電子醫(yī)療儀器超聲成像技術(shù)

振動(dòng)頻率>20,000Hz的聲波——超聲波醫(yī)用頻率2.5—13MHz(常用2.5—5MHz)第八章超聲成像技術(shù)

第一節(jié)概述1精選ppt超聲成像

ultrasonograghy,USG定義：

利用超聲波的物理特性和人體組織器官的聲學(xué)特性相互作用而產(chǎn)生的信息，經(jīng)處理后形成圖形和曲線，借此進(jìn)行疾病診斷的一種物理檢查方法。2精選ppt超聲波的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)USG特點(diǎn)：對(duì)軟組織的分辨能力強(qiáng)信息的顯示有多種方法USG優(yōu)點(diǎn)：

無損傷、無痛苦、無輻射實(shí)時(shí)、快捷、準(zhǔn)確、方便3精選ppt超聲開展概況40年代探索階段50年代A型、M型超聲儀70年代灰階實(shí)時(shí)超聲〔B型〕雙功能超聲儀〔B型+頻譜〕80年代彩色多普勒超聲儀〔B型+彩色+頻譜〕90年代新技術(shù)〔超聲造影、諧波成像、超高頻探頭、三維超聲等〕4精選ppt第二節(jié)M型超聲成像M型超聲診斷儀采用輝度調(diào)制的方法，使深度方向所有界面反射回波，用亮點(diǎn)形式在顯示器垂直掃描線上顯示出來，隨著臟器的運(yùn)動(dòng)，垂直掃描線上的各點(diǎn)將發(fā)生位置上的變動(dòng)，定時(shí)地采樣這些回波并使之按時(shí)間先后逐行在屏上顯示出來。5精選ppt6精選pptM型超聲對(duì)心臟運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)的探查具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，通常對(duì)心臟的M型掃查所得到的顯示圖稱超聲心動(dòng)圖。7精選ppt為提取更多的診斷倍息，M型掃查心動(dòng)圖常與心臟其它參數(shù)，如心電圖、心音圖、心尖博動(dòng)圖和超聲多普勒頻譜圖同步進(jìn)行聯(lián)合顯示。為更有目的地選擇M型掃查部位，M型掃查常與B型掃查聯(lián)合，即通過B型切面圖像上的選擇線，進(jìn)行有選擇的M型掃查，從而可防止M型掃查的盲目性。8精選ppt9精選ppt第三節(jié)多普勒超聲成像一、多普勒效應(yīng)1842年奧地利物理學(xué)家多普勒〔Doppler〕發(fā)現(xiàn)并研究了聲波的“頻移〞現(xiàn)象，后被命名為“多普勒效應(yīng)〞。此效應(yīng)是指波源將某一頻率的波以一種固定的傳播速度向外輻射時(shí),如果波源與接收系統(tǒng)產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，那么所接收到的波的頻率會(huì)發(fā)生變化〔即頻移〕。10精選ppt一列火車快速駛遠(yuǎn)時(shí)，它的汽笛聲聽來會(huì)沉悶很多，因?yàn)槁暡ㄏ鄬?duì)于我們的頻率變低、波長(zhǎng)變長(zhǎng)了，這就是多普勒效應(yīng)。11精選ppt多普勒效應(yīng)并非僅僅存在于聲波傳遞中，任何以波動(dòng)形式行進(jìn)的能量傳遞過程，均可產(chǎn)生多普勒效應(yīng)，如無線電波、高能X射線(或γ射線)、可見光線以及其他電磁輻射等。人類之所以最先在聲波范疇內(nèi)發(fā)現(xiàn)多普勒效應(yīng)，是由于聲波本身屬于人耳的可聞波動(dòng)，且聲波在空氣中的傳播速度不高〔340m/s〕,聲源與人耳的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度使聲頻率變化落在人耳的敏銳區(qū)分區(qū)內(nèi)。12精選ppt天文學(xué)家埃德溫·哈勃發(fā)現(xiàn)：不同距離的星系發(fā)出的光，顏色上稍稍有些差異。遠(yuǎn)星系的光要比近星系紅一些，即波長(zhǎng)要長(zhǎng)一些，這種現(xiàn)象被稱為“哈勃紅移〞。它說明，各星系正以很高的速度彼此飛離?，F(xiàn)代天文學(xué)正是借助多普勒效應(yīng)通過檢測(cè)、識(shí)別宇宙深處恒星發(fā)光顏色的變化來判定天體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的。13精選ppt產(chǎn)生多普勒效應(yīng)的原因以聲波為例：當(dāng)聲波在某種介質(zhì)中以固定的傳播速度c前進(jìn)時(shí)，聲速為波長(zhǎng)和頻率的乘積，即c=λ·f；但如果聲源與接收系統(tǒng)之間存在著相對(duì)運(yùn)動(dòng)，相對(duì)運(yùn)動(dòng)的速度為V，那么聲波向接收系統(tǒng)的相對(duì)傳播速度c′為原來傳播速度c與相對(duì)運(yùn)動(dòng)V的迭加，即c′=c+V。于是有:f′＝c′／λ＝〔c＋V〕／λ

Δf＝f′－f＝〔c＋V〕／λ－c／λ＝V／λ將λ=c／f代入上式，有Δf＝f·V／c頻移量Δf為相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度與原聲速的比值與波源頻率的乘積。14精選ppt火車從身旁的鐵路上吼叫而過時(shí)，會(huì)使我們非常明顯地聽出鳴叫著的汽笛聲突然間由鋒利變得消沉起來。

當(dāng)火車馳向我們時(shí)〔V為正〕，我們所聽到的汽笛聲〔f1′〕要比火車固定不動(dòng)時(shí)的聲音〔f〕鋒利一些〔Δf1＞0，f1′＞f〕；當(dāng)火車背向我們馳去時(shí)〔V為負(fù)〕，所聽到的汽笛聲〔f2′〕要比原來的聲音〔f〕消沉一些〔Δf2＜0，f2′＝f2′＜f〕。15精選ppt二、多普勒原理在超聲醫(yī)學(xué)診斷中的應(yīng)用超聲多普勒應(yīng)用臨床以來，其應(yīng)用價(jià)值已愈加明顯，尤其在以運(yùn)動(dòng)器官為主要研究對(duì)象的心血管科，超聲多普勒診斷儀更成為不可或缺的有力診斷工具；原理應(yīng)用：運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)〔如心臟瓣膜〕或散射子集合〔如血管中的紅細(xì)胞群體〕反射回來的超聲波束，檢測(cè)出其中的多普勒頻移，得到探查目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度信息，然后被人耳監(jiān)聽、用儀器去分析、用圖像去顯示或者用影像去顯現(xiàn)人體內(nèi)部器官的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。16精選ppt以人體內(nèi)血流的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)檢測(cè)為例：聲波的發(fā)射源與接收器均為超聲探頭自身，在檢測(cè)時(shí)刻探頭是固定不動(dòng)的。超聲波向著流動(dòng)中的紅細(xì)胞集合體傳播，遇到聲障〔紅細(xì)胞〕時(shí)，相對(duì)于流動(dòng)中的紅細(xì)胞，聲波f已經(jīng)產(chǎn)生了一次多普勒頻移〔f′〕，頻移量Δf′＝f′－f；而聲障反射回來的超聲波〔f′〕仍沿著原來的傳播路徑向反方向傳送至探頭，同時(shí)又迭加了一個(gè)相同方向的運(yùn)動(dòng)速度〔v〕，因此探頭處檢測(cè)到的超聲波又產(chǎn)生了一次新的頻移〔f″〕，最終頻移量Δf″＝f″－f′＝2Δf′，即Δf″＝2f·v／c

17精選ppt假定頻率f為3.5MHz的超聲波，向著以0.1m/s速度運(yùn)動(dòng)的血流發(fā)射，正常聲速c=1540m/s，那么回聲的頻移量Δf〔由Δf＝2f·v／c

可得〕約為±450Hz。由此可見，多普勒頻移量Δf與超聲固有頻率f及反射目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度V成正比；與聲波在某種組織中的傳播速度成反比。另外，常用超聲頻率在人體組織中產(chǎn)生的多普勒頻移量Δf恰好在人耳的敏銳聽覺區(qū)分范圍內(nèi)〔大約200～1200Hz〕，因此只要將此信號(hào)檢測(cè)放大后，僅憑有經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)生聆聽，就可以獲得有價(jià)值的臨床診斷信息。18精選ppt在實(shí)際應(yīng)用中，超聲的發(fā)射與接收并不一定正對(duì)著探測(cè)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)方向，多數(shù)情況下它們之間會(huì)存在一個(gè)夾角θ，因此上述多普勒頻移量Δf的完整表達(dá)式應(yīng)為：Δf＝2fcosθ·v／c19精選pptD型超聲成像診斷儀〔DopplerUltrasound,D超〕即超聲多普勒診斷儀，是利用聲學(xué)多普勒原理，對(duì)運(yùn)動(dòng)中的臟器和血液所反射回波的多普勒頻移信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)并處理，轉(zhuǎn)換成聲音、波形、色彩和輝度等信號(hào)，從而顯示出人體內(nèi)部器官的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。20精選ppt開展的主要階段連續(xù)波式多普勒系統(tǒng)(continuouswavedoppler)脈沖式多普勒系統(tǒng)(pulsedwavedoppler)彩色多普勒血流成像系統(tǒng)(colordopplerflowimage，CDFI)，也被稱為彩色血流圖〔colorflowmapping,CFM〕。21精選ppt三、連續(xù)式超聲多普勒成像儀探頭內(nèi)為雙換能器結(jié)構(gòu)，各自完成發(fā)射和接收任務(wù)，一只換能器連續(xù)不斷地發(fā)射超聲信號(hào)，另一只換能器不停接收反射回聲，轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，送至高頻放大單元，經(jīng)幅度放大后再送至混頻解調(diào)器解調(diào)。22精選ppt1．超聲波的產(chǎn)生、發(fā)射和反射

主頻振蕩器產(chǎn)生并輸出頻率為f的振蕩信號(hào)，送入聲發(fā)射驅(qū)動(dòng)單元，經(jīng)過放大后驅(qū)動(dòng)探頭中的壓電換能器向外輻射出頻率為f的連續(xù)超聲波。23精選ppt2．頻移信號(hào)的檢測(cè)和頻移量的獲得

接收到的頻率為f′的回聲波，將之轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，通過電纜線送至機(jī)器的高頻放大單元，經(jīng)過信號(hào)幅度放大后再送至混頻解調(diào)器作解調(diào)處理。混頻解調(diào)器是一個(gè)非線性差頻處理單元電路，它有2路輸入信號(hào)端口和1個(gè)信號(hào)輸出端口。24精選ppt2個(gè)輸入信號(hào)分別為：①高頻放大單元送來的f′電信號(hào)；②主頻振蕩器分出的參照f電信號(hào)。在混頻解調(diào)器內(nèi)，這2路信號(hào)進(jìn)行混頻、相差處理，將差頻信號(hào)Δf＝f′－f從輸出端口送出。25精選ppt缺點(diǎn)：所有運(yùn)動(dòng)目標(biāo)產(chǎn)生的多普勒信號(hào)混疊在一起，無法辯識(shí)信息產(chǎn)生確實(shí)切部位，沒有距離〔深度〕的信息。26精選ppt四、脈沖波式超聲多普勒成像儀27精選ppt探測(cè)距離的選通獲得人體內(nèi)部所需探測(cè)目標(biāo)的回聲信息，就必須采用距離〔或深度〕選通接收門控制器。在人體軟組織中，超聲的傳播速度差異不大，可以將平均聲速視為常數(shù)〔c=1540m/s〕，故從發(fā)射出脈沖信號(hào)的前沿為起始時(shí)刻(t0)計(jì)起，至返回信號(hào)的脈沖到達(dá)時(shí)間(t1)的長(zhǎng)短與運(yùn)動(dòng)器官距離換能器的深度成正比。只要調(diào)節(jié)“距離選通門〞的啟閉時(shí)間，就能控制探測(cè)距離和沿著這一距離方向上的一段長(zhǎng)度〔又稱作“容積〞〕，這樣就可以只接收感興趣目標(biāo)的回聲信號(hào)，濾除前后的無關(guān)信號(hào)。28精選ppt五、彩色多普勒血流顯像儀脈沖多普勒探測(cè)的只是一維聲束上超聲多普勒血流信息，它的頻譜顯示表示流過取樣容積的血流速度變化。脈沖多普勒技術(shù)也被稱為一維多普勒。一維多普勒在測(cè)定某一位置的血流是很方便的，如果要了解瓣口血流流動(dòng)的詳細(xì)分布，一維多普勒就很困難，只能一個(gè)點(diǎn)一個(gè)點(diǎn)地測(cè)，把每一個(gè)點(diǎn)的血流速度記錄下來，最后得到一個(gè)大致的血流輪廓。29精選ppt彩色多普勒成像，對(duì)于血流方面的多種狀態(tài)具有強(qiáng)大的顯示能力，如：同時(shí)顯示心臟某一斷面上的異常血流的分布情況；反映血流的途徑及方向；明確血流性質(zhì)是層流、湍流或渦流；可以測(cè)量血流束的面積、輪廓、長(zhǎng)度、寬度；血流信息能顯示在二維切面像或M型圖上，更直觀地反映結(jié)構(gòu)異常與血流動(dòng)力學(xué)異常的關(guān)系等。30精選ppt1.工作原理系統(tǒng)在接收到發(fā)射來的回聲信號(hào)后，先進(jìn)入相位檢波器與原始振蕩信號(hào)進(jìn)行相位比較，再將一路信號(hào)送入脈沖多普勒信號(hào)處理通道；另一路那么經(jīng)過低通濾波器去除沒有意義的雜波信號(hào)。31精選ppt濾過后的信號(hào)經(jīng)A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換后，再進(jìn)行自相關(guān)處理。這一步驟是將前后2個(gè)脈沖產(chǎn)生回聲的時(shí)間差換算成相位差，再根據(jù)相位差與目標(biāo)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的關(guān)系處理成血流方向和速度結(jié)果。32精選ppt在一維多普勒診斷儀〔連續(xù)波CW和脈沖波PW〕中，是將回聲頻率與原始振蕩頻率比較出頻移量Δf，然后通過多普勒方程式換算出血流方向和速度。而在自相關(guān)處理中，用探測(cè)時(shí)間差異來解決這個(gè)問題：脈沖發(fā)射過程中，前后兩個(gè)相鄰脈沖之間的時(shí)間差Δt，包含了探測(cè)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)方向與速度等變量因素，最后反映在回波脈沖波形的相位差異上，由此通過脈沖自身相位差的關(guān)系解得血流方向和速度的方法稱作自相關(guān)處理技術(shù)。33精選ppt2.血流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的彩色顯示方法

通過數(shù)字電路和計(jì)算機(jī)處理，將血流的某種信息參數(shù)處理成國(guó)際照明委員會(huì)規(guī)定的彩色圖。規(guī)定血流的方向用紅和藍(lán)表示，朝向探頭的運(yùn)動(dòng)血流用紅色，遠(yuǎn)離探頭運(yùn)動(dòng)的血流顏色用藍(lán)色，而湍動(dòng)血流用綠色。血流的速度與紅藍(lán)兩種彩色的亮度成正比，正向速度越高，紅色的亮度越亮。34精選ppt35精選ppt36精選ppt37精選ppt38精選ppt在彩色多普勒中，由于血流的方向決定了血流的顏色〔一般正向血流為紅色，反向血流為藍(lán)色〕，所以同一流向的血流處在與聲束不同角度時(shí)血流的顏色也可能不同。39精選ppt3.臨床應(yīng)用效果評(píng)析(1)彩色多普勒與B型超聲

彩色多普勒血流儀通過對(duì)散射回的多普勒信息作相位檢測(cè)并經(jīng)自相關(guān)處理、彩色灰階編碼，把平均血流速度信息以色彩顯示，并組合到B型灰階影像上。不僅可以加快過去B型對(duì)心臟疾病檢查的速度，而且可以直接采集到心內(nèi)血流速度、輪廓的信息。40精選ppt(2)彩色多普勒血流成像與頻譜多普勒

彩色多普勒血流顯像對(duì)血流的顯示是直觀的，對(duì)于區(qū)分血流的湍動(dòng)、了解流速在心血管內(nèi)分布較脈沖多普勒更快更好。但是，對(duì)血流的定量測(cè)定來說，脈沖多普勒與連續(xù)波多普勒卻是非常有效的工具。41精選ppt近年來，三維成像技術(shù)的開展和進(jìn)步，為非侵入性的診斷技術(shù)又開辟了一個(gè)新的領(lǐng)域。三維超聲技術(shù)能夠克服二維超聲空間顯像的缺乏，成為二維超聲技術(shù)的重要輔助手段。目前，三維超聲能夠迅速地對(duì)容積圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存、處理和顯示其三維立體圖像，并且能夠得到多平面的圖像。第四節(jié)三維超聲成像42精選ppt三維超聲系統(tǒng)框圖43精選ppt一、三維數(shù)據(jù)獲取三維成像首先要取得足夠的三維數(shù)據(jù)，超聲三維影像重建要同時(shí)把切面影像及它們之間的位置與角度信號(hào)送入計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)作相應(yīng)的組合和處理后，在熒光屏上再現(xiàn)該器官的三維影像。44精選ppt坐標(biāo)位移三維顯示法45精選ppt46精選ppt軸旋轉(zhuǎn)角度獲取多平面47精選ppt二、三維圖像重建1切面重建：通過三維數(shù)據(jù)庫(kù)可以選定任意一個(gè)平面的二維圖像，進(jìn)行多平面圖像分析。2三維立體重建(1)外表成像模式：通過三維立體數(shù)據(jù)庫(kù)選擇感興趣區(qū)域進(jìn)行成像，非感興趣區(qū)可以去除；采用適宜的濾過功能，可以濾過周圍低回聲，使圖像突出。48精選ppt例如去除羊水內(nèi)的低回聲，突出胎兒外表高回聲，濾過高時(shí)還可以突出胎兒骨骼結(jié)構(gòu)，顯示出高回聲結(jié)構(gòu)的立體圖像49精選ppt50精選ppt51精選ppt52精選ppt53精選ppt(2)透明成像模式：將實(shí)質(zhì)性的組織結(jié)構(gòu)的所有三維回聲數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，選擇性地顯示出高同聲或低回聲結(jié)構(gòu)的特征。能將組織內(nèi)部情況以透明立體方式表現(xiàn)出來。采用這種模式要求感興趣結(jié)構(gòu)的回聲特征較周圍組織回聲高或低，例如骨骼、血管或囊性結(jié)構(gòu)。54精選ppt55精選ppt第五節(jié)其他超聲成像技術(shù)一、全數(shù)字型B型超聲診斷儀隨著電子產(chǎn)品的數(shù)字化進(jìn)程的加快，全數(shù)字化Ｂ超成為Ｂ型超聲診斷儀的開展方向。56精選ppt目前已研制出全數(shù)字計(jì)算機(jī)信號(hào)處理的超聲診斷系統(tǒng)，它采用軟件控制，可隨時(shí)參加新的軟件程序以更新整機(jī)功能，并能夠配接不同的探頭系統(tǒng)，如機(jī)械扇掃探頭、線陣探頭、凸陣探頭、相控陣探頭、環(huán)陣探頭、腔體探頭等，可以顯示Ｂ型、Ｍ型、脈沖和連續(xù)多普勒信號(hào)及兩維彩色多普勒血流圖，實(shí)現(xiàn)多參量、多方位綜合診斷。57精選ppt二、彩階超聲圖像處理技術(shù)超彩階超聲影像處理是利用微電子技術(shù)進(jìn)行的一種影像增強(qiáng)處理技術(shù)，它通過光學(xué)處理、等密度分割、幅度鑒別、模數(shù)轉(zhuǎn)換等方法進(jìn)行彩色編碼，使輸入的圖像值轉(zhuǎn)換到特定彩色空間相應(yīng)坐標(biāo)中去，從而顯示預(yù)期的彩色影像。偽彩色處理原理：利用人眼對(duì)彩色分辨力高而對(duì)灰度分辨力低的特點(diǎn)。用不同的顏色來表示不同的灰度等級(jí)，到達(dá)圖象增強(qiáng)的效果。58精選ppt彩色編碼原理圖59精選ppt60精選ppt61精選ppt彩色顯示原理框圖62精選ppt三、組織諧波成像和造影諧波成像組織諧波成像〔tissueharmonicimaging,THI〕又稱頻譜合成成像或頻率轉(zhuǎn)換技術(shù)〔FCT〕普通超聲成像都沿用了線性聲學(xué)規(guī)律，即利用線性能量成像而將非線性成分濾掉諧波成像技術(shù)是近幾年開展起來的利用非線性聲學(xué)特性的一項(xiàng)新技術(shù)人體組織對(duì)聲波的反向具有一定的非線性高頻率諧波能量，但相對(duì)較弱63精選ppt造影諧波成像(contrastharmonicimaging,CHI)是利用造影劑微泡〔直徑1～10微米〕產(chǎn)生的較強(qiáng)的二次諧波信號(hào)進(jìn)行成像，故又稱為二次諧波成像〔secondharmonicimaging,SHI〕組織產(chǎn)生的諧波信號(hào)十分微弱，使用超聲造影劑(UltrasoundContrastAgent,UCA)的物質(zhì)可以人為地?cái)U(kuò)大非線性現(xiàn)象64精選ppt四、超聲CT超聲波在人體內(nèi)傳播時(shí)，設(shè)法獲得聲速的變化和聲強(qiáng)度的衰減差異。通過計(jì)算機(jī)使用代數(shù)重建法或反投影技術(shù)來重建出超聲透射影像。這種成像技術(shù)即為超聲計(jì)算機(jī)斷層成像〔US-CT〕。

65精選ppt五、超聲顯微鏡SAM利用超聲波在傳播中，由于樣品的硬度、構(gòu)造和粘性的不同，使聲波狀態(tài)產(chǎn)生微細(xì)差異的性質(zhì)，從中選取工作參量。66精選ppt激光掃描超聲顯微鏡〔SLAM〕的情況類似液面聲全息。它采用平面波，但不需要參考聲波干預(yù)。當(dāng)聲波透過樣品在液面形成代表樣品結(jié)構(gòu)信息的波紋時(shí)，由激光掃描讀出這些信息，經(jīng)電腦處理后顯示。67