醫(yī)學(xué)圖像處理-醫(yī)學(xué)超聲工程

醫(yī)學(xué)圖像處理_醫(yī)學(xué)超聲工程第一頁(yè)，共109頁(yè)。

天壇回音壁反射電閃雷鳴速度差山谷回聲距離信息唐朝僧人恐磬自鳴宋朝科學(xué)家沈括琴瑟紙人跳舞6世紀(jì)

《呂氏春秋》“聲比則應(yīng)”《周易·乾》“同聲相應(yīng)”《莊子》“為之調(diào)瑟，.....鼓宮宮動(dòng)，鼓角角動(dòng),音律同矣。夫改調(diào)一弦，鼓這，二十五弦皆動(dòng)?！睆幕芈曊勂稹?..第二頁(yè)，共109頁(yè)。超聲波是聲波大家族的重要的一員。波的兩個(gè)要素：波源、介質(zhì)振動(dòng)與波：振動(dòng)是波的根源

波是振動(dòng)的傳播形式

頻率

HzKHzMHzGHz人耳聽(tīng)到的聲音：16Hz-20KHz

次聲：0.0001Hz-16Hz 超聲：20KHz-1000MHz特超聲：1000MHz-10000GHz什么是超聲波第三頁(yè)，共109頁(yè)。傳播時(shí)方向性強(qiáng)，能量易集中。各種介質(zhì)中傳播，且可傳播到足夠遠(yuǎn)距離。與傳聲介質(zhì)相互作用，易于攜帶有關(guān)信息或?qū)髀暯橘|(zhì)產(chǎn)生效應(yīng)。超聲波的特點(diǎn)第四頁(yè)，共109頁(yè)。頻率f周期T波長(zhǎng)

聲速C=f=/T

電閃雷鳴光速30萬(wàn)千米/秒聲速340米/秒超聲波的重要參數(shù)第五頁(yè)，共109頁(yè)。反射折射，透射散射吸收衰減：脂肪肝1.3dB/cm.MHz0.62dB/cm.MHz超聲波的傳播特性第六頁(yè)，共109頁(yè)。聲特性阻抗ZZ=C

－密度 C－聲速

空氣 0.000429105瑞利

壓電陶瓷PZT-5 33.7105瑞利

水 1.513105瑞利

肝 1.648105瑞利

骨 5.57105瑞利聲耦合劑的作用第七頁(yè)，共109頁(yè)。聲壓:以帕斯卡或牛頓/米平方為單位

P-

聲強(qiáng)W/cm超聲波的重要參數(shù)B負(fù)聲壓A正聲壓2第八頁(yè)，共109頁(yè)?；夭ǖ姆瓷洹⒄凵?/p>

—幅度信息提取1.垂直入射到兩層相鄰的介質(zhì)

Z2Z1反射入射折射聲強(qiáng)聲強(qiáng)第九頁(yè)，共109頁(yè)。如何產(chǎn)生超聲波壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)－經(jīng)過(guò)人工極化的壓電陶瓷在機(jī)械力作用下會(huì)在電極表面產(chǎn)生電荷。機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能，接受超聲波。

逆壓電效應(yīng)－對(duì)上述壓電陶瓷施加電場(chǎng)，此陶瓷會(huì)產(chǎn)生應(yīng)變，電能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能，發(fā)射超聲波。第十頁(yè)，共109頁(yè)。壓電陶瓷具有壓電效應(yīng)的原因1.陶瓷在居里溫度以下存在自發(fā)極化

2.具有自發(fā)極化的陶瓷經(jīng)過(guò)強(qiáng)外電場(chǎng)極化處理后，陶瓷還存在剩余極化

如果外界的作用（壓力或電場(chǎng)）使剩余極化強(qiáng)度發(fā)生變化，就會(huì)產(chǎn)生壓電效應(yīng)

正壓電效應(yīng)機(jī)械能電能超聲波的接收

逆壓電效應(yīng)電能機(jī)械能超聲波的發(fā)生第十一頁(yè)，共109頁(yè)。

壓電材料

陶瓷 機(jī)電耦合系數(shù)高

壓電薄膜 接近人體聲特性阻抗

復(fù)合材料 具有兩者的優(yōu)點(diǎn)第十二頁(yè)，共109頁(yè)。換能器(探頭)主要組成部分1.壓電材料－產(chǎn)生壓電效應(yīng)。發(fā)射、接收聲波

2.面材－匹配面材兩邊的聲阻抗，起到透聲作用

3.背襯－吸收背向聲波，降低Q值（增加帶寬、提高縱向分辨力）面材壓電材料背襯人體第十三頁(yè)，共109頁(yè)。三層介質(zhì)的情況

耦合劑壓電材料、面材、人體

面材的作用首先是阻抗匹配，其 次是保護(hù)電極

探頭、超聲耦合劑、人體

耦合劑的作用排除空氣、阻抗匹 配面材壓電材料背襯人體第十四頁(yè)，共109頁(yè)。多達(dá)30余種的探頭支持各種?？乒δ艿谑屙?yè)，共109頁(yè)。超聲信號(hào)檢測(cè)與隱含信號(hào)的提取第十六頁(yè)，共109頁(yè)。所謂隱含信息就是暫時(shí)未知的信息。超聲檢測(cè)的歷史是不斷揭示隱含信息的歷史?？梢灶A(yù)見(jiàn)新的隱含信息檢測(cè)出來(lái)將會(huì)帶來(lái)超聲診斷儀新的突破隱含信息檢測(cè)第十七頁(yè)，共109頁(yè)。幅度信息提取

第十八頁(yè)，共109頁(yè)。幅度信息啟示1.反射和折射所產(chǎn)生的各層回波給我們帶來(lái)了人體內(nèi)部各層組織的幅度信息，使我們可以利用這些信息及其變換進(jìn)行超聲診斷：A超，B超，M超等。A型：(AScope)超聲回波幅度為縱坐標(biāo)，超聲傳播時(shí)間為橫坐標(biāo)的顯示方式。第十九頁(yè)，共109頁(yè)。第二十頁(yè)，共109頁(yè)。幅度信息啟示M型：(Motion)以回波幅度調(diào)制聲束各掃描點(diǎn)的亮度，但各點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)位移隨時(shí)間展開(kāi)。Mmode第二十一頁(yè)，共109頁(yè)。幅度信息啟示B型：輝度調(diào)制型(BrightModulation)，以回波幅度調(diào)制聲束各掃描點(diǎn)的亮度，形成二維顯示斷面圖。

B超

第二十二頁(yè)，共109頁(yè)。第二十三頁(yè)，共109頁(yè)。幅度信息啟示2.超聲在同一種物質(zhì)中傳播將不產(chǎn)生反射，即沒(méi)有回波。沒(méi)有回波說(shuō)明物質(zhì)的均一，但不能說(shuō)明是哪種物質(zhì)，更不是說(shuō)沒(méi)有物質(zhì)。

3.能量守恒

入射能量＝反射能量＋折射能量第二十四頁(yè)，共109頁(yè)。幅度信息啟示4.空氣與人體軟組織間聲特性阻抗差異大，兩者界面反射很強(qiáng)，呈現(xiàn)強(qiáng)光點(diǎn)（強(qiáng)光團(tuán)）。折射能量減小，故很難看到含氣臟器后方的組織。

5.空氣與壓電材料間聲特性阻抗差異大。若超聲壓電材料向空氣發(fā)射，兩者界面反射強(qiáng)，即發(fā)射效率低。空氣0.000429105瑞利

壓電陶瓷PZT-5 33.7105瑞利

第二十五頁(yè)，共109頁(yè)。幅度信息啟示6

衰減，探頭頻率，掃描深度，dB/Mhz/cm第二十六頁(yè)，共109頁(yè)。速度信息的提取第二十七頁(yè)，共109頁(yè)。超聲多普勒效應(yīng)—速度信息的提取1842奧地利數(shù)學(xué)家和天文學(xué)家C.Doppler

在觀察天體運(yùn)動(dòng)時(shí)發(fā)現(xiàn)了一種物理現(xiàn)象,當(dāng)星球朝向地球或背離地球運(yùn)動(dòng)時(shí)，來(lái)自星球的光色發(fā)生了變化，即光波發(fā)射與接收的頻率差和光源與接收器之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)有關(guān)。這種物理現(xiàn)象我們稱之為多普勒效應(yīng)。日常生活：如火車(chē)?guó)Q笛而來(lái)，音調(diào)增高；呼嘯而去，音調(diào)降低。這種頻率變化稱多普勒頻移。第二十八頁(yè)，共109頁(yè)。超聲多普勒效應(yīng)—速度信息的提取胎心、瓣膜、血管壁、血流等都是人體中的運(yùn)動(dòng)體，當(dāng)超聲照射到它們時(shí)會(huì)產(chǎn)生多普勒效應(yīng)體外檢測(cè)由體內(nèi)運(yùn)動(dòng)體產(chǎn)生的多普勒頻移信號(hào)就可達(dá)到無(wú)創(chuàng)傷地檢測(cè)體內(nèi)運(yùn)動(dòng)狀況的目的。第二十九頁(yè)，共109頁(yè)。第三十頁(yè)，共109頁(yè)。超聲多普勒效應(yīng)—速度信息的提取

醫(yī)學(xué)超聲多普勒效應(yīng)的基本測(cè)速公式第三十一頁(yè)，共109頁(yè)。超聲多普勒效應(yīng)—速度信息的提取第三十二頁(yè)，共109頁(yè)。多普勒血流譜圖意義

速度群方向亮度：含紅細(xì)胞多少參數(shù)計(jì)算第三十三頁(yè)，共109頁(yè)。STATUSPOSTMITRALVALVEREPAIRCASE#2EchoLabUofC第三十四頁(yè)，共109頁(yè)。第三十五頁(yè)，共109頁(yè)。彩色超聲多普勒血流成像

—B

mode+Dopplermode第三十六頁(yè)，共109頁(yè)。STATUSPOSTMITRALVALVEREPAIRCASE#2EchoLabUofC第三十七頁(yè)，共109頁(yè)。A型：波形顯示，目前基本上只用于眼科測(cè)量

小結(jié):彩超：主要用于心血管，以偽彩色圖像顯示血流動(dòng)力學(xué)指標(biāo)，一般都包括B型、M型、D型顯示方式。D型：主要用于心血管，以頻譜顯示血流動(dòng)力學(xué)指標(biāo)，常包含在B型內(nèi)，也可單獨(dú)顯示如TCD。M型：主要用于心臟，以隨時(shí)間變化的曲線顯示心臟結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)變化情況，目前在B型內(nèi)幾乎都有M型顯示B型：圖像顯示，目前正廣泛的應(yīng)用于腹部、婦產(chǎn)科、表淺器官（甲狀腺、乳腺）的超聲檢查第三十八頁(yè)，共109頁(yè)。B超與彩超的比較1、彩超所顯示的彩色并不是人體組織器官真正顏色反映2、彩超是以偽彩色編碼來(lái)表達(dá)血流方向、速度、性質(zhì)3、彩超是在B超二維圖象基礎(chǔ)上的第三十九頁(yè)，共109頁(yè)。

彩超是在B超顯示臟器形態(tài)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對(duì)某一感興趣區(qū)進(jìn)行二維的彩色血流顯示，以評(píng)價(jià)該區(qū)內(nèi)的血流動(dòng)力學(xué)指標(biāo)：

有無(wú)血流血流的方向血流的速度血流的性質(zhì)（層流、紊流、渦流

結(jié)論一第四十頁(yè)，共109頁(yè)。結(jié)論二1、彩超在心臟、外周血管檢查及某些腫瘤的良惡性鑒別上，進(jìn)一步補(bǔ)充和完善B超的診斷。2、對(duì)于不含血流的病變作彩超是沒(méi)意義的，如囊腫、結(jié)石等。第四十一頁(yè)，共109頁(yè)。LowcostcomparedwithX-CTandMRInon-invasivenessReal-timeimagingfeaturesmoreandmorewidelyusedinclinicalapplications和MRI、CT比較.第四十二頁(yè)，共109頁(yè)。還有什麼超聲隱含信號(hào)

可以提??？第四十三頁(yè)，共109頁(yè)。超聲諧波技術(shù)第四十四頁(yè)，共109頁(yè)。諧波信息提取第四十五頁(yè)，共109頁(yè)。兩種諧波成像

超聲束照射含造影劑的組織,因造影劑散射截面大,使背向散射信號(hào)增強(qiáng),提高了超聲圖象質(zhì)量。另外，造影劑氣泡在某諧波頻率附近作大幅度振動(dòng),其二次諧波分量遠(yuǎn)大于不含造影劑的組織諧波分量。利用這個(gè)原理將超聲成像接收系統(tǒng)的通帶設(shè)計(jì)在倍頻范圍內(nèi),就可以得到聲學(xué)造影劑的二次諧波成像,可有效地抑制背景噪聲。該技術(shù)和前面所述多普勒能量法成像結(jié)合,可獲諧波多普勒能量圖像,很適宜評(píng)價(jià)心肌血流灌注能力。諧波成像技術(shù)由于對(duì)探頭要求比較高(倍頻接收),另外通過(guò)FDA標(biāo)準(zhǔn)的造影劑也少.

二次諧波和聲學(xué)造影成像第四十六頁(yè)，共109頁(yè)。第四十七頁(yè)，共109頁(yè)。非線性輸出/輸入的非線性關(guān)系，輸出/輸入之間產(chǎn)生畸變。輸入是簡(jiǎn)諧波，輸出就不是簡(jiǎn)諧波。產(chǎn)生新頻率。inout第四十八頁(yè)，共109頁(yè)。y=a0+Ax+Bx2+……

線性項(xiàng)非線性項(xiàng)

若x=cost只考慮線性項(xiàng)

y=a0+Ax=a0+Acosty,x是同頻率第四十九頁(yè)，共109頁(yè)。利用三角公式(cost)2=(1+cos2t)/2y=a0+Acost+(Bcos2t)/2y不僅具有，還有2回波y中不僅具有發(fā)射頻率，還有2第五十頁(yè)，共109頁(yè)。具有發(fā)射頻率的波稱 基波具有發(fā)射頻率二倍2的波稱 二次諧波第五十一頁(yè)，共109頁(yè)。諧波有二次諧波，三次諧波……諧波次數(shù)越高，幅度越小，故以2次諧 波為主，2次以上忽略不計(jì)醫(yī)學(xué)超聲中的諧波，是指二次諧波， 是二次諧波的簡(jiǎn)稱第五十二頁(yè)，共109頁(yè)。改善信噪比改善空間分辨力改善檢測(cè)深度和分辨力的約束改善對(duì)最低血流速度的檢測(cè)諧波技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)第五十三頁(yè)，共109頁(yè)。還有什麼超聲隱含信號(hào)

可以提?。康谖迨捻?yè)，共109頁(yè)。

我們回顧過(guò)去幾十年，從超聲回波中檢測(cè)出幅度信息,到檢測(cè)出多譜勒頻移信息,進(jìn)而檢測(cè)出諧波信息?？梢哉f(shuō)超聲回波信號(hào)的檢測(cè)歷史就是一部不斷發(fā)展的揭示隱含信息的歷史。從B超，彩超，到諧波成象，應(yīng)該說(shuō)每一步都有一個(gè)躍進(jìn)?？梢灶A(yù)見(jiàn)新的隱含信息檢測(cè)出來(lái)將會(huì)帶來(lái)超聲診斷儀新的突破。討論

不斷發(fā)展的揭示隱含信息的歷史第五十五頁(yè)，共109頁(yè)。還有什麼超聲隱含信號(hào)

可以提取？第五十六頁(yè)，共109頁(yè)。衰減參數(shù)成像第五十七頁(yè)，共109頁(yè)。

我們回顧過(guò)去幾十年，從超聲回波中檢測(cè)出幅度信息,到檢測(cè)出多譜勒頻移信息,進(jìn)而檢測(cè)出諧波信息?？梢哉f(shuō)超聲回波信號(hào)的檢測(cè)歷史就是一部不斷發(fā)展的揭示隱含信息的歷史。從B超，彩超，到諧波成象，應(yīng)該說(shuō)每一步都有一個(gè)躍進(jìn)?？梢灶A(yù)見(jiàn)新的隱含信息檢測(cè)出來(lái)將會(huì)帶來(lái)超聲診斷儀新的突破。討論

不斷發(fā)展的揭示隱含信息的歷史第五十八頁(yè)，共109頁(yè)。檢測(cè)、提取醫(yī)學(xué)超聲信號(hào)方法：傳統(tǒng)：發(fā)射、接受單脈沖。擴(kuò)譜技術(shù)：偽隨機(jī)碼超聲發(fā)射、接受脈沖序列通訊醫(yī)學(xué)超聲形成新的產(chǎn)品

BME交叉學(xué)科**西安交大1987年研究

討論

不斷發(fā)展的揭示隱含信息的歷史第五十九頁(yè)，共109頁(yè)。PrincipleandInstrumentationof3DUltrasound第六十頁(yè)，共109頁(yè)。第六十一頁(yè)，共109頁(yè)。第六十二頁(yè)，共109頁(yè)。2DImagexyPixel第六十三頁(yè)，共109頁(yè)。PixeltoVoxelPixelzVoxel第六十四頁(yè)，共109頁(yè)。TomographicDataSetXyz第六十五頁(yè)，共109頁(yè)。SystematicDataAcquisitionParallelRotationalSweep第六十六頁(yè)，共109頁(yè)。ConfigurationVideoTransducerMotorControlUltrasoundSystemCompact3DRotationalDevice第六十七頁(yè)，共109頁(yè)。ConfigurationTransducerwithattachedSensor第六十八頁(yè)，共109頁(yè)。UltrasoundCT第六十九頁(yè)，共109頁(yè)。動(dòng)態(tài)3D成像第七十頁(yè)，共109頁(yè)。3D成像第七十一頁(yè)，共109頁(yè)。第七十二頁(yè)，共109頁(yè)。STATUSPOSTMITRALVALVEREPAIRLAviewLVviewCASE#2EchoLabUofC第七十三頁(yè)，共109頁(yè)。STATUSPOSTMITRALVALVEREPAIRLAviewColorDopplerCASE#2EchoLabUofC第七十四頁(yè)，共109頁(yè)。STATUSPOSTMITRALVALVEREPAIRLAview3D-ColorDopplerCASE#2EchoLabUofC第七十五頁(yè)，共109頁(yè)。醫(yī)學(xué)超聲診斷輻射劑量盡量小以避免可能產(chǎn)生的任何生物效應(yīng)ALARA原則（aslowasreasonablyachievable）寶寶做B超“照相留影”醫(yī)學(xué)超聲治療足夠輻射劑量以引起一定的生物效應(yīng)超聲治療與超聲診斷設(shè)備的區(qū)別

—我做B超有無(wú)影響？第七十六頁(yè)，共109頁(yè)。超聲的生物效應(yīng)第七十七頁(yè)，共109頁(yè)。熱機(jī)制

:介質(zhì)吸收聲波能量產(chǎn)生熱量機(jī)械（力學(xué)）機(jī)制

:1MHz100萬(wàn)次/秒振動(dòng)位移聲壓作用超聲的治療機(jī)理

超聲的生物效應(yīng)3第七十八頁(yè)，共109頁(yè)。空化機(jī)制

:聲致氣泡瞬態(tài)空化

:強(qiáng)輻射液體時(shí)聲壓負(fù)半周-迅速膨脹正半周-壓縮至破潰溫度幾千度幾百個(gè)大氣壓力-Sonochemistry聲致發(fā)光沖擊波高速射流超聲的治療機(jī)理

超聲的生物效應(yīng)第七十九頁(yè)，共109頁(yè)。熱機(jī)制Q=2aItJ/cm能量吸收熱量機(jī)械（力學(xué)）機(jī)制1MHz100萬(wàn)次/秒振動(dòng)位移聲壓作用超聲的生物效應(yīng)3第八十頁(yè)，共109頁(yè)?？栈瘷C(jī)制聲致氣泡瞬態(tài)空化強(qiáng)輻射液體時(shí)聲壓負(fù)半周-迅速膨脹正半周-壓縮至破潰溫度幾千度幾百個(gè)大氣壓力-Sonochemistry聲致發(fā)光沖擊波高速射流超聲的生物效應(yīng)第八十一頁(yè)，共109頁(yè)。HIFU超聲治癌第八十二頁(yè)，共109頁(yè)。超聲治癌(HIFU)第八十三頁(yè)，共109頁(yè)。超聲空化產(chǎn)生空化效應(yīng)需用高強(qiáng)度超聲輻射，在有效殺滅靶組織的同時(shí)也造成周?chē)M織損傷，而無(wú)法將其引入血管栓塞治療。研究表明，在組織中含有微泡試劑時(shí)，低劑量超聲即可產(chǎn)生過(guò)去高功率單純超聲才能誘導(dǎo)的聲孔效應(yīng)，可應(yīng)用于加強(qiáng)血栓的消融。東南大學(xué)附屬中大醫(yī)院的臨床實(shí)驗(yàn)表明僅用低功率的超聲輻射，即可使微泡產(chǎn)生空化,破碎微血管管壁和部分周?chē)M織,激活內(nèi)源或外源性凝血,誘發(fā)大面積毛細(xì)血管血栓形成,阻斷作用區(qū)域的直接血液供給途徑；低功率超聲誘導(dǎo)微泡試劑致腫瘤血管栓塞療法

第八十四頁(yè)，共109頁(yè)。低聲強(qiáng)刺激骨傷愈合第八十五頁(yè)，共109頁(yè)。低聲強(qiáng)刺激骨傷愈合第八十六頁(yè)，共109頁(yè)。超聲波對(duì)人體細(xì)胞的微按摩、溫?zé)嵝?yīng)。改變細(xì)胞膜的通透性改善血液循環(huán)增強(qiáng)藥物透入3-4MHzCW0.25-0.5W/cm2超聲美容第八十七頁(yè)，共109頁(yè)。1992年超聲去脂法巧妙地除去體內(nèi)多余脂肪超聲去脂的原理是利用探頭插入脂肪組織內(nèi)，利用超聲波的物理及化學(xué)特性，選擇性地破壞脂肪細(xì)胞，而對(duì)其中的血管、淋巴管及神經(jīng)組織不會(huì)造成任何損傷，然后通過(guò)隱蔽的0.5~1.0厘米的皮膚小切口將破碎的液體脂肪析出體外。超聲減肥第八十八頁(yè)，共109頁(yè)。超聲減肥第八十九頁(yè)，共109頁(yè)。1.皮下注射特制溶液.2.超聲作用(20-40KHz)超聲減肥第九十頁(yè)，共109頁(yè)。超聲減肥

3.排出油脂

第九十一頁(yè)，共109頁(yè)。超聲減肥第九十二頁(yè)，共109頁(yè)。超聲介入應(yīng)用與解決方案第九十三頁(yè)，共109頁(yè)?！づ嘤嚬軏雰骸そ槿胫委熐傲邢僭\斷與介入治療射頻消融腎囊腫的診斷與穿刺治療肝臟的穿刺與活檢·內(nèi)窺成像·神經(jīng)外科超聲診斷與介入治療一體化技術(shù)第九十四頁(yè)，共109頁(yè)。應(yīng)用：超聲導(dǎo)引抽汲卵子培育試管嬰兒第九十五頁(yè)，共109頁(yè)。應(yīng)用實(shí)例：超聲引導(dǎo)前列腺種子植入治療前列腺癌第九十六頁(yè)，共109頁(yè)。腹腔鏡超聲應(yīng)用示例第九十七