超聲基礎(chǔ)知識

1、 超聲原理 2 / GE / 2021-7-1 主要內(nèi)容 1.超聲診斷的物理基礎(chǔ) 2.超聲成像原理 3.超聲應(yīng)用 3 / GE / 2021-7-1 第一部分 超聲診斷的物理基礎(chǔ) 4 / GE / 2021-7-1 聲源、介質(zhì) 聲源： 能發(fā)聲的物體稱聲源。 聲源振動后產(chǎn)生聲波。 在超聲成像中，探頭的晶片高頻振動時即產(chǎn)生超聲 介質(zhì) 氣體，固定，液體是傳播聲音的介質(zhì) 聲音必須在介質(zhì)中傳播，不能在真空中傳播 超聲成像中，人體臟器，器官都是介質(zhì) 介質(zhì)的聲學(xué)特性，與成像的關(guān)系非常密切 5 / GE / 2021-7-1 超聲波與頻譜圖 可聽范圍：20-20000HZ 超聲波：20 000HZ 超聲成像范

2、圍：2-20MHZ 1000HZ=1KHZ 1MHZ=106HZ 6 / GE / 2021-7-1 醫(yī)學(xué)超聲波的應(yīng)用范圍 3.5-5MHZ應(yīng)用于成人心臟及腹部成像 7-10MHZ應(yīng)用于小器官成像，例如甲狀腺，血 管 10-40MHZ應(yīng)用于血管和皮膚成像 7 / GE / 2021-7-1 超聲波的傳播 超聲波的種類： 橫波：質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動方向垂直于傳播方向。在固體中波以橫 波形式傳播 縱波：質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動方向平行于傳播方向。在軟組織中波以 縱波形式傳播。 在超聲診斷中，主要應(yīng)用超聲縱波 聲速與介質(zhì)有關(guān) 固定液體氣體 空氣 液體 固體 8 / GE / 2021-7-1 聲波在軟組織中的速度 在軟組織

3、的平均速度是1540米/秒 探測1cm深度目標(biāo)所需時間為13us 9 / GE / 2021-7-1 超聲波的幾個重要物理量 波長( 一個超聲波周期所經(jīng)歷 的長度) 頻率f (每秒發(fā)射的超聲波的脈 沖數(shù)量) C=*f f=1/T 振幅A (超聲信號的強(qiáng)度) 周期T (完成一個完整的波長所 需的時間) Time Wavelength Amplitude Frequency 10 / GE / 2021-7-1 超聲診斷的物理基礎(chǔ)（1） 超聲波的回聲是反射式超聲成像的基礎(chǔ) 界面反射 超聲在均勻介質(zhì)中沿直線傳播 不同介質(zhì)界面，會發(fā)生反射與折射 鏡面反射及反射系數(shù) 11 / GE / 2021-7-1

4、 超聲診斷的物理基礎(chǔ)（2） 聲學(xué)特性阻抗差異大的界面反射特性 Z1Z2 （固體-氣體） 將會發(fā)生近乎全部反射， 即強(qiáng)力反射， 例如甲狀腺（氣管黑色）；肺部很難成像；超聲耦合 劑 12 / GE / 2021-7-1 超聲診斷的物理基礎(chǔ)（3） 聲學(xué)特性阻抗差異小的界面反射特性 如果Z1和Z2相近，則反射很小。 軟組織的特性阻抗非常相近 例如：肝-腎界面只有6%的入射波能量反射會肝中，其余94% 的能量透入界面送入腎 13 / GE / 2021-7-1 小結(jié) 界面反射是超聲成像的基礎(chǔ)，只要有1的聲 阻抗差異，就會產(chǎn)生反射，所以超生對軟組織 的分辨力非常高。 如果不發(fā)生反射？ 反射太強(qiáng)？ 14 /

5、 GE / 2021-7-1 超聲波的散射 散射：入射聲波遇到小界面時產(chǎn)生散射 15 / GE / 2021-7-1 超聲波的折射 折射系數(shù) 由于超聲波在界面兩邊的聲速不同，其聲速之比決定折射程 度 如果速度相等，則不發(fā)生折射 偽像的產(chǎn)生折射 人體各種軟組織的聲速都是接近的 16 / GE / 2021-7-1 超聲波的聲場特性 聲場分布 由換能器發(fā)出超聲后，呈狹窄的圓柱形分布，其直徑與晶體大小接近， 有明顯的方向性，稱為超聲束。 主瓣和旁瓣 旁瓣會產(chǎn)生偽像克服旁瓣，增強(qiáng)主瓣 a-主瓣 b,c-旁瓣 17 / GE / 2021-7-1 超聲波的衰減特性 超聲波的衰減與傳播距離成正比；與頻率的

6、2/3方成正比。 高頻衰減大，低頻衰減?。ù┩噶?qiáng)） 引起衰減的因素 吸收 散射，折射等減弱 18 / GE / 2021-7-1 超聲的多普勒效應(yīng) 多普勒公示： 公式中，C，f0不變，v是變化 的 多普勒效應(yīng)是血流成像的基礎(chǔ)！ 19 / GE / 2021-7-1 超聲的分辨力 分辨力的定義 指超聲檢查時，能在熒光屏上被分別顯示為兩個點(diǎn)的最小 距離的能力。 軸向分辨力 聲束穿過介質(zhì)中能被分辨為前后兩點(diǎn)的最小距離 與超聲波的頻率成正比 最大分辨力為/2 側(cè)向分辨力或者橫向分辨力 與聲束相垂直的線或面上，能在熒光屏上被分別顯示為兩 個點(diǎn)的最小距離的能力。 與聲束的寬窄有關(guān) 20 / GE / 2

7、021-7-1 超聲的穿透力 穿透力的增加，以分辨力的損失為代價 頻率越高，分辨力越高，穿透力越小 頻率越低，穿透力越強(qiáng)，分辨力越低 21 / GE / 2021-7-1 超聲診斷的優(yōu)點(diǎn) 安全、無輻射。適用于胎兒診斷。 設(shè)備可移動，成本低。 實(shí)時成像 通過掃描角度變化，獲得更佳的圖像。 多普勒檢測血流量信息。 22 / GE / 2021-7-1 第二部分 超聲成像原理 23 / GE / 2021-7-1 超聲的模式 在監(jiān)視器上顯示的超聲圖像是二維圖像，這與CT和核磁共振所 形成的圖像相同。 回波振幅 Line 1 Line 2 Line 3 Line 4 Line 5 Line 6 Lin

8、e 7 Line 8 1. A模式模式：是一種振幅的模式。它在顯示上形成垂直偏轉(zhuǎn)的曲線圖。：是一種振幅的模式。它在顯示上形成垂直偏轉(zhuǎn)的曲線圖。 2. B模式模式：是一種亮度的模式。其圖像由不同亮度的點(diǎn)所組成的：是一種亮度的模式。其圖像由不同亮度的點(diǎn)所組成的 直線構(gòu)成。點(diǎn)的亮度代表接收到回聲的振幅。通過連續(xù)掃描，二直線構(gòu)成。點(diǎn)的亮度代表接收到回聲的振幅。通過連續(xù)掃描，二 維的剖面圖像不斷地被更新，這就是實(shí)時維的剖面圖像不斷地被更新，這就是實(shí)時B模式。模式。 探頭 換能器 監(jiān)視器 Line 1 2 3 4 5 6 7 8 24 / GE / 2021-7-1 3. M模式：模式： M模式中的模式中

9、的M表示運(yùn)動，表示運(yùn)動，M模式通過模式通過B模式圖象來顯示一個取樣線，然后在以時模式圖象來顯示一個取樣線，然后在以時 間為軸線的波形圖上表示其運(yùn)動狀態(tài)。通常間為軸線的波形圖上表示其運(yùn)動狀態(tài)。通常M模式用于檢測心臟及胎兒的心率。模式用于檢測心臟及胎兒的心率。 TransducerTransducerTransducerTransducer Line 45 t1Line 45 t2Line 45 t3Line 45 t4 t 1 2 3 4 5 6 7. 4. D模式（多普勒模式）（后面詳述）模式（多普勒模式）（后面詳述） 25 / GE / 2021-7-1 圖像的形成 所有的超聲儀器使用同樣的

10、超聲信號的基本成分進(jìn)行 發(fā)射,并形成圖像. 探頭 脈沖發(fā)射器/接收器 中央處理器 數(shù)字掃描轉(zhuǎn)換器 顯示及存貯 26 / GE / 2021-7-1 圖像的形成(cont.) Sound beam Transducer Pulser/receiver System CPU Digital Scan Converter Monitor Recording Devices VCR / Printer Laser Camera 27 / GE / 2021-7-1 探頭 用于超聲的探頭也稱為換能器，是用來產(chǎn)生和檢測超聲波的部件，即換能器。 既是發(fā)射器，也是接收器。它是超聲設(shè)備最重要的部分。 結(jié)構(gòu)： 詳

11、見右圖所示。 其中：壓電陶瓷發(fā)射/接收超聲波；聲透鏡軸向 聚焦；背襯材料防止產(chǎn)生超聲波反向振動； 壓電效應(yīng)：是指具有壓電特性的材料(陶瓷、石英) 在受到外界壓力后，在其受壓端面產(chǎn)生電壓；在其 端面施加交變電信號時，其端面會產(chǎn)生機(jī)械振動， 發(fā)出聲波。 工作原理： 主機(jī)通過電纜在基元上施加電信號，使基元振動， 發(fā)出超聲波，超聲波經(jīng)物體反射作用在基元上，使基元 兩端產(chǎn)生電信號，通過電纜傳送至主機(jī)處理、顯示。 聲透鏡 壓電陶瓷(基元) 背襯材料 襯套 電纜 物物 體體 發(fā)射 反射 28 / GE / 2021-7-1 探頭的種類 相控陣探頭：3S 曲陣探頭：3.5C，4C 線陣探頭：10L 腔內(nèi)探頭：

12、經(jīng)食道探頭 面陣探頭：M7C 29 / GE / 2021-7-1 超聲掃描方式 超聲設(shè)備在醫(yī)學(xué)臨床上有多種診斷方式。目前主要采用以下的 方式： 電子掃描方式 探頭的許多基元通過電子控制產(chǎn)生掃描波束并且通過延時線對波束進(jìn)行聚 焦。 電子掃描方式電子掃描方式機(jī)械掃描方式機(jī)械掃描方式 特殊方式特殊方式 線陣線陣機(jī)械扇掃機(jī)械扇掃斜向掃描斜向掃描 凸陣（含微型凸陣）凸陣（含微型凸陣）徑向掃描徑向掃描梯形掃描梯形掃描 相控陣相控陣擴(kuò)大掃描擴(kuò)大掃描 向量掃描向量掃描 線陣：用于小器官、血管及術(shù)中。線陣：用于小器官、血管及術(shù)中。 特點(diǎn)： 孔徑大 近場視野寬 旁瓣影響小 凸陣：也稱彎曲線陣，與線陣的區(qū)別在于凸

13、陣：也稱彎曲線陣，與線陣的區(qū)別在于 基元是彎曲的。用于腹部和婦產(chǎn)科?；菑澢?。用于腹部和婦產(chǎn)科。 特點(diǎn)： 近、遠(yuǎn)場視野寬 30 / GE / 2021-7-1 3. 機(jī)械掃描方式機(jī)械掃描方式 機(jī)械掃描是通過單個或多個基元機(jī)械運(yùn)動（擺動）機(jī)械掃描是通過單個或多個基元機(jī)械運(yùn)動（擺動） 來產(chǎn)生超聲波束的。來產(chǎn)生超聲波束的。 機(jī)械扇掃：是超聲波束通過基元機(jī)械運(yùn)動來回機(jī)械扇掃：是超聲波束通過基元機(jī)械運(yùn)動來回 擺動進(jìn)行掃描的。擺動進(jìn)行掃描的。 特點(diǎn)：制作成本低；掃描角度大。特點(diǎn)：制作成本低；掃描角度大。 噪音大；幀頻低；壽命短。噪音大；幀頻低；壽命短。 基元 相控陣：相控陣： 相控陣方式是通過連續(xù)變換

14、延時線來得到產(chǎn)生超聲波束的不同角度。主要用于心臟。相控陣方式是通過連續(xù)變換延時線來得到產(chǎn)生超聲波束的不同角度。主要用于心臟。 延時線掃描 超聲波束相控陣探頭 通過延時線聚焦 31 / GE / 2021-7-1 延時線路延時線路 脈沖發(fā)射脈沖發(fā)射/接收接收 處理處理 濾波器、對數(shù)放大濾波器、對數(shù)放大 器、時間增益控制器、時間增益控制 D S C 數(shù)字掃描轉(zhuǎn)換器數(shù)字掃描轉(zhuǎn)換器 監(jiān)視器監(jiān)視器 記錄設(shè)備記錄設(shè)備 錄像機(jī) 打印機(jī) 彩色打印機(jī) 圖象檔案管理圖象檔案管理 存儲存儲 硬盤、磁光盤硬盤、磁光盤 主機(jī)主機(jī) 探頭探頭 超聲系統(tǒng) 32 / GE / 2021-7-1 通過窄孔徑， 在近場聚焦 中場通

15、過寬孔徑， 在遠(yuǎn)場聚焦 對每一深度聚焦 動態(tài)接收聚焦動態(tài)接收聚焦 透鏡焦點(diǎn) 聚焦 發(fā)散 1. 聚焦聚焦 許多超聲設(shè)備都有調(diào)整聚焦的功能，對感興趣的許多超聲設(shè)備都有調(diào)整聚焦的功能，對感興趣的 區(qū)域進(jìn)行聚焦，從而使圖象分辨率更高，圖象更清晰。區(qū)域進(jìn)行聚焦，從而使圖象分辨率更高，圖象更清晰。 超聲系統(tǒng)的幾種聚焦方式：超聲系統(tǒng)的幾種聚焦方式： 只在發(fā)射端聚焦（接收端：自動聚焦）：保持較高的幀頻 發(fā)射和接收端聚焦：可使圖象質(zhì)量更好，但是幀頻很低 常用的聚焦方式：分段聚焦；動態(tài)聚焦；連續(xù)動態(tài)聚焦常用的聚焦方式：分段聚焦；動態(tài)聚焦；連續(xù)動態(tài)聚焦(CDF） 名詞解釋 33 / GE / 2021-7-1 2.

16、 寬頻及變頻寬頻及變頻 5MHz 5MHz 傳統(tǒng)探頭寬頻帶探頭 頻帶寬度 主機(jī)帶寬 探頭帶寬 遠(yuǎn)場近場 5MHz10MHz 3. 幀頻幀頻 幀頻是指單位時間內(nèi)幀頻是指單位時間內(nèi) 獲得圖象的幀數(shù)。獲得圖象的幀數(shù)。 高幀頻可以捕捉細(xì)小高幀頻可以捕捉細(xì)小 的信息。的信息。 移 動 的 物 體 低 幀 頻 高 幀 頻 寬頻是指探頭的工作頻率范圍比較寬。寬頻是指探頭的工作頻率范圍比較寬。 變頻是一種新技術(shù)：改變同一個探頭的變頻是一種新技術(shù)：改變同一個探頭的 頻率。若目標(biāo)區(qū)域在近場，可以選用高頻率。若目標(biāo)區(qū)域在近場，可以選用高 頻率；若目標(biāo)區(qū)域在遠(yuǎn)場，可以切換到頻率；若目標(biāo)區(qū)域在遠(yuǎn)場，可以切換到 低頻率。

17、低頻率。 34 / GE / 2021-7-1 4. 數(shù)字化數(shù)字化 數(shù)字化的標(biāo)志是數(shù)字化處理裝置。數(shù)字化的標(biāo)志是數(shù)字化處理裝置。 前端數(shù)字化全數(shù)字化前端數(shù)字化全數(shù)字化 后端數(shù)字化部分?jǐn)?shù)字化后端數(shù)字化部分?jǐn)?shù)字化 數(shù)字化 處理 A/D 放大、 處理 顯示 放大、 濾波 數(shù)字化 處理 A/D 目標(biāo)目標(biāo) 數(shù)字化延時數(shù)字化延時數(shù)字化疊加數(shù)字化疊加 數(shù)字波束形成器數(shù)字波束形成器 探頭探頭 處理處理顯示顯示 35 / GE / 2021-7-1 5. 分辨率分辨率 分辨率是指對兩個靠近物體的識別能力，即對圖象的區(qū)分。分辨率是指對兩個靠近物體的識別能力，即對圖象的區(qū)分。 軸向（縱向）分辨率軸向（縱向）分辨率：

18、是指沿超聲波束軸方向上可區(qū)分的：是指沿超聲波束軸方向上可區(qū)分的 兩個點(diǎn)目標(biāo)的最小距離。兩個點(diǎn)目標(biāo)的最小距離。 軸向分辨率由超聲波束的波長所決定。軸向分辨率由超聲波束的波長所決定。 一般來說，軸向分辨率為波長的一般來說，軸向分辨率為波長的2到到4倍倍? 分辨率分辨率 幾何分辨率幾何分辨率 灰度分辨率灰度分辨率 軸向分辨率軸向分辨率 側(cè)向分辨率側(cè)向分辨率 軸向分辨率 高低 側(cè)向分辨率 高低 側(cè)向（橫向）分辨率：側(cè)向（橫向）分辨率：是指對垂直于超聲波束軸方向上可是指對垂直于超聲波束軸方向上可 區(qū)分的兩個點(diǎn)目標(biāo)的最小距離。區(qū)分的兩個點(diǎn)目標(biāo)的最小距離。 側(cè)向分辨率取決于超聲波束的寬度和波束聚焦情況。側(cè)向

19、分辨率取決于超聲波束的寬度和波束聚焦情況。 灰度（對比度）分辨率：灰度（對比度）分辨率：是指對兩個相似密度的物體的是指對兩個相似密度的物體的 識別能力。識別能力。 灰度分辨率幾何分辨率平衡平衡 36 / GE / 2021-7-1 多普勒技多普勒技術(shù)術(shù)在超聲在超聲診診斷中非常有價斷中非常有價值值。主要用于。主要用于檢測檢測心心臟臟、血管內(nèi)血液的流向，、血管內(nèi)血液的流向， 流速及流量。流速及流量。 主要包括以下三種：主要包括以下三種：- 脈沖多普勒脈沖多普勒(PW) - 高脈沖重復(fù)高脈沖重復(fù)頻頻率多普勒率多普勒(HPRF) - 連續(xù)連續(xù)波多普勒波多普勒 (CW). - 單連續(xù)單連續(xù)波多普勒波多普

20、勒 - 可控可控連續(xù)連續(xù)波多普勒波多普勒 TXM RCVRCV 如果接收體向著振如果接收體向著振動動源運(yùn)源運(yùn)動動，則則接收接收 到的到的頻頻率將高于率將高于發(fā)發(fā)射射頻頻率。率。 如果接收體背著振如果接收體背著振動動源運(yùn)源運(yùn)動動，則則接收接收 到的到的頻頻率將低于率將低于發(fā)發(fā)射射頻頻率。率。 TXM 1. 多普勒效應(yīng)：多普勒效應(yīng)：振動源和接收體有相對運(yùn)動時振動源和接收體有相對運(yùn)動時,所接收到的回聲頻率不同于振源所發(fā)射所接收到的回聲頻率不同于振源所發(fā)射 的聲頻率的聲頻率,其差別與相對運(yùn)動的速度有關(guān)其差別與相對運(yùn)動的速度有關(guān),這就是多普勒效應(yīng)。這就是多普勒效應(yīng)。 多普勒 37 / GE / 2021-7-1 2. 多普勒效應(yīng)公式：多普勒效應(yīng)公式： 2cos f。 C f V(cm/s)= V 血流 V (cm/s): 血流速度血流速