超聲成像原理與技術(shù)-課件

醫(yī)學超聲原理與技術(shù)

1ppt課件課程安排第一章緒論第二章醫(yī)學超聲物理基礎(chǔ)第三章醫(yī)學超聲換能器與輻射場第四章醫(yī)學超聲脈沖回升技術(shù)總論第五章超聲診斷儀基本結(jié)構(gòu)A超第六章M型超聲診斷儀原理及應(yīng)用第七章B型超聲顯像診斷儀第八章醫(yī)學超聲多普勒技術(shù)2ppt課件第一章緒論醫(yī)學超聲：超聲物理學、超聲工程學，與醫(yī)學超聲診斷與治療。超聲物理：振動和波是理論基礎(chǔ)，研究超聲波在生物組織中的傳播特性和規(guī)律。超聲工程學:電子技術(shù)、計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，依靠超聲物理的結(jié)論。設(shè)計研制醫(yī)學診斷設(shè)備和治療設(shè)備。超聲診斷：主要是根據(jù)超聲波在生物組織中傳播規(guī)律、組織特性、組織幾何尺寸的差異使超聲波的透射、反射、散射、繞射及干涉等傳播規(guī)律和波動現(xiàn)象也不同，從而使接收信號的幅度、頻率、相位、時間等參量發(fā)生不同的改變，通過對這些參量的測量、成像來識別組織的差異、判別組織的病變特征。超聲治療：主要利用生物體吸收超聲波的特性、也即利用超聲波的生物效能和機理，達到治療的目的。3ppt課件超聲成像設(shè)備分類（上）一、按超聲波型分類連續(xù)波超聲設(shè)備脈沖波超聲設(shè)備二、按利用物理特性分類回波式超聲診斷儀透射式超聲診斷儀三、按設(shè)備的結(jié)構(gòu)分A超：是一種最基本的顯示，示波器上橫坐標表示超聲波的傳播時間（探測深度），縱坐標表示脈沖回波幅度（Amplitutede),故稱為A型顯示，簡稱A超。臨床運用測量人體器官位置，尺寸、組織的聲學特性、診斷疾病4ppt課件超聲設(shè)備分類（下）M型超聲診斷設(shè)備-M超－超聲心動圖儀：在熒光屏上得到組織器官（心臟)許多曲線－構(gòu)成超聲心動圖。反映不同介面不時間反射超聲波的強弱。是亮度調(diào)制型設(shè)備。臨床主要用于研究心血管疾病、可與心電圖、心音圖、脈搏結(jié)合考慮分析，測量心血管的部分大小、厚度，瓣膜的運動。B型超聲診斷設(shè)備：B超－切面顯像儀。靜止目標B型超聲顯像儀；實時B型超聲顯像儀，數(shù)字掃描B型超聲成像設(shè)備，代計算機的B型超聲成像設(shè)備四種。C超與F型超聲成像設(shè)備：橫斷面成像，曲面成像。D超：脈沖回波D型超聲診斷儀，連續(xù)波D型超聲診斷儀。彩超=B+D+M,多功能超聲成像設(shè)備。彩色顯示。CDFI彩色血流（低速)顯像儀CDTI(高速）CDE(彩色、幅度，大?。┑退傺鞯牟噬嗥绽漳茏V圖，DPA(大小，方向）CHI,THI超聲全息診斷設(shè)備超聲顯微鏡超聲CT超聲外科設(shè)備超聲治療設(shè)備5ppt課件二、超聲設(shè)備發(fā)展歷程1880年，法國科學家皮爾和Jacques.居里壓電效應(yīng)。1917年法國科學家保羅－郎之萬發(fā)現(xiàn)逆壓電效應(yīng)。1921年聲納1942年奧地利科學家A超，探測頭顱1952年美國科學家B超1954年B超臨床1956年日本科學家多普勒超聲探測心臟1967年電子探頭1968年TGC1968年研究計算機用于B超設(shè)備，DSC數(shù)字掃描1973年C超，1978年F超1983年彩色學流圖（CFM），1990年3D掃描研制1991年數(shù)字化超聲成像系統(tǒng)不步入新的發(fā)展階段CDTICDEDPACHITHI6ppt課件三、超聲波基礎(chǔ)知識簡介（一）超聲波1、是頻率超過2萬Hz的機械波，在空氣中傳播平均速度為340m/s，在人體軟組織，液體中約1540m/s，在顱骨中3860m/s。2、描述超聲波的物理量:周期T,頻率f，波長

，波速C，相位=(t)介質(zhì)特征聲學參數(shù)－聲阻抗Z=C(單位瑞利)聲壓p，聲壓級Lp，聲強I，聲強級LI聲壓反射系數(shù)，折射系數(shù)，聲強反射系數(shù)，聲強折射系數(shù)7ppt課件3、次聲波、聲波、超聲波4、超聲波的特點方向性好：定向發(fā)射。能量高：傳輸特性：穿透能力：工作頻率與發(fā)射功率5、超聲波的類型

縱波與橫波：固體、液體、氣體均可傳播縱波。只能在固體傳播橫波，不能在液體、氣體傳播橫波。表面波：延介質(zhì)表面?zhèn)鞑サ牟?，是瑞?887年提出又叫瑞麗波板波：在板厚與波長相當?shù)慕橘|(zhì)中傳播平面波：波陣面互相平行的平面的波柱面波：波陣面是同軸圓柱面的波球面波：波陣面是同心球面的波連續(xù)波：波源不斷振動，連續(xù)不斷輻射的波。脈沖波：波源振動時間較短，間歇輻射的波8ppt課件一維超聲波的數(shù)學表達式聲壓p介質(zhì)密度，超聲波傳播速度C，振幅A角頻率＝2，超聲波傳播時間t9ppt課件10ppt課件11ppt課件12ppt課件13ppt課件14ppt課件3、超聲波在介質(zhì)中的傳播規(guī)律反射：反射系數(shù)=（Z2-Z1）/（Z2+Z1）全反射與反射強烈折射：衍射：干涉與駐波散射：聲學界面：聲阻抗不同的兩組織形成。條件：聲學界面的幾何尺寸與超聲波波長比較。聲阻抗Z：與介質(zhì)密度和超聲波傳播速度C有關(guān)，人體組織按聲阻抗分類（低，中，高）。15ppt課件（二）超聲波在介質(zhì)中的衰減1、衰減：超聲波強度隨傳播距離增加，減少的現(xiàn)象，稱為超聲波的衰減。2、衰減表現(xiàn)幾種形式擴散衰減：有距離造成與距離平方成反比。散射衰減：與微粒作用改變超聲波傳播方向。吸收衰減：摩擦內(nèi)耗，與頻率的關(guān)系較大，高頻超聲波衰減大，傳播距離近，宜探測淺表組織。16ppt課件（三）成像原理1、雷達測距原理界面位置判定:L=Ct/2t－超聲波在人體來回距離回波時間，表示界面位置，C－超聲波在人體組織中的傳播速度2、回波大小與界面出組織聲阻抗或密度有關(guān)，界面一定反射超聲波的大小一定，可以根據(jù)回波強弱判定界面處的參數(shù)；只要密度有變化的地方有反射，可以探測，設(shè)備質(zhì)量高，低決定能否識別微小變化回波大小表示介質(zhì)聲阻抗變化（密度變化）。17ppt課件18ppt課件19ppt課件第二節(jié)超聲探頭（換能器）一、作用：機械能與電能相互轉(zhuǎn)換完成發(fā)射或接收超聲波的任務(wù)二、結(jié)構(gòu)：換能器、殼體、電纜、其它部件（如電機、位置檢測器）等。主體（壓電振子、吸收層、保護層）與殼體（外殼、電纜、接插部件）兩部分。三、原理：發(fā)射超聲波和接收超聲波壓電效應(yīng)：晶片施力在端面上出現(xiàn)電荷。逆壓電效應(yīng)：晶片上施加正弦交變電壓引起晶片振動，發(fā)射超聲波。四、壓電材料與壓電振子壓電材料物理上都是彈性體，物理特性方向各異，有的方向有壓電效應(yīng)，有的方向無。壓電材料：壓電單晶體（天然石英、電石類，人工制造硫酸鋰，鈮酸鋰），壓電陶瓷（許多不同單晶體構(gòu)成，一定溫度范圍有壓電效應(yīng)，如鈦酸鋇，鋯鈦酸鉛PZT），壓電高分子聚合材料，聚偏氟乙烯PVF2。壓電振子：最小幾何尺寸的壓電材料，基本單元。20ppt課件晶片的振動模式伸縮振動（厚度、長度、徑向)切變振動(厚度切變、面切變）彎曲振動（厚度彎曲，長度彎曲）能陷振動在臨床中，不同器官組織要用不同的探頭。這是學習超聲診斷十分重要的技術(shù)。21ppt課件五、探頭的分類（一）、按工作原理分脈沖回波探頭多普勒式探頭（二）、按結(jié)構(gòu)分機械探頭與電子探頭（三)、按用途分眼科、腹部、婦產(chǎn)科等（四)按振子單元數(shù)分單元探頭，多元探頭（線陣、相控陣、方陣、凸陣）。（五）按聲束特性分、聚焦探頭,非聚焦換能器（六）收發(fā)方式分（發(fā)射、接收、收發(fā)兼用）按晶片形狀分（圓形，環(huán)形、方形、矩形、22ppt課件六、質(zhì)量指標－－探頭的性能參數(shù)(書172頁）居里點：壓電材料發(fā)生壓電效應(yīng)的臨界溫度。頻率常數(shù)fc：確定晶片幾何尺寸的重要參數(shù)。諧振狀態(tài)。電容常數(shù)：表示晶片的介電性能參數(shù)。極間電容越小越好。發(fā)射系數(shù)D：電能轉(zhuǎn)變成機械能，壓力恒定時，單位電場強度變化引起應(yīng)變變化。接收系數(shù)G：機械能轉(zhuǎn)變成電能，電位移恒定，單位壓力引起電場變化。機電耦合系數(shù)K：機械能與電能轉(zhuǎn)換系數(shù)，與晶片的靈敏度有關(guān)，材料決定，無單位。力學品質(zhì)因素Qm：決定探頭通頻帶的重要因素，諧振時晶片儲存能量與晶片損耗能量之比，Qm大損耗小。通頻帶窄。無單位。介質(zhì)損耗因子tg：23ppt課件平面活塞探頭性能探討（174頁）遠場與近場超聲波波長，晶片半徑a

擴散半角a24ppt課件七、壓電振子的特性討論晶片的等效電路頻率特性換能器的許多參數(shù)與頻率有關(guān)工作頻率頻帶寬度電阻抗匹配聲阻抗匹配頻率相應(yīng)同一振子接收不同頻率的超聲波同一振子加不同的壓力25ppt課件晶片的形狀，幾何尺寸，振動模式，晶片的材料，對圖象質(zhì)量，分辯率、噪聲26ppt課件27ppt課件28ppt課件探頭的基本組成29ppt課件探頭的等效電路30ppt課件31ppt課件32ppt課件33ppt課件34ppt課件一、臨床運用，回波波形顯示Y軸:表示回波強弱X軸:表示界面的位置或者說超聲波在介質(zhì)中的傳播速度二、工作原理35ppt課件第三節(jié)顯像管（CRT)一、黑白顯像管結(jié)構(gòu)：電子槍、熒光屏、偏轉(zhuǎn)線圈、高真空玻璃容器。作用：將視頻圖象信號還原成可見光圖象。工作原理：

電子槍的作用：產(chǎn)生一束聚焦性能良好，能量較高的陰極射線。陰極（燈絲），控制級、第一加速級，第二加速級，第三加速級，聚焦級。

熒光屏:(熒光粉顆粒)高速電子打在熒光粉，發(fā)光，發(fā)光強度與陰極射線的強度成正比；改變控制級（Z軸）的電壓調(diào)制陰極射線強度達到調(diào)制熒光屏亮度等級；把發(fā)光持續(xù)時間叫余輝時間，不同材料的熒光粉余輝時間不同。高速電子打在不同熒光材料發(fā)出不同顏色的光。36ppt課件37ppt課件偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)：顯像管的偏轉(zhuǎn)有靜電偏轉(zhuǎn)與磁偏轉(zhuǎn)兩種，前者構(gòu)成示波管，后者叫顯象管靜電偏轉(zhuǎn)系統(tǒng):水平偏轉(zhuǎn)電極、垂直偏轉(zhuǎn)電極。磁偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)：水平線圈（X軸）、垂直線圈（Y軸）。作用：控制高速電子打亮熒光屏上亮點位置?？梢淹ㄟ^控制線圈的電流(線性電流）實現(xiàn)掃描。掃描：高速電子是按順序打亮熒光屏的，從左到右從上之下。38ppt課件工作原理景物亮度信號加在CRT的Z軸上，調(diào)制飛往熒光屏的陰極射線強度，調(diào)制熒光屏上的亮度等級使得熒光屏上的亮度等級與景物的亮度等級一一對應(yīng)。把提取到景物上的位置信號加在CRT的偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)上，調(diào)制流過偏轉(zhuǎn)線圈的電流，使得熒光屏上的亮點位置和景物的亮點位置一一對應(yīng)。合理選擇熒光屏的余輝時間。人體器官組織的解剖圖像展示在熒光屏上。39ppt課件顯示器的參數(shù)書（178頁）象素，灰階，掃描線性是顯示器質(zhì)量參數(shù)。亮度對比度與灰階分辨率幾何尺寸：對角線40ppt課件彩色顯像原理與彩色顯象管彩色顯像管：三基色原理：41ppt課件液晶顯示器（書177頁）液晶：固體與液體之間一種材料，不同電壓下受光照射時折射率發(fā)生改變實現(xiàn)成像，重量輕、省電，地址精度較高。42ppt課件超聲設(shè)備物理結(jié)構(gòu)模型信號發(fā)生器發(fā)射通道探頭接收通道顯示人體電源43ppt課件第四節(jié)A型超聲診斷儀一、A超是回波幅度顯示設(shè)備熒光屏上物理含義Y軸：表示回波強弱X軸：表示超聲波在介質(zhì)中傳播的距離或時間二、臨床運用；測量器官組織的距離或線度44ppt課件三、A型超聲儀器的基本結(jié)構(gòu)主控電路：多諧振蕩器，產(chǎn)生同步觸發(fā)脈沖，對各單元控制，發(fā)射，接收等，脈沖重復頻率（PRF)延時電路：發(fā)射電路：利用電子開關(guān)，對高壓電容充放電，接收電路：射頻放大、檢波、視頻放大，標距電路：13s/cm時基電路：產(chǎn)生鋸齒波、放大加在CRT的X軸上增輝電路：示波器的控制極電源：整機的能量供應(yīng)者。探頭：顯示器：45ppt課件46ppt課件47ppt課件第五節(jié)M型超聲診斷儀M超又叫超聲心動圖儀，是亮度調(diào)制型設(shè)備。一、熒光屏的物理含義：X軸：表示時間（回波展開時間）Y軸：y軸距離表示界面位置Z軸：亮點的亮度等級表示回波強弱二、超聲心動曲線：一個聲學界面（器官組織），在不同時間（每隔0.5秒）不同的位置反射回波強弱用一條曲線表示，該曲線稱為超聲心動曲線。48ppt課件三、M型超聲診斷儀的基本結(jié)構(gòu)主控電路：接收電路：發(fā)射電路：TGC：深度掃描電路:點陣時表電路:時間掃描電路:探頭:顯示器:電源:49ppt課件多參數(shù)M型超聲心動圖儀（書187頁）得到人體心臟的1、超聲心動曲線2、心電圖3、心音圖4、心尖搏動圖等聯(lián)合同步顯示采用長余輝磁偏轉(zhuǎn)顯像管50ppt課件51ppt課件52ppt課件第六節(jié)B型超聲成像設(shè)備一、成像:用熒光屏上可見光圖象表示器官組織解剖形狀1、成像平面：平行超聲束的平面2、成像原理：如何采集探測平面上一點的密度大小，以及相應(yīng)點的位置坐標?；夭〞r間確定一個坐標，超聲束的方向（晶片擺動角度）確定另一個坐標。3、基本組成二、實時成像：每秒25幅圖象1、掃描：超聲照射探測平面的方式或順序，常見的形狀有扇行，矩形，和圓形。2、位置檢測器：提取探測面位置坐標的器件53ppt課件三、B超的常見類型靜止目標的B型超聲成像實時成像B型超聲成像儀帶DSC的B型超聲成像設(shè)備帶計算機的B超設(shè)備聲驅(qū)動方式聲束掃查方式聚焦方式成像速度體表/經(jīng)體腔機械矩形幾何聚焦非實時體表機械扇型幾何聚焦實時體表機械徑向幾何聚焦實時體腔電子線陣電子聚焦實時體表電子凸陣電子聚焦實時體表電子相控陣電子聚焦實時經(jīng)體腔54ppt課件四、旋轉(zhuǎn)變壓器(書189頁）作用：獲得層面上的位置信息結(jié)構(gòu)：正余弦變壓器工作原理：機械運動轉(zhuǎn)變成電信號其他器件：光碼盤55ppt課件五、B超的掃描與探頭（書188頁，191、194）機械掃描：扇形掃描、矩形掃描、徑向掃描晶片的驅(qū)動:聚焦方式:

位置檢測：電子掃描：凸陣扇掃、相控陣扇掃數(shù)字掃描：192頁－194頁B超探頭的結(jié)構(gòu)56ppt課件六、聚焦（196頁)幾何聚焦機械聚焦：電子聚焦：二次函數(shù)延遲57ppt課件七、數(shù)字掃描DSC的B型超聲成像設(shè)備1、數(shù)字化：將電信號轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號2、圖象存儲器：是DSC的核心器件3、讀寫操作：用軟件、程序的方式實現(xiàn)對圖象存儲器掃描即DSC數(shù)字掃描4、強大的圖象處理功能測量、灰階處理、空間處理，感興趣區(qū)確定、圖象反轉(zhuǎn)等58ppt課件八、B超的性能參數(shù)（上）工作頻率:超聲波的頻率每秒鐘晶片振動次數(shù)，外加交變電壓的頻率，晶片的固有頻率。脈沖重復頻率（PRF):每秒鐘發(fā)射超聲波的次數(shù)。采樣頻率重復周期：

T＝發(fā)射時間＋接收時間（間歇時間）（178頁）PRF的下限－最低重復頻率，不小于最高運動頻率的二倍。PRF的上限：取決于最大探測深度Rm與介面多次反射時間最大穿透深度Rm：估算公式200波長。實時掃描與幀頻。幀頻：每秒鐘成像的幀數(shù)。幀頻F，掃描線數(shù)N，最大穿透深度Rm三者乘積為常數(shù)。分辨率：橫向分辨率和縱向分辨率。從理論上分析能測到物體的最小直徑＝波長的一半。稱為最大理論分辨率。實際分辨率要低于理論分辨率的5－8倍。59ppt課件人體組織對超聲衰減一般規(guī)律骨組織>肝組織>血液骨>肌腱（軟骨）>肝臟>脂肪>血液>尿液（或膽汁）。含膠原蛋白和鈣越多，聲衰減越大。60ppt課件系統(tǒng)參數(shù)（下）動態(tài)范圍DR：描述信號幅度變化范圍,單位db接收信號的動態(tài)范圍，系統(tǒng)動態(tài)范圍(輸入動態(tài)范圍、輸出動態(tài)范圍）動態(tài)范圍壓縮比CR61ppt課件探測不同組織的診斷儀使用的頻率探測對象頻率范圍(MHZ)對應(yīng)波長(mm)腹部、神經(jīng)1-31.54-0.51心血管2-50.77-0.30眼、淺表5-200.30-0.7762ppt課件第八節(jié)多譜勒超聲成像系統(tǒng)一、多譜勒效應(yīng)：當聲源和接收者存在相對運動，接收者接收的頻率與發(fā)射頻率不同（即f>fo、f<fo）。1、多譜勒頻移fd=f-fo

臟器運動速度不同，運動速度也不同、利用選頻放大器可提取多普勒頻移信號。早期聽多普勒頻移聲音，現(xiàn)在在微機幫助下實時測量?？梢耘卸t血球速度大小與方向。2、超聲波與紅血球的作用——散射波長是紅血球直徑約60倍。3種情況：障礙物幾何尺寸比超聲波波長大許多，不散射。小許多（能量均勻分布在各方向，散射強度與波長四次方成正比，瑞麗散射。接近時散射強度十分復雜。散射強度與障礙物幾何尺寸有關(guān)。隨障礙物有的尺寸與波長的比值的增大而增加。63ppt課件3、紅血球速度的公式64ppt課件（1）、cosθ

是血流與超聲束的夾角的余弦，當相對固定時，V與fd成正比。（2）、對一定的fd，fo越小，測定的紅血球的速度越大。即測量高速紅血球的速度宜用較低的超聲波的頻率。（3）、當血流速度保持恒定時，fd與cosθ有關(guān)，與超聲波的入射角有關(guān)。0<θ<90度：cosθ為正值，fd為正值，表示紅血球向著探頭運動。90<θ<180：cosθ為負值，fd為負值，表示紅血球離開探頭運動65ppt課件θ＝0度或θ＝180度:cosθ＝1表示，fd為最大，紅血球與聲束在同一直線上運動。θ＝90度，cosθ＝0，即血流方向與聲束垂直。fd為0，檢測不到。66ppt課件67ppt課件二、D型超聲檢測設(shè)備（一）、連續(xù)波D型超聲設(shè)備1、測量紅血球速度大小方向2、解調(diào)：提取多普勒頻移信號的過程3、多普勒頻譜分析：4、聲譜圖：三維信息（X,Y,Z)5、幅頻圖－頻率直方圖的速度大小與方向6、連續(xù)波D型超聲設(shè)備的基本組成68