醫(yī)學(xué)圖像技術(shù)應(yīng)用---超聲成像教案

1、醫(yī)學(xué)圖像技術(shù)應(yīng)用-超聲成像教案Medical Imaging Technology超聲物理超聲波的基本概念超聲波在介質(zhì)中的傳播特性多普勒效應(yīng)超聲換能器超聲場(chǎng)血流動(dòng)力學(xué)效應(yīng) Medical Imaging Technology超聲波的基本概念聲音實(shí)質(zhì)是機(jī)械振動(dòng)在媒質(zhì)中的傳播Medical Imaging Technology縱 波1830年法國(guó)Savart,音調(diào)極限實(shí)驗(yàn)，24000赫茲 自然界存在聽(tīng)不到的聲音Medical Imaging Technology蝙蝠選擇超聲的理由A.聲波在一定范圍內(nèi)，頻率越高，反射越大；B.對(duì)于同樣大小的聲源，發(fā)射聲波的頻率越高，聲波的方向性就越好；C.對(duì)于同樣大

2、小的反射體，同樣大小的波長(zhǎng)，聲波的強(qiáng)度越大，回波越強(qiáng)。Medical Imaging TechnologyMedical Imaging Technology超聲次聲振動(dòng)頻率20,000Hz的聲波超聲波(Ultrasonic)振動(dòng)頻率液氣體。瑞利，RayleighMedical Imaging Technology超聲物理超聲波的基本概念超聲波在介質(zhì)中的傳播特性多普勒效應(yīng)超聲波的發(fā)生與接收壓電效應(yīng)超聲場(chǎng)血流動(dòng)力學(xué)效應(yīng) 超聲波的反射與折射 超聲在密度均勻的介質(zhì)中傳播，不產(chǎn)生反射和散射。當(dāng)通過(guò)聲阻抗不同的介質(zhì)時(shí)，在兩種介質(zhì)的交界面上產(chǎn)生反射與折射或散射與繞射。 Medical Imaging Te

3、chnology超聲波的反射與折射 Medical Imaging Technology超聲波的入射、反射和折射示意圖大界面 折射波 入射波 反射波 Z0.1%即可產(chǎn)生反射 聲阻抗差大，反射強(qiáng)超聲波的反射與折射 Medical Imaging Technology超聲波的反射與折射 Medical Imaging Technology 反射、折射與透射：凡超聲束所遇界面的直徑大于超聲波波長(zhǎng)（稱(chēng)大界面）時(shí)，產(chǎn)生反射與折射。成角入射，反射角等于入射角，反射聲束與入射聲束方向相反。垂直入射時(shí)，產(chǎn)生垂直反射與透射。反射聲強(qiáng)取決于兩介質(zhì)的聲阻差異及入射角的大小。垂直入射時(shí)，反射聲強(qiáng)最大。反射聲能愈強(qiáng)則折

4、射或透射聲能愈弱。進(jìn)入第二介質(zhì)的超聲繼續(xù)往前傳播，遇不同聲阻抗的介質(zhì)時(shí)，再產(chǎn)生反射，依次類(lèi)推，被檢測(cè)的物體密度越不均勻，界面越多，則產(chǎn)生的反射也愈多。 超聲波的散射與繞射 Medical Imaging Technology超聲在傳播時(shí)，遇到與超聲波波長(zhǎng)近似或小于波長(zhǎng)（小界面）的介質(zhì)時(shí)，產(chǎn)生散射與繞射。散射為小介質(zhì)向四周發(fā)散超聲，又成為新的聲源。繞射是超聲繞過(guò)障礙物的邊緣，繼續(xù)向前傳播。超聲波的散射Medical Imaging Technology 遇界面遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)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(xì)胞和臟器內(nèi)的細(xì)微結(jié)構(gòu)。超聲波的繞射 Medical Imaging Techn

5、ology 目標(biāo)大小約為1 2或稍小，超聲波將繞過(guò)該靶目標(biāo)繼續(xù)前進(jìn)，很少發(fā)生反射。 超聲波的吸收與衰減Medical Imaging Technology聲衰減定義： 是指聲能隨著傳播距離而減弱的現(xiàn)象 衰減量=頻率深度 頻率高，衰減重 原因：吸收損耗、聲束擴(kuò)散、反射和折射超聲波的分辨力與穿透力Medical Imaging Technology頻率高，分辨好，穿透差頻率低，分辨低，穿透強(qiáng)對(duì)應(yīng)的臨床應(yīng)用：檢測(cè)淺表器官，采用高頻探頭檢測(cè)深部臟器，采用低頻探頭Medical Imaging Technology超聲物理超聲波的基本概念超聲波在介質(zhì)中的傳播特性多普勒效應(yīng)超聲波的發(fā)生與接收壓電效應(yīng)超聲場(chǎng)

6、血流動(dòng)力學(xué)效應(yīng) Medical Imaging Technology多普勒效應(yīng)Doppler effect聲源和接收體作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，接收體在單位時(shí)間內(nèi)收到的振動(dòng)次數(shù)（頻率），除聲源發(fā)出者外，還由于接收體向前運(yùn)動(dòng)而多接收到（距離/波長(zhǎng)個(gè)）振動(dòng)，即收到的頻率增加了。相反，聲源和接收體作背離運(yùn)動(dòng)時(shí)，接收體收到的頻率就減少，這種頻率增加和減少的現(xiàn)象稱(chēng)為多普勒效應(yīng)。 Medical Imaging Technology多普勒效應(yīng) 相對(duì)靜止相對(duì)運(yùn)動(dòng)背離運(yùn)動(dòng)Medical Imaging Technology多普勒效應(yīng)Medical Imaging Technology超聲多普勒 利用多普勒效應(yīng)原理檢測(cè)運(yùn)動(dòng)

7、物體。當(dāng)發(fā)射超聲傳入人體某一血液流動(dòng)區(qū)，被紅細(xì)胞散射返回探頭，回聲信號(hào)的頻率可增可減，朝向探頭運(yùn)動(dòng)的血流，探頭接收到的頻率較發(fā)射頻率增高，背離探頭的血流則頻率減低。接收頻率與發(fā)射頻率之差稱(chēng)多普勒頻移或差頻。目前常用的超聲多普勒有連續(xù)波多普（CWD）、脈沖波多普勒（PWD）及彩色多普勒（CDFI）。Medical Imaging Technology超聲多普勒多普勒頻移（Fd）與發(fā)射頻率（fo）、血流速度（V）、超聲束與血流間夾角（）的余弦成正比，與聲速（C）成反比，公式為：式中Fd、cos均可測(cè)得，fo及C為已知，可以計(jì)算出V聲束與血流方向平行時(shí)可記錄到最大血流速度聲束與血流方向垂直時(shí)則測(cè)不到

8、血流信號(hào)。VMedical Imaging Technology超聲多普勒cos900，血流迎向探頭，fd為正值稱(chēng)為正性頻移cos900，血流遠(yuǎn)離探頭，fd為負(fù)值稱(chēng)為負(fù)性頻移夾角對(duì)fd值的影響Medical Imaging Technology超聲多普勒血流速度測(cè)量對(duì)于腦循環(huán),心血管疾病的診斷非常重要。利用超聲多普勒技術(shù)測(cè)量血流的成功，是人們可不必切開(kāi)皮膚，從血管中插入導(dǎo)管來(lái)測(cè)血流，只需在體外就可實(shí)現(xiàn)血流的無(wú)損測(cè)量。Medical Imaging Technology超聲物理超聲波的基本概念超聲波在介質(zhì)中的傳播特性多普勒效應(yīng)超聲換能器超聲場(chǎng)血流動(dòng)力學(xué)效應(yīng) Medical Imaging Tec

9、hnology超聲換能器Transducer超聲換能器是由壓電晶片組成，晶片受電信號(hào)激發(fā)發(fā)射超聲，進(jìn)入人體組織，遇不同聲阻界面產(chǎn)生反射與散射、晶片又接收回聲信號(hào)，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)、送入儀器。晶片將電能轉(zhuǎn)換成聲能（發(fā)射），又能將聲能轉(zhuǎn)換成電能（接收），稱(chēng)之為聲電換能器。Medical Imaging Technology壓電效應(yīng)（Piezoelectricity）有些種類(lèi)的單晶體對(duì)它施加機(jī)械應(yīng)力，它的表面會(huì)出現(xiàn)電荷（正效應(yīng)），反過(guò)來(lái)，對(duì)它加電壓，它的尺寸會(huì)改變(逆效應(yīng))。 天然晶體、壓電陶瓷電能 機(jī)械振動(dòng)能1880,居里兄弟Medical Imaging Technology超聲波的發(fā)射與接收（壓電

10、效應(yīng)）發(fā)射：電訊號(hào)換能器超聲波(逆效應(yīng))接收：反射波換能器電信號(hào)(正效應(yīng))Medical Imaging Technology超聲波的發(fā)射與接收（壓電效應(yīng)）逆壓電效應(yīng)示意圖+ + + + + + + + + + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - + + + + + + + + + + + + + + + + +-+發(fā)射超聲Medical Imaging Technology超聲波的發(fā)射與接收（壓電效應(yīng)）正壓電效應(yīng)示意圖+ + + + + + + + + + + + + + + + + - - -

11、- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - + + + + + + + + + + + + + + + + +正壓負(fù)壓接收超聲Medical Imaging Technology超聲物理超聲波的基本概念超聲波在介質(zhì)中的傳播特性多普勒效應(yīng)超聲波的發(fā)生與接收壓電效應(yīng)超聲場(chǎng)血流動(dòng)力學(xué)效應(yīng) Medical Imaging Technology超聲場(chǎng)超聲場(chǎng)特性：超聲在介質(zhì)內(nèi)傳播的過(guò)程中，明顯受到超聲振動(dòng)影響的區(qū)域稱(chēng)超聲場(chǎng)。超聲場(chǎng)具有以下特點(diǎn)：如果超聲換能器的直徑明顯大于超聲波波長(zhǎng)，則所發(fā)射的超聲波能量集中成束狀向前傳播，這現(xiàn)象稱(chēng)為超聲的束射性（或稱(chēng)指向性）。近場(chǎng)區(qū) ：換能器近側(cè)的超聲波束寬度與聲源直徑相近似，平行而不擴(kuò)散，近似平面波，該區(qū)域稱(chēng)近場(chǎng)區(qū)。近場(chǎng)區(qū)內(nèi)聲強(qiáng)分布不均勻。 遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū) ：近場(chǎng)區(qū)以外的聲波以某一角度擴(kuò)散稱(chēng)遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)。 Medical Imaging Technology超聲場(chǎng)近場(chǎng)遠(yuǎn)場(chǎng)DD聲源直徑 擴(kuò)散角頻率高，波長(zhǎng)短，呈直線傳播Medical Imaging Technology超聲場(chǎng)L0=r2f/Csin