4第4章 醫(yī)學超聲成像技術

第四章醫(yī)學超聲成像技術

高等學校計算機基礎教育課程“十二五”規(guī)劃教材2011.3《醫(yī)學成像及處理技術》本章目錄4.1醫(yī)學超聲成像技術概述4.2醫(yī)學超聲成像技術4.3醫(yī)學超聲成像設備本章小結思考與練習4教學目標

通過本章的學習，掌握超聲波的物理特性和超聲波的成像原理，了解A型（amplitudemode）超聲波診斷儀、M型(motionmode)超聲波診斷儀、B型(brightnessmode)超聲波診斷儀和彩色多普勒(colordoppler)超聲波診斷儀的工作原理。教學重點和難點

超聲波的物理特性超聲波的成像原理A型與M型超聲診斷儀工作原理B型與D型超聲診斷儀工作原理4.1醫(yī)學超聲成像技術概述超聲波是機械波，由物體作機械振動產(chǎn)生，頻率在20Hz～20000Hz之間。具有波長、頻率和傳播速度等物理量。用于醫(yī)學上的超聲頻率為2.5MHz～10MHz，常用的是2.5MHz～5MHz。4.1.1聲波的特性超聲在介質(zhì)中傳播的速度因介質(zhì)不同而異，在固體中最快，液體中次之，氣體中最慢。在人體軟組織中約為1500m·s－1。介質(zhì)有一定的聲阻抗，聲阻抗等于該介質(zhì)密度與超聲速度的乘積。1.聲波的分類(1)按質(zhì)點振動方向和波傳播方向的關系分類。（2）按波陣面的形狀分類。（3）按發(fā)射超聲的類型分類。2.聲波的速度

聲波在介質(zhì)中單位時間內(nèi)傳播的距離，稱為聲速（soundvelocity）。用符號c表示，單位為m／s。聲波的傳播過程實質(zhì)上是能量的傳遞過程，它不僅需要一定時間，而且其傳遞速度的快慢還與介質(zhì)的密度、彈性以及波動的類型有關。對于縱向傳播的平面波，根據(jù)聲學理論有聲速為

(4-1)式4-1中，為介質(zhì)密度，為介質(zhì)的體積彈性模量。2.聲波的速度表4-1超聲波在人體組織器官與有關的介質(zhì)中的速度介質(zhì)傳播速度(m/s)介質(zhì)傳播速度(m/s)空氣(0℃)332角膜1550空氣(15℃)341海水(30℃)1545石蠟油(33.5℃)1420腎臟1560脂肪1476肌肉(平均值)1568玻璃體1532血液1570房水1532肝臟1570生理鹽水1534鞏膜1604人體軟組織(平均值)1540水晶體1641腦組織1540頭顱骨33603.

聲壓與聲強（1）聲壓。對于一無吸收介質(zhì)的平面波，有波動時壓強的最大值與沒有波動作用時各點壓強的差值稱為壓強振幅()，由式4-2確定：（4-2）式4-2表明，聲壓振幅與介質(zhì)密度、質(zhì)點的振動速度（簡稱振速）的最大值及波速c成正比。3.

聲壓與聲強（2）聲強。聲強（soundintensity）是表示聲波的客觀強弱的物理量，它用每秒鐘通過垂直于聲波傳播方向的1平方厘米面積的能量來度量，它的單位是焦耳／(秒·平方厘米)［J/(s·cm2)］。聲強與聲源的振幅有關（聲強與振幅的平方成正比），振幅越大，聲強也越大；振幅越小，聲強也越小。當聲源發(fā)出的聲波向各個方向傳播時，其聲強將隨著距離的增大而逐漸減弱。這是由于聲源在單位時間內(nèi)發(fā)出的能量是一定的，離開聲源的距離越遠，能量的分布面也越大，因此通過單位面積的能量就越小。

4．聲阻抗聲阻抗（acousticimpedance）是描述彈性介質(zhì)傳播聲波的一個重要物理量。將介質(zhì)中某點的聲壓幅值與質(zhì)點振動的速度幅值之比，稱為聲阻抗。它用表示：

（4-3）4．聲阻抗表4-2人體組織及相關物質(zhì)的聲阻抗介質(zhì)密度(g／cm3)聲阻抗(×106N·s／m3)

空氣(0℃)0.001290.000428水(37℃)0.99341.513生理鹽水(37℃)1.0021.537石蠟油(33.5℃)0.8351.186血液1.0551.656腦脊水1.0001.522羊水1.0131.493肝臟1.0501.648肌肉(平均值)1.0741.684軟組織(平均值)1.0161.524脂肪0.9551.410顱骨1.6585.570水晶體1.1361.8745．超聲波的產(chǎn)生如圖4-2所示，它由高頻脈沖發(fā)生器和壓電晶體兩部分組成。如果在壓電晶體（如石英、酒石酸鉀鈉等）兩端有拉力作用，晶體兩端能分別出現(xiàn)正、負電荷，產(chǎn)生出電壓來，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(piezoelectriceffect)。反過來，壓電晶體在電場的作用下，能按電場變化的規(guī)律伸長或縮短，這種現(xiàn)象稱為電致伸縮效應，也稱為逆壓電效應。5．超聲波的產(chǎn)生高頻脈沖發(fā)生器功率放大器壓電晶體圖4-2超聲波的產(chǎn)生5．超聲波的產(chǎn)生利用逆壓電效應，將高頻脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的周期性變化的電場加到壓電晶體的兩端，在電場作用下，壓電晶體就能在介質(zhì)中產(chǎn)生超聲波。利用壓電效應可以接收超聲波，當超聲波作用于晶體上時，周期性地在晶體上施加變化的作用力，壓電晶體產(chǎn)生與之同頻率的電壓，電壓的大小與超聲波的聲壓大小成正比，利用示波器就可以把晶體上產(chǎn)生的電壓測量并顯示出來，超聲波的接收，如圖4-3所示。5．超聲波的產(chǎn)生信號放大器壓電晶體示波器或顯示器圖4-3超聲波的接收6．超聲波的特性（1）超聲的指向性。（2）超聲的多普勒效應。（3）超聲的生物效應。4.1.2聲波的衰減聲波在介質(zhì)中傳播時，隨著傳播距離的增加，其聲強逐漸減弱，這種現(xiàn)象稱為聲波的衰減（attenuationofsoundwave）。聲波在傳播過程中的衰減現(xiàn)象就像物體在運動中的摩擦損耗一樣，總是存在，導致聲波衰減的主要原因有以下幾種。1.擴散衰減

擴散衰減是聲波在空間傳輸中由能量分布的改變造成的衰減，如反射、折射、波陣面表面的擴大造成單位截面積通過的聲能減少。設距離點聲源半徑為的球面上的聲強為，當傳到處其強度為，如果不考慮介質(zhì)的吸收，單位時間內(nèi)通過的波陣面的能量是相等的。即；又知,因此：

(4-5)式4-5稱為平方反比定律（inversesquarelaw）。由此可見超聲波的擴散衰減與波陣面的形狀有關，而與傳播的戒指特性無關。2.散射衰減散射過程可以看成是聲波與眾多的散射中心的多次相互作用的過程，作用的結果是部分聲能轉化為熱能而散失掉。實際的介質(zhì)并不是絕對均勻的，介質(zhì)中可能有外來的雜質(zhì)，如空氣中含有灰塵微粒，液體中有懸浮粒子，這些都成為散射中心，即使單純的介質(zhì)，熱起伏也導致局部密度變化。而生物組織更是一個不均勻介質(zhì)，當聲波傳播遇到這些散射中心并發(fā)生相互作用時，就會出現(xiàn)聲波被散射的現(xiàn)象，從而損耗聲波的能量。3.吸收衰減吸收的機制主要有：①由于介質(zhì)的粘滯性而產(chǎn)生的粘滯吸收。②以熱相互作用為特征的熱傳導和熱輻射吸收。③介質(zhì)吸收聲能使其分子勢能增加，又經(jīng)過一段時間后再以聲波形式向外發(fā)射，這一過程稱為馳豫吸收。④吸收與聲波頻率關系甚大，不同的介質(zhì)對聲波的吸收不同，這種不同在圖像上有所表現(xiàn)。3.吸收衰減超聲在介質(zhì)中傳播發(fā)生衰減，即振幅與強度減小。衰減與介質(zhì)的衰減系數(shù)成正比，與距離平方成反比，還與介質(zhì)的吸收及散射有關。超聲強度的衰減規(guī)律，由式4-6表示

（4-6）式4-6中，為處入射波聲強，為介質(zhì)的衰減系數(shù)，為傳播距離。3.吸收衰減表4-3人體主要組織成分對相應頻率超聲的衰減系數(shù)人體組織衰減系數(shù)(dB·cm-1·MHz-1)頻率范圍(MHz)眼球玻璃體液0.106～30血液0.1810脂肪0.630.8～7.0延髓(順纖維)0.801.7～3.4腦組織0.850.9～3.4肝臟0.940.3～3.4腎臟1.000.3～4.5脊髓1.001.0肌肉(順纖維)1.300.8～4.5顱骨20.001.6肺41.001.04.1.3超聲場1.超聲探頭（1）探頭原理。某些各向異性的材料，在外部拉力或壓力的作用下引起材料內(nèi)部原來重合的正負電荷重心發(fā)生相對位移，在相應表面上產(chǎn)生符號相反的表面電荷，即在機械力作用下產(chǎn)生了電場；又由于在電場的作用下，引起材料內(nèi)部正負電荷重心發(fā)生相對位移，使材料內(nèi)部產(chǎn)生應力導致宏觀上的幾何形變。這種機械能變成電能，電能轉變成機械能的現(xiàn)象也可統(tǒng)稱為壓電效應（piezoelectriceffect）,尤其在臨床上。發(fā)射頭:電能轉變成機械能的現(xiàn)象稱為逆壓電效應。接收頭:機械能轉變成電能的現(xiàn)象稱為壓電效應。（2）材料性能。壓電陶瓷是一種多晶材料，如果溫度發(fā)生變化，晶體內(nèi)部結構也要發(fā)生變化。比如鈣鈦礦型，當溫度低于某一臨界值時是立方晶系，高于時則轉變成另一種晶系，如四方晶系。這時電疇結構完全解體，壓電效應也會自行消失，物理上稱這一臨界溫度為材料的居里點。例如鋯鈦酸（PZT）大約在300～388℃，而鈦酸鋇僅為120℃左右。4.1.3超聲場1.超聲探頭（3）探頭結構。在超聲診斷中，最簡單的探頭是圓片形換能器，在多元線陣電子掃描顯像的超聲診斷儀中，一般常用半圓片。盡管換能器形狀不同，但都是片狀壓電材料，并且其厚度為所用超聲波的半波長。目前醫(yī)學診斷用的超聲探頭有單晶片、多晶片、旋轉探頭和多普勒探頭。其中單晶片是最基本的，其他都是由多個單晶片組合而成。4.1.3超聲場圖

柱形單振元探頭結構剖面4.1.3超聲場2.超聲場分布

探頭晶片的薄厚決定著超聲頻率的高低，晶片愈薄，頻率愈高。目前運用壓電晶片頻率大致在1～10MHz范圍內(nèi)，單晶片探頭的直徑在8～12mm范圍內(nèi)。亦有根據(jù)不同要求而制成的不同尺寸、不同形狀的晶片，例如多晶片探頭常采用多個面積很小的長方形平面晶片。探頭是超聲診斷儀中重要的部件，探測的靈敏度高低、分辨力優(yōu)劣都與探頭直接相關。4.2醫(yī)學超聲成像技術4.2.1超聲成像的物理基礎式中，為從發(fā)出超聲到接受界面反射回波的一段時間，即渡越時間。依據(jù)不同界面的回波時間，可以求出各個界面與換能器之間的距離，這就是廣泛用于脈沖回波測距的理論基礎。4.2.2超聲成像的信息處理1.回聲強度超聲經(jīng)過不同正常器官或病變的內(nèi)部，其內(nèi)部回聲（或稱為回波）可以是無回聲、低回聲或不同程度的強回聲。（1）無回聲。是超聲經(jīng)過的區(qū)域沒有反射，成為無回聲的暗區(qū)(黑影)。（2）低回聲。實質(zhì)器官如肝，內(nèi)部回聲為分布均勻的點狀回聲，在發(fā)生急性炎癥，出現(xiàn)滲出時，其聲阻抗比正常組織小，透過聲強增大，而出現(xiàn)低回聲區(qū)(灰影)。（3）強回聲?？梢允禽^強回聲、強回聲和極強回聲。4.2.2超聲成像的信息處理由于在不同深度上的回波脈沖幅度因其聲波所走路徑（聲程）不同，造成的吸收程度也不同，這使得回波脈沖幅度的差異很大，而回波幅度又決定了像點的亮度（灰度），同樣聲學性質(zhì)的介質(zhì)，在不同深度上，由于吸收衰減使回波亮度有很大差異，給成像造成困難，因此必須對不同深度上的回波進行增益補償，使從深度部位界面反射的回波信號的放大倍數(shù)較大，而距離換能器較近的反射信號，也就是時間上較早達到的回波信號的放大倍數(shù)較小。由此進行的幅度補償稱為時間增益補償（timegaincompensation,TGC）,也稱為深度增益補償（DGC）或靈敏度時間補償(STC)。2.時間增益補償4.2.3三維醫(yī)學超聲成像技術圖三維醫(yī)學彩色超聲診斷儀實物圖

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三維醫(yī)學彩色超聲診斷儀顯示圖像1.三維超聲工作站特點與功能（1）三維超聲工作站軟件特點。①三維超聲采集難度低。軟件具備較強的后期選擇功能，簡化了采集操作方法。②二維序列圖像采集適用最新壓縮格式，并且具備升級能力?？梢员４婧Ａ坎±槐負挠脖P容量不夠。③三維超聲重建運算速度快，3秒鐘即可生成三維影像。④三維超聲重建采用無損重建法不損失任何數(shù)據(jù)。⑤三維超聲影像顯示速度快，512*512*512像素每秒鐘顯示30楨，三維影像顯示時沒有停頓感。⑥預定義了多套偽彩編碼，可以精確自定義偽彩編碼并可保存。⑦軟件適用于所有的windows操作系統(tǒng)。⑧軟件適用于所有的普通超聲診斷儀。⑨軟件適用多數(shù)符合微軟標準的視頻采集卡。1.三維超聲工作站特點與功能（2）三維超聲工作站軟件主要功能有。①表面重建成像。對于不同灰階進行分割，提取出感興趣結構的表面輪廓，適用于膀胱、膽囊、子宮、胎兒等含液性的空腔和被液體環(huán)繞的結構，重建的三維B超圖像清晰直觀，立體感強。②透明成像。該技術采用透明算法實現(xiàn)三維超聲重建，能淡化周圍組織結構的灰階信息，使之呈透明狀態(tài)，著重顯示感興趣區(qū)域的結構，同時部分保留周圍組織的灰階信息，使重建結構具有透明感和立體感，從而顯示實質(zhì)性臟器內(nèi)部感興趣區(qū)域的空間位置。③多平面成像。該方法對三維B超容積數(shù)據(jù)進行不同方向的剪切，生成新的平面圖，主要用來獲得C平面（即與探頭表面平行的平面，又稱冠狀面）的回聲信息。本軟件采用透明成像與多平面成像融合技術，使平面剪切易于操作。④彩色多普勒血流三維成像。利用彩色多普勒血流方向圖后多普勒能量圖的血流信息，對血流的方向、范圍、進行三維成像，用于判斷血管的走行、與周圍組織的關系及感興趣部位的血流灌注的評價。三維彩超重建是本軟件的技術突破。

⑤兼容性強。軟件支持Win98,Win2000,Winnt,WinXP所有Windows操作系統(tǒng)。支持所有普通超聲工作站的所有功能。

2．三維超聲工作站軟件操作特性（1）數(shù)據(jù)采集。（2）數(shù)據(jù)選擇。（3）三維重建。（4）三維顯示。（5）三維影像操作。（6）三維偽彩。（7）最大值與最小值的算法選擇。（8）三維圖像的采集。（9）其他功能。4.2.4四維醫(yī)學超聲成像技術圖

四維醫(yī)學彩色超聲診斷儀實物

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四維醫(yī)學彩色超聲診斷儀顯示圖像1.四維彩超與普通彩超的區(qū)別4D醫(yī)學彩色超聲成像技術同其他超聲診斷過程相比，主要是可以實時的觀察人體內(nèi)部器官的動態(tài)運動。2.四維彩超的主要臨床應用（1）四維彩超診斷心臟疾病。（2）四維彩超診斷胎兒畸形。（3）四維彩超的其他方面應用。4.3醫(yī)學超聲成像設備

常用的醫(yī)學成像設備有A型超聲波診斷儀、M型超聲波診斷儀、B型超聲波診斷儀和彩色多普勒超聲波診斷儀。4.3.1超聲波診斷儀的類型表

臨床上常用超聲波診斷儀器的類型信號特點信息空間儀器類型儀器主要特點圖像顯示方式回波幅度一維A（amplitude）超聲波束只按一個方向（深度方向）傳播，用顯示屏上波形的幅度來反映人體組織介面回波的幅度大小幅度調(diào)制M（motion）超聲波束只按一個方向（深度方向）傳播，用顯示屏上隨時間展開的深度變化曲線的亮度的明暗，來反映人體組織介面回波的幅度大小亮度調(diào)制二維B（brightness）超聲波束按一個方向進行一維掃查（直線或弧線），并與超聲波的傳播方向組成二維切面，用光亮的明暗反映人體組織介面回波的幅度大小亮度調(diào)制C（constant）超聲波束進行二維（平面）掃查，組成與超聲波的傳播方向垂直的平面，平面的深度位置固定（常量）亮度調(diào)制F（floating）超聲波束進行二維（平面）掃查，組成與超聲波的傳播方向垂直的曲面，深度位置不固定（變量）亮度調(diào)制CC（counterfeitcolor）通過對顯示圖加上不同顏色，即利用彩階（偽彩）來表示回波幅度大小彩色編碼三維3D(three-dimensional)顯示組織器官的立體結構或功能圖像亮度調(diào)制或彩色編碼4.3.1超聲波診斷儀的類型表

臨床上常用超聲波診斷儀器的類型信號特點信息空間儀器類型儀器主要特點圖像顯示方式多普勒一維D（doppler）CW（continuouswave）發(fā)射連續(xù)波，不能檢測深度、位置，但可測高速血流亮度調(diào)制PW(pulsedwave)發(fā)射脈沖波，能檢測深度、位置，但可測的最高速血流受脈沖重復頻率限制亮度調(diào)制二維CDFI（colordopplerflowimage，）濾去低速的人體組織活動信息，顯示切面的血流二維信息彩色編碼CDTI(colordopplertissueimage)濾去高速的人體血流運動信息，顯示組織的運動信息彩色編碼CDE(colordopplerenergy)利用多普勒信號幅度，顯示低速的人體血流，但無方向性彩色編碼DPA(dopplerpotencyaspect)顯示低速的人體血流及其方向彩色編碼三維3D-D(three-dimensionaldoppler)立體透視圖像或立體圖像亮度調(diào)制或彩色編碼諧波一維CHI（colorharmonicimage）顯示二次諧波所傳遞的信息亮度調(diào)制THI（tissueharmonicimage）顯示高頻和二次諧波所傳遞的人體組織信息亮度調(diào)制4.3.1超聲波診斷儀的類型1.回波幅度型回波幅度型超聲診斷儀是利用回波幅度的大小變化，來獲取人體組織信息的方法。這類超聲診斷儀主要是提供人體組織器官解剖結構和形態(tài)等方面的信息。根據(jù)超聲波的空間分布方式的不同，可分為一維、二維和三維。空間一維的有A（amplitude）型和M（motion）型；空間二維的有B（brightness）型、C（complanate）型和F（floating）型；空間三維型，即3D(three-dimensiona)型，3D型的又可分為重建三維和實時三維。4.3.1超聲波診斷儀的類型2.多普勒型多普勒型超聲診斷儀是通過回波頻率的大小變化，來獲取人體組織器官的運動和結構信息的方法。同樣，可以根據(jù)超聲波的空間分布方式的不同，可分為一維、二維和三維。一維是多普勒頻普（doppler，D）型，又可分為連續(xù)多普勒（continuouswave，CW）型和脈沖多普勒（pulsedwave，PW）型。二維是彩色血流（，CFM），又可分為彩色多普勒血流圖（colordopplerflowimage，CDFI）型、彩色多普勒組織圖（colordopplertissueimage，CDTI）型、彩色多普勒能量型（colordopplerenergy，CDE）和方向能量（dopplerpotencyaspect，DPA）；三維顯示的有血管透視圖和重建圖。4.3.2A型與M型超聲診斷儀1.A型超聲診斷儀涂油探頭人體組織圖A型超聲診斷原理圖4.3.2A型與M型超聲診斷儀X2X1Y2示波管探頭人體高頻發(fā)射電路同步信號發(fā)生器水平深度掃描電路反射波接收電路Y1圖A型超聲診斷儀結構框圖4.3.2A型與M型超聲診斷儀2.M型超聲診斷儀圖M型超聲診斷原理圖4.3.2A型與M型超聲診斷儀柵極Y2X1X2示波管探頭不動人體高頻發(fā)射電路同步信號發(fā)生器垂直深度掃描電路反射波接收電路慢