超聲基礎(chǔ)知識(shí)

1、 超聲原理 2 / GE Presenter and Event / 2021-7-25 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 Presenter and Event / 2021-7-25 第一部分 超聲診斷的物理基礎(chǔ) 4 / GE Presenter and Event / 2021-7-25 聲源、介質(zhì) 聲源： 能發(fā)聲的物體稱(chēng)聲源。 聲源振動(dòng)后產(chǎn)生聲波。 在超聲成像中，探頭的晶片高頻振動(dòng)時(shí)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

2、密切 5 / GE Presenter and Event / 2021-7-25 超聲波與頻譜圖 可聽(tīng)范圍：20-20000HZ 超聲波：20 000HZ 超聲成像范圍：2-20MHZ 1000HZ=1KHZ 1MHZ=106HZ 6 / GE Presenter and Event / 2021-7-25 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 Presenter and Event / 2021-7-25 超聲波的傳播 超聲波的種類(lèi)： 橫波：質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方向垂直于

3、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(dòng)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 Presenter and Event / 2021-7-25 聲波在軟組織中的速度 在軟組織的平均速度是1540米/秒 探測(cè)1cm深度目標(biāo)所需時(shí)間為13us 9 / GE Presenter and Event / 2021-7-25 超聲波的幾個(gè)重要物理量 波長(zhǎng)( 一個(gè)超聲波周期所經(jīng) 歷的長(zhǎng)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(hào)的強(qiáng)度) 周期T

4、 (完成一個(gè)完整的波長(zhǎng) 所需的時(shí)間) Time Wavelength Amplitude Frequency 10 / GE Presenter and Event / 2021-7-25 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(xiàn)傳播 不同介質(zhì)界面，會(huì)發(fā)生反射與折射 鏡面反射及反射系數(shù) 11 / GE Presenter and Event / 2021-7-25 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(huì)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 1

5、2 / GE Presenter and Event / 2021-7-25 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(huì)肝中，其余94% 的能量透入界面送入腎 13 / GE Presenter and Event / 2021-7-25 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(huì)產(chǎn)生反射，所以超生對(duì)軟組織 的分辨力非常高。 如果不發(fā)生反射？ 反射太強(qiáng)？ 14 / GE Presenter and Event / 2021-7-25 超聲波的散射 散射：入射

6、聲波遇到小界面時(shí)產(chǎn)生散射 15 / GE Presenter and Event / 2021-7-25 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 Presenter and Event / 2021-7-25 超聲波的聲場(chǎng)特性 聲場(chǎng)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(chēng)為超聲束。 主瓣和旁瓣 旁瓣會(huì)產(chǎn)生偽像克服旁瓣，增強(qiáng)主瓣 a-主瓣 b,c-旁瓣 17 / GE Presenter and Event / 20

7、21-7-25 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 Presenter and Event / 2021-7-25 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 Presenter and Event / 2021-7-25 超聲的分辨力 分辨力的定義 指超聲檢查時(shí)，能在熒光屏上被分別顯示為兩個(gè)點(diǎn)的最小 距離的能力。 軸向分辨力 聲束穿過(guò)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

8、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(xiàn)或面上，能在熒光屏上被分別顯示為兩 個(gè)點(diǎn)的最小距離的能力。 與聲束的寬窄有關(guān) 20 / GE Presenter and Event / 2021-7-25 超聲的穿透力 穿透力的增加，以分辨力的損失為代價(jià) 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 Presenter and Event / 2021-7-25 超聲診斷的優(yōu)點(diǎn) 安全、無(wú)輻射。適用于胎兒診斷。 設(shè)備可移動(dòng)，成本低。 實(shí)時(shí)成像 通過(guò)掃描角度變化，獲得更佳的圖像。 多普勒檢測(cè)血流量信息。 22 / GE Presenter and Ev

9、ent / 2021-7-25 第二部分 超聲成像原理 23 / GE Presenter and Event / 2021-7-25 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 Line 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(xiàn)圖。：是一種振幅的模式。它在顯示上形成垂直偏轉(zhuǎn)的曲線(xiàn)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(xiàn)構(gòu)成。點(diǎn)的亮度

10、代表接收到回聲的振幅。通過(guò)連續(xù)掃描，二直線(xiàn)構(gòu)成。點(diǎn)的亮度代表接收到回聲的振幅。通過(guò)連續(xù)掃描，二 維的剖面圖像不斷地被更新，這就是實(shí)時(shí)維的剖面圖像不斷地被更新，這就是實(shí)時(shí)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 Presenter and Event / 2021-7-25 3. M模式：模式： M模式中的模式中的M表示運(yùn)動(dòng)，表示運(yùn)動(dòng)，M模式通過(guò)模式通過(guò)B模式圖象來(lái)顯示一個(gè)取樣線(xiàn)，然后在以時(shí)模式圖象來(lái)顯示一個(gè)取樣線(xiàn)，然后在以時(shí) 間為軸線(xiàn)的波形圖上表示其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。通常間為軸線(xiàn)的波形圖上表示其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。通常M模式用于檢測(cè)心臟及胎兒的心率。模式用于

11、檢測(cè)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 Presenter and Event / 2021-7-25 圖像的形成 所有的超聲儀器使用同樣的超聲信號(hào)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 Presenter and Event / 2021-7-25 圖

12、像的形成(cont.) Sound beam Transducer Pulser/receiver System CPU Digital Scan Converter Monitor Recording Devices VCR / Printer Laser Camera 27 / GE Presenter and Event / 2021-7-25 探頭 用于超聲的探頭也稱(chēng)為換能器，是用來(lái)產(chǎn)生和檢測(cè)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)： 詳見(jiàn)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(dòng)； 壓電效應(yīng)：

13、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(hào)時(shí)，其端面會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)， 發(fā)出聲波。 工作原理： 主機(jī)通過(guò)電纜在基元上施加電信號(hào)，使基元振動(dòng)， 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(hào)，通過(guò)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 Presenter and Event / 2021-7-25 探頭的種類(lèi) 相控陣探頭：3S 曲陣探頭：3.5C，4C 線(xiàn)陣探頭：10L 腔內(nèi)探頭：經(jīng)食道探頭 面陣探頭：M7C 29 / GE Presenter

14、and Event / 2021-7-25 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(guò)電子控制產(chǎn)生掃描波束并且通過(guò)延時(shí)線(xiàn)對(duì)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(xiàn)陣線(xiàn)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(xiàn)陣：用于小器官、血管及術(shù)中。線(xiàn)陣：用于小器官、血管及術(shù)中。 特點(diǎn)： 孔徑大 近場(chǎng)視野寬 旁瓣影響小 凸陣：也稱(chēng)彎曲線(xiàn)陣，與線(xiàn)陣的區(qū)別在于凸陣：也稱(chēng)彎曲線(xiàn)陣，與線(xiàn)陣

15、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(chǎng)視野寬 30 / GE Presenter and Event / 2021-7-25 3. 機(jī)械掃描方式機(jī)械掃描方式 機(jī)械掃描是通過(guò)單個(gè)或多個(gè)基元機(jī)械運(yùn)動(dòng)（擺動(dòng)）機(jī)械掃描是通過(guò)單個(gè)或多個(gè)基元機(jī)械運(yùn)動(dòng)（擺動(dòng)） 來(lái)產(chǎn)生超聲波束的。來(lái)產(chǎn)生超聲波束的。 機(jī)械扇掃：是超聲波束通過(guò)基元機(jī)械運(yùn)動(dòng)來(lái)回機(jī)械扇掃：是超聲波束通過(guò)基元機(jī)械運(yùn)動(dòng)來(lái)回 擺動(dòng)進(jìn)行掃描的。擺動(dòng)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

16、方式是通過(guò)連續(xù)變換延時(shí)線(xiàn)來(lái)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(guò)連續(xù)變換延時(shí)線(xiàn)來(lái)得到產(chǎn)生超聲波束的不同角度。主要用于心臟。 延時(shí)線(xiàn)掃描 超聲波束相控陣探頭 通過(guò)延時(shí)線(xiàn)聚焦 31 / GE Presenter and Event / 2021-7-25 延時(shí)線(xiàn)路延時(shí)線(xiàn)路 脈沖發(fā)射脈沖發(fā)射/接收接收 處理處理 濾波器、對(duì)數(shù)放大濾波器、對(duì)數(shù)放大 器、時(shí)間增益控制器、時(shí)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(chǔ)存儲(chǔ) 硬盤(pán)、磁光盤(pán)硬盤(pán)、磁光盤(pán) 主機(jī)主機(jī) 探頭探頭 超聲系統(tǒng) 32 /

17、GE Presenter and Event / 2021-7-25 通過(guò)窄孔徑， 在近場(chǎng)聚焦 中場(chǎng)通過(guò)寬孔徑， 在遠(yuǎn)場(chǎng)聚焦 對(duì)每一深度聚焦 動(dòng)態(tài)接收聚焦動(dòng)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(duì)感興趣的許多超聲設(shè)備都有調(diào)整聚焦的功能，對(duì)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(dòng)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(dòng)態(tài)聚焦；連續(xù)動(dòng)態(tài)聚焦常用的聚焦

18、方式：分段聚焦；動(dòng)態(tài)聚焦；連續(xù)動(dòng)態(tài)聚焦(CDF） 名詞解釋 33 / GE Presenter and Event / 2021-7-25 2. 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(chǎng)近場(chǎng) 5MHz10MHz 3. 幀頻幀頻 幀頻是指單位時(shí)間內(nèi)幀頻是指單位時(shí)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(dòng) 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(gè)探頭的變頻是一種新技術(shù)：改變同一個(gè)探頭的 頻率

19、。若目標(biāo)區(qū)域在近場(chǎng)，可以選用高頻率。若目標(biāo)區(qū)域在近場(chǎng)，可以選用高 頻率；若目標(biāo)區(qū)域在遠(yuǎn)場(chǎng)，可以切換到頻率；若目標(biāo)區(qū)域在遠(yuǎn)場(chǎng)，可以切換到 低頻率。低頻率。 34 / GE Presenter and Event / 2021-7-25 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(shí)數(shù)字化延時(shí)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

20、Presenter and Event / 2021-7-25 5. 分辨率分辨率 分辨率是指對(duì)兩個(gè)靠近物體的識(shí)別能力，即對(duì)圖象的區(qū)分。分辨率是指對(duì)兩個(gè)靠近物體的識(shí)別能力，即對(duì)圖象的區(qū)分。 軸向（縱向）分辨率軸向（縱向）分辨率：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(gè)點(diǎn)目標(biāo)的最小距離。兩個(gè)點(diǎn)目標(biāo)的最小距離。 軸向分辨率由超聲波束的波長(zhǎng)所決定。軸向分辨率由超聲波束的波長(zhǎng)所決定。 一般來(lái)說(shuō)，軸向分辨率為波長(zhǎng)的一般來(lái)說(shuō)，軸向分辨率為波長(zhǎng)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

21、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(duì)垂直于超聲波束軸方向上可是指對(duì)垂直于超聲波束軸方向上可 區(qū)分的兩個(gè)點(diǎn)目標(biāo)的最小距離。區(qū)分的兩個(gè)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)向分辨率取決于超聲波束的寬度和波束聚焦情況。 灰度（對(duì)比度）分辨率：灰度（對(duì)比度）分辨率：是指對(duì)兩個(gè)相似密度的物體的是指對(duì)兩個(gè)相似密度的物體的 識(shí)別能力。識(shí)別能力。 灰度分辨率幾何分辨率平衡平衡 36 / GE Presenter and Event / 2021-7-25 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(jià)斷中非常有價(jià)值值。主要用于。主要用于檢測(cè)檢測(cè)心心臟

22、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(dòng)動(dòng)源運(yùn)源運(yùn)動(dòng)動(dòng)，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(dòng)動(dòng)源運(yùn)源運(yùn)動(dòng)動(dòng)，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(dòng)源和接收體有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)振動(dòng)源和接收體有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí),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(duì)運(yùn)動(dòng)的速度有關(guān)其差別與相對(duì)運(yùn)動(dòng)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 Presenter and Event / 2021-7-25 2. 多普勒效應(yīng)公式：多普勒效應(yīng)公式： 2cos