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1、医学超声成像原理医学超声成像原理 张羽 目录目录 什么是超声？ 医学超声诊断系统由哪些主要构成？ 超声波是如何产生的？ 有哪些常用的医学超声成像模式？ 小结 超声的基本特性超声的基本特性 超声波是一种机械波 在生物系统中的超声波通常起作用的只 有纵波（纵波和横波的区别？） 超声波的频率20kHz 医学诊断超声频率通常在106和107Hz量级 应用范围：消化系统，心血管系统，妇 产科，外科学，眼科学，神经学，泌尿 科，皮肤病学 成像基本原理成像基本原理 脉冲波 压电装置产生的脉冲波发送到人体组织后，超声波 碰到不同深度的组织结构产生反射和散射，部分回 波被压电装置接收。利用不同深度产生的回波的不
2、 同时延，获得不同组织界面的反射、声衰减、运动 目标的相位偏移等有用信息。 连续波 较早应用于医学超声诊断，但通常只利用连续波多 普勒技术检测任意大小的运动速度。 声速声速 声波在组织中的传播速度取决于： 介质的硬度 介质微粒间具有大的吸引力(介质表现的越硬)，微粒 受周围微粒振动的干扰引起运动的加速度也越大， 从而声波在该介质中传播速度也越大 介质硬度由可压缩度表示 介质的密度 单个微粒的质量越大，受周围微粒振动的干扰引起 运动的加速度越小，从而声波在该介质中传播速度 也越小 1 =c 声衰减声衰减 声强：垂直声束方向上，单位面积内每秒通过 的声能 声强衰减的影响因素：吸收、散射、声束扩 散
3、、反射、折射 均匀介质内声衰减为指数衰减 衰减系数：单位距离内声强衰减的百分比系数 xI I xII x = = exp 0 声衰减的对数表示声衰减的对数表示 声衰减(dB)=-10log10(Ix/I0)=4.34x u= 4.34 声衰减系数近似与频率成正比 u=kf k: dB/(m MHz) 与x-ray的区别:x-ray低频衰减大于高频衰 减 对脉冲波的影响？ 声阻抗与反射声阻抗与反射 介质的声阻抗与介质的密度和声速成正比 组织的声阻抗决定了超声束在两个介质界面上 的反射和入射能量比。 cZ = () () () 1 4 2 12 21 2 12 2 12 =+ + = + = tr
4、ansmitreflect ittransmit irreflect CC ZZ ZZ IIC ZZ ZZ IIC c2 Z2 Ii Ir It i t c1 Z1 声阻抗与折射声阻抗与折射 服从Snell定理 大部分生物组织声速都非常相近(1500m/s)， 因此折射现象不严重。 超声图像通常接收反射信号成像，因此通常只 有垂直入射的信号才会产生有效回波。 2 1 sin sin c c t i = 部分声学参数值部分声学参数值 超声频率选择依据超声频率选择依据 穿透力(声衰减) Vs 分辨率(波长) 高频：高分辨率、低穿透力 (浅表器官) 低频：低分辨率、高穿透力 (腹部深部器官) 典型应
5、用： 胎儿：1MHz (1.5mm) 眼睛：10MHz (0.15mm) 皮肤：20MHz (0.075mm) 医学超声诊断系统的构成医学超声诊断系统的构成 探头-超声换能器 基本电路部分：通常由主控电路、发射 电路、高频信号放大电路、视频信号放 大和扫描发生器组成 显示部分 用户控制部分 超声波的产生超声波的产生 原理：压电效应与逆压电效应 换能器种类：压电陶瓷、高分子复合材料、陶 瓷复合材料 探头探头 衍射（绕射）现象衍射（绕射）现象 超声发射波束可以看成探头表面无数点 源产生的无方向性球面声波的相干叠加 近场声束维持发射孔径的形状，而在远 场声束发生扩散 近场长度与孔径平方和频率成正比
6、聚焦聚焦 未聚焦的换能器发射的声波空间分辨率 最好情况下与孔径的尺寸相当，而且远 场分辨率急剧下降 聚焦的目的：获得好的横向分辨率 聚焦的种类： 声透镜 曲面探头 电子聚焦 常用的超声成像模式常用的超声成像模式 A(Amplitude)型 B(Brightness)型 M(Movement)型 D(Doppler)型 CD(Color Doppler)型 A-mode 根据回波包络峰值确定不同界面的距离 应用较少（脑中线测量、眼科） B-mode 通过声束扫描获得不同方位回波的幅 度，对不同方位的回波幅度利用亮度调 制获得两维的图像显示。 B-mode图像分辨率图像分辨率 轴向分辨率：超声束轴
7、线上，能分辨两点间的 最小距离。与波长有关。只有当两点距离大于 波长的1/2时，超声才能分别产生两个回声。 侧向分辨率：垂直于轴线平面上，能分辨相邻 两点间的最小距离。与超声束直径有关，只有 当超声束直径小于两点距离时，才能把这两点 显示出来。 横向分辨率：又称厚度分辨率与侧向分辨率在 一平面上，是相互垂方向轴线上的分辨力。 时间分辨率：帧频，显示图象的实时程度。 B-mode临床应用基础临床应用基础 利用超声波在生物组织中的传播特性， 不同的组织与器官具有独特的声像图特 征 液性结构为无回声暗区。 实质性结构为强弱不等的各种回声 均质性实质结构为均匀的低回声或等回声 非均质性结构为混合性回声
8、 钙化或含气性结构则呈极强回声并伴后方声 影 M-mode 运动组织的检查 典型应用：心脏检查 D-mode 典型应用：血流速度的定量检测 c vf f d cos2 0 = CW Vs PW 有频率混跌无频率混跌 检测不同时刻脉冲回波 的相位偏移 检测回波的频率偏移(多 普勒效应) 有空间分辨力无空间分辨力 共用发射和接收阵元独立的发射和接收阵元 发射脉冲波发射连续波 PWCW CW V 发射接收 PW CD-mode 典型应用：血流速度的定性检测（与D- mode相比）以及血流灌注的判断（与B- mode相比） 超声诊断从形态学过渡到血液动力学， 同时获得人体解剖信息和功能信息 CD-mo
9、de原理原理 基础为脉冲多普勒技术 检测某采样容积内多普勒信号的平均频 率、频谱宽度和平均功率。 流速估计方法 自相关法（窄带彩色血流成像系统） 正交解调后的音频信号处理 互相关法（宽带彩色血流成像系统） 射频信号处理 小结小结 对人体无明显的危害（与X-ray,放射性核成像相比） 快速、相对廉价、轻便（与X-ray, CT, MRI, r照相机相 比） 实时成像（与其他许多成像方式相比） 较好的分辨率（优于放射性核成像，劣于CT, MRI）； 根据超声声波波长获得的理论分辨率极限为 (0.11mm)，但由于脉冲长度（纵向）和声束宽度（横 向）的限制通常分辨率大于1mm。 能够显示大部分组织界面 由于强衰减和声阻抗差异，无法显象骨头或者空气区 域 利用Doppler效应可以实现组织运动成像和血流成像