超聲基礎(chǔ)知識(shí)

1、 超聲原理2 /GE /2022-5-22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 /2022-5-22第一部分超聲診斷的物理基礎(chǔ)4 /GE /2022-5-22聲源、介質(zhì) 聲源： 能發(fā)聲的物體稱聲源。 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)系非常密切5 /GE /2022-5-22超聲波與頻譜圖可聽范圍：20-20000HZ超聲波：20 000HZ超聲成像范圍：2-20MHZ1000HZ=1KH

2、Z1MHZ=106HZ6 /GE /2022-5-22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 /2022-5-22超聲波的傳播 超聲波的種類： 橫波：質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)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(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 /2022-5-22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13us9 /GE

3、/2022-5-22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 (完成一個(gè)完整的波長(zhǎng)所需的時(shí)間)TimeWavelengthAmplitudeFrequency10 /GE /2022-5-22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(huì)發(fā)生反射與折射 鏡面反射及反射系數(shù)11 /GE /2022-5-22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，

4、例如甲狀腺（氣管黑色）；肺部很難成像；超聲耦合劑12 /GE /2022-5-22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 /2022-5-22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 /2022-5-22超聲波的散射散射：入射聲波遇到小界面時(shí)產(chǎn)生散射15 /GE /2022-5-22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

5、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 /2022-5-22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 /2022-5-22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 /2022-5-22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

6、血流成像的基礎(chǔ)！19 /GE /2022-5-22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(gè)點(diǎn)的最小距離的能力。 與聲束的寬窄有關(guān)20 /GE /2022-5-22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 /2022-5-22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。

7、 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 /2022-5-22第二部分超聲成像原理23 /GE /2022-5-22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?；夭ㄕ穹鵏ine 1Line 2Line 3Line 4Line 5Line 6Line 7Line 81. 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

8、收到回聲的振幅。通過(guò)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(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 /2022-5-223. 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，然后在以時(shí)模式圖象來(lái)顯示一個(gè)取樣線，然后在以時(shí) 間為軸線的波形圖上表示其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。通常間為軸線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。模式用于檢測(cè)心臟及胎兒的心率。TransducerTransducer

9、TransducerTransducerLine 45 t1Line 45 t2Line 45 t3Line 45 t4t 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 /2022-5-22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 /2022-5-22圖像的形成(cont.)Sound beamTransducerPulser/receiverSystem CPUDigital ScanConverterMonitorR

10、ecordingDevicesVCR / PrinterLaser Camera27 /GE /2022-5-22探頭用于超聲的探頭也稱為換能器，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)：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

11、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 /2022-5-22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：經(jīng)食道探頭面陣探頭：M7C29 /GE /2022-5-22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

12、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(chǎng)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摹Ｓ糜诟共亢蛬D產(chǎn)科。特點(diǎn)： 近、遠(yuǎn)場(chǎng)視野寬30 /GE /2022-5-223. 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

13、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(guò)連續(xù)變換延時(shí)線來(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)線掃描超聲波束相控陣探頭 通過(guò)延時(shí)線聚焦31 /GE /2022-5-22 延時(shí)線路延時(shí)線路脈沖發(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

14、理 存儲(chǔ)存儲(chǔ)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 /2022-5-22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)聚焦常用的聚焦方

15、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 /2022-5-222. 寬頻及變頻寬頻及變頻5MHz5MHz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)5MHz10MHz3. 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。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

16、目標(biāo)區(qū)域在遠(yuǎn)場(chǎng)，可以切換到低頻率。低頻率。34 /GE /2022-5-224. 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 /2022-5-225. 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

17、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 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

18、聚焦情況?；叶龋▽?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 /2022-5-22 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

19、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。TXM1. 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 /2022-5-222. 多普勒效應(yīng)公式：多普勒效應(yīng)公式：2cos f。 C fV(cm/s)=V 血流V