灰階超聲成像原理

1、 一、灰階及回聲的概念一、灰階及回聲的概念 二、灰階成像的三大基本要素二、灰階成像的三大基本要素 三、灰階成像的三大步三、灰階成像的三大步驟驟 四、灰階超聲中常用術(shù)語及其調(diào)節(jié)四、灰階超聲中常用術(shù)語及其調(diào)節(jié)一、灰階及回聲的概念一、灰階及回聲的概念灰階灰階（gray-scale）：灰色色調(diào)的數(shù)量，表示在圖上黑色到白色的之間的灰度（亮度）。 目前超聲常使用256級灰階。 回聲回聲（echo）：對灰階的統(tǒng)稱。）：對灰階的統(tǒng)稱。 根據(jù)灰階的不同，回聲可大致分為五種類型：根據(jù)灰階的不同，回聲可大致分為五種類型：1、強回聲：強回聲：灰度明亮，后方常伴聲影，如結(jié)石或鈣化灶?；叶让髁粒蠓匠０槁曈?，如結(jié)石或鈣化

2、灶。2、高回聲：高回聲：灰度較明亮，后方不伴聲影，如腎竇或血管瘤?；叶容^明亮，后方不伴聲影，如腎竇或血管瘤。3、等回聲等回聲：灰階強度呈中等水平，如正常的肝脾實質(zhì)回聲。灰階強度呈中等水平，如正常的肝脾實質(zhì)回聲。4、低回聲：低回聲：透聲較好的暗區(qū)，如正常的淋巴結(jié)。透聲較好的暗區(qū)，如正常的淋巴結(jié)。5、無回聲：無回聲：均勻的液體，如正常充盈的膀胱或膽囊。均勻的液體，如正常充盈的膀胱或膽囊。強回聲：膽囊結(jié)石強回聲：膽囊結(jié)石高回聲：肝內(nèi)血管瘤高回聲：肝內(nèi)血管瘤等回聲：正常脾實質(zhì)等回聲：正常脾實質(zhì)低回聲：頸部淋巴結(jié)低回聲：頸部淋巴結(jié)無回聲：充盈好的膀胱無回聲：充盈好的膀胱二、灰階成像的三大基本要素二、灰階

3、成像的三大基本要素A：水槽中的乒乓球照片：水槽中的乒乓球照片B：灰階超聲切面圖像：灰階超聲切面圖像A A圖成像原理：圖成像原理：乒乓球乒乓球視網(wǎng)膜視網(wǎng)膜大腦皮層大腦皮層完整圖像完整圖像B B圖成像原理：圖成像原理：探頭發(fā)射超聲波探頭發(fā)射超聲波乒乓球（介質(zhì)）乒乓球（介質(zhì)）接接收回波信號顯像收回波信號顯像切面灰階圖像切面灰階圖像灰階成像三要素：灰階成像三要素：1、超聲波、超聲波振源（振源（Ultrasound）2、乒乓球壁、乒乓球壁介質(zhì)介質(zhì)(Medium)3、接收回波的探頭、接收回波的探頭感受器感受器(Receiver)振源振源介質(zhì)介質(zhì)感受器感受器1、聲源、聲源超聲波超聲波電磁波：電磁波：無線電波

4、、無線電波、X線、可見光等。線、可見光等。 波波次聲波：次聲波：20KHZ超聲波超聲波: :聲源高速振動，聲源高速振動， 其頻率其頻率20000次次 (Hz) 以上，以上，超過人類的聽覺閾值，不能被人耳感受的的機械振動。超過人類的聽覺閾值，不能被人耳感受的的機械振動。 有關(guān)超聲波的物理量：有關(guān)超聲波的物理量：在傳播過程中一個完整周期內(nèi)所通過的距離。 波長波長單位時間內(nèi)聲波在介質(zhì)中傳播的距離稱聲速。單位時間內(nèi)聲波在介質(zhì)中傳播的距離稱聲速。其傳播速度在氣體中較小其傳播速度在氣體中較小, 360 m/s左右；左右；在液體和人體軟組織中較大，在液體和人體軟組織中較大，1500 m/s 左右；左右；在固

5、體中最大，約為在固體中最大，約為4500 m/s 左右。左右。 超聲儀器在設(shè)計時對于不同的軟組織，超聲儀器在設(shè)計時對于不同的軟組織，假定了一個相對平均的速度，即假定了一個相對平均的速度，即1540M/S.單位時間內(nèi)單位振動的次數(shù)，單位時間內(nèi)單位振動的次數(shù)，亦超聲波通過介質(zhì)中某點的疏密波的次數(shù)。亦超聲波通過介質(zhì)中某點的疏密波的次數(shù)。目前醫(yī)用超聲波的頻率：目前醫(yī)用超聲波的頻率：200KHZ100MHZ目前臨床超聲儀常用頻率：目前臨床超聲儀常用頻率：2MHZ15MHZ。 頻率范圍（頻率范圍（單位：單位：MHZ） 應(yīng)用情況應(yīng)用情況 25 腹部、心臟等檢查腹部、心臟等檢查 510 淺表器官、外周血管等檢

6、查淺表器官、外周血管等檢查 1030 皮膚、血管內(nèi)、內(nèi)窺鏡等檢查皮膚、血管內(nèi)、內(nèi)窺鏡等檢查 40100 聲學(xué)顯微鏡聲學(xué)顯微鏡 有關(guān)超聲波的物理性能：有關(guān)超聲波的物理性能： 探頭可接收的回波信號的強度與入射波探頭可接收的回波信號的強度與入射波 和反射界面之間的夾角有關(guān)，垂直入射（入和反射界面之間的夾角有關(guān)，垂直入射（入射角為射角為0 0），反射越多，探頭接收到的回波信），反射越多，探頭接收到的回波信號最強；入射角越大，反射越少，能返回的號最強；入射角越大，反射越少，能返回的信號越弱。信號越弱。繞射：繞射：如界面不大，如界面不大，可與超聲波波長相可與超聲波波長相比，則聲波將繞過比，則聲波將繞過該界

7、面繼續(xù)向前傳播該界面繼續(xù)向前傳播。散射：散射：如物體的直徑如物體的直徑小于超聲波的波長時，小于超聲波的波長時，則聲波向物體的四面則聲波向物體的四面八方輻射。八方輻射。在人體結(jié)構(gòu)中，散射主要發(fā)生在組織或在人體結(jié)構(gòu)中，散射主要發(fā)生在組織或 器官內(nèi)部大小與超聲波長接近或更小的器官內(nèi)部大小與超聲波長接近或更小的 微小結(jié)構(gòu)上，如肝臟中的肝小葉，腎中微小結(jié)構(gòu)上，如肝臟中的肝小葉，腎中 的腎小體，心臟中的心肌纖維、的腎小體，心臟中的心肌纖維、血液中血液中 的紅細(xì)胞。的紅細(xì)胞。超聲在工作中，是反射、透射、散射、超聲在工作中，是反射、透射、散射、 繞射的綜合運用。繞射的綜合運用。 當(dāng)聲波穿過介質(zhì)時，由于當(dāng)聲波穿

8、過介質(zhì)時，由于“內(nèi)摩擦內(nèi)摩擦 ” ”或所或所謂謂“粘滯性粘滯性”，使聲能被吸收、，使聲能被吸收、 散射而逐漸散射而逐漸減弱，聲波的振幅隨之減低，此即衰減。減弱，聲波的振幅隨之減低，此即衰減。 吸收與衰減的多少和超聲的頻率、介質(zhì)的吸收與衰減的多少和超聲的頻率、介質(zhì)的粘滯性、導(dǎo)熱性、溫度及傳播的距離等因素有粘滯性、導(dǎo)熱性、溫度及傳播的距離等因素有密切關(guān)系。密切關(guān)系。 骨骨 (或鈣化區(qū)或鈣化區(qū)) 軟骨軟骨 肌腱肌腱 肝、腎組織肝、腎組織 脂肪脂肪 血液血液 尿液與尿液與膽汁。膽汁。 一般而言，頻率增加一般而言，頻率增加1MHZ1MHZ,同時深同時深度增加度增加1cm1cm,超聲波的能量會衰減超聲波的

9、能量會衰減1dB1dB.聲能隨著透入距離增加而減弱聲能隨著透入距離增加而減弱2、介質(zhì)、介質(zhì)傳播聲波的媒介物質(zhì)傳播聲波的媒介物質(zhì) 設(shè)：設(shè)：Z為聲阻，為聲阻，為密度，為密度，c為聲速為聲速則：聲阻則：聲阻 (Z)密度密度 () X 聲速聲速 (c)反射系數(shù)之大小決定在界面處兩介質(zhì)聲阻之差。反射系數(shù)之大小決定在界面處兩介質(zhì)聲阻之差。 設(shè)設(shè) Z1Z1為第一介質(zhì)之聲阻，為第一介質(zhì)之聲阻，Z2Z2為第二介質(zhì)之聲阻為第二介質(zhì)之聲阻 公式表之：公式表之： Z1 - Z2Z1 - Z2 聲強反射系數(shù)聲強反射系數(shù) R1 = (-)2R1 = (-)2 Z1 + Z2Z1 + Z2 液體內(nèi)的界面無明顯聲阻抗差異，如

10、假設(shè)有一液體內(nèi)的界面無明顯聲阻抗差異，如假設(shè)有一界面，因其前后聲阻值相似，其反射系數(shù)為界面，因其前后聲阻值相似，其反射系數(shù)為0或接或接近于近于0，超聲通過相應(yīng)區(qū)域時無何反射。此乃液體，超聲通過相應(yīng)區(qū)域時無何反射。此乃液體的特點，故稱無回聲區(qū)或液性暗區(qū)。的特點，故稱無回聲區(qū)或液性暗區(qū)。 超聲經(jīng)過結(jié)構(gòu)比較均勻的實質(zhì)組織如肝超聲經(jīng)過結(jié)構(gòu)比較均勻的實質(zhì)組織如肝臟、脾臟、甲狀腺、睪丸等器官和組織時，臟、脾臟、甲狀腺、睪丸等器官和組織時，在相應(yīng)區(qū)域即或有些界面，但聲阻差較小，在相應(yīng)區(qū)域即或有些界面，但聲阻差較小，回聲較少，此即少反射型或稱低回聲區(qū)?；芈曒^少，此即少反射型或稱低回聲區(qū)。 超聲經(jīng)過結(jié)構(gòu)雜亂的實

11、質(zhì)組織如乳腺時，超聲經(jīng)過結(jié)構(gòu)雜亂的實質(zhì)組織如乳腺時，因結(jié)構(gòu)復(fù)雜，界面甚多，其前后聲阻差大，因結(jié)構(gòu)復(fù)雜，界面甚多，其前后聲阻差大，故反射較多且強，光點更為密集，回聲強故反射較多且強，光點更為密集，回聲強度亦大，此稱多反射型或謂高回聲區(qū)。度亦大，此稱多反射型或謂高回聲區(qū)。 在軟組織與含氣組織在軟組織與含氣組織(如肺、腸腔如肺、腸腔)交界處，交界處，界面前后聲阻界面前后聲阻相差相差3000多倍，反射系數(shù)達(dá)多倍，反射系數(shù)達(dá) 99.9，接近于全部反射，故不能透入第二，接近于全部反射，故不能透入第二介質(zhì)，使界面后的組織結(jié)構(gòu)則無法顯示，故介質(zhì)，使界面后的組織結(jié)構(gòu)則無法顯示，故稱全反射型。稱全反射型。3、感受

12、器、感受器探頭探頭超聲，超聲，是利用是利用超聲波超聲波在人體不同在人體不同組織組織產(chǎn)生產(chǎn)生反射反射和散射和散射等的回波中所攜帶的人體解剖形態(tài)信息，等的回波中所攜帶的人體解剖形態(tài)信息，經(jīng)處理形成經(jīng)處理形成灰度灰度顯示圖像來診斷疾病的儀器。顯示圖像來診斷疾病的儀器。發(fā)送脈沖波發(fā)送脈沖波接收回波信號接收回波信號電路處理灰階顯像電路處理灰階顯像利用逆壓電效應(yīng)，將電信號利用逆壓電效應(yīng)，將電信號轉(zhuǎn)換成機械能，發(fā)射超聲波轉(zhuǎn)換成機械能，發(fā)射超聲波利用壓電效應(yīng)，將回波聲信號利用壓電效應(yīng)，將回波聲信號轉(zhuǎn)化成電信號，由探頭接收轉(zhuǎn)化成電信號，由探頭接收電路轉(zhuǎn)換、數(shù)字掃描變換、電路轉(zhuǎn)換、數(shù)字掃描變換、后處理（后處理（像

13、素亮度后處理、灰像素亮度后處理、灰階變換、圖像平滑、復(fù)合視頻等階變換、圖像平滑、復(fù)合視頻等）探頭（探頭（probeprobe）主要構(gòu)成：主要構(gòu)成： 聲透鏡、匹配層、壓電陣子、吸聲塊。聲透鏡、匹配層、壓電陣子、吸聲塊。 是超聲換能器的核心。是超聲換能器的核心。 目前使用較多的是人造壓電陶瓷（目前使用較多的是人造壓電陶瓷（PZT，鋯鈦酸鉛）。，鋯鈦酸鉛）。 優(yōu)點：電優(yōu)點：電-聲能轉(zhuǎn)換率高；性能穩(wěn)定，價廉，易于加工聲能轉(zhuǎn)換率高；性能穩(wěn)定，價廉，易于加工 可壓制成任意形態(tài)、尺寸（線陣、凸陣、矩陣等）可壓制成任意形態(tài)、尺寸（線陣、凸陣、矩陣等） 非溶水性、耐濕防潮、機械強度較好非溶水性、耐濕防潮、機械強

14、度較好 缺點：多晶體，使用頻率受一定限制缺點：多晶體，使用頻率受一定限制 易脆性；受溫度影響大；老化性易脆性；受溫度影響大；老化性 壓電陣子與逆壓電效應(yīng)：壓電陣子與逆壓電效應(yīng)： 電能轉(zhuǎn)換成機械能，發(fā)射超聲波。電能轉(zhuǎn)換成機械能，發(fā)射超聲波。 將此晶體置于交變電場時，則可發(fā)現(xiàn)晶體將此晶體置于交變電場時，則可發(fā)現(xiàn)晶體 厚度有所改變，出現(xiàn)強烈的壓縮或擴張。厚度有所改變，出現(xiàn)強烈的壓縮或擴張。壓電陣子與壓電效應(yīng)：壓電陣子與壓電效應(yīng)： 機械能轉(zhuǎn)換成電能，由換能器接收。機械能轉(zhuǎn)換成電能，由換能器接收。 在石英等晶體上施加壓力時，在石英等晶體上施加壓力時， 晶體表面上即出現(xiàn)異名電荷。晶體表面上即出現(xiàn)異名電荷。

15、 位置：在探頭的匹配層與人體組織間； 材料：常用塑料或樹脂制成； 作用：聲聚焦和換能器的保護層； 原理：透鏡材料的聲速大于周圍介質(zhì)聲速時聲束可 折射效應(yīng)發(fā)生會聚。 是位于壓電振子前面的一層或多層的聲學(xué)材料。是位于壓電振子前面的一層或多層的聲學(xué)材料。 作用：使高聲阻抗的壓電振子與低聲阻抗的人體組作用：使高聲阻抗的壓電振子與低聲阻抗的人體組 織間達(dá)到阻抗匹配，以提高聲能的最大傳效率織間達(dá)到阻抗匹配，以提高聲能的最大傳效率 發(fā)射不同頻率的聲波需要不同的匹配層。發(fā)射不同頻率的聲波需要不同的匹配層。 位置：位于壓電振子背后 材料：由鎢粉與環(huán)氧樹組成的強吸聲物 作用：防消除后向干擾；實現(xiàn)窄脈沖，提高縱向分

16、力 原理：透吸收背向聲波，使之能量消耗。探頭探頭發(fā)射電路發(fā)射電路控制電路控制電路電源電源接收電路接收電路掃描電路掃描電路顯示器顯示器增益是指接收機的放大倍數(shù)，為后處理過程。增益是指接收機的放大倍數(shù)，為后處理過程。主要針對回波信號的幅度進行調(diào)節(jié)，用于改主要針對回波信號的幅度進行調(diào)節(jié)，用于改 變圖像亮度（回聲強度）。變圖像亮度（回聲強度）。一般采取近場負(fù)增益和遠(yuǎn)場正增益。一般采取近場負(fù)增益和遠(yuǎn)場正增益。增益的過高或者過低都會造成漏診。增益的過高或者過低都會造成漏診。其調(diào)節(jié)因人，因檢查的部位而異，也會受到其調(diào)節(jié)因人，因檢查的部位而異，也會受到 環(huán)境亮度（燈光）的影響。環(huán)境亮度（燈光）的影響。在檢查過

17、程中應(yīng)該隨時進行調(diào)節(jié)。在檢查過程中應(yīng)該隨時進行調(diào)節(jié)。 如，看結(jié)石可適當(dāng)調(diào)低增益，看囊腫調(diào)高增益。如，看結(jié)石可適當(dāng)調(diào)低增益，看囊腫調(diào)高增益。TGC主要補償因深度造成的聲衰減。主要補償因深度造成的聲衰減。通過調(diào)節(jié)使灰階圖像亮度均勻平滑，通過調(diào)節(jié)使灰階圖像亮度均勻平滑， 多有多有810組鍵組成。組鍵組成。主要是對近場抑制、遠(yuǎn)場抑制、遠(yuǎn)場增強進行調(diào)節(jié)。主要是對近場抑制、遠(yuǎn)場抑制、遠(yuǎn)場增強進行調(diào)節(jié)。 近場抑制：因皮膚等反射強，腹壁的近場抑制：因皮膚等反射強，腹壁的 小病灶易被強回聲掩蓋。小病灶易被強回聲掩蓋。 遠(yuǎn)場抑制：通常用于空腔含液性臟器的檢查，遠(yuǎn)場抑制：通常用于空腔含液性臟器的檢查， 如看充盈膀胱

18、后壁的強反射。如看充盈膀胱后壁的強反射。 遠(yuǎn)場增強：用于降低近場或中場引起的遠(yuǎn)場增強：用于降低近場或中場引起的 如重度脂肪肝時，利于檢查遠(yuǎn)場病灶。如重度脂肪肝時，利于檢查遠(yuǎn)場病灶。聲束穿透介質(zhì)的距離（深度）。聲束穿透介質(zhì)的距離（深度）。深度大時，幀頻降低，成像速度減慢。深度大時，幀頻降低，成像速度減慢。深度較大，遠(yuǎn)場的分辨力降低，深度較大，遠(yuǎn)場的分辨力降低， 深度較小，遠(yuǎn)場的分辨力提高。深度較小，遠(yuǎn)場的分辨力提高。觀察病灶時，應(yīng)盡量將之顯示在比較合適的深度觀察病灶時，應(yīng)盡量將之顯示在比較合適的深度 進行觀察。較深位置的病灶應(yīng)將其顯示在較淺的進行觀察。較深位置的病灶應(yīng)將其顯示在較淺的 位置觀察。

19、位置觀察。 改變探頭發(fā)射超聲波的總能量。改變探頭發(fā)射超聲波的總能量。是一種前處理。是一種前處理。出于安全性考慮，一般使用能得到滿意出于安全性考慮，一般使用能得到滿意 圖像質(zhì)量的最低能量輸出。圖像質(zhì)量的最低能量輸出。 婦產(chǎn)科胎兒檢查時，盡量使用低輸出功率婦產(chǎn)科胎兒檢查時，盡量使用低輸出功率 并縮短檢查時間。并縮短檢查時間。動態(tài)范圍，接收的動態(tài)回波信號的變化幅度。動態(tài)范圍，接收的動態(tài)回波信號的變化幅度。探頭能接收的最大有用信號電壓幅度與最小探頭能接收的最大有用信號電壓幅度與最小 有用信號電壓幅度之間的差異代表探頭接收有用信號電壓幅度之間的差異代表探頭接收 有用信號的能力或超聲儀的放大電路處理有有用

20、信號的能力或超聲儀的放大電路處理有 用信息的能力。用信息的能力。動態(tài)范圍大，得到的回波信息量多，病灶的動態(tài)范圍大，得到的回波信息量多，病灶的 包容量大，圖像分辨力高，圖像看起來更加包容量大，圖像分辨力高，圖像看起來更加 平滑。但是也可能造成噪聲信號進入而對有平滑。但是也可能造成噪聲信號進入而對有 用信號本身造成干擾，另外也會降低幀頻。用信號本身造成干擾，另外也會降低幀頻。 動態(tài)范圍小，雖幀頻提高，但是圖像看起來會動態(tài)范圍小，雖幀頻提高，但是圖像看起來會 更加模糊。更加模糊。 一般放置在一般放置在80db左右。左右。 目前的電子探頭都是使用電子聚焦技術(shù)。目前的電子探頭都是使用電子聚焦技術(shù)。在某個

21、深度范圍內(nèi)使反射或接收的超聲束變窄，在某個深度范圍內(nèi)使反射或接收的超聲束變窄， 提高圖像的側(cè)向分辨力。提高圖像的側(cè)向分辨力。連續(xù)動態(tài)聚焦，由機器自動完成，是數(shù)字波束形連續(xù)動態(tài)聚焦，由機器自動完成，是數(shù)字波束形 成器中采用的，成器中采用的， 可以對于接收聲束進行全程實可以對于接收聲束進行全程實 時動態(tài)聚焦，在整個掃差深度上都可以達(dá)到較時動態(tài)聚焦，在整個掃差深度上都可以達(dá)到較 高的側(cè)向分辨力。高的側(cè)向分辨力。 探頭發(fā)射的聲束的聚焦，通過調(diào)節(jié)其數(shù)量、位探頭發(fā)射的聲束的聚焦，通過調(diào)節(jié)其數(shù)量、位 置及間距，可以實現(xiàn)圖像的優(yōu)化。置及間距，可以實現(xiàn)圖像的優(yōu)化。 聚焦數(shù)量過多，也會影響幀頻。聚焦數(shù)量過多，也會

22、影響幀頻。按下按鈕，超聲儀會自動對儀器的灰階超聲按下按鈕，超聲儀會自動對儀器的灰階超聲 的顯示進行調(diào)節(jié)。的顯示進行調(diào)節(jié)。方便操作，提高效率。方便操作，提高效率。并不絕對，實際操作中還是需要因人、因部位、并不絕對，實際操作中還是需要因人、因部位、 因環(huán)境等隨時進行調(diào)節(jié)。因環(huán)境等隨時進行調(diào)節(jié)。幀頻，也叫超聲時間分辨率，是指每秒成像的幀數(shù)。幀頻，也叫超聲時間分辨率，是指每秒成像的幀數(shù)。幀頻越高，獲取圖像的時間越短，成像越快，圖像幀頻越高，獲取圖像的時間越短，成像越快，圖像 的顯示也越平穩(wěn)。的顯示也越平穩(wěn)。成像幀頻大小與多聲束形成技術(shù)和探測深度相關(guān)。成像幀頻大小與多聲束形成技術(shù)和探測深度相關(guān)。 多聲束

23、成像技術(shù)可以提高幀頻；多聲束成像技術(shù)可以提高幀頻； 探測深度越小，成像幀頻就越高。探測深度越小，成像幀頻就越高。影響幀頻的因素：深度、焦點、動態(tài)范圍、影響幀頻的因素：深度、焦點、動態(tài)范圍、 彩色取樣框大小。彩色取樣框大小。實時成像：實時成像：儀器每秒的速度達(dá)到儀器每秒的速度達(dá)到24幀以上，可顯示各種靜幀以上，可顯示各種靜 態(tài)及活動臟器，如心臟及血管的搏動、胎心等。態(tài)及活動臟器，如心臟及血管的搏動、胎心等。 分辨力是指超聲檢查時能在熒光屏上被分別顯示分辨力是指超聲檢查時能在熒光屏上被分別顯示 為兩點的最小間距。為兩點的最小間距。 依方向不同可分為縱深分辨力與橫向分辨力依方向不同可分為縱深分辨力與橫向分辨力 (depth resolution a