電子醫(yī)療儀器超聲成像技術

1、振動頻率20,000hz的聲波超聲波醫(yī)用頻率2.513mhz(常用2.5 5mhz)超聲成像定義： 利用超聲波的物理特性和人體組織器官的聲學特性相互作用而產(chǎn)生的信息，經(jīng)處理后形成圖形和曲線，借此進行疾病診斷的一種物理檢查方法。超聲波的特點和優(yōu)點超聲發(fā)展概況40年代 探索階段50年代 a型、m型超聲儀70年代 灰階實時超聲（b型） 雙功能超聲儀（ b型+頻譜）80年代 彩色多普勒超聲儀 （ b型+ 彩色+頻譜）90年代 新技術 （超聲造影、諧波成像、 超高頻探頭、三維超聲等）m型超聲診斷儀采用輝度調(diào)制的方法，使深度方向所有界面反射回波，用亮點形式在顯示器垂直掃描線上顯示出來，隨著臟器的運動，垂直

2、掃描線上的各點將發(fā)生位置上的變動，定時地采樣這些回波并使之按時間先后逐行在屏上顯示出來。m型超聲對心臟運動結(jié)構(gòu)的探查具有獨特的優(yōu)勢，通常對心臟的m型掃查所得到的顯示圖稱超聲心動圖。為提取更多的診斷倍息，m型掃查心動圖常與心臟其它參數(shù)，如心電圖、心音圖、心尖博動圖和超聲多普勒頻譜圖同步進行聯(lián)合顯示。為更有目的地選擇m型掃查部位，m型掃查常與b型掃查聯(lián)合，即通過b型切面圖像上的選擇線，進行有選擇的m型掃查，從而可避免m型掃查的盲目性。產(chǎn)生多普勒效應的原因以聲波為例：當聲波在某種介質(zhì)中以固定的傳播速度c前進時，聲速為波長和頻率的乘積，即c= f；但如果聲源與接收系統(tǒng)之間存在著相對運動，相對運動的速度

3、為 ，則聲波向接收系統(tǒng)的相對傳播速度c為原來傳播速度c與相對運動 的迭加，即c=c + 。于是有:fc（c ）fff（c ）c 將=cf代入上式，有ff c頻移量f為相對運動速度與原聲速的比值與波源頻率的乘積?；疖噺纳砼缘蔫F路上呼嘯而過時，會使我們非常明顯地聽出鳴叫著的汽笛聲突然間由尖銳變得低沉起來。當火車馳向我們時（ 為正），我們所聽到的汽笛聲（f1）要比火車固定不動時的聲音（f）尖銳一些（f10， f1 f ）；當火車背向我們馳去時（ 為負），所聽到的汽笛聲（f2）要比原來的聲音（f）低沉一些（f20，f2f2 f ）。 二、多普勒原理在超聲醫(yī)學診斷中的應用超聲多普勒應用臨床以來，其應用價

4、值已愈加明顯，尤其在以運動器官為主要研究對象的心血管科，超聲多普勒診斷儀更成為不可或缺的有力診斷工具；原理應用：運動結(jié)構(gòu)（如心臟瓣膜）或散射子集合（如血管中的紅細胞群體）反射回來的超聲波束，檢測出其中的多普勒頻移，得到探查目標的運動速度信息，然后被人耳監(jiān)聽、用儀器去分析、用圖像去顯示或者用影像去顯現(xiàn)人體內(nèi)部器官的運動狀態(tài)。 以人體內(nèi)血流的運動狀態(tài)檢測為例：聲波的發(fā)射源與接收器均為超聲探頭自身，在檢測時刻探頭是固定不動的。超聲波向著流動中的紅細胞集合體傳播，遇到聲障（紅細胞）時，相對于流動中的紅細胞，聲波f已經(jīng)產(chǎn)生了一次多普勒頻移（f），頻移量fff；而聲障反射回來的超聲波（f）仍沿著原來的傳播

5、路徑向反方向傳送至探頭，同時又迭加了一個相同方向的運動速度（ ），因此探頭處檢測到的超聲波又產(chǎn)生了一次新的頻移（f），最終頻移量fff2f，即f 2f c假定頻率f為3.5mhz的超聲波，向著以0.1m/s速度運動的血流發(fā)射，正常聲速c=1540m/s，則回聲的頻移量f（由f 2f c可得）約為450hz。由此可見，多普勒頻移量f與超聲固有頻率f及反射目標的運動速度 成正比；與聲波在某種組織中的傳播速度成反比。另外，常用超聲頻率在人體組織中產(chǎn)生的多普勒頻移量f恰好在人耳的敏銳聽覺辨別范圍內(nèi)（大約2001200hz），因此只要將此信號檢測放大后，僅憑有經(jīng)驗的醫(yī)生聆聽，就可以獲得有價值的臨床診斷信

6、息。 在實際應用中，超聲的發(fā)射與接收并不一定正對著探測目標的運動方向，多數(shù)情況下它們之間會存在一個夾角，因此上述多普勒頻移量f的完整表達式應為：f2fcos cd型超聲成像診斷儀（doppler ultrasound, d超）即超聲多普勒診斷儀，是利用聲學多普勒原理，對運動中的臟器和血液所反射回波的多普勒頻移信號進行檢測并處理，轉(zhuǎn)換成聲音、波形、色彩和輝度等信號，從而顯示出人體內(nèi)部器官的運動狀態(tài)。 三、連續(xù)式超聲多普勒成像儀1超聲波的產(chǎn)生、發(fā)射和反射 主頻振蕩器產(chǎn)生并輸出頻率為f的振蕩信號，送入聲發(fā)射驅(qū)動單元，經(jīng)過放大后驅(qū)動探頭中的壓電換能器向外輻射出頻率為f的連續(xù)超聲波。 2頻移信號的檢測和

7、頻移量的獲得 接收到的頻率為f的回聲波，將之轉(zhuǎn)換為電信號，通過電纜線送至機器的高頻放大單元，經(jīng)過信號幅度放大后再送至混頻解調(diào)器作解調(diào)處理?；祛l解調(diào)器是一個非線性差頻處理單元電路，它有2路輸入信號端口和1個信號輸出端口。 2個輸入信號分別為：高頻放大單元送來的f電信號；主頻振蕩器分出的參照f電信號。在混頻解調(diào)器內(nèi)，這2路信號進行混頻、相差處理，將差頻信號fff從輸出端口送出。 四、脈沖波式超聲多普勒成像儀l探測距離的選通 獲得人體內(nèi)部所需探測目標的回聲信息，就必須采用距離（或深度）選通接收門控制器。在人體軟組織中，超聲的傳播速度差別不大，可以將平均聲速視為常數(shù)（c=1540m/s），故從發(fā)射出脈

8、沖信號的前沿為起始時刻(t0)計起，至返回信號的脈沖到達時間(t1)的長短與運動器官距離換能器的深度成正比。只要調(diào)節(jié)“距離選通門”的啟閉時間，就能控制探測距離和沿著這一距離方向上的一段長度（又稱作“容積”），這樣就可以只接收感興趣目標的回聲信號，濾除前后的無關信號。 五、彩色多普勒血流顯像儀l彩色多普勒成像，對于血流方面的多種狀態(tài)具有強大的顯示能力，如：1.工作原理 在一維多普勒診斷儀（連續(xù)波cw和脈沖波pw）中，是將回聲頻率與原始振蕩頻率比較出頻移量f，然后通過多普勒方程式換算出血流方向和速度。 而在自相關處理中，用探測時間差異來解決這個問題：脈沖發(fā)射過程中，前后兩個相鄰脈沖之間的時間差t，

9、包含了探測目標的運動方向與速度等變量因素，最后反映在回波脈沖波形的相位差異上，由此通過脈沖自身相位差的關系解得血流方向和速度的方法稱作自相關處理技術。 l2.血流運動狀態(tài)的彩色顯示方法 在彩色多普勒中，由于血流的方向決定了血流的顏色（一般正向血流為紅色，反向血流為藍色），所以同一流向的血流處在與聲束不同角度時血流的顏色也可能不同。 3.臨床應用效果評析l(1)彩色多普勒與b型超聲 彩色多普勒血流儀通過對散射回的多普勒信息作相位檢測并經(jīng)自相關處理、彩色灰階編碼，把平均血流速度信息以色彩顯示，并組合到b型灰階影像上。不僅可以加快過去b型對心臟疾病檢查的速度，而且可以直接采集到心內(nèi)血流速度、輪廓的信

10、息。 近年來，三維成像技術的發(fā)展和進步，為非侵入性的診斷技術又開辟了一個新的領域。三維超聲技術能夠克服二維超聲空間顯像的不足，成為二維超聲技術的重要輔助手段。 目前，三維超聲能夠迅速地對容積圖像數(shù)據(jù)進行儲存、處理和顯示其三維立體圖像，并且能夠得到多平面的圖像。 三維超聲系統(tǒng)框圖一、坐標位移三維顯示法軸旋轉(zhuǎn)角度獲取多平面二、三維圖像重建例如去除羊水內(nèi)的低回聲，突出胎兒表面高回聲，濾過高時還可以突出胎兒骨骼結(jié)構(gòu)，顯示出高回聲結(jié)構(gòu)的立體圖像l(2)透明成像模式：l將實質(zhì)性的組織結(jié)構(gòu)的所有三維回聲數(shù)據(jù)進行處理，選擇性地顯示出高同聲或低回聲結(jié)構(gòu)的特征。能將組織內(nèi)部情況以透明立體方式表現(xiàn)出來。采用這種模式

11、要求感興趣結(jié)構(gòu)的回聲特征較周圍組織回聲高或低，例如骨骼、血管或囊性結(jié)構(gòu)。 一、全數(shù)字型b型超聲診斷儀l目前已研制出全數(shù)字計算機信號處理的超聲診斷系統(tǒng)，它采用軟件控制，可隨時加入新的軟件程序以更新整機功能，并能夠配接不同的探頭系統(tǒng)，如機械扇掃探頭、線陣探頭、凸陣探頭、相控陣探頭、環(huán)陣探頭、腔體探頭等，可以顯示型、型、脈沖和連續(xù)多普勒信號及兩維彩色多普勒血流圖，實現(xiàn)多參量、多方位綜合診斷。 二、彩階超聲圖像處理技術l超彩階超聲影像處理是利用微電子技術進行的一種影像增強處理技術，它通過光學處理、等密度分割、幅度鑒別、模數(shù)轉(zhuǎn)換等方法進行彩色編碼，使輸入的圖像值轉(zhuǎn)換到特定彩色空間相應坐標中去，從而顯示預

12、期的彩色影像。彩色編碼原理圖彩色顯示原理框圖三、組織諧波成像和造影諧波成像 造影諧波成像(contrast harmonic imaging ,chi) 四、超聲ct五、超聲顯微鏡l 激光掃描超聲顯微鏡（slam）的情況類似液面聲全息。它采用平面波，但不需要參考聲波干涉。當聲波透過樣品在液面形成代表樣品結(jié)構(gòu)信息的波紋時，由激光掃描讀出這些信息，經(jīng)電腦處理后顯示。 l1.超聲成像診斷儀按成像方式有眾多種類，目前臨床上最常見的為b型、m型和d型。探頭種類更為復雜，而使用最多的是線形掃描和扇形掃描，以及機械控制和相位控制等類型，目前有著一機多配、向?qū)ｉT化發(fā)展的趨勢。本章小結(jié)l2.m超成像是以輝度調(diào)制、時序展開的一維空間多點運動時序圖，適于對運動性器官的探查，又稱超聲心動圖。l3.b超成像是以輝度調(diào)制的二維斷層實時掃描影像，是目前用途最廣泛、普及程度最高的診斷設備。根據(jù)腹、胸診斷部位不同，可選擇線形或扇形兩種掃描方式。l4.聲波即使在均勻媒介中傳播也會因聲源與接收器之間的相對運動而使聲速發(fā)生相對于接收器的變化，從而使接收頻率產(chǎn)生移動。這種現(xiàn)象稱作多普勒頻移效應，f = fcos/c，如果聲源與接收為一體，而被探測目標在移動，則f=2fcos/c。l5.d型超聲診斷儀分為連續(xù)波、脈沖波式以及建立在脈沖波基礎上的彩色超聲多普勒血流成像儀，其中脈沖式d型診斷儀和彩超在臨床應用