醫(yī)學(xué)超聲儀器原理 第3講 超聲成像設(shè)備概述

第3講醫(yī)學(xué)超聲成像技術(shù)醫(yī)學(xué)超聲儀器原理2024/10/21醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義2主要內(nèi)容超聲成像基本原理——超聲回波法醫(yī)學(xué)超聲設(shè)備的分類超聲診斷儀的主要參數(shù)超聲成像基本原理

——超聲回波法2024/10/21醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義4超聲回波法把幾兆赫至幾十兆赫的高頻聲脈沖發(fā)射到生物體內(nèi)，再接收反射波（回波），這種方法稱為超聲脈沖回波法。脈沖寬度：幾微秒脈沖間隔：幾百微秒（接收放大器處理回波的時間）脈沖回波法最早較早是應(yīng)用于雷達(dá)和聲納。回波時間t、探測距離L

的關(guān)系，c

為聲速2024/10/21醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義52024/10/21醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義62024/10/21醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義7超聲回波法示意圖2024/10/21醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義8儀器基本框圖發(fā)射通道：時鐘電路（同步脈沖發(fā)生器）、發(fā)射器（高頻脈沖發(fā)生器）、換能器（探頭）接收通道：接收換能器、射頻放大器（RFA）、檢波及抑制電路、視頻放大器（UFA）2024/10/21醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義92醫(yī)學(xué)超聲設(shè)備的分類2024/10/21醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義11A型超聲A型超聲診斷儀因其回聲顯示采用幅度調(diào)制(AmplitudeModulation)而得名。A型顯示是超聲診斷儀最基本的一種顯示方式，即在陰極射線管(CRT)熒光屏上，以橫坐標(biāo)代表被探測物體的深度，縱坐標(biāo)代表回波脈沖的幅度，故由探頭(換能器)定點(diǎn)發(fā)射獲得回波所在的位置可測得人體臟器的厚度、病灶在人體組織中的深度以及病灶的大小。根據(jù)回波的其他一些特征，如波幅和波密度等，還可在一定程度上對病灶進(jìn)行定性分析。2024/10/21醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義122024/10/21醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義13由于A型顯示的回波圖，只能反映局部組織的回波信息，不能獲得在臨床診斷上需要的解剖圖形，且診斷的準(zhǔn)確性與操作醫(yī)師的識圖經(jīng)驗(yàn)關(guān)系很大，因此其應(yīng)用價值已漸見低落，即使在國內(nèi)，A型超聲診斷儀也很少生產(chǎn)和使用了。2024/10/21醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義14M型超聲M型超聲成像診斷儀適用于對運(yùn)動臟器，如心臟的探查。由于其顯示的影像是由運(yùn)動回波信號對顯示器掃描線實(shí)行輝度調(diào)制，并按時間順序展開而獲得一維空間多點(diǎn)運(yùn)動時序（motion-time）圖，故稱之為M型超聲成像診斷儀，其所得的圖像也叫做超聲心動圖。2024/10/21醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義152024/10/21醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義162024/10/21醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義17M型超聲診斷儀發(fā)射和接收工作原理與A型有些相似，不同的是其顯示方式。對于運(yùn)動臟器，由于各界面反射回波的位置及信號大小是隨時間而變化的，如果仍用幅度調(diào)制的A型顯示方式進(jìn)行顯示，所顯示波形會隨時間而改變，得不到穩(wěn)定的波形圖。因此，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，垂直掃描線上的各點(diǎn)將發(fā)生位置上的變動，定時地采樣這些回波并使之按時間先后逐行在屏上顯示出來。圖中可以看出，由于臟器的運(yùn)動變化，活動曲線的間隔亦隨之發(fā)生變化，如果臟器中某一界面是靜止的，活動曲線將變?yōu)樗街本€。2024/10/21醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義182024/10/21醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義19M型超聲診斷儀對人體中的運(yùn)動臟器，如心臟、胎兒胎心、動脈血管等功能的檢查具有優(yōu)勢，并可進(jìn)行多種心功能參數(shù)的測量，如心臟瓣膜的運(yùn)動速度、加速度等。但M型顯示仍不能獲得解剖圖像，它不適用于對靜態(tài)臟器的診查。2024/10/21醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義20B型超聲為了獲得人體組織和臟器解剖影像，繼A型超聲診斷儀應(yīng)用于臨床之后，B型、P型、BP型、C型和F型超聲成像儀又先后問世，由于它們的一個共同特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了對人體組織和臟器的斷層顯示，通常將這類儀器稱為超聲斷層掃描診斷儀。雖然B型超聲成像診斷儀因其成像方式采用輝度調(diào)制(BrightnessModulation)而得名，其影像所顯示的卻是人體組織或臟器的二維超聲斷層圖(或稱剖面圖)，對于運(yùn)動臟器，還可實(shí)現(xiàn)實(shí)時動態(tài)顯示。2024/10/21醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義212024/10/21醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義222024/10/21醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義23C型超聲C型掃查，又稱C型顯示，“特定深度掃查”(constantdepthmode)。與B型掃查一樣都是輝度調(diào)制的二維切面象顯示方式，所不同的是B型掃查所獲得的是超聲波束掃查平面本身的切面象，即縱向切面象?？上в捎贑型掃查的靈敏度較低，顯象速度不易提高，使C型掃查技術(shù)的發(fā)展受到限制。2024/10/21醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義242024/10/21醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義252024/10/21醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義26D型超聲D型超聲成像診斷儀也即超聲多普勒診斷儀，它是利用聲學(xué)多普勒原理，對運(yùn)動中的臟器和血液所反射回波的多普勒頻移信號進(jìn)行檢測并處理，轉(zhuǎn)換成聲音、波形、色彩和輝度等信號，從而顯示出人體內(nèi)部器官的運(yùn)動狀態(tài)。超聲多普勒診斷儀主要分為3種類型：即連續(xù)式超聲多普勒(continuouswavedoppler)成像診斷儀脈沖式超聲多普勒(pulsedwavedoppler)成像診斷儀實(shí)時二維彩色超聲多普勒血流成像(colordopplerflowimage)診斷儀。2024/10/21醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義27F型超聲F型掃查，又稱F型顯示。它與C型掃進(jìn)原理上是相似的。區(qū)別僅在于：在掃查一幅圖像的過程中，C型掃查平面距探頭的深度是不變的，而F型掃查面距探頭的深度是一變量，不是一個常量。根據(jù)成像需要可作相應(yīng)變動，從而可獲得斜面、曲面的F型圖像2024/10/21醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義282024/10/21醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義29P型超聲又稱P型顯示，它可視為一種持殊的B型顯示，超聲換能器置于圓周的中心，徑向旋轉(zhuǎn)掃查線與顯示器上的徑向掃描線作同步的旋轉(zhuǎn)。主要適用于對肛門、直腸內(nèi)腫瘤、食道癌及子宮頸癌的檢查，亦可用于對尿道、膀胱的檢查。P型超聲診斷儀所使用的探頭稱為徑向掃描探頭，如尿道探頭，直腸探頭都屬于徑向掃描探頭。掃描時探頭置于體腔內(nèi)，如食道、胃或直腸等。2024/10/21醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義302024/10/21醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義313超聲診斷儀的主要參數(shù)2024/10/21醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義33主要參數(shù)表征超聲診斷儀性能的參數(shù)，從大的方面可分為三類，這就是：聲系統(tǒng)參數(shù)圖像特性參數(shù)電氣特性參數(shù)在眾多的參數(shù)中，我們只討論其中幾個主要參數(shù)。2024/10/21醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義34聲系統(tǒng)參數(shù)：聲輸出的強(qiáng)度、總功率等；超聲場的時頻特性，如波型、持續(xù)時間、脈沖重復(fù)頻率、脈沖形狀、頻率、脈沖帶寬等；聲場分布特性，如換能器類型、波束形狀、聚焦特性、景深等。2024/10/21醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義35圖像特性參數(shù)：分辨力；位置記錄精度；深度測量精度；幀頻；存貯器的容量；圖像處理能力。2024/10/21醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義36電氣特性參數(shù)：靈敏度；增益及TGC指標(biāo)；壓縮特性及動態(tài)范圍；顯示器的動態(tài)范圍；系統(tǒng)的帶寬等。幾個主要參數(shù)2024/10/21醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義38動態(tài)范圍顯示信號的最大水平與最小水平的比稱為動態(tài)范圍(DynamicRange,DR)，DR描述了信號幅度變化的大小，一般用分貝[dB]值表示。式中：Umax—信號最大值，Umin

—信號最小值

2024/10/21醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義39生物組織的聲界面特性，組織吸收（超聲衰減）特性及探測深度決定了信號的動態(tài)范圍因此動態(tài)范圍DR通常由兩個部分組成：聲界面特性（聲阻抗差）所確定的信號幅度變化（SDR）超聲在組織傳播過程中衰減所引起的信號幅度變化，超聲傳播衰減取決于組織特性（超聲衰減系數(shù)

）與傳播距離（L）由此超聲回波總動態(tài)范圍可寫為：DR=2L+SDR2024/10/21醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義40對動態(tài)范圍的影響因素超聲在生物組織中傳播所產(chǎn)生的全部回波；超聲發(fā)射功率、接受放大器的等效輸入噪聲；終端顯示裝置的動態(tài)范圍；動態(tài)壓縮方法時間增益控制——補(bǔ)償傳輸衰減幅度增益控制——使有用信號相對壓縮2024/10/21醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義41線形范圍線性范圍，一般指的是儀器中放大器線性范圍，它給出放大器輸入信號和輸出信號之間成線性關(guān)系的區(qū)域。即Uo

=KUi線性關(guān)系也用分貝值來表示式中：Umax—信號最大值，Umin

—信號最小值，可見線性放大器的線性范圍即是動態(tài)范圍2024/10/21醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義422024/10/21醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義43當(dāng)輸出信號的最大幅度保持不變時，輸入信號的線性范圍將隨著K值的減小而增大。2024/10/21醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義44分辨率分辨力指成像系統(tǒng)能分辨空間尺寸的能力，即能把兩點(diǎn)區(qū)分開來的最短距離。超聲顯像儀的分辨力是衡量其質(zhì)量好壞的最重要的指標(biāo)，分辨力越高，越能顯示出臟器的細(xì)小結(jié)構(gòu)。2024/10/21醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義452024/10/21醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義46超聲成像的分辨力有橫向分辨力和縱向分辨力之分。前者是指垂直于超聲脈沖束方向上的分辨力，后者是沿波束軸方向上的分辨力。這兩種分辨力的大小差別很大，縱向分辨力總是優(yōu)于橫向分辨力。而且，垂直于波束軸的兩個維上的橫向分辨力也往往不同。影響橫向分辨力和縱向分辨力的因素各不相同，2024/10/21醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義47橫向分辨力又稱側(cè)向分辨力，它表示區(qū)分處于聲束軸垂直的平面上的兩個物體的能力。超聲波束直徑尺寸直接影響橫向分辨力，波束直徑越細(xì)，能分辨的尺度越小，橫向分辨力越高。2024/10/21醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義48影響橫向分辨率的因素顯示熒光點(diǎn)尺寸的影響波束直徑尺寸的影響動態(tài)范圍的影響2024/10/21醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義492024/10/21醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義502024/10/21醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義51儀器的圖像質(zhì)量主要取決于橫向分辨力。橫向分辨力好，圖像細(xì)膩，小結(jié)構(gòu)就能顯示清楚。橫向分辨力主要由換能器的尺寸、形狀、發(fā)射頻率、聚焦等因素決定。當(dāng)顯示屏光點(diǎn)尺寸較大時，也會影響橫向分辨力。此外，隨著深度的增加，脈沖頻譜中的各種頻率成分的衰減情況也不同，這個因素也潛在地影響著橫向分辨力?，F(xiàn)代化的顯像儀橫向分辨力可優(yōu)于2mm。2024/10/21醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義52縱向分辨力又稱軸向分辨力或距離分辨力，表示在聲束軸線方向上對相鄰兩回聲點(diǎn)的分辨力?？v向分辨力與發(fā)射超聲頻率有關(guān)，因?yàn)槁暡ǖ目v向分辨力理論極限為聲波的半波長。頻率越高，波長越短?？v向分辨力與超聲脈沖的持續(xù)時間有關(guān)，脈沖持續(xù)時間越短，即脈沖越窄，縱向分辨力越高。超聲脈沖持續(xù)時間與發(fā)射電脈沖寬度及換能器阻尼有關(guān)。2024/10/21醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義53影響縱向分辨率的因素脈沖寬度的影響增益大小的影響2024/10/21醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義542024/10/21醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義552024/10/21醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義56色散吸收對橫向、縱向分辨率的影響吸收與頻率的關(guān)系——頻率越高，吸收越強(qiáng)；頻譜中心向低頻偏移；波束變寬；前沿變壞；2024/10/21醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義57理想的情況下，工作頻率越高，分辨率越高；生物組織的平均衰減系數(shù)接近1dB/cm·MHz；頻率3MHz—深度20cm—衰減60dB，94%頻率10MHz—深度20cm—衰減200dB，99.5%在大多數(shù)情況下，最佳工作頻率就是超聲波穿透深度不超過200個波長時就能達(dá)到被探測臟器的那個頻率；例如：頻率為3MHz時，波長是0.51mm它能夠形成102mm深處組織的良好圖像。2024/10/21醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義58帶寬2024/10/21醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義59工作頻率超聲診斷儀的工作頻率，根據(jù)兩個方面因素作最佳的選擇。首先，從分辨力的角度說，增高頻率，可以改善分辨力。頻率越高，波長越短，則波束的指向性越好（近場距離大，而發(fā)散角?。?，橫向和縱向分辨力都能提高。其次，從穿透深度的角度來看，工作頻率越高，則衰減成正比地增加，必然使探測深度減小。若要求較大的穿透深度，就得取較低的工作頻率。2024/10/21醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義60因此，在設(shè)計(jì)中不得不在工作深度與頻率之間取合理的折衷。比如眼科應(yīng)用中，所要求深度小，可以用高頻率以提高分辨力，一般用10MHz。而要穿透較大深度（如腹腔）時，則只能取較低工作頻率。通用B型超聲診斷儀的工作頻率一般在3.5MHz，有些診斷儀配有多種不同頻率的探頭以滿足不同檢查深度的需要。2024/10/21醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義61常用超聲診斷儀的超聲頻率；

動態(tài)范圍

分辨率(波長mm)頻率(MHz)10dB20dB30dB1.5

2.5

3.0

10.253.754.52.50.91.51.850.450.750.9100.2750.3750.452024/10/21醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義62作用距離（穿透深度）指儀器發(fā)射的超聲波束可以穿透并能顯示出回聲圖像的被測介質(zhì)深度。超聲醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)的作用距離，通常要滿足處于相當(dāng)深度上的各種器官的成像需要，如腹部成像就需要有20cm的工作距離，而用于眼球的深度為10cm。影響作用距離的主要因素是脈沖信號在傳播途中的衰減，這是由于組織的吸收、反射、折射、散射等原因引起的。2024/10/21醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義63要提高儀器的探測深度，有三個方面的途徑。降低工作頻率。但降低工作頻率，則分辨力也隨之降低，這是一個限制。提高接收機(jī)的靈敏度和擴(kuò)大動態(tài)范圍，使能接收較遠(yuǎn)距離的微弱的反射信號，但這要受到換能器噪聲的限制，信噪比極限對診斷超聲的最大穿透深度上的限制為300個波長左右。加大發(fā)射功率，使遠(yuǎn)距離的微小聲阻抗差也能產(chǎn)生較強(qiáng)反射，從而使更遠(yuǎn)距離的病灶也能被探測到，但要考慮安全劑量的限制。考慮到各方面的指標(biāo)，應(yīng)合理選取作用距離。2024/10/21醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義64脈沖重復(fù)頻率指脈沖工作方式超聲儀器每秒鐘重復(fù)發(fā)射超聲脈沖的次數(shù)，即探頭激勵脈沖的頻率。2024/10/21醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義65重復(fù)頻率主要取決于所需探測的最大深度以及掃描的回掃時間。設(shè)最大深度L=20cm，超聲速度c=1540/s，則探測最大深度所需時間為2L/c，最大重復(fù)頻率為：2024/10/21醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義66重復(fù)頻率過高，會造成多重界面的重復(fù)反射而互相干擾，使回波圖形混亂和模糊。通常選用頻率在50~2000Hz之間。M型超聲多采用1000次/s，脈沖持續(xù)時間1.5微秒。斷層顯像儀為了提高幀頻，選用3000Hz2024/10/21醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義67幀頻成像系統(tǒng)每秒鐘可以成像的幀數(shù)稱為幀頻。動畫顯示：畫面幀頻必須達(dá)到一定的數(shù)目電視------30幀/秒電影------24幀/秒通常幀頻>10幀/秒，為實(shí)時成像系統(tǒng)；幀頻<10幀/秒，為靜止成像系統(tǒng)。2024/10/21醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義68超聲波在生物體內(nèi)往復(fù)的時間如果把診斷的深度定為15cm的話，則0.15(m)×2/1540(m/s)=1/5133s(每秒可接收5133次超聲波發(fā)送/接收信號)，假設(shè)生物體內(nèi)聲波的速度為1540m/s如果每秒鐘發(fā)出5133束超聲波束的話，則每一幅圖像均可從100束超聲波得到：5133/100=51幀/秒，因此，速度比電視和電影要快。2024/10/21醫(yī)學(xué)超聲