了對(duì)人體組織和臟器的斷層顯示，通常將這類儀器稱為超聲斷層掃描診斷儀。,醫(yī)學(xué)課件,21,B型超聲診斷儀 輝度調(diào)制（ Brightness modulation）,醫(yī)學(xué)課件,22,1. 診斷基礎(chǔ) 可以得到解剖圖 分析： 外形 邊界回聲、內(nèi)部回聲、后方回聲 比鄰關(guān)系 活動(dòng)度、活動(dòng)規(guī)律 硬度、排空功能,醫(yī)學(xué)課件,23,2. 顯示方式 二維圖像，輝度調(diào)制方式顯示反射回波的幅度，橫坐標(biāo)代表探頭掃描的距離，縱坐標(biāo)代表產(chǎn)生回波界面的深度。,醫(yī)學(xué)課件,24,3. 工作原理 應(yīng)用回聲原理，探頭發(fā)射的聲束必須進(jìn)行掃查，逐次得到不同位置的深度方向所有界面的回波，以得到人體切面聲像圖。,醫(yī)學(xué)課件,25,4. 掃描方式 線掃 探頭發(fā)射的超聲束在水平方向上以快速電子掃描的方法，逐次獲得不同位置的深度方向所有界面的反射回波，得到由超聲聲束掃描方向決定的垂直平面二維斷層圖像 。,醫(yī)學(xué)課件,26,扇掃 改變探頭的角度使超聲束指向方位快速變化，獲得被探測(cè)方向不同深度所有界面的反射回波，得到一副由探頭擺動(dòng)方向決定的垂直扇面二維超聲斷層圖像。,醫(yī)學(xué)課件,27,5. 臨床應(yīng)用 適用于觀察腹部臟器，如肝、膽、脾、腎、子宮的檢查。 扇掃斷層B超尤為適用于對(duì)心臟的檢查，也可以對(duì)運(yùn)動(dòng)臟器實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示 。,醫(yī)學(xué)課件,28,P型超聲診斷儀 輝度調(diào)制，平面目標(biāo)顯示， PPI（plane position indication）。 可視為一種特殊的 B 型顯示。,1. 特點(diǎn) 探頭發(fā)射的超聲波束采用圓周掃描方式進(jìn)行探查。,醫(yī)學(xué)課件,29,2. 工作原理,換能器作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 顯示器上的光點(diǎn)從屏中心向屏周圍作徑向掃描，徑向掃描線逐次改變方向，與換能器同步地作旋轉(zhuǎn)。,醫(yī)學(xué)課件,30,3. 顯示方式,4. 臨床應(yīng)用 適用于探頭插入體腔內(nèi)的檢查。如：對(duì)肛門、直腸內(nèi)腫瘤、食道癌及子宮頸癌的檢查，亦可用于對(duì)尿道、膀胱的檢查。,醫(yī)學(xué)課件,31,醫(yī)學(xué)課件,32,C型超聲診斷儀 輝度調(diào)制 特定深度掃描（ Constant depth scope）,1. 特點(diǎn) 顯示的是某一深度上的一個(gè)切面圖像,醫(yī)學(xué)課件,33,2. 顯示方式 橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)代表平面的x，y軸方向的長(zhǎng)度，深度信息在圖像中不表現(xiàn)。,醫(yī)學(xué)課件,34,3. 工作原理 掃描設(shè)計(jì)：水平x方向上采用同B超一樣的電子掃描，水平y(tǒng)方向上通過(guò)機(jī)械的方法移動(dòng)探頭。,醫(yī)學(xué)課件,35,距離控制：通過(guò)調(diào)整距離選擇開關(guān)的開通時(shí)間，來(lái)控制同一深度的回波信號(hào)被接收顯示。,3. F型 顯示方式 原理同C型。距離選擇開關(guān)的開通時(shí)間不是一個(gè)常數(shù)，而是一個(gè)線性變量或者為一非線性函數(shù)，則獲得的深度切面圖在z方向?yàn)橐恍泵婊驗(yàn)橐磺媛曄駡D。,醫(yī)學(xué)課件,36,C和F型顯示，可觀察腫瘤的擴(kuò)大范圍。 特別是F型的顯示，可從三維角度去觀察體內(nèi)組織及病變情況。,4. 臨床應(yīng)用,醫(yī)學(xué)課件,37,2.2 B型超聲診斷儀,理解B超的工作原理，關(guān)鍵是各種超聲掃描制式 。,掃描制式 聲束掠過(guò)某剖面的過(guò)程稱為掃描 。,醫(yī)學(xué)課件,38,B超的分類,醫(yī)學(xué)課件,39,1. 簡(jiǎn)單掃描制式,線掃 b. 扇掃,醫(yī)學(xué)課件,40,c. 弧形掃 d. 徑向掃,醫(yī)學(xué)課件,41,2. 機(jī)械掃描和電子掃描,機(jī)械掃描 借助電機(jī)帶動(dòng)換能器擺動(dòng)或旋轉(zhuǎn)，同時(shí)位置感測(cè)器連續(xù)的檢測(cè)換能器的瞬時(shí)取向，并產(chǎn)生位置信號(hào)，使顯示器的掃描線有相應(yīng)的取向 。,醫(yī)學(xué)課件,42,電子掃描 用電子方式控制多元換能器陣實(shí)現(xiàn)掃查 。,電子線掃（ linear scan）,相控陣扇形掃描 （phased scan）,醫(yī)學(xué)課件,43,診斷用B型超聲波探頭,醫(yī)學(xué)課件,44,2.2.1 手動(dòng)式B型超聲診斷儀,手持探頭運(yùn)動(dòng),位置檢測(cè)器,位置電壓控制顯示,醫(yī)學(xué)課件,45,1. 位置信號(hào)系統(tǒng),機(jī)械結(jié)構(gòu)： 雙聯(lián)臂結(jié)構(gòu)； 井字結(jié)構(gòu)。,位置調(diào)準(zhǔn)電路： 由電位器組完成，隨著換能器位置的改變，電位器組的阻值隨之變化，產(chǎn)生相應(yīng)電壓信號(hào) 。,醫(yī)學(xué)課件,46,2. 特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)：掃描范圍大，線數(shù)高，圖像輪廓清晰等。 缺點(diǎn)：手動(dòng)控制波束掃描，成像速度低，一般需數(shù)十秒。,3. 臨床應(yīng)用 適用于掃描靜止臟器，常用于腹部、婦產(chǎn)科和眼科等方面的檢查 。,醫(yī)學(xué)課件,47,2.2.2 高速機(jī)械扇形掃描B超,1. 特點(diǎn) 超聲波束以扇形方式掃查，不受透聲窗口的限制而保持較大的掃查范圍。,2. 方法,擺動(dòng)式扇掃B超儀,旋轉(zhuǎn)式扇掃B超儀,醫(yī)學(xué)課件,48,擺動(dòng)式扇掃B超儀 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只需一個(gè)晶片與一個(gè)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，但它的視場(chǎng)有限。 結(jié)構(gòu),殼體,擺動(dòng)激勵(lì)電機(jī),支點(diǎn),換能器,扇形 齒輪,醫(yī)學(xué)課件,49,機(jī)械扇掃B超儀原理框圖,醫(yī)學(xué)課件,50,簡(jiǎn)單計(jì)算,脈沖重復(fù)頻率 每幀掃描線 幀頻 擺動(dòng)次數(shù),關(guān)系,例：脈沖重復(fù)頻率4kHz，幀頻20幀/秒，則每幀掃描線為多少？擺動(dòng)次數(shù)為多少？,200根，20次/秒,醫(yī)學(xué)課件,51,旋轉(zhuǎn)式扇掃B超儀 結(jié)構(gòu),根據(jù)要求簡(jiǎn)單計(jì)算轉(zhuǎn)速。,醫(yī)學(xué)課件,52,特點(diǎn)： 優(yōu)點(diǎn)：體積小，馬達(dá)單方向旋轉(zhuǎn)，掃描均勻，噪音和振動(dòng)都很小，其壽命遠(yuǎn)較擺動(dòng)式長(zhǎng)。 缺點(diǎn)：所用晶片的一致性要求高。,醫(yī)學(xué)課件,53,2.2.3 高速電子線掃B超 線陣：將許多聲學(xué)上相互獨(dú)立的壓電振子成一線排列。 電子線掃：用電子開關(guān)切換接入發(fā)射/接收電路的振子，使之分時(shí)組合輪流工作 ，組合是探頭的一側(cè)向另一側(cè)順序進(jìn)行的且每次僅有接入電路的振元組被激勵(lì)，產(chǎn)生合成超聲波束發(fā)射并接收 。,醫(yī)學(xué)課件,54,1.電子線掃 B超的原理,醫(yī)學(xué)課件,55,2. 電子開關(guān)控制掃描方式 控制探頭中振子投入工作的次序和方式 。 直接影響到掃描的線數(shù) 。,常規(guī)掃描,隔行掃描,飛越掃描,半間距掃描,變孔徑掃描,微角掃描,波束掃描制式,醫(yī)學(xué)課件,56,常規(guī)掃描,醫(yī)學(xué)課件,57,半間距掃描,醫(yī)學(xué)課件,58,微角掃描,掃描方向,A1 A2 B1 B2,醫(yī)學(xué)課件,59,2.2.4 高速電子扇掃B超（相控陣） 采用多陣元換能器并對(duì)所有振元的激勵(lì)脈沖進(jìn)行相位控制，實(shí)現(xiàn)合成波束的扇形掃描，聲束很容易通過(guò)小窗口透入人體內(nèi) 。,醫(yī)學(xué)課件,60,1. 相控陣掃描原理,同相激勵(lì),醫(yī)學(xué)課件,61,相控發(fā)射波束（正偏）,醫(yī)學(xué)課件,62,相控發(fā)射波束（反偏）,醫(yī)學(xué)課件,63,：延時(shí)等時(shí)間差 ：波束偏轉(zhuǎn)角 d：振元間的距離 c：聲速，取1540米/秒,2. 延時(shí)與偏向角的關(guān)系：,醫(yī)學(xué)課件,64,3. 儀器組成與工作原理,偏向角參數(shù)發(fā)生器,相控信號(hào)發(fā)生器,發(fā)送聚焦,激勵(lì)單元,醫(yī)學(xué)課件,65,電子聚焦 相控陣中的波束偏轉(zhuǎn)與波束聚焦結(jié)合使用 ，就可以獲得既偏轉(zhuǎn)又聚焦的波束 。,醫(yī)學(xué)課件,66,4. 電子扇掃與機(jī)械扇掃的比較,醫(yī)學(xué)課件,67,2.3 B超的性能指標(biāo),參數(shù)分類,技術(shù)參數(shù) 設(shè)計(jì)者、開發(fā)者必須了解的一類參數(shù)。,使用參數(shù) 使用者、選購(gòu)者必須了解的一類參數(shù)。,醫(yī)學(xué)課件,68,技術(shù)參數(shù),1. 超聲工作頻率 （Frequency）,實(shí)際輻射超聲波的頻率。,頻率的選擇,橫向分辨力,探測(cè)深度,B超儀器的工作頻率在0.515MHz。,醫(yī)學(xué)課件,69,2. 脈沖持續(xù)時(shí)間（Pulse width）,探頭受電激勵(lì)后產(chǎn)生超聲振動(dòng)的時(shí)間。,醫(yī)學(xué)課件,70,影響縱向分辨力 脈沖寬度大，縱向分辨力降低。,醫(yī)學(xué)課件,71,影響近距離回波的分辨,為相鄰回波的最小可辨距離，它與發(fā)射脈沖持續(xù)時(shí)間及聲速有關(guān)。,持續(xù)時(shí)間,聲速,最小可辨距離,分辨力,醫(yī)學(xué)課件,72,影響脈沖持續(xù)時(shí)間的因素,超聲工作頻率 探頭阻尼特性 激勵(lì)脈沖寬度,B超發(fā)射脈沖寬度小于0.2us。,醫(yī)學(xué)課件,73,3. 脈沖重復(fù)頻率 （Pulse repetition frequency, PRF） 每秒鐘重復(fù)發(fā)射超聲脈沖的次數(shù)。,決定最大探測(cè)距離,fc為脈沖重復(fù)頻率,醫(yī)學(xué)課件,74,影響因素 最大探測(cè)距離 幀頻 線密度,B超脈沖重復(fù)頻率通常在2k4kHz之間。,醫(yī)學(xué)課件,75,4. 分辨力 成像系統(tǒng)分辨空間尺度的能力，用兩回聲點(diǎn)之間的最小可辨距離表示。,縱向分辨力（軸線分辨力、距離分辨力）,橫向分辨力,醫(yī)學(xué)課件,76,縱向分辨力 受哪些因素的影響？,發(fā)射超聲頻率 聲波的縱向分辨力極限為聲波的半波長(zhǎng) ；,脈沖持續(xù)時(shí)間 脈沖持續(xù)時(shí)間越短，縱向分辨力越高；,醫(yī)學(xué)課件,77,橫向分辨力 受哪些因素的影響？,聲束的寬度,橫向分辨力的計(jì)算：,目前利用聚焦聲束，橫向分辨力可達(dá)2mm以下 。,聯(lián)系半擴(kuò)散角表達(dá)式 P13 式1-30,醫(yī)學(xué)課件,78,顯示器性能 顯示器掃描線寬度是橫向分辨力的上限 。而掃描線受聲速和光點(diǎn)的大小的限制。,系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍,醫(yī)學(xué)課件,79,5. 探測(cè)深度 儀器發(fā)射的超聲波束可穿透并能顯示回聲圖像的被測(cè)介質(zhì)的深度。 受哪些因素的影響？,接收系統(tǒng)的靈敏度及動(dòng)態(tài)范圍,工作頻率,發(fā)射功率的影響,醫(yī)學(xué)課件,80,6. 灰階級(jí) 接收機(jī)顯示器輝度顯示能力 。,灰階級(jí)越高，顯示回聲圖像的層次感強(qiáng)，圖像的清晰度越高。,灰階處理：壓縮無(wú)用灰度級(jí)信息，保留并擴(kuò)展具有診斷意義的微小灰度差別，使圖像質(zhì)量得到改善。,醫(yī)學(xué)課件,81,7. 聚焦方式 探頭發(fā)射和接收的波束采用何種方法聚焦 。,聲學(xué)聚焦 電子聚焦 多點(diǎn)動(dòng)態(tài)聚焦 混合聚焦方式,醫(yī)學(xué)課件,82,8. 圖像幀頻 成像系統(tǒng)每秒鐘內(nèi)可成像的幀數(shù) 。,概念,靜態(tài)或慢速成像系統(tǒng) 準(zhǔn)實(shí)時(shí)成像系統(tǒng) 高速成像系統(tǒng),幀頻升高使