超聲物理學的現(xiàn)象.劉明姬..

1、超聲的物理學現(xiàn)象與成像超聲的物理學現(xiàn)象與成像的原理詳解的原理詳解中山大學附一黃埔院區(qū)麻醉科 劉明姬內(nèi) 容n超聲波物理學概念n超聲探頭原理-超聲波的產(chǎn)生及傳播n優(yōu)化超聲圖像需要超聲物理知識q選擇合適探頭q增益設置q深度設置q組織回聲超聲特性q超聲偽像n成像模式超聲波的相關(guān)概念超聲波的相關(guān)概念- -定義定義超聲波超聲波是指聲波振動頻率超過人類聽覺可辨別范圍（大于20000Hz）的聲波，簡稱超聲。超聲波的相關(guān)概念超聲波的相關(guān)概念- -單位單位l MHz 兆赫 l KHz 千赫 l Hz 赫茲 換算是以1000為換算原理 例：1MHz=1000KHz l 常用醫(yī)學超聲檢查頻率為2-10MHzl 聲波和

2、超聲的行為原則卻是相似的物理量定義物理量定義頻率頻率(frequency): 一秒內(nèi)出現(xiàn)振動波 的次數(shù)為頻率(f)，其單位為赫 茲(Hz)。波長波長(wavelength)：兩個相鄰密部 或疏部之間的距離為波長()。聲速聲速(wave velocity): 每秒聲波傳播 的距離為波速(C)， C=f超聲學的相關(guān)概念超聲學的相關(guān)概念- -主要物理參數(shù)主要物理參數(shù)縱波：空氣、液體中傳播橫波、縱波：固體中傳播 聲聲 速速 從聲波傳播速度考慮，人體組織可分類： 軟組織：約1541m/s 氣 體：約350m/s 骨 骼：約3852m/s 醫(yī) 用：以軟組織 的平均聲速1540m/s t 組織厚度= 2可通

3、過聲速測量軟組織的厚度 聲聲阻抗阻抗定義：介質(zhì)中某點的聲壓(P)與質(zhì)點振動速度(V)之比 為該點的聲阻抗（Z）。l 聲阻抗是“機-電類比”中與電阻 抗相類比而稱的。l 意義：表示介質(zhì)傳播超聲波能力的 重要物理量。l 聲阻聲阻:為介質(zhì)的密度() 和聲速(C) 的乘積(Z)， Z=CZ =C 單位為（ Kgm2）s超聲探頭原理超聲探頭原理- -壓電式轉(zhuǎn)換器原理壓電式轉(zhuǎn)換器原理l一些晶體類物質(zhì)，如石英或電氣石等，可呈現(xiàn)一種被稱為壓電效應的特性。 -即當施加給它們一定的電壓時，它們會改變形狀；相反當用力擠壓使其變形時，則會產(chǎn)生電壓。l當這種物質(zhì)接收電脈沖時，會不停的變形從而產(chǎn)生震蕩，將電能轉(zhuǎn)化為機械能

4、。l這種震蕩在晶體的共振頻率重復發(fā)生，且頻率的高低與晶體的厚度成反比。l現(xiàn)代超聲探頭使用的是比石英具有更大壓電性能的物質(zhì)，如鋯鈦酸鋁等。n探頭的壓電晶體將電流轉(zhuǎn)換成機械性壓力波然后將返回的機械性壓力信號轉(zhuǎn)換成電信號。 探頭（換能器）原理探頭（換能器）原理p電壓引起晶體振動產(chǎn)生聲波p產(chǎn)生聲波在組織中傳播p聲波在不同機構(gòu)中產(chǎn)生反射p回波到達晶體p聲能轉(zhuǎn)換成電信號p信號加工處理p顯示圖像聲波產(chǎn)生聲波產(chǎn)生保護層 保護探頭表面匹配層 幫助聲波的傳導壓電晶體 傳輸/接受聲波背襯層 衰減聲波背向輻射能量匹配層背襯層壓電晶體保護層探頭的構(gòu)成探頭的構(gòu)成換能器背向吸收材料手柄匹配層電纜n匹配層匹配層 用于減少由于

5、皮膚與探頭之間聲組抗的差別所造成的多重反射。n換能器換能器 將能量從一種形式轉(zhuǎn)換成另一種形式。n背向吸收材料背向吸收材料 減輕來自晶片的振動，縮短波長并提高軸向分辨率。n探頭探頭 將以上所有部件組合在一起。不同類型探頭l晶體呈線陣排列 l晶體按一定順序施加脈沖激勵l線陣探頭常用于血管或表淺組織成像接觸面線陣探頭線陣探頭凸陣探頭主要是接觸面為凸狀的線陣排列的探頭 在近場和遠場有較大的視野一般應用于腹部和產(chǎn)科檢查 凸陣探頭凸陣探頭l晶體受到定向激勵形成扇形圖像接觸面小用于肋骨之間較小的解剖聲窗相控陣探頭多用于心臟、小兒科以及腹部檢查相控陣探頭相控陣探頭探頭識別 格式 接觸面 頻率 凸陣 C 60

6、5-2線陣 H 38 13-5 相控陣 P 21 5-1 超聲波束超聲波束波束 大約厚1mm波束斷層掃描形成二維圖像1 mm刻痕凹槽每個探頭都有它自己的方向標識超聲波的傳播n聲波在空氣中的傳播速度約為330m/s,而其在水中的傳播速度是在空氣中傳播的5倍左右。介質(zhì) 速度水 1480 m/sec空氣 330 m/sec肝臟 1550 m/sec骨骼 4080 m/sec脂肪 1440 m/sec鋼 6000 m/sec平均 = 1540 m/s探頭在接觸皮膚時需使用具有傳導力的凝膠- 耦合劑n連接體n超聲不是在空氣中傳播的n耦合劑作為聲波在身體傳播的媒介，消除氣體形成的縫隙p 超聲經(jīng)過組織時，可

7、以發(fā)生透過、反射、折射、散射，甚至轉(zhuǎn)化成另一種能量（比如熱能）。 p 超聲波入射到比波長大的界面且有一定聲阻差時，就會產(chǎn)生反射。如遇兩聲速不同的介質(zhì)時可引起傳播方向的改變，即為折射。界面：兩個介質(zhì)的分界面聲阻差：兩個介質(zhì)聲阻抗 的差值入射角：聲波入射到界面 的角度散射散射與繞射與繞射散射：遇界面遠小于波長的微小粒子，超聲波將產(chǎn)生散射，人體內(nèi)的散射源為紅細胞和臟器內(nèi)的細微結(jié)構(gòu)。繞射：聲波在傳播過程中，如遇到直徑小于超聲半個波長的障礙時，其聲波會繞過障礙物而繼續(xù)傳播為繞射 反射反射 Reflection 返回探頭 散射散射 Scatter 各個方向的反射 折射折射 Refraction 方向改變后

8、部分到達探頭 吸收吸收 Absorption 轉(zhuǎn)換成熱量聲能衰減定義：是指聲能隨著傳播距離而減弱的現(xiàn)象定義：是指聲能隨著傳播距離而減弱的現(xiàn)象 衰減量衰減量 = = 頻率頻率深度深度衰衰 減減聲能隨著距離增加而減少聲能隨著距離增加而減少原因：反射、散射和吸收 聲波發(fā)生散射，折射和吸收產(chǎn)生衰減 衰減減弱信號的強度 深度越深，信號越弱衰減 & 增益n可以通過調(diào)節(jié)增益來補償衰減n時間增益補償調(diào)整回波信號n取決于深度 近場 / 遠場 時間增益補償使用近場或遠場增益來平衡圖像超聲增益 增益設置 近場增益太低近場增益太低平衡平衡遠場增益太低遠場增益太低 增益設置 太暗太暗平衡平衡太亮太亮圖像特征圖像特征橫向

9、分辨力: 是區(qū)分處于與聲束軸線垂直平面兩個物體的能力，與聲束的寬度有關(guān)分辨力分辨力( (分辨率分辨率) )超聲儀的分辨力是指探頭區(qū)分不同來源的信號。能夠分辨有一定間距界面的能力。 縱向分辨力： 為區(qū)別聲束軸線上兩個物體的距離，與超聲的頻率有關(guān)。 n時間分辨率與時間相關(guān)，在超聲上表現(xiàn)的時間就是幀頻。高幀頻能夠準確地表現(xiàn)運動結(jié)構(gòu)的解剖細節(jié)。時間分辨率時間分辨率灰階是將聲信號的幅度調(diào)制光點亮度，以一定的灰階來表示探測結(jié)果的顯示方式。256灰階灰階灰階( (對比分辨率對比分辨率) )超聲切面(1)縱斷面掃查 (2)橫斷面掃查(3)斜斷面掃查 (4)冠狀面掃查常用掃查切面常用掃查切面 即掃查面與人體的長

10、軸平行?？v向掃查縱向掃查 即掃查面與人體的長軸相垂直。橫向掃查橫向掃查 即掃查面與人體的長軸成一定角度。斜向掃查斜向掃查 即掃查面與人體的額狀面平行。冠狀面掃查冠狀面掃查上腹部縱軸掃查，中心部上腹部縱軸掃查，中心部下腹部縱軸掃查，中心部下腹部縱軸掃查，中心部上腹部縱軸掃查，右側(cè)上腹部縱軸掃查，右側(cè) 上腹部縱軸掃查，左側(cè)上腹部縱軸掃查，左側(cè) 無回聲 液性無回聲： 生理：膽汁 病理：胸腹水 衰減性無回聲： 生理：骨骼 病理：纖維化 均質(zhì)性無回聲： 生理：淋巴結(jié) 病理：淋巴瘤 等回聲 生理：肝臟 低回聲 生理：心肌 病理：甲減 高回聲 生理：包膜 病理：葡萄胎 強回聲 生理：氣體 病理：結(jié)石人體組織

11、反射類型 超聲的臨床基礎 人體組織反射類型 l 含液體臟器如膽囊、膀胱、血管、心臟等，壁與周圍臟器及內(nèi)部液 體間為界面、液體為均勻的無回聲區(qū) l 實質(zhì)性軟組織臟器如肝、脾、腎等臟器均有包膜，周圍有間隙，內(nèi) 部各有一定結(jié)構(gòu)，如肝可以顯示臟器輪廓、均勻的肝實質(zhì)與肝內(nèi)管 道結(jié)構(gòu) l 含氣臟器如肺、由于肺泡內(nèi)空氣與軟組織間聲阻差異極大，在其交 界面上產(chǎn)生全反射（幾乎100），并形成多次反射，即超聲不能 進入正常肺泡。脹氣的胃腸亦如此 l 正常骨骼與周圍軟組織的差異大，在軟組織與骨皮質(zhì)交界處產(chǎn)生強 反射，進入骨骼的超聲由于骨松質(zhì)組織吸收極多而不能穿透（除顱 骨外）。其后方形成無回聲區(qū)稱聲影 回 聲液性無

12、回聲液性無回聲回聲消失(后方回聲增強） 等回聲等回聲與附近組織回聲相等液性無回聲衰減性無回聲均質(zhì)性無回聲低回聲 回聲 低回聲低回聲 比附近組織回聲低 高回聲高回聲比附近組織回聲高（后方無衰減）（后方無衰減）腫瘤腫瘤高回聲后方無衰減強回聲（后方有衰減）強回聲（后方有衰減）多發(fā)性膽結(jié)石膽結(jié)石超聲偽像超聲偽像聲像圖偽像（偽差，artifact）是指超聲顯示的斷層圖像與其相應解剖斷面圖像之間存在的差異。這種差異表現(xiàn)為聲像圖中回聲信息特殊的增添、減少或失真。 避開肋骨，胸骨等. 避免掃查到肺或腸腸腔氣體肋骨形成聲影偽像正常膽囊膽囊結(jié)石超聲偽像當聲波進入低衰減組織時（液體），后方回聲增強可以作為“聲窗”定

13、位解剖結(jié)構(gòu)。優(yōu)化超聲波圖像-探頭選擇l什么是感興趣的區(qū)域？表淺 或深部l掃查聲窗的大小?l病人的胖瘦?探頭選擇 頻率 vs 分辨率p 頻率越高 波長越短- 分辨力越好/穿透力越差p 頻率越低 波長越長- 分辨力越差/穿透力越好n凸陣探頭與線陣探頭q坐骨神經(jīng)q臀大肌q股方肌q股骨n深部組織凸陣探頭 表淺組織-線陣探頭l深度調(diào)節(jié)：p肝臟、心臟等以看見其下緣邊界為準p盡量讓目標結(jié)構(gòu)位于成像區(qū)域中間 在聲源與觀察者作相對運動時，聲波密集，頻率增高；在背向運動時聲波疏散，頻率減低，這種引起聲波頻率變化的現(xiàn)象為多普勒效應。多普勒效應多普勒效應 在超聲醫(yī)學診斷中，超聲多普勒技術(shù)可用于檢測心血管內(nèi)的血流方向、

14、流速和湍流程度、橫膈的活動以及胎兒的呼吸等。 探頭工作時，換能器發(fā)出超聲波，由運動著的紅細胞發(fā)出散射回波，再由接收換能器接收此回波。多普勒效應的臨床應用多普勒效應的臨床應用l具體到超聲檢查過程中，血流朝向探頭運動時，回聲頻率高于發(fā)射頻率，稱為正頻移。l血流背離探頭時，回聲頻率低于發(fā)射頻率，稱為負頻移。l故使用多普勒儀器時，要注意探頭的位置，控制聲速與血流方向的夾角盡可能小，一般小于60度。多普勒效應的臨床應用多普勒效應的臨床應用彩色多普勒效應的臨床應用彩色多普勒效應的臨床應用彩色多普勒正頻移為紅色負頻移為藍色頻譜多普勒正頻移為正向波負頻移為負向波彩色多普勒n角度依賴性n角度垂直彩色不顯示成像模式成像模式一維一維 A A 超超 = = 以幅度標示回波的強度 即輝度調(diào)制型。此法以不同輝度光點表示界面反射信號的強弱