医学超声成像的基本原理.ppt

第二节 医学超声成像的基本原理,超声成像方法有多种，反射、透射、多普勒法等。目前多用反射法，即脉冲回波法。一、脉冲回波法原理1.定义 发射超声脉冲波，接收目标反射回波，确定目标的方位、距离和性质。2.人体组织的适用性 人体组织、脏器Z不同，界面会反射声波。人体软组织Z接近，界面透射大，可穿透较深组织；而较弱 的反射波,对检测已足够。人体软组织c接近，可由时间算得界面深度。,3脉冲回波法A型显示,（a）超声脉冲发射，显示发射波形；（b）超声匀速传播，显示水平扫线；（c）超声到达界面。（d）界面反射、透射；（e）脉冲回到探头，显示接收波形；（f）波形间隔距离，正比界面深度。,4.脉冲回波测距关系式,有多重介质界面时,若声速接近，且c,则 Sct/2式中：S界面深度t界面回波时间即：可由界面回波时间，求得界面深度。人体软组织取 c=1540m/s。5.各种利用形式 换能器固定 显示光点幅度调制 换能器扫查 显示光点亮度调制,一、分辨力,指成像系统分辨空间尺寸的能力，即能把两点区分开来的最短距离。1.横向分辨力（也称侧向分辨力）（1）定义：垂直于声束轴方向的分辨力。（2）相关因素：超声波束直径，显示器光点尺寸。设有两个目标(如图):（a）波束直径很细，容易区分。（b）波束直径加大，刚好区分，此时目标间距离就是系统 的分辨力。（c）波束直径更大，无法区分，系统只能把它们当作一个 目标，只显示一点。,2.纵向分辨力（又称轴向分辨力或距离分辨力）,（1）定义：在声束轴方向上对相邻两回声点的分辨力。（2）相关因素：超声频率。理论极限是声波的半波长。主要取决于脉冲有效持续时间。脉冲越窄，越好。（3）脉冲有效持续时间相关因素：发射电脉冲宽度 换能器阻尼 仪器的增益 发射超声强弱 因通带有限,故脉冲前后沿不陡,目标反射强弱 信号大小不同,即脉冲宽度不同。目标距离 一般说来，纵向分辨力总是优于横向分辨力,二、作用距离（探测深度）,1定义超声诊断仪图像能显示的被测介质最大深度。2相关因素（1）工作频率 工作频率作用距离，但受分辨力限制。I=I0e-2X,=f,f衰减趋缓。（2）接收灵敏度 接收灵敏度作用距离，但受噪声限制。（3）发射功率 发射功率作用距离，但受安全性限制。3临床要求 腹部：20cm，眼部：10cm,三、工作频率(f),1定义 辐射出去的超声波中心频率。2与其它参数的关系 横向、纵向分辨力 f 探测深度 例如：眼科：深度小，结构细，可用高f。如:f=10 MHz。腹部：深度大，脏器大，可用低f。如：f=3.5 MHz。许多超声仪配备多个不同频率的探头，可供选用。,四、帧频(F),1定义：成像系统每秒钟成像的帧数。2相关因素（直接成像法）如图，P探测深度，c声速，N扫查线数,Fs扫查帧频 直接成像时：FFs 一条扫线需时间（超声P内来回）：Tl2P/c 帧周期N条扫线所需时间：TNTl2NP/c FFs1/Tc/2NP 或者：PNFc/2 可见：P、N、F三者之积是常数，若要提高一个，必须以减小其它两个为代价。,另一形式（只适用于线阵）：,如图：L-线阵长度，A扫查面积dL-扫查线密度 A=PL,dL=N/L FAdL=FPLN/L=FPN=c/2即：F，A，dL 三者乘积是一常数。,3帧频与像质的关系,4.数值分析因人体软组织中声速 c=1540 m/s如果：P=10cm,F=30Hz,则 N=c/2FP=256.6线或者：N=500线,P=20cm,则 F=c/2NP=7.7Hz可见：难于同时取得满意的数值。,扫描线数越多，图像连续性越好，更为清晰；帧频越高，图像越稳定。对于较高横向分辨力的超声成像系统，应该有较高线密度来显示它的图像，而较低的线密度只能满足低横向分辨力的需要。,五、脉冲重复频率（Fc）,1定义每秒钟重复发射超声脉冲的次数。2.与其它参数的关系 最大探测距离Dmax，和探测深度P DmaxcT/2c/2Fc 式中：T=1/Fc脉冲发射周期，即两次发射间 的时间间隔 而：PDmax 故：FcDmaxP 帧频F，或线密度dL Fc=FN，Fc F,或dL 通常取：Fc24KHz。,最大探测距离Dmax并不等于仪器的作用距离P，作用距离受发射功率、接收机灵敏度等因素的影响，而最大探测距离只是设计中允许设定探测距离的最大值。脉冲重复频率不可取得太高，否则将限制仪器的最大探测距离，但也不可取太低，否则将影响图像的帧频或线密度。通常取Fc24KHz。,第四节 超声诊断仪的显示型式,一、A式显示1.定义 A式显示即：Amplitude modulation display 幅度调制显示 幅度调制：显示波幅度 界面回波强度。,2.CRT信号及显示屏各轴的意义,3.适用部位 肝、胆、脾、眼、肾、子宫、脑中隔等。,双相A型诊断法示意图,二、M式显示,1.定义M式显示即：Time-Motion 或 Motion mode display运动时间（模式）显示。即：运动界面的深度位置，按时间顺序显示。,2.CRT信号及显示屏各轴的意义,3.适用部位心脏、胎心、动脉血管等运动脏器。可用于测量心脏瓣膜的运动速度、加速度等。由于主要探查心血管系统的心源性搏动，故也称超声心动图。,三、B式显示,1定义B式显示即：Brightness modulation display 辉(亮)度调制显示。辉(亮)度调制：显示点辉(亮)度 界面回波强度。2.特点声束位置不断变化扫查，显示光迹同步扫描，由辉(亮)度调制，得到回波强度断面象。,3.CRT信号及显示屏各轴的意义,4.适用部位眼球、甲状腺、纵隔、心脏、乳房、肝脏、胆囊、胰腺、脾脏、肾脏、旁胱、精囊、睾丸、前列腺、卵巢、子宫、胎儿,一、简单扫查与复合扫查,1.简单扫查 定义：声线在扫查区内不相交。（1）线扫 声线：平移，排列均匀。优点：近、远区视野相同。缺点：要求入射范围大。适用：腹部探查。（2）扇扫 声线：摆动，呈扇形。优点：要求的入射窗小。缺点：浅部视野小。适用：通过肋间对心脏的探查。,（3）凸阵扫查,声线：呈扇面形。优点：入射窗较小，而浅部视野尚可。适用：腹部，也可探查心脏。（4）弧形扫查 声线：弧形移并摆动，与凸阵扫相反。优点：近场视野宽。缺点：要求的入射范围大。适用：乳腺、甲状腺的显像。（5）径向扫查 声线：呈360放射状。适用：介入式探头。优点：经食道、直肠、阴道等探入人体，靠近检区，提高频率，提高像质。,2.电子扫查,（一）概述（1）定义 换能器由排成一线的许多阵元组成，用电子方式控 制各阵元的工作顺序或相位，以控制声线的位置或方 向，实现扫查。（2）优缺点优点：无机械运动，无（低频）振动，无磨损，寿命长。体积小，重量轻。缺点：线路复杂，工艺难，成本高。（3）分类 线形步距阵，简称：线阵；线形相控阵，简称：相控阵。,（二）线阵,（1）换能元 有几十至几百个换能阵元组成，长约1015cm。（2）原理 电子开关切换，使各阵元按一定顺序轮流工作，从而形成一系列平行声束，实现线形扫查。（3）结构组成 电子开关、阻尼垫衬、换能线阵、匹配层、声透镜、外壳。,（三）相控阵,（1）换能元 换能阵元数较少，长度约13cm。（2）原理 所有阵元一起工作。发射时：各阵元的激励信号相位按线性变化，使发射超声 经空间叠加后，合成超声方向产生偏向。接收时：各阵元的接收信号相位经同样变化，使接收信号 经电路叠加后，接收灵敏方向同样偏向。改变相位线性变化斜率，可改变扫查声线方向，从而形成扇形扫查。相位线性变化相邻阵元信号，相位差相等。,（3）相控原理图解分析,图解根据 由叠加原理，超声波在传播过程中相遇时：相遇前后，波的特性（频率、初相、振动方向、传 播方向等）不变独立性。相遇之处，质点振动各波矢量合成叠加性。当波同相位相遇时，叠加增强，当波异相位相遇时，叠加减弱。图解约定 阵元发射的超声波均为球面波波面线为圆弧线。所画的波面线之间均为同相位交点处叠加增强。,图解例,无偏向无聚焦发射：各阵元发射信号无相位差。叠加声波最强区域同相位波面密集区域，不偏向，不收缩。,有偏向无聚焦发射：,各阵元发射信号相位有线性变化，相邻相差，叠加声波最强区域同相位波面密集区域，有角偏向，不聚焦。,有偏向无聚焦接收：,各阵元接收信号相位经线性变化，送叠加电路，电路对角方向平面回波有最强输出同相位叠加。接收灵敏区域有角偏向，不聚焦。,