超聲多普勒成像原理

1、 超聲多普勒成像原理當聲發(fā)射源與聲接收器有相對運動時，接收器所接收到的聲波頻率與發(fā)射頻率有所不同，這一現(xiàn)象稱為多普勒效應(yīng)。超聲多普勒法成像就是應(yīng)用超聲波的多普勒效應(yīng)，從體外得到人體運動臟器的信息，進行處理和顯示?，F(xiàn)已普遍用于血流、心臟和產(chǎn)科等方面的檢查。超聲血流測量儀、起聲胎心檢測儀、超聲血管顯像儀以及超聲血壓計、超聲血流速度剖面測試儀等多種儀器在臨床上廣為應(yīng)用。超聲波對血管內(nèi)流動的紅血球接收散射，根據(jù)多普勒效應(yīng)，即反射頻率于發(fā)射頻率之間將產(chǎn)生偏移即多普勒頻移fd，由下式給出： fd=2vf0cos/C式中v為紅血球的運動速度，C為超聲波的速度。由公式可以看出，與血流速度成正比，若檢出fd就可

2、求得v。超聲多普勒法分連續(xù)多普勒和脈沖多普勒。前者的缺點是沒有距離分辨能力，在射線方向上的所有多普勒信號總是重疊在一起；后者具有距離分辨能力，能夠撿出某特定深度的多普勒信號，可用于清潔箱內(nèi)部和大血管血流信號的檢測。但由于采用脈沖波，受重復(fù)頻率產(chǎn)生的重疊幻像的影響，測定深部高速血流具有一定的困難?，F(xiàn)在的超聲多普勒成像裝置大多采用與B超相結(jié)合的方法，在B超上一邊設(shè)立多普勒取樣，一邊撿出血流信息。多普勒波束是與B超超聲波束一起發(fā)射的。由同一探頭接收放大，經(jīng)延遲線和加法器后，進入混頻電路和低通濾波器進行相位檢波，然后通過取樣狀態(tài)設(shè)定電路和帶通濾波器取出特定深度的多普勒信號，并將從心臟壁和血管壁來的運動

3、滯后的低頻多普勒信號濾除。取出的多普勒信號一路可以送到揚聲器進行監(jiān)聽，一路可以經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換送到頻譜分析器進行快速傅里葉變換(FFT)，通過變換后便可得到多普勒頻譜。以橫軸表示時間，縱軸表示多普勒頻移（速度），各個多普勒頻率強度（功率）用輝度顯示。由于FFT變換頻譜范圍寬，可以判斷是紊流還是層流。最后，經(jīng)D/A變換后與B型、M型圖像一起顯示。彩色多普勒成像裝置 彩色多普勒體層成像是用脈沖多普勒法對于一點的血流信息進行實時二維顯示。一般取流向探頭的血流設(shè)為紅色，遠離探頭的血流設(shè)為藍色。其基本原理和脈沖多普勒法一樣，所不同的是比脈沖多普勒成像裝置多了MTI（移動目標指示裝置）計算電路。接收到的多普

4、勒回波信號經(jīng)過混頻電路和低通濾波器進行相位檢波后，一路送到處理電路，進行頻譜分析，以顯示多普勒頻譜；一路送到計算機電路，以得到彩色多普勒血流信息。為了濾除心臟壁、血管壁等反射的信號，以有效地檢測超聲射線方向的多普勒信號，使用了MTI濾波器。經(jīng)過MTI濾波器的超聲多普勒信號，進入自相關(guān)處理器進行自相關(guān)處理，在分別進行平均速度、分散和乘方運算，便得到彩色多普勒信號。將彩色多普勒信號、多普勒頻譜信號以及B型、M型信號一起送入數(shù)字掃描轉(zhuǎn)換單元（DSC），然后再進行彩色處理，得到紅（R）、綠（G）、藍（B）三基色數(shù)字信號，最后經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換（D/A），在彩色顯示器上顯示和錄像機記錄。 成像原理超聲診斷儀現(xiàn)

5、在都是利用回波測距的方法工作的。聲波在傳播途中，遇到介質(zhì)的不均勻界面時，發(fā)生反射與折射現(xiàn)象。產(chǎn)生的反射聲波即回波。所謂脈沖回波測距法，是指向聲傳播介質(zhì)中發(fā)射一個超聲脈沖，經(jīng)目標反射，接收其回波，并檢出其中所攜帶的有關(guān)目標的信息，用于確定目標的方位與距離的方法。人體組織和臟器具有不同的聲阻抗，在聲阻抗突變的界面會產(chǎn)生回波。將超聲脈沖波發(fā)射到生物體內(nèi)，再接收來自生物體的反射回波信號，完成對生物體組織的掃查，這種方法稱為超聲脈沖反射法，或稱脈沖回波形掃查技術(shù)。由于超聲波在人體內(nèi)的傳播速度比X射線要慢很多，在發(fā)射完持續(xù)時間僅只幾微秒的超聲波脈沖后，隨著超聲脈沖波在人體內(nèi)的傳播，大約有七百微秒的時間可以

6、用來接收、放大和處理和微波信號。因此，大多數(shù)超聲診斷系統(tǒng)都采用超聲脈沖反射法檢測技術(shù)。由于界面兩邊的聲學(xué)差異，即聲阻抗的變化，通常不是很大，故大部分超聲能量聲穿過界面繼續(xù)向前傳播，達到第二界面時又產(chǎn)生回波，并仍有大部分超聲能量透過該界面繼續(xù)行進。將回波信號依次接收放大，并在熒光屏上顯示在不同時間所接收到的不同幅度脈沖波形或不同亮度的光點，根據(jù)脈沖發(fā)出至回波到達換能器所用的時間t，可以計算出傳播的距離x為: x=Ct/2 根據(jù)不同界面上的回波的返回時間，可以求出不同界面與超聲探頭（換能器）之間的距離。超聲回波信號有三種基本顯示模式：1. A 型(Amplitude Modulation)：幅度調(diào)

7、制。橫軸表示深度，縱軸表示回波強度，以不同幅度的脈沖波形的形式表示。這是最基本的顯示方法。2. B 型(Brightness Modulation)：亮度調(diào)制?？v軸表示深度，得到的超聲回波信號加到顯示器的Z軸上進行灰度調(diào)制，以亮度表示回波的強弱。如再配以聲束的掃描，使橫軸表示聲速掃描方向就可以得到超聲波體層圖像。 3. M 型(Motion Modulation)：運動調(diào)制。將回波幅度加到顯示器的Z抽上作亮度調(diào)制，縱軸表示深度，如同B型。將這樣的回波信號在時間上拉開，即橫坐標是時間，時基線以慢速沿軸方向移動。 超聲波的物理特性 聲速 聲速與介質(zhì)的體彈性系數(shù)和密度有關(guān)。由于介質(zhì)的彈性系數(shù)與溫度有

8、關(guān)，因此聲速也與溫度有關(guān)。在超聲診斷的頻段中，人體組織的超聲速度與頻率無關(guān)，而且軟組織中的聲速都很接近，約為1540m/s。波長、周期和頻率 聲波在介質(zhì)中傳播時，兩個相鄰的同相位點之間的距離，如相鄰兩點稠密部之間的距離（超聲波在人體中一般是以縱波方式傳播），稱為聲波的波長，以表示。波向前移動一個波長的距離所需的時間，稱為聲波的周期，以T表示。介質(zhì)中任何一給定點在單位時間內(nèi)通過的波敝，稱為聲波的頻率，以f表示。它們之間的關(guān)系為 =C/f=CT式中為聲波的傳播速度。醫(yī)學(xué)診斷中采用的超聲波頻率在1-20MHz范圍內(nèi)。聲阻抗介質(zhì)中任意點的密度與該點處聲波的傳播速度C之積為此介質(zhì)在該點處的聲阻抗，以Z表

9、示，即Z=C。它是表征介質(zhì)的聲學(xué)特性的一個重要物理量。聲阻抗的變化將影響超聲波的傳播。聲阻抗是采用反射回波法進行超聲診斷的物理基礎(chǔ)。聲壓級與聲強級  聲壓級LP是以分貝表示的某個聲壓P與參考分壓P0的比值，即LP=20lg(P/P0)聲強級LI是以分貝表示的某個聲強I與參考聲強I0的比值，即LI=10lg(I/I0)聲強是表示聲的客觀強弱的物理量，它表示通過垂直于傳播方向上單位面積的能流率。聲強為 I=1/2(C02A2)= p02/(2Z) 聲強的單位是mW/cm2或W/m2。 聲強與聲源的振幅有關(guān)，振幅越大，聲強也越大。對于平面超聲波，他的總功率為強度I和面積S的乘積，即W=IS

10、。 由于超聲強度太大會破壞人體正常細胞組織，因其不可逆的生物效應(yīng)。因此，國際上對診斷用超聲強度安全劑量作出規(guī)定，一般接受的安全劑量為20mW/cm2。超聲波的指向性對于平面園片換能器，在無吸收的介質(zhì)中其波束形狀有兩個不同的區(qū)域即園柱形區(qū)和發(fā)散區(qū)或稱為近場區(qū)和遠場區(qū)。近場區(qū)的長度為D2/4，D為晶片直徑，為該介質(zhì)中傳播的超聲波長。在遠場區(qū)，發(fā)散角由sin=1.22/D給出。可見，減小直徑可縮短近場長度和增大，即加寬了波束。增加頻率即減小波長時，加長了近場區(qū)，減少了發(fā)散角，可獲得較窄的波束。 聲強度沿中心軸距離的分布，近場區(qū)聲強度有劇烈的起伏變化，存在著許多聲強度為極小值的節(jié)點。這些節(jié)點可引起不希

11、望有的盲點。在遠場區(qū)聲強都變化趨于平穩(wěn)，單隨著距離的增加，聲強逐漸減弱。超聲波的反射與折射 當一束平面超聲波入射到兩種介質(zhì)交界面上時，或者聲阻抗的不連續(xù)處時，會產(chǎn)生反射和折射，并遵從反射和折射定律。I=RSinI/SinT=C1/C2超聲波的衰減超聲在介質(zhì)中傳播，其能量將隨著距離的增加而減小，這種現(xiàn)象稱為超聲波的衰減。噪聲衰減的因素主要有兩類。一類是聲束本身擴散，使單位面積上的能量下降，或反射，散射的結(jié)果，使能量不能再沿著原來的方向傳播。在這一類事件中，聲波的總能量并沒有減少。另一類是，超聲傳播中，由于介質(zhì)的吸收，將聲能轉(zhuǎn)換成為熱能，因而使聲能減小。著后一類的機理比較復(fù)雜，主要有粘滯

12、吸收；弛豫吸收、相對運動吸收及空化氣泡吸收。對于給定的頻率的超聲波，其強度和壓強幅度都隨著距離的增大而按指數(shù)規(guī)律下降，可表示為：I(x)=I0e-2xP(x)=P0e-x式中為衰減系數(shù)。是頻率的函數(shù)。mm = fMHz。為常數(shù)。衰減系數(shù)在很大程度上依賴于頻率。這一點，我們在設(shè)計還是臨床操作上都具有重大影響意義。實驗結(jié)果表明，在醫(yī)學(xué)超聲頻率范圍內(nèi)，人體組織對超聲波的吸收系數(shù)幾乎與超聲波頻率成正比。 超聲換能器超聲換能器，又稱超聲探頭，在醫(yī)學(xué)超聲儀器中完成電聲的轉(zhuǎn)換作用。換能器的性能狀況直接關(guān)系到醫(yī)用超聲設(shè)備的性能，影響成像的質(zhì)量。使用中，壓電換能器在超聲診斷儀中占主要地位。壓電效應(yīng)某些材料，當在

13、真兩端加一壓力時，則在材料的兩個電極表面上將出現(xiàn)電荷的積累，這種效應(yīng)稱為正向壓壓效應(yīng)。一般說，材料的壓電效應(yīng)是可逆的，即當材料的兩端加上一個電場時，則材料將出現(xiàn)形變，稱為逆向壓電效應(yīng)，這種現(xiàn)象首先由居里兄弟在1880年發(fā)現(xiàn)的。一些晶體如石英等具有壓電性，而現(xiàn)在用得較多的是壓電陶瓷。壓電振子壓電振子指被覆有激勵電極的壓電體，它是構(gòu)成各種超聲探頭中的換能器的基本單元。一個壓電換能器中可以僅有一個壓電振子，也可以有多個，每一個壓點振子都是一個可逆的機電換能系統(tǒng)。壓電振子本身是一個彈性體，因此肖其固有的諧振頻率，當所施加的頻率等于其固有頻率時，它將產(chǎn)生機械諧振，由于正壓電效應(yīng)而產(chǎn)生最大電信號。另一方面

14、，振子又是壓電體，當所施如的電的頻率和壓電振子固有頻率一致時，由于逆壓電效應(yīng)則發(fā)生機械諧振，諧振使振幅最大，彈性能量也最大，這時，壓電體獲得最大形變振動，通過介質(zhì)產(chǎn)生超聲波輸出。他說施加的力和電的頻率不與振子固有頻率一致時，壓電振子產(chǎn)生的電信號幅度和變形振動幅度都將變小。使用特性超聲探頭的使用特性主要有工作頻率、頻帶寬度、靈敏度、分辨率等。工作頻率的選擇主要決定于臨床診斷的要求，人體各部位對超聲波的衰減很不相同，即衰減系數(shù)隨頻率升高增加很快。因此，對于衰減大的組織和要求探測深度大時，應(yīng)選取較低的工作頻率，反之，則選取較高的工作頻率。一般軟組織適合用25MHz頻率的超聲，對甲狀腺的等小器官的探測

15、則要求分辨率好，宜使用5MHz以上的頻率，對于眼球的探測可用10MHz或以上的探頭?，F(xiàn)在有的超聲探頭可以在單個探頭上發(fā)射和接收多種頻率超聲波，以期適應(yīng)多種用途。也有的探頭采用近場使用較高頻率的超聲以提高分辨率，遠場使用較低的頻率以期提高探查深度。探頭特性對儀器分辨率有更明顯影響，就探頭本身而言，分辨率的高低主要與以下因素有關(guān)：1. 探頭中換能器的輻射特性，若輻射特性好，則聲速截面尺寸小，擴散角小，指向性好，橫向分辨率就高。輻射特性好，聲束能量集中，旁辮小，近場區(qū)干擾小，也有利于提高分辨率。2. 換能器的輻射面積大，聲束的擴散角就小，橫向分辨率也將提高。3. 換能器的頻率響應(yīng)好，則距離分辨率高。

16、4. 換能器的機械品質(zhì)因數(shù)低，也有利于縱向分辨率的提高。換能器層間匹配的好壞，也直接影響分辨率，這是因為層間匹配不佳時，超聲在探頭中來回反射，造成回波的多次疊加，從而使縱向分辯率下降。分類超聲探頭按診斷部位分類可分為眼科探頭、心臟探頭、腹部探頭、顱腦探頭、子宮探頭、肛門探頭、兒童探頭等。按幾何形狀分類可分為矩形探頭、柱形探頭、凸形探頭、園形探頭、環(huán)形探頭、喇叭形探頭等。按波束控制方式分類可分為線掃探頭、機械扇掃探頭、電子扇掃探頭（相控陣）、方陣探頭等。還有特殊用途的探頭，如穿刺探頭等。 結(jié)構(gòu)實際上常用的探頭有柱形單振元探頭、機械扇掃探頭和電子掃描探頭（包括線陣、凸陣、相控陣探頭）。柱形單振元探

17、頭主要用于A超和M超。機械扇掃的方法有擺動法和旋轉(zhuǎn)法，擺動角度不小于30，每秒不少于二十四次。旋轉(zhuǎn)式探頭需要三到四個其性能一致的振元，由于是單方向旋轉(zhuǎn)，不較易做到勻角速掃描，而且其噪聲小，壽命長。目前，機械扇掃探頭的生產(chǎn)已越來越少，大有被電子相控陣扇掃探頭取代之勢。電子掃描探頭的換能器采用多個聲學(xué)上相互獨立的壓電振子排成一線，如同鐵軌的枕木，振元個數(shù)大多在三十二個以上。超聲聚焦使探頭發(fā)射的超聲束在一定深度范圍內(nèi)匯聚收斂稱之謂超聲聚焦。由于聲速的匯聚，使其穿透力和回波強度增強，可以改善探測靈敏度，分辨率也將大大提高。聚焦的方式分為兩種：聲學(xué)聚焦和電子聚焦。對一個超聲探頭來說，為改善其探測性能，可

18、以采用其中的一種，也可以同時采用兩種，比如線陣探頭通常就是在短軸方向采用聲學(xué)聚焦，而在長軸方向采用電子聚焦。聲學(xué)聚焦與光學(xué)聚焦的基本原理相似，最常用的是聲透鏡聚焦方式。它是利用折射原理而使聲束聚焦的。由凹形聲透鏡和平凸形聲透鏡。聲透鏡中心部位的厚度應(yīng)為/2的整數(shù)倍（為入射到途徑材料中的超聲波波長），此時有最大透射。電子聚焦是應(yīng)用相控陣技術(shù)。其基本原理是出自惠更斯原理。電子聚焦可分為發(fā)射聚焦和接收聚焦，具體是在收發(fā)回路中設(shè)置延時線來實現(xiàn)的，有數(shù)字延時線和模擬延時線。一般發(fā)射延時采用數(shù)字延時線，而接受延時則可以采用模擬延時線。這是因為激勵脈沖的脈寬窄，前后沿陡直，而接收回波屬模擬信號的緣故。然而，

19、實際上很多儀器的發(fā)射延時亦采用相對價廉的模擬延時線。掃描方式高速電子掃描高速電子掃描由兩種性質(zhì)截然不同的類型：線性步控陣列（簡稱線陣）和線性相控陣列（簡稱相控陣）。線陣掃描生成矩形圖像，而相控陣掃描則生成扇形圖像。線陣換能器常由一厘米寬，十到十五厘米長，由很多加工成鐵道枕木形狀的小換能器單元（每個小換能器單元稱為一個“振元”）排成一直線陣列構(gòu)成。在同一時刻，有一到四個換能器振元同時投入工作，并隨時間沿陣列方向順序逐步輪換投入陣元。結(jié)果，雖然換能器陣列靜止不動，但超聲波束卻沿線方向移動掃描。相控陣列雖然其結(jié)構(gòu)線陣類似，但其控制方式完全不同。相控陣換能器比較小，大約有一厘米寬，一到三厘米長，而且換

20、能器振元數(shù)也少。在同一時刻，相控陣換能器所有的振元都投入工作，超聲波束成扇形掃描，其角度的改變則是依靠各個振元發(fā)射信號恰當?shù)囊葡嘁约案鱾€振元接收信號的恰當移相，這一系統(tǒng)類似于相控陣雷達。 線陣換能器結(jié)構(gòu)多振元組合發(fā)射線陣探頭換能器中的單個振元尺寸通常都很小，其有效發(fā)射面積也很小。其波束的擴散角就比較大，波束能量發(fā)散嚴重，波束指向性差。這不僅影響儀器的橫向分辨率，而且導(dǎo)致發(fā)射能量的減弱，從而使靈敏度降低。所以，通常采用的辦法是由若干個矩形振元組合成一個振元組（陣元），每次發(fā)射時陣元內(nèi)各振元同時激勵，等效于單個振元的寬度加大。另外，采用多振元組合發(fā)射的另一個優(yōu)點是便于實施對波束的電子聚焦和多點動態(tài)

21、聚焦。電子線陣多振元組合掃描順序掃描是一種最基本的振元組合方式。為了提高線密度，常采用間隔掃描，它可使掃描線增加一倍。并用微角掃描的方式也可以使掃描線密度增加，從而提高圖像的清晰度。為了盡量縮短成像時間，減小多振元組合發(fā)射時超聲波束的相互干擾，可采用一種多振元組合收發(fā)間隔飛越掃描的方法。可變孔徑利用多振元組合發(fā)射和接收，增大了聲源的孔徑，有效地提高了聲波對粒子的分辨率，特別是對于遠場的分辨率。但是，隨著孔徑的增大，聲速的直徑在近場區(qū)也增大，從而在探頭附近分辨率急劇降低，得不到體表附近良好的聲像圖。針對這一問題，采用改變孔徑的技術(shù)來獲得近，遠場都良好的分辨率。其原理為：發(fā)射時，根據(jù)視場深度選擇足

22、夠數(shù)量的振元構(gòu)成振元組進行。接收時，首先以較少的振元接收近場區(qū)的回波信號，以提高對近場區(qū)組織的橫向分辨率。然后，隨著深度的增加，分段增加接收回波的振元數(shù)，一直到最后所確定的振元數(shù)全部投入接收，這樣既提高了近場，也提高了遠場的分辨率。電子動態(tài)聚焦 在發(fā)射波束時，一組同時激勵的振元中相互間隔一個延遲時間進行激勵，使其合成波陣面呈現(xiàn)一個凹形的弧面，在某一焦距出出現(xiàn)一個焦點。改變相互間延遲時間，焦距將隨之改變。在接收超聲波反射回波時，各深度點反射回波到達各振元的聲程差亦不同。如果選擇某一深度點回波的聲程差作為各個振元接收回波時的時間延遲，那么該點便成為接收回波的焦點。如果在接收過程中，根據(jù)超聲回波的深

23、度，依次投入相應(yīng)的接收延遲線，那么，便可對多個深度點進行接收聚焦，這一過程稱為動態(tài)聚焦。電子動態(tài)聚焦技術(shù)的應(yīng)用，根據(jù)超聲成像系統(tǒng)繁簡程度而有所不同。發(fā)射過程可采用的聚焦方式基本上有兩種，一是可選擇焦距聚焦方式，在使用時，可根據(jù)診斷部位的深度選擇某一個焦點，這種方式簡單易行，但一幅圖像中只有一個發(fā)射焦點。二是多個發(fā)射角點疊加聚焦方式，這種方式成像速度慢，但圖像質(zhì)量顯著提高。接收過程的動態(tài)聚焦也有兩種方式：一是設(shè)點聚焦，如四點聚焦；二是動態(tài)跟蹤聚焦，它能使所有距離的目標都能得到聚焦，在橫向分辨率上不受距離改變的影響。通常，在中低檔超聲成像設(shè)備中往往采用可選擇焦距發(fā)射聚焦加上設(shè)點接收聚焦或跟蹤動態(tài)接

24、收聚焦。在高檔設(shè)備中則采用多焦點疊加發(fā)射聚焦和電子動態(tài)跟蹤聚焦的方式。動態(tài)跟蹤聚焦雖然在全程內(nèi)能得到良好的聚焦，但是，由于超聲波束近場能量分布不均勻而且多次出現(xiàn)零點，如果不改變換能器孔徑，近場仍得不到改善。因此，在高檔成像系統(tǒng)中，采用電子動態(tài)跟蹤聚焦加可變孔徑的方式。相控陣掃描如果激勵脈沖在到達超聲換能器各個振元之前，依次延遲一個固定的很小的時間間隔，各個振元上所產(chǎn)生的聲脈沖的傳輸也獲得相應(yīng)的延遲，這時，發(fā)射波疊加波束方向與法線之間就有一個相位差。隨著發(fā)射延時時間值的改變，相位差也將隨著改變。如果是首端與末端的激勵脈沖互易，則疊加波束的方向移向法線的另一側(cè)。如果對各振元的激勵實行延遲以及延遲時間控制，就可以在一定的角度范圍內(nèi)，獲得超聲波束方向的變化。這種用控制激勵脈沖的時延而獲得超聲波束方向變化的掃描方式，就叫做“相控陣掃描”。超聲信號處理從換能器接收到回波信號開始，到顯示器再現(xiàn)出生物組織斷層圖像，中間