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超声基础知识前言p.3UnrestrictedInternalUseCarestreamHealth,©2013超声基础知识

超声的物理基础超声探头超声各种基本成像方式超声的临床应用领域超声新技术p.4超声的物理基础一、声波概念：声波是一种机械振动，可以通过介质进行传播。声音的频段0Hz20Hz

20KHz 1MHz

30MHz400MHz次声频段可听见声音超声频段地震波耳朵无损探伤图像诊断声学显微镜3.超声的特性

超声的反射：声波在两种介质中传播时，由于两者声阻抗不同，在其分界面上一部声能返回第一种介质，称为反射。超声的折射：一部份声能穿过界面，进入第二种介质，继续向前传播，并且传播方向发生偏离，称折射。p.5UnrestrictedInternalUseCarestreamHealth,©2013超声波的传播p.6UnrestrictedInternalUseCarestreamHealth,©2013超声波的传播散射声波在传播过程中遇到小于声波长的物体时出现向周围散射现象。红细胞和器官内的微小组织结构显示（背向反射）。超声波的衰减：超声波的衰减与传播距离成正比；与频率的2/3方成正比。高频衰减大，低频衰减小（穿透力强）。

衰减的主要原因：反射、散射、声束扩散、吸收。

超声波的衰减超声波在组织中的传播速度超声波在人体内不同组织的传播速度是不同的；超声仪设计时对于不同的软组织假定了一个相对平均的传播速度，即1540m/sp.9UnrestrictedInternalUseCarestreamHealth,©2013超声波的物理特性

声阻抗（Z）：为介质密度和传播速度的乘积

Z=P.C

声像图中回声水平的强弱主要取决于构成界面的组织相互间的声阻抗差，差值越大，回声越强。

界面：两种声阻抗不同的介质接触在一起时，接触的面称为界面，大于波长的叫大界面，小于波长的叫小界面。

密度：不同介质有不同的密度。p.10超声波的基本原理

频率(f):一般指一秒钟内声源振动的次数，单位（HZ）。波长：在一次全振动中，波所传播的距离称为波长（λ）。波长与频率的关系呈反比，频率越高分辩力越高，穿透力越低波速：超声波传播的速度（C），单位为m/s

波长、频率、波速的相互关系数为C=λ·f

λ＝C/f低频 高频分辨率更好穿透力：更强更弱更差p.11UnrestrictedInternalUseCarestreamHealth,©2013超声基础知识

超声的物理基础

超声基本成像方式超声探头超声的临床应用领域超声新技术超声成像模式A模式（A超）：显示界面回声的幅度（Amplitude），称为振幅调制型。A型：是以脉冲波的幅度来显示回声的高低，可用于测量组织界面的深度（距离）和反应界面的组织基本特性。用途：现用于颅脑和眼科检查。探头(())反射波A型显示A模式（一维）B模式(Brightness)：

是一种亮度的模式，其图像由单声束传播途径中遇到的各个界面产生的系列回声，在屏幕上以不同亮度的点所组成的直线构成。点的亮度代表接收到回声的振幅。通过连续扫描，二维的剖面图像不断地被更新，这就是实时B模式。Line1Line2Line3Line4Line5Line6Line7Line8换能器监视器Line12345678BodyM型(Motion)显示运动信息显示特定的声束方向上各回波点随时间变化（运动）的情况。显示图中横坐标是时间，纵坐标是探测深度M型显示常被用于观察心脏等运动的脏器深度时间取样线p.17UnrestrictedInternalUseCarestreamHealth,©2013超声基础知识

超声的物理基础超声基本成像方式超声探头超声技术基本概念彩色多普勒成像技术超声新技术探头

结构：详见右图所示。压电陶瓷：发射/接收超声波；

声透镜：轴向聚焦；

背衬材料：防止产生超声波反向振动；

匹配层：减少超声传播中的多重反射.压电效应：是指具有压电特性的材料(陶瓷、石英)

在受到外界压力后，在其受压端面产生电压；在其端面施加交变电信号时，其端面会产生机械振动，发出声波。工作原理：

主机通过电缆在基元上施加电信号，使基元振动，发出超声波，超声波经物体反射作用在基元上，使基元两端产生电信号，通过电缆传送至主机处理、显示。

物体发射反射声透镜压电陶瓷(基元)背衬材料衬套电缆匹配层超声探头也称为换能器，它既是发射器，也是接收器。它和主机构成超声设备最重要核心探头PZT陶瓷纯净波晶体(８００倍放大)不不完整的晶格结构,多种结晶，随机排列晶粒，最大70%偶极子极化排列完整的晶格不完整完美的晶格结构,晶粒一致，100完美的晶格结构,晶粒一致，100%极化排列%极化排列PZT陶瓷纯净波晶体p.20UnrestrictedInternalUseCarestreamHealth,©2013凸阵探头线阵探头相控阵探头腔内探头术中探头容积探头经食道探头专用穿刺探头腹腔镜探头血管探头探头的种类常用超声波探头相控阵三维腔内线阵凸阵探头群p.22全系列域扫描探头群（Zonare)晶片---阵元探头的基本单元称为阵元（晶片）。阵元能直接激励而发射超声信号，也能接收回波而输出电信号。振子是由压电材料经高温烧结、电极化处理、打磨、加上电极等一系列加工后形成的压电元件。为了提高各个阵元的性能，常把一个阵元再切割为几个微元。三维容积扫描通过探头在一定角度内往复运动（摆动）来产生若干个切面，每一个切面就是一幅二维图像。将若干切面处理后，形成三维图像。相控阵：相控阵探头是电子探头，通常在1-2cm的长度上分布128阵元。通过控制相控阵探头每个阵元在发射和接收时的延迟时间（即改变相位），就可以实现声束偏转、电子聚焦等功能，从而进行扇扫。Abdominal凸阵探头

凸阵探头中各个换能器小阵元排列成一条弧线.

扇面成像,因此探测视野比较大.

适合检查腹部脏器.线阵探头

在线阵探头中，换能器晶片被分割成许多小的阵元（如128或192），之间相互隔离，并排成一条直线。扫查图形是矩形.近场分辨率好；探测的视野比较小；适合检查浅表器官。探头种类腔内探头：用于经阴道或经直肠、经食道检查。探头种类特殊探头：术中探头、腹腔镜探头、穿刺头。p.29UnrestrictedInternalUseCarestreamHealth,©2013超声基础知识

超声的物理基础超声基本成像方式超声探头超声技术基本概念彩色多普勒成像技术超声新技术显示器探头（前端）操作界面探头接口波束形成器（前端）探头:发射/接收超声信号

探头接口:将探头连接至波束形成器波束形成器：将回波信号滤过、排列、模/数转换、数字处理形成原始图像主机:信息处理/存储操作界面:操作/控制/测量显示器:显示图像超声系统整体结构简介主机（后端）超声系统

延时线路脉冲发射/接收处理滤波器、对数放大器、时间增益控制DSC数字扫描转换器监视器记录设备录像机 打印机彩色打印机图象档案管理

存储硬盘、磁光盘主机探头数字波束形成器:噪声引入少,信号/噪声比值高;数字延时精度高,控制易实现,聚焦精度高;可以配接电子相控阵探头;集成度高,通道间一致性好;技术难度大,成本高.数字化超声工作原理数字扫描转换器DSC显示中央处理器

(CPU)前置放大A/DA/D……A/DA/D数字延时线数字延时线…………数字延时线数字延时线前置放大………前置放大前置放大模/数转换器数字波束形成器功率放大功率放大………功率放大功率放大发射波束形成器收发控制处理器专利技术探头转换开关合成检波处理中间处理器……数字化数字化的标志是数字化处理装置。前端数字化－全数字化后端数字化－部分数字化

数字化处理A/D延时处理显示延时处理

数字化处理A/DΣ•目标数字化延时数字化叠加数字波束形成器探头处理显示通道（Channel）对接收通道而言，所谓的物理通道是指具有接收隔离、前置放大、TGC控制等信号处理功能的独立的电路硬件--实际通道=发射通道）。在数字化多声束形成器中，每一个物理通道（通过软件控制被）分为多个虚拟通道=接收通道（或称逻辑通道，形成不同的声束）。透镜焦点聚焦发散探头发射的超声束在一定的深度范围内汇聚收敛，使之增强波束的穿透力和回波强度，许多超声设备都有调整聚焦的功能，对感兴趣的区域进行聚焦，从而使图象分辨率更高，图象更清晰。聚焦超声系统的几种聚焦方式：－只在发射端聚焦（接收端：自动聚焦）：保持较高的帧频－发射和接收端聚焦：可使图象质量更好，但是帧频很低常用的聚焦方式：分段聚焦；动态聚焦；连续动态聚焦(CDF聚焦声束聚焦通常分为两类：声学聚焦振元声透镜聚焦平凸形声透镜聚焦电子聚焦发射电子聚焦动态电子聚焦。2008年9月（2）电子聚焦2008年9月

电子聚焦，实质是对各振元采用延时激励，即使每一激励脉冲，经不同的延时后到达各阵元，使得这些阵元发射的声场在某个既定的区域内，因相位相同产生相长干涉，而在另一区域内产生相消干涉，其关键是使各阵元发射的超声波相位在焦点处相等（波程相等）会聚在一个区域，换能器辐射的波阵面等效一个凹面发射源（3）动态电子聚焦为了在整个探测深度的范围内波束都能良好的会聚，则必须使发射波的焦距可变，这就是所谓的动态电子聚焦。由于发射波的焦距是随发射激励脉冲的不同延时而改变改变激励脉冲的延时，就可调节焦距，从而获得动态电子聚焦。382008年9月动态电子聚焦动态电子聚焦又可分为：等速动态电子聚焦和全深度分段动态电子聚焦。等声速电子聚焦的实现方法是：通过计算机控制，以一定的速率改变发射和接收的延迟时间，使焦点随发射波和接收同步移动，使整个探测深度的所有位置，都有良好的横向分辨力但由于焦点的移动速度快，延时分级细，延时精度高，故电路设计带来更高的要求。目前一种较为简单实用的方法，是全深度分段动态电子聚焦：

如图4-12所示。下面就讨论这种聚焦方式。392008年9月40将所要探测的深度划分成若干段。图4-12中分四段：近场（N）、中场（M）、远场1（F1）、远场2（F2）。这四个焦距拟由聚焦延迟时间关系和传播媒介质中声速所确定。这种聚焦方式的优点是：分段数少（仅分四段），故延迟线分级数不多。由于每次发射只有一个固定焦点，故延迟线的转换速度低，这就不仅放宽对元器件的要求，而且电路实现也较容易。缺点：显示一行信息需经若干次不同焦点的发射与接收，其成像速度显然降低，造成图像闪烁传统聚焦存在的问题接收声束连续聚焦操作者需不断调节焦点固定发射声束聚焦增加一个焦点，帧频下降一倍手动调整发射聚焦点易导致操作者之间的诊断差别>>>动态孔径

采用多振元组合发射实现了电子聚焦和动态电子聚焦，但多振元组合发射、接收，又使换能器的有效孔径增大，尽管这一结果使近场区增长，远场也得到一定程度的改善，然而孔径增大意味着近场区的分辨力降低。改进的办法是，采用动态电子聚焦和可变孔径相结合的方式工作。可变孔径是在接收过程中实现的，对于近场，为缩小孔径（提高分辨力），接收用较少的振元；对于远场，为了扩大孔径，接收用较多振元工作。这样既保证了近场，也保证了远场都有较高的分辨力。2008年9月通过窄孔径，在近场聚焦中场通过宽孔径，在远场聚焦对每一深度聚焦动态接收孔径评价图像的客观标准空间分辨率

Spatialresolution对比分辨率

Contrastresolution时间分辨率

Temporalresolution信噪比

Signal/Noise图像均匀性

Imageuniformity图像穿透力

penetration空间分辨率

分辨率是指对两个靠近物体的识别能力。轴向（纵向）分辨率：是指沿超声波束轴方向上可区分的两个点目标的最小距离。轴向分辨率由超声波束的波长所决定。一般来说，轴向分辨率为波长的2到4倍。

轴向分辨率高 低

侧向分辨率高 低侧向分辨率：是指对垂直于超声波束轴方向上可区分的两个点目标的最小距离。侧向分辨率取决于超声波束的宽度和波束聚焦情况。横向分辨力：又称厚度分辨力，指在与声束轴线垂直的平面上的探头轴方向上的分辨力p.45UnrestrictedInternalUseCarestreamHealth,©2013图像分辨力：指构成整幅图像的目标分辨力

细微分辨力：与接收放大器通道数成正比，而与靶标的距离成反比，（扩散）以显示强信号，目前先进的超声仪放大器通道数已192或更高（512），用以获得-20db的细小光点的细微图像对比分辨力：是指对两个相似密度的物体的识别能力。46学习,学习,再学习!2023/2/1帧频：是指单位时间内获得图象的帧数，高帧频可以捕捉细小的信息。移动的物体低帧频高帧频帧频帧频

如果B模式深度=18cm

扫描线=256那么B模式的总深度为18cmx2x256=92.16m/frame二维帧频：1520/92.16=16.39帧/秒如果CFM模式深度=9cm

取样次数=4

扫描线=100所以CFM模式的总深度为9cmx2x100x4=288m/frame帧频=1530/(92.16+288)=9.3帧/秒18cm256线超声设备的动态范围是其同时保留最大和最小回声信号的能力。 动态范围=20Log（最大回声幅值/最小回升幅值）针对不同脏器检查，适当调整动态范围，有利于接收脏器内微弱回升信号，又能使边界较强回声信号不失真，使整幅图像清晰，保证正确的诊断。低图像恢阶少，黑白分明，高恢阶多，图像柔和DynamicRangelowhigh接收信号动态范围p.50动态范围灰阶：是图像中像素的亮度等级，由黑到白分为256级。灰阶级数愈高，其图像对比分辨力愈好。灰阶时间增益控制(TGC)通过补偿，调节整幅图像的亮度。它决定着图像所显示信息量的总量，是对接收信息的放大。增益（Gain）空间复合成像53帧平均FrameAveraging把前面的数帧图像中的数据加到更当前帧，可以使每一帧图像获得更多的像数，高的帧平均使图像平滑。有助于将短暂而突发的回声改变消除掉.通过增强组织及结构的边界灰阶的差别，能将组织的 细微差异和边界突显出来，识别更容易。通过加强器官和血管间的介面来改变二维图像的品质边缘增强EdgeEnhance：021p.55UnrestrictedInternalUseCarestreamHealth,©2013超声基础知识

超声的物理基础超声基本成像方式超声探头超声技术基本概念彩色多普勒成像技术超声新技术p.56UnrestrictedInternalUseCarestreamHealth,©2013多普勒（Doppler）多普勒技术：主要用于检测心脏、血管内血液的流向，流速及流量。主要包括以下三种：

脉冲多普勒(PW)

高脉冲重复频率多普勒(HPRF)

连续波多普勒

(CW).

多普勒概念运动的物体与静止的物体对观察者来说听起来不一样.观察者听起来,引擎的音调变高深莫测了.观察者听起来,引擎的音调变低了.飞机不动,引擎的音调也不变.多普勒效应：TXMRCVRCV如果接收体向着振动源运动，则接收到的频率将高于发射频率。

如果接收体背着振动源运动，则接收到的频率将低于发射频率。TXM振动源和接收体有相对运动时,所接收到的回声频率不同于振源所发射的声频率,其差别与相对运动的速度有关,这就是多普勒效应。

多普勒效应公式：2cos

•f。

C•

ΔfV(cm/s)=V血流V(cm/s):血流速度C(cm/s):声速(1530m/s)(度): 血流与超声波束之间的夹角Δf(Hz):多普勒频移f。(Hz):超声频率

超声波束血管角的调整：30°0.86633°0.8393.2%cos误差变化70°0.34273°0.29217.1%夹角θ的最佳范围：30－60°彩色多普勒的角度依赖性p.60UnrestrictedInternalUseCarestreamHealth,©2013彩色血流成像（CFM）

是在二维声像图上叠加彩色实时血流显像。

每一个彩色的点表示小区域内血液流速的平均值。

不同的颜色代表血液流量的速度及检测方式的不同。

通常，红色表示迎向探头的血流方向，蓝色表示离向探头血流方向。流速的大小,用颜色的亮暗表示;出现血流紊乱时，以红蓝混合色表示。

彩色血流成像（彩色多普勒）能量多普勒的原理能量多普勒基本原理：是取其红细胞的能量总积分，配以红色成为血流信息的图像显示。彩色亮度表示多普勒信号能量的大小。血流信号显示与血流方向无关结果是彩色血流不再与角度依赖，与不与混叠相关称之为能量多普勒(PDI).看起来也更敏感(没有90度角的担忧）

能量多普勒的原理及与彩色多普勒的区别二者的区别：彩色多普勒—速度信息，

能量多普勒—能量信息。

显示与血流方向的关系：彩色多普勒—有关（红迎兰离），

能量多普勒—无关

显示与角度及混叠的关系：彩色多普勒—有关

能量多普勒—无关发射反射接收发射探头))))))))))))))))(((((((((((((((((发射接收脉冲多普勒与连续波多普勒的区别脉冲多普勒：

间断发射/接收，获取在取样点处多普勒频移信息并分析、显示。主要用于检测低速血流，所有探头。连续波多普勒：

连续发射/接收，获取在取样区域内多点多普勒频移信息，检测出最高速度血流并显示。主要用于检测高速血流，一般心脏探都有。多普勒波包括以下含义(数据)－速度－速度范围（宽度）－血流量大小－血流方向－血流的时间一个心跳周期宽的速度范围逆流时间基准线慢快快迎向背向最高峰收缩舒张舒张结束多普勒波的含义时间彩色血流质量评价标准一、空间分辨力

空间分辨力系指对血管特定点瞬时速度的检测，与采样容积有关。采样容积越小，越能反映特定点细微血流的瞬时真实血流速度。二、速度分辨力

速度分辨力系指对血流速度快速变化的对比分辨能力。在检测高速血流时还有低速血流信号，或在高速血流后立即出现低速血流，均可适应其变化得清到晰显像。这与壁滤器的自适应能力有关。三、动态分辨力（时间分辨率）

动态分辨力系指彩色成像的速率———帧速率。当彩色显示角度变大，深度增加时，帧频会降低，时间分辨能力变差，便无法观察细小的异常血流。要处理好角度、深度与帧速率的关系。彩超血流质量评价标准四、敏感度

敏感度系指对低速血流检测的能力及瞬时高速血流准确捕捉的能力。现已可检测到直径为0.2mm血管内的血流信号，可测到0.5mm/s的低速血流，并有良好的信噪比。五、图像均匀性1.均匀性是指全程声扬均匀一致，它与有效声束直径、发射脉冲能量的脉宽有关。在全图像区域图像的细微分辨都均匀一致（近场、中场、远场）以及图像中部及两侧边缘在彩色显示方式有穿透力高质量的二维灰阶图像。2.穿透力是指彩色血流显像可达到的最大深度。彩色血流图像的质量评价

从超声工程技术及临床应用实际效果两个方面结合起来评定。其图像质量取决于：①空间分辨力——细微分辨；②速度分辨力——对比分辫；③动态分辨力——速度分辨；④灵敏度——对低速血流检测；⑤图像均匀性及穿透力；⑥彩色显示效果等方面；声波在组织中非线性传播时，产生多倍于发射频率（基波）的信号——二次谐波，三次谐波——但声能逐渐变弱：THI采用超宽频带的探头，接收组织通过非线性传播所产生的高频信号及组织细胞的谐波信号，对多频段信号进行实时平行处理，减弱浅层胸壁和肺组织产生的回声，增强较深部心肌组织的回声，改善图像质量，提高信噪比。发射频率=fo2fofo常规成像：接收信号频率：

fo谐波成像：接收信号频率：

2fo组织谐波显像（TissueHarmonicImaging）3.5C2525410Harm.257574第一步第二步第三步第四步组织谐波显像（TissueHarmonicImaging）THI应用增强心肌和心内膜显示增强细微病变的显现力增强心腔内声学造影剂回声；增强彩色多普勒信号，肝内血流信号增强效果十分明显；帮助鉴别肝内血管，了解肝内细小血管病变。左室长轴基波发射/接收3.8M左室长轴纯净谐波发射：1.9M接收：3.8M基波和谐波对比消除基波形成的伪像p.72UnrestrictedInternalUseCarestreamHealth,©2013超声基础知识

超声的物理基础超声基本成像方式超声探头超声技术基本概念彩色多普勒成像技术超声新技术超声造影(Ultrasoniccontrast)超声造影：

是用超声造影剂（微气泡）使散射（反射）回声增强。造影剂在血液中产生背向散射，其回声强度高，使血流显示清晰，了解血管、脏器组织的微循环灌注情况，从而达到对某些疾病进行诊断与鉴别诊断的目的造影剂：直径小于10um的小气泡称微气泡，安全、低副作用、可自由通过毛细血管，稳定性好，能产生丰富的谐波。目前在中国市场上应用的是意大利的博莱科（Bracco)声诺维（Sonovue).

造影剂的散射面积比同样大小的固体粒子大109倍，可使背向散射的信号大大增强，可以突出感兴趣区域的图象，改善图象的信噪比，提高显象效果血液中有造影剂，可显示小血管中极低速的血流正常组织与病变组织对造影剂反差存在差异，可提高肿瘤检出率应用：心血管、胃肠、胆囊、输尿管和宫腔等方面，从创伤性向非创伤性飞跃局限性：造影剂价格昂贵，不利广泛应用；增强效果受注射剂量和推注时间的影响；增强持续时间有限，不利全面充分观察分析病变情况作用肝脏造影

胎儿三维成像p.77UnrestrictedInternalUseCarestreamHealth,©2013胎儿四维成像p.78UnrestrictedInternalUseCarestreamHealth,©2013静态/准静态激励的弹性成像利用探头或者一个探头-挤压板装置，沿着探头的纵向(轴向)压缩组织，使组织产生一个微小应变。利用复合互相关方法对压迫前后反射的回波信号进行分析，估计组织内部不同位置的位移，计算出组织的变形程度，再以灰阶或彩色编码成像[5]。近年发展的实时组织弹性成像(real-timetissueelastograph，RTE)即将受压前后回声信号移动幅度的变化转化为实时彩色图像，弹性系数(反映组织抵抗弹性变形的能力)小的组织受压后位移变化大，显示为红色；弹性系数大的组织受