電子醫(yī)療儀器超聲成像技術(shù)

1、振動(dòng)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(xué)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(jìn)行疾病診斷的一種物理檢查方法。超聲波的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)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(shí)時(shí)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(shù) （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(diǎn)形式在顯示器垂直掃描線上顯示出來(lái)，隨著臟器的運(yùn)動(dòng)，垂直

2、掃描線上的各點(diǎn)將發(fā)生位置上的變動(dòng)，定時(shí)地采樣這些回波并使之按時(shí)間先后逐行在屏上顯示出來(lái)。m型超聲對(duì)心臟運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)的探查具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，通常對(duì)心臟的m型掃查所得到的顯示圖稱超聲心動(dòng)圖。為提取更多的診斷倍息，m型掃查心動(dòng)圖常與心臟其它參數(shù)，如心電圖、心音圖、心尖博動(dòng)圖和超聲多普勒頻譜圖同步進(jìn)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(guò)b型切面圖像上的選擇線，進(jìn)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(yīng)的原因以聲波為例：當(dāng)聲波在某種介質(zhì)中以固定的傳播速度c前進(jìn)時(shí)，聲速為波長(zhǎng)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(duì)運(yùn)動(dòng)，相對(duì)運(yùn)動(dòng)的速度

3、為 ，則聲波向接收系統(tǒng)的相對(duì)傳播速度c為原來(lái)傳播速度c與相對(duì)運(yùn)動(dòng) 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(duì)運(yùn)動(dòng)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(guò)時(shí)，會(huì)使我們非常明顯地聽(tīng)出鳴叫著的汽笛聲突然間由尖銳變得低沉起來(lái)。當(dāng)火車馳向我們時(shí)（ 為正），我們所聽(tīng)到的汽笛聲（f1）要比火車固定不動(dòng)時(shí)的聲音（f）尖銳一些（f10， f1 f ）；當(dāng)火車背向我們馳去時(shí)（ 為負(fù)），所聽(tīng)到的汽笛聲（f2）要比原來(lái)的聲音（f）低沉一些（f20，f2f2 f ）。 二、多普勒原理在超聲醫(yī)學(xué)診斷中的應(yīng)用超聲多普勒應(yīng)用臨床以來(lái)，其應(yīng)用價(jià)

4、值已愈加明顯，尤其在以運(yùn)動(dòng)器官為主要研究對(duì)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(yīng)用：運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)（如心臟瓣膜）或散射子集合（如血管中的紅細(xì)胞群體）反射回來(lái)的超聲波束，檢測(cè)出其中的多普勒頻移，得到探查目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度信息，然后被人耳監(jiān)聽(tīng)、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(yùn)動(dòng)狀態(tài)。 以人體內(nèi)血流的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)檢測(cè)為例：聲波的發(fā)射源與接收器均為超聲探頭自身，在檢測(cè)時(shí)刻探頭是固定不動(dòng)的。超聲波向著流動(dòng)中的紅細(xì)胞集合體傳播，遇到聲障（紅細(xì)胞）時(shí)，相對(duì)于流動(dòng)中的紅細(xì)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(lái)的超聲波（f）仍沿著原來(lái)的傳播

5、路徑向反方向傳送至探頭，同時(shí)又迭加了一個(gè)相同方向的運(yùn)動(dòng)速度（ ），因此探頭處檢測(cè)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(yùn)動(dòng)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(jiàn)，多普勒頻移量f與超聲固有頻率f及反射目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)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(tīng)覺(jué)辨別范圍內(nèi)（大約2001200hz），因此只要將此信號(hào)檢測(cè)放大后，僅憑有經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)生聆聽(tīng)，就可以獲得有價(jià)值的臨床診斷信

6、息。 在實(shí)際應(yīng)用中，超聲的發(fā)射與接收并不一定正對(duì)著探測(cè)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)方向，多數(shù)情況下它們之間會(huì)存在一個(gè)夾角，因此上述多普勒頻移量f的完整表達(dá)式應(yīng)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(xué)多普勒原理，對(duì)運(yùn)動(dòng)中的臟器和血液所反射回波的多普勒頻移信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)并處理，轉(zhuǎn)換成聲音、波形、色彩和輝度等信號(hào)，從而顯示出人體內(nèi)部器官的運(yùn)動(dòng)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(hào)，送入聲發(fā)射驅(qū)動(dòng)單元，經(jīng)過(guò)放大后驅(qū)動(dòng)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(hào)的檢測(cè)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(hào)，通過(guò)電纜線送至機(jī)器的高頻放大單元，經(jīng)過(guò)信號(hào)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(gè)非線性差頻處理單元電路，它有2路輸入信號(hào)端口和1個(gè)信號(hào)輸出端口。 2個(gè)輸入信號(hào)分別為：高頻放大單元送來(lái)的f電信號(hào)；主頻振蕩器分出的參照f(shuō)電信號(hào)。在混頻解調(diào)器內(nèi)，這2路信號(hào)進(jìn)行混頻、相差處理，將差頻信號(hào)fff從輸出端口送出。 四、脈沖波式超聲多普勒成像儀l探測(cè)距離的選通 獲得人體內(nèi)部所需探測(cè)目標(biāo)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(hào)的前沿為起始時(shí)刻(t0)計(jì)起，至返回信號(hào)的脈沖到達(dá)時(shí)間(t1)的長(zhǎng)短與運(yùn)動(dòng)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(shí)間，就能控制探測(cè)距離和沿著這一距離方向上的一段長(zhǎng)度（又稱作“容積”），這樣就可以只接收感興趣目標(biāo)的回聲信號(hào)，濾除前后的無(wú)關(guān)信號(hào)。 五、彩色多普勒血流顯像儀l彩色多普勒成像，對(duì)于血流方面的多種狀態(tài)具有強(qiáng)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(guò)多普勒方程式換算出血流方向和速度。 而在自相關(guān)處理中，用探測(cè)時(shí)間差異來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題：脈沖發(fā)射過(guò)程中，前后兩個(gè)相鄰脈沖之間的時(shí)間差t，

9、包含了探測(cè)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)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(guò)脈沖自身相位差的關(guān)系解得血流方向和速度的方法稱作自相關(guān)處理技術(shù)。 l2.血流運(yùn)動(dòng)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(lán)色），所以同一流向的血流處在與聲束不同角度時(shí)血流的顏色也可能不同。 3.臨床應(yīng)用效果評(píng)析l(1)彩色多普勒與b型超聲 彩色多普勒血流儀通過(guò)對(duì)散射回的多普勒信息作相位檢測(cè)并經(jīng)自相關(guān)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(guò)去b型對(duì)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(lái)，三維成像技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，為非侵入性的診斷技術(shù)又開(kāi)辟了一個(gè)新的領(lǐng)域。三維超聲技術(shù)能夠克服二維超聲空間顯像的不足，成為二維超聲技術(shù)的重要輔助手段。 目前，三維超聲能夠迅速地對(duì)容積圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)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(biāo)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(guò)高時(shí)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(shí)質(zhì)性的組織結(jié)構(gòu)的所有三維回聲數(shù)據(jù)進(jìn)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(lái)。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(jì)算機(jī)信號(hào)處理的超聲診斷系統(tǒng)，它采用軟件控制，可隨時(shí)加入新的軟件程序以更新整機(jī)功能，并能夠配接不同的探頭系統(tǒng)，如機(jī)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(hào)及兩維彩色多普勒血流圖，實(shí)現(xiàn)多參量、多方位綜合診斷。 二、彩階超聲圖像處理技術(shù)l超彩階超聲影像處理是利用微電子技術(shù)進(jìn)行的一種影像增強(qiáng)處理技術(shù)，它通過(guò)光學(xué)處理、等密度分割、幅度鑒別、模數(shù)轉(zhuǎn)換等方法進(jìn)行彩色編碼，使輸入的圖像值轉(zhuǎn)換到特定彩色空間相應(yīng)坐標(biāo)中去，從而顯示預(yù)

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(dāng)聲波透過(guò)樣品在液面形成代表樣品結(jié)構(gòu)信息的波紋時(shí)，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(jiàn)的為b型、m型和d型。探頭種類更為復(fù)雜，而使用最多的是線形掃描和扇形掃描，以及機(jī)械控制和相位控制等類型，目前有著一機(jī)多配、向?qū)ｉT化發(fā)展的趨勢(shì)。本章小結(jié)l2.m超成像是以輝度調(diào)制、時(shí)序展開(kāi)的一維空間多點(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)序圖，適于對(duì)運(yùn)動(dòng)性器官的探查，又稱超聲心動(dòng)圖。l3.b超成像是以輝度調(diào)制的二維斷層實(shí)時(shí)掃描影像，是目前用途最廣泛、普及程度最高的診斷設(shè)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(huì)因聲源與接收器之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而使聲速發(fā)生相對(duì)于接收器的變化，從而使接收頻率產(chǎn)生移動(dòng)。這種現(xiàn)象稱作多普勒頻移效應(yīng)，f = fcos/c，如果聲源與接收為一體，而被探測(cè)目標(biāo)在移動(dòng)，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(chǔ)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(yīng)用