成像理論第八章

1、醫(yī)學影像成像理論制作：竇汝海第三節(jié) 超聲成像系統(tǒng)工作原理 超聲診斷儀與介質(zhì)的聲阻抗（Z）密切相關(guān)，正常組織與病變組織的聲阻抗不同，就有可能形成異常的界面聲波反射，檢測這種異常回波就可以區(qū)分正常組織與病灶。 超聲回波檢測主要是測量聲壓（聲振幅），因此，超聲探頭對聲壓敏感的元件超聲診斷種類超聲診斷種類 超聲示波法（型，Amplitude mode) 淘汰臨床已基本不使用了 二維超聲顯像法（B型，Brightness mode) 超聲光點掃描法（型，Motion type) 超聲頻移診斷法（D型，Doppler type) Doppler 超聲診斷法（PW CW) 彩色Doppler超聲 （CDFI

2、 ) 彩色Doppler能量圖 (CDE)超聲造影一、A型超聲診斷儀 A型超聲診斷儀是幅度調(diào)制型（amplitude modulated mode）超聲診斷儀的簡稱。 A型超聲診斷儀是通過測量線度及分析回波幅度的分布來獲得組織的特征信息 一維超聲檢查 利用脈沖回波成像技術(shù)利用脈沖回波成像技術(shù) 二、B型超聲診斷儀 （一）基本原理 B型超聲診斷儀（簡稱B超）是亮度調(diào)制顯示（brightness modulated display）超聲診斷儀的簡稱。 B型超聲診斷儀（簡稱B超）是在A超基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它的工作原理與A超基本相同，也是利利用脈沖回波成像技術(shù)用脈沖回波成像技術(shù)。因此它的基本構(gòu)成也是由探

3、頭、發(fā)射電路、接收電路和顯示系統(tǒng)組成。 B超與A超不同之處：將A超的幅度調(diào)制顯示改為亮度調(diào)制顯示，即將放大后的回波脈沖電信號送到顯示器的陰極，使顯示的亮度隨著回波信號的大小變化； 時基深度掃描加在顯示器垂直方向上，使聲束掃查受檢體的過程與在顯示器水平方向上的位移掃描相對應，構(gòu)成切面顯示圖像 在回波信號處理與圖象處理各環(huán)節(jié)上，大部分的B超都應用了專門的數(shù)字計算機控制數(shù)字信號的存儲與處理以及整個成像系統(tǒng)的運行，使圖象質(zhì)量大為提高 工作過程：探頭每發(fā)射一個超聲脈沖后處于接收狀態(tài)，接收回波后將回波的聲壓轉(zhuǎn)變成電信號，經(jīng)過放大、檢波、濾波、時間增益補償?shù)忍幚?，再將電信號的幅度值轉(zhuǎn)換成亮度在顯示器上顯示。

4、 （二）B型超聲掃描原理 超聲束通過組織時，經(jīng)過幾個反射層，在顯示器上有幾個亮點的顯示群體形成。探頭在體表移動時，每改變一次探測部位就可以得到一條掃描亮點線（掃描線）。若干個探測部位形成了若干條掃描線，所有探測部位形成的掃描線同時在顯示器上顯示出來構(gòu)成一幅斷層圖像 B型超聲斷層顯示儀又稱B型超聲斷層顯像儀 B型顯示是將脈沖回波信號加在顯示器的Z軸（Z）上進行亮度調(diào)制，回波越強，光點越亮，所以稱為亮度調(diào)制顯示。 B超掃描中，回波信號加在顯示器的調(diào)灰板（Z軸）上形成光點，光點輝度（灰階）與回波幅度存在函數(shù)關(guān)系。代表不同回波幅度的灰階點，按其回聲源的空間位置，顯示在與聲束掃查線對應的顯示掃描線上，

5、Y 軸反映組織的深度。 X軸表示聲束在掃查方向上的位置（斷層圖像的寬度）。 顯示器上每一條掃描線與聲束在組織內(nèi)的傳播有嚴格的對應關(guān)系，由同步電路實現(xiàn)。 B超按掃查技術(shù)：手動掃查技術(shù)、機械掃查技術(shù)、電子掃查技術(shù)、環(huán)陣掃查技術(shù) B超按掃查方式：線形掃查、扇形掃查、弧形掃查 B超按顯示圖像：靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示 （三）手動掃描斷層成像儀的工作原理 B型超聲手動掃描斷層成像儀是最早應用于臨床，具有掃描范圍大、線條密以及圖像輪廓清晰等優(yōu)點。 圖8-21 （四）實時成像儀的工作原理 1、特點：實時成像儀是在靜態(tài)成像系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了驅(qū)動器和掃描控制單元，來控制波束的發(fā)射方向，同時控制位置檢出電路所產(chǎn)生的相應

6、偏轉(zhuǎn)電壓（X、Y軸偏轉(zhuǎn)電壓）加到掃描轉(zhuǎn)換器上，使圖像在水平方向展開 圖8-22 實時成像儀采用快速掃描，成像速度快，可達每秒30幀以上。操作者只要移動或偏轉(zhuǎn)探頭，就可以在任何方向上掃查出圖像，且能顯示運動著的器官 2、實時成像儀中的探頭 掃描方式：機械掃描器、電子掃描器、復合掃描器 （五）回波信號處理 1、回波信號形成：超聲回波信號主要有反射信號和散射信號 人體組織十分復雜，超聲在體內(nèi)發(fā)生多種傳播，所以返回探頭的超聲應該是人體內(nèi)所有超聲效應作用的混合效果 B型超聲顯像儀設(shè)計必須考慮三個重要的超聲效應：生物組織對超聲波的衰減效應、人體臟器的反射和散射效應、超聲波在人體組織內(nèi)的多重反射效應 2、回

7、波信號的預處理 預處理階段：對回波電信號進行放大、檢波、衰減補償、信號壓縮 對數(shù)壓縮：回波信號波動范圍大，顯示器的視覺分辨亮度的變化范圍小。使用對數(shù)壓縮技術(shù)對數(shù)放大器，這樣使弱小回波信號增大，補償了反射信號和散射信號的強度差異。 時間增益補償：通常用低增益放大淺部回聲信號，以高增益放大深部信號。 3、信號轉(zhuǎn)換 借助計算機，把超聲圖像由CRT顯示轉(zhuǎn)換為標準的電視（TV）圖像。 數(shù)字掃描轉(zhuǎn)換器的主體是圖像存儲器。將獲得的視頻信號用A/D轉(zhuǎn)換器變?yōu)閎位的二進制數(shù)字信號，用數(shù)字表示回波信號的大小，然后按一定編排存入存儲器。 4、超聲回波信號的后處理 超聲回波信號以數(shù)字信號的形似存入存儲器中稱為像素信號

8、。 對像素信號的后處理：像素亮度后處理空間處理圖像序列處理圖像凍結(jié)三、M型超聲診斷儀 M型超聲診斷儀，又稱時間運動型超聲診斷儀，基本原理也是利用回波成像技術(shù)利用回波成像技術(shù)。 （一）基本原理 A型與B型混合顯示型 （二）工作原理 M型超聲診斷儀的最大特點：檢測人體內(nèi)運動器官 專門診斷心臟的各種疾病，如：心血管大小及厚度的測量、心臟瓣膜運動狀況的測量等四、超聲多普勒成像系統(tǒng) （一）工作原理 根據(jù)多普勒效應根據(jù)多普勒效應制成的超聲診斷儀稱為多普勒超聲診斷儀（又稱D型超聲診斷儀） 超聲多普勒成像系統(tǒng)的基本工作原理是依據(jù)多普勒效應 超聲多普勒技術(shù)分類：頻譜多普勒、彩色多普勒血流成像 基本工作過程： 發(fā)

9、射固定頻率的脈沖式或連續(xù)式超聲； 提取頻率已經(jīng)變化的回聲（差頻回聲、或差頻回聲的強度等）； 將回聲頻率與發(fā)射頻率相比，取得兩者間的差值及正負。將所獲得的數(shù)據(jù)進行不同的顯示，成為不同的超聲多普勒技術(shù) 1多普勒頻移信號的產(chǎn)生：多普勒系統(tǒng)的主要工作是檢測頻率的變化量并加以分析處理，不同的多普勒系統(tǒng)具有不同的信號檢出方式。 超聲多普勒頻移fd值均在音頻范圍內(nèi)，可用揚聲器監(jiān)聽或用示波器進行觀察。 2多普勒頻移信號的解調(diào) D超的換能器接收到的回波信號非常復雜是多種反射波的組合信號：有運動目標的fd信號，有靜止目標或慢速運動目標等產(chǎn)生的回波信號，也有聲、電泄漏和復雜界面的散射波。 多普勒頻移解調(diào)目的：從復雜

10、的回波信號中提取有用的fd信號。 由于血流的速度V遠小于發(fā)射波聲速c，要求解調(diào)器能檢測出頻率為發(fā)射頻率1%以下的fd。雜波分量的幅度通常比有用的fd信號大得多，還要求解調(diào)器檢出被雜波所掩蓋的fd信號。 方法：非定向型解調(diào)和定向型解調(diào)。 3多普勒頻移信號的處理 fd 信號解調(diào)后，必須進一步進行分析處理，尤其是脈沖多普勒，取樣容積是一個小體積，其內(nèi)有眾多的紅細胞，它們的速度不相同，產(chǎn)生的fd 也不相同，因此散射回的超聲脈沖多普勒信號是由各種不同頻率合成的復雜信號（有一定頻寬）。 對這種信號進行頻譜分析，獲得采樣區(qū)域血流速度信息與波形頻率有關(guān)的內(nèi)容 （1）時域處理：顯現(xiàn)與頻率分量有關(guān)的參數(shù)。 （2）

11、頻域處理：利用頻譜分析器對多普勒信號的頻率分布進行分析，它對識別和抑制偽差信號，或者在SNR特別差的情況下分析多普勒波形完整頻譜等是必不可少的。 4多普勒頻移信號的顯示 主要是頻譜顯示，包括： 頻率-時間顯示 幅度-頻率顯示 主頻顯示 均值顯示 標準差顯示 能量指數(shù)顯示等。 （1）頻移時間：橫坐標代表血流持續(xù)的時間s； （2）頻移幅度：縱坐標代表血流速度的大小，單位為ms-1（速度）或kHz（頻移） （3）頻移方向：以頻譜中間的零位基線區(qū)分。）頻移方向：以頻譜中間的零位基線區(qū)分。基線以上的fd信號為正，表示血流方向朝向探頭；基線以下的fd信號為負，表示血流方向背離探頭； （4）頻譜強度：）頻譜

12、強度：以頻譜的亮度表示，反映取樣容積或探查聲束內(nèi)具有相同流速的紅細胞相對數(shù)量的多少。速度相同的紅細胞數(shù)量越多，散射的信號強度越大，頻譜的灰階越深；相反，速度相同的紅細胞數(shù)量越少，散射的信號強度就越低，頻譜的灰階越淺。 5）頻譜寬度（離散度）：表示某一時刻取樣血流中紅細胞速度分布范圍的大小。速度分布范圍大，頻譜增寬； 人體正常血流是層流，速度梯度小，頻譜較窄； 病變時是湍流狀態(tài)，速度梯度更大，頻譜更寬。當頻譜增寬至整個頻譜高度時，稱為頻譜充填。 頻譜寬度是識別血流動力學改變的重要因素 （二）連續(xù)波多普勒超聲儀 連續(xù)波多普勒技術(shù)是多普勒超聲技術(shù)中最基本、最早出現(xiàn)的一種多普勒超聲技術(shù) 1、工作原理

13、圖8-27 （三）脈沖多普勒成像儀 連續(xù)波多普勒成像儀無法分辨距離。 脈沖多普勒系統(tǒng)可以地連續(xù)波發(fā)射進行脈沖幅度調(diào)制，它同時兼?zhèn)涿}沖回波系統(tǒng)的距離鑒別能力和連續(xù)波多普勒的速度鑒別能力的優(yōu)點。 （四）彩色多普勒血流成像儀 1主要特點 彩色多普勒血流成像儀是利用自相關(guān)的技術(shù)得到血流的速度信息，然后通過彩色的編碼技術(shù)將血流的速度信息加在B型圖像的相應位置，使血流和組織分別以彩色和黑白同時顯示出來。 血流成像系統(tǒng)：一個B型超聲成像系統(tǒng)、一個自相關(guān)技術(shù)的速度測量系統(tǒng)、2D彩色流速成像系統(tǒng)組成。 2、血流的彩色多普勒顯示方法 （1）血流方向表示：朝向探頭的正向血流以紅色表示，遠離探頭的負向血流以藍色表示。

14、 （2）血流速度表示：以彩色信號色調(diào)表示血流速度快慢，血流速度的快慢由顏色的輝度級來顯示，最亮到最暗分為八級，分別代表著不同的速度，可估計速度快慢，而不能作出定量判斷。 （3）血流分散的顯示：所謂分散就是血流的紊亂情況，用綠色表示。綠色代表紊亂的血流，且以輝度強弱代表血流紊亂的程度，凡紊亂較輕者綠色暗淡，程度嚴重者綠色鮮亮。 正向血流如有紊亂者在顯示器上呈黃色，負向血流有紊亂者則呈青色。五、其他超聲成像 1、P型超聲診斷儀 2、彩色多普勒能量圖 3、組織多普勒成像 4、超聲諧頻成像 5、三維超聲成像 利用計算機對器官的一些結(jié)構(gòu)進行三維模型重建 （1）成像原理：立體幾何構(gòu)成法（已很少應用）；表面輪廓提取法：將三維超聲空間中一系列坐標點相互連接，形成若干簡單直線描述臟器的輪廓； 體元模型法：目前最理想的動態(tài)三維超聲成像技術(shù)，對結(jié)構(gòu)的所有組織信息進行重建。將三位物體劃分成依次排列的小立方體，一個小立方體就是一個體元。一定數(shù)目的體元按相應的空間位置排列即可構(gòu)成三維立方圖