第6章 超聲成像

醫(yī)學(xué)成像技術(shù)原理第六章超聲成像2第一節(jié)超聲成像基本原理與儀器結(jié)構(gòu)第二節(jié)A超和M超第三節(jié)B超成像第四節(jié)

多普勒成像第五節(jié)超聲成像臨床應(yīng)用與新技術(shù)本章內(nèi)容3第一節(jié)超聲成像基本原理與儀器結(jié)構(gòu)第二節(jié)A超和M超第三節(jié)B超成像第四節(jié)

多普勒成像第五節(jié)超聲成像臨床應(yīng)用與新技術(shù)本章內(nèi)容4超聲的回波探測第一次世界大戰(zhàn)為了定位潛艇位置而發(fā)明聲納（Sonar）技術(shù)5超聲的回波超聲在不同組織界面的反射形成回波對超聲而言，“不同組織”是指“聲阻抗不同的組織”反射系數(shù)Z2>>Z1全反射Z1>>Z2半波損失全反射Z1=Z2全透射6人體組織的聲阻抗7人體組織的聲阻抗當(dāng)兩種介質(zhì)的聲阻抗差達(dá)1

時(shí)，即可在界面產(chǎn)生可探測的回波8超聲波頻率高，波長短，在一定距離內(nèi)沿直線傳播具有良好的束射性和方向性；在兩種不同聲阻抗的介質(zhì)界面發(fā)生反射和折射，超聲成像就是依靠聲波在界面反射（回波）進(jìn)行成像的;超聲波的波長短，所以穿透深度有限；頻率越高，穿透深度越短，成像空間分辨率越高；超聲的特性9超聲成像的三個(gè)物理假定聲束在介質(zhì)中直線傳播各介質(zhì)中聲速均勻一致各種介質(zhì)中介質(zhì)吸收系數(shù)均勻一致估計(jì)成像方位估計(jì)成像層面確定增益補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)參數(shù)10回波位置與聲速的關(guān)系

l為聲源至界面的距離t為回波時(shí)間脈沖回波測距11超聲衰減幅度與界面深度呈正比不同深度相同界面性質(zhì)回波脈沖幅度差異很大時(shí)間增益補(bǔ)償消除差異時(shí)間增益補(bǔ)償12超聲成像系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)框圖（1）換能器產(chǎn)生和接收超聲波；（2）發(fā)射電路，用來激勵換能器發(fā)射超聲波；（3）主控電路控制超聲脈沖發(fā)射電路的頻率和控制掃描電壓發(fā)生器，完成CRT顯示器陰極射線的掃描成像；（4）高頻信號放大器、檢波器和其他必要的部件使被掃描物體能夠在顯示屏上以合適的亮度和準(zhǔn)確的位置顯像；（5）顯示器用來顯示超聲圖像13超聲成像系統(tǒng)的簡化結(jié)構(gòu)框圖發(fā)生器換能器回波信息處理系統(tǒng)顯示器時(shí)間增益補(bǔ)償14第一節(jié)超聲成像基本原理與儀器結(jié)構(gòu)第二節(jié)A超和M超成像第三節(jié)B超成像第四節(jié)

多普勒成像第五節(jié)超聲成像臨床應(yīng)用與新技術(shù)本章內(nèi)容15A超：一維的超聲回波成像技術(shù)A超系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)A型超聲意為脈沖幅度調(diào)制（Amplitudemodulation）顯示其特點(diǎn)是把超聲波在各個(gè)界面的反射信號顯示為一系列尖峰形脈沖，其高度對應(yīng)于回波強(qiáng)度，其位置對應(yīng)于界面深度16A超：一維的超聲回波成像技術(shù)檢測一條超聲路徑上的回波信號是最早的超聲成像技術(shù)，依據(jù)回波的位置測定人體組織中器官或病灶的深度、厚度和界面位置等，獲得疾病診斷有用的信息17M超：一維動態(tài)超聲成像為時(shí)間運(yùn)動型（timeMotionmode）聲學(xué)檢測儀是專門為檢查人體的運(yùn)動器官而設(shè)計(jì)的超聲系統(tǒng)M超系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)18橫坐標(biāo)為慢掃描時(shí)間，縱坐標(biāo)為深度（用回波時(shí)間表示），而曲線的亮度則表示界面回波的強(qiáng)度。M超：一維動態(tài)超聲成像反復(fù)檢測同一條超聲路徑上的回波信號19M型超聲成像對人體中的運(yùn)動臟器功能的檢查具有優(yōu)勢可進(jìn)行多種心功能參數(shù)的定量測量不適用于靜態(tài)臟器診查

M型超聲心動圖（二尖瓣波群）M超的優(yōu)勢20第一節(jié)超聲成像基本原理與儀器結(jié)構(gòu)第二節(jié)A超和M超第三節(jié)B超成像第四節(jié)

多普勒成像第五節(jié)超聲成像臨床應(yīng)用與新技術(shù)本章內(nèi)容21B型（Brightnessmodulation）超聲是脈沖回波成像技術(shù)的典型代表，利用超聲回波信號的強(qiáng)弱來調(diào)制顯示器輝度，回波越強(qiáng)，顯示的光點(diǎn)越亮B超：二維超聲成像22超聲探頭FigureCourtesy:Dr.AndrewWebbB超：二維超聲成像23B超換能器——機(jī)械掃描換能器由一個(gè)或幾個(gè)晶片組成，通過機(jī)械轉(zhuǎn)動和擺動等方式，快速地獲得被掃描切面的回波信息旋轉(zhuǎn)式換能器機(jī)械擺動式換能器振動反射鏡換能器旋轉(zhuǎn)式換能器：轉(zhuǎn)輪邊緣安裝1～4塊晶片，掃描時(shí)隨著輪子的高速旋轉(zhuǎn)，換能器沿徑向發(fā)射聲束和接收回波

，可以顯示一個(gè)扇形區(qū)域的回波；機(jī)械擺動式換能器：晶片固定在支點(diǎn)上，掃描時(shí)晶片繞支點(diǎn)擺動，使波束呈扇形向外傳播；振動反射鏡換能器：晶片是固定的，通過與之相對的聲學(xué)反射鏡的振動，使聲束成扇形發(fā)射或平行線形波束輸出24聲束的線形掃描與扇形掃描按一定的時(shí)序把激勵脈沖電壓順次施加到各個(gè)陣元上，使它們所發(fā)生的超聲波可以在電子信號的控制下改變聲束方向B超換能器——電子掃描的多陣元換能器25線陣掃描的原理使用多陣元的超聲探頭26扇形掃描的原理τ激勵時(shí)間差與陣元間隔d和聲速c及偏轉(zhuǎn)角θ的關(guān)系聲束的偏轉(zhuǎn)：給不同陣元設(shè)置不同的延遲時(shí)間，各陣元波束疊加所形成的波陣面與探頭表面形成夾角。27惠更斯-菲涅爾原理波：質(zhì)點(diǎn)的振動，包括振輻、相位和傳播方向28時(shí)間振輻時(shí)間振輻正弦波1正弦波2正弦波1和正弦波2疊加的結(jié)果為零波的疊加性——質(zhì)點(diǎn)振動合位移是個(gè)分位移的矢量和惠更斯-菲涅爾原理29波面：振動狀態(tài)相同的質(zhì)點(diǎn)所構(gòu)成的曲面或平面惠更斯-菲涅爾原理30波線：與波面垂直且指向波的傳播方向的線惠更斯-菲涅爾原理31菲涅爾-惠更斯原理菲涅爾-惠更斯原理：波面上的每一點(diǎn)（面源）都是一個(gè)次級球面波的子波源，子波的波速與頻率等于初級波的波速和頻率，此后每一時(shí)刻的子波波面的包絡(luò)就是該時(shí)刻總的波動的波面32菲涅爾-惠更斯原理菲涅爾-惠更斯原理解釋光的折射33聲束的偏轉(zhuǎn)34聲束的聚焦：使得各陣元發(fā)射的聲波同時(shí)到達(dá)某一場點(diǎn)F時(shí)，同相位疊加而產(chǎn)生最大聲壓。單焦點(diǎn)聚焦多級動態(tài)聚焦聲束的聚焦35高速電子掃描與B超實(shí)時(shí)成像36B超37B超與M超38三種超聲成像比較A-超(幅度模式)A代表Amplitude測出幅度-時(shí)間的回波信號

反映深度信息

M-超(運(yùn)動模式)M代表Motion-timeA超模式沿著時(shí)間維度的重復(fù)

B-mode(亮度模式)B代表Brightness回波強(qiáng)度大->圖像亮度高

一系列A超模式的組合并將信號顯示為亮度模式就可以得到B超圖像39檢測到的回波增益補(bǔ)償后的回波幅度模式AmplitudeAmplitudeVs.Brightness亮度模式Brightness40三維圖像比二維圖像顯示更為直觀信息更加豐富病灶的空間定位和容積測量更準(zhǔn)確三維超聲成像41三維超聲成像從人體某一部位的幾個(gè)不同位置和角度按一定規(guī)律采集二維圖像信息再經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后,重建三維圖像形成該部位臟器三維形態(tài)的立體影像基本步驟 圖像數(shù)據(jù)采集 圖像數(shù)據(jù)處理 三維圖像顯示三維超聲成像42靜態(tài)三維成像動態(tài)三維成像實(shí)時(shí)三維成像每掃查一次只能重建一幅靜止的圖像

可以實(shí)現(xiàn)三維數(shù)據(jù)的動態(tài)顯示

三維成像速度達(dá)到每秒24幀時(shí)

三維超聲成像43三維超聲成像的掃描方式44三維超聲成像胎兒顏面部檢查胎兒脊椎檢查45動態(tài)三維超聲成像(x,y,z,t)46第一節(jié)超聲成像基本原理與儀器結(jié)構(gòu)第二節(jié)A超和M超第三節(jié)B超成像第四節(jié)

多普勒成像第五節(jié)超聲成像臨床應(yīng)用與新技術(shù)本章內(nèi)容47波源與接收體相對運(yùn)動方向成一定的角度

波源相對于介質(zhì)運(yùn)動方向與波源和接收體連線的夾角

接收體相對于介質(zhì)運(yùn)動方向與波源和接收體連線的夾角u·cos

u在連線上的分量v·cos

v在連線上的分量多普勒效應(yīng)f

發(fā)射頻率接收頻率48多普勒效應(yīng)相向運(yùn)動，接收頻率比發(fā)射頻率高背離運(yùn)動，接收頻率比發(fā)射頻率低49多普勒血流檢測技術(shù)原理血紅細(xì)胞對聲波有反射作用當(dāng)血流接近探頭時(shí)，探頭接收到的回波頻率高于探頭發(fā)射頻率當(dāng)血流遠(yuǎn)離探頭時(shí)，探頭接收到的回波頻率低于探頭發(fā)射頻率通過判斷頻移量的正負(fù)即判斷血流是接近還是遠(yuǎn)離超聲探頭50彩色多普勒超聲動脈靜脈血流成像心臟血流成像多普勒血流檢測技術(shù)與B超相結(jié)合，可以獲得心血管解剖學(xué)定位與血流顯像，為臨床診斷提供了一系列有重要意義的血流參數(shù)51彩色多普勒超聲的頻移第一個(gè)過程：發(fā)射體：超聲探頭發(fā)出超聲頻率為f0接收體：紅細(xì)胞接收的超聲頻率為f1第二個(gè)過程：發(fā)射體：紅細(xì)胞發(fā)出超聲頻率為f1接收體：探頭接收的超聲頻率為f52探頭接收和發(fā)射的超聲頻率差彩色多普勒超聲的頻移Δf即為多普勒頻移，與聲速c，血流速度v、入射角θ和發(fā)射頻率f0有關(guān)當(dāng)f0、c、θ已知，

根據(jù)Δf可以推算出血流速度v，即53血流信息的提取血流信息提取的關(guān)鍵是求出多普勒頻移知道多普勒頻移的大小，就可以判斷出血流的大?。恢蓝嗥绽疹l移的正負(fù)，就可以判斷出血流的方向；正交解調(diào)器工作原理框圖54血流信息的提取——速度方向探頭1發(fā)射超聲波為探頭2接收超聲波為A和ΔfA為紅細(xì)胞A反射的回波振幅與頻移B和ΔfB為紅細(xì)胞B反射的回波振幅與頻移55血流信息的提取——速度方向發(fā)射和接收信號經(jīng)過相移和乘法器后，有56血流信息的提取——速度方向發(fā)射和接收信號經(jīng)過相移和乘法器后，有高頻分量高頻分量57血流信息的提取——速度方向經(jīng)低通濾波器后，有58血流信息的提取——速度方向經(jīng)移相器后，有59血流信息的提取——速度方向經(jīng)加法器后，有實(shí)現(xiàn)正向、負(fù)向血流信息的解調(diào)60血流信息的提取——速度大小令ωA=2πΔfA；ωB=2πΔfB，則

改寫為對上兩式求導(dǎo)，有61分別對

和

進(jìn)行運(yùn)算，并進(jìn)行低通濾波器取出乘積中的低頻分量，再由兩個(gè)通道輸出，則信號幅值為：用功率（譜）加權(quán)法，有血流信息的提取——速度大小求出多普勒頻移就可以得到血流速度的大小62過零檢測法：在以振幅為縱坐標(biāo)、時(shí)間為橫坐標(biāo)的直角坐標(biāo)系中，設(shè)有一交變電壓信號波形在橫坐標(biāo)軸上下振蕩，則曲線與橫軸的交點(diǎn)稱為過零點(diǎn)；則單位時(shí)間內(nèi)過零點(diǎn)的數(shù)目（N）近似地等于平均頻率的2倍。這樣，只要測定過零點(diǎn)數(shù)N，就可以用頻移公式求出血流速度；血流信息的提取——速度大小時(shí)間振輻63多普勒超聲的血流卷褶偽影SI(t)SQ(t)Ambiguityduetophasewrapping:Cannotdifferentiatetwofrequenciesif2pDf1t=2pDf2t+2kp

2pDft64One-dimensionalDoppoler多普勒超聲的血流卷褶偽影65多普勒超聲的血流卷褶偽影Courtesy:PJWells,IEEEEngr.Med.Bio.Mag.19(5),2000慢血流?錯(cuò)，是相位卷褶導(dǎo)致的偽影66超聲成像新技術(shù)——超聲波的效應(yīng)激勵時(shí)間(μs)功率Imaging成像-診斷AblationTherapy熱消融-治療波動效應(yīng)ManipulationModulation操控-形變力學(xué)效應(yīng)熱效應(yīng)

B超HIFU消融造影神經(jīng)調(diào)控

彈性成像101106彩超mW/cm2106102搬運(yùn)、給藥超聲波鄭海榮等，科