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