第72（1）超声成像基本原理ppt课件

超声成像基本原理超声成像基本原理 人类通过感觉器官从外界获得信息，认识外 周世界，其中，视觉和听觉所获取的信息量最 大。也就是说，我们主要是通过波从外界获取 信息的。 超声成像技术和原理现在看起来很复杂，但 如果从基本物理原理出发，结合它从简单到复 杂的发展历史来认识，其实并不神秘。 让我们沿着超声诊断仪器发展的主线来看超 声成像的基本原理。 利用声波诊断疾病利用声波诊断疾病 叩诊（叩诊（percussionpercussion）：）：叩击、震动、音响和震动叩击、震动、音响和震动 的性质判断有无异常。的性质判断有无异常。 清音清音（resonant noteresonant note）：正常肺部；）：正常肺部； 浊音浊音（dull notedull note）：被少量肺组织覆盖的实质脏器；）：被少量肺组织覆盖的实质脏器； 鼓音鼓音（tympanitic notetympanitic note）：含大量气体的空腔器官；）：含大量气体的空腔器官； 实音实音（flant noteflant note）：实质性脏器；）：实质性脏器； 过清音过清音（hyperresonant notehyperresonant note）肺组织含气量增多，弹性）肺组织含气量增多，弹性 减弱，如肺气肿。减弱，如肺气肿。 与叩诊对比，简单地说， 二维、三维超声成像： 向组织发送超声脉冲，接收回声能量，进行图像 显示。 多普勒超声成像： 利用多普勒效应，检测回声中的多普勒频移信号 ，以几种不同方式显示。 超声物理学基础超声物理学基础 声波频谱声波频谱 超声波(ultrasound ，ultrasounic wave): 频率 高于人耳听觉的声波（按听觉统计取听觉上 限频率，即2万赫兹） 声速 c 、波长 、 和频率f 三者的关系 c = f = c /f 周期与频率的关系 T = 1/f （二）声学基本物理量 声速（波速）c：指波动的某一振动相位在 介质中的传播速度。人体软组织中声波的传播速 度为 1540 m/s ，不同介质中声速有很大的差别。 （三）声场 1. 超声场 何谓声场：发射超声在介质中传播时其能量所 达到的空间，叫超声场，简称声场，亦称声束 。 2.声场特性 声场（或声束）的形状与探头和介质有关。 主瓣、旁瓣（与伪像的关系）、近场、远场、 聚焦区、扩散角等概念。 对于圆形单晶片探头来说，近场声束呈圆柱形 ，其直径接近于探头直径，长度取决于超声频率 和探头的半径，公式如下： L （2rf）/ c 其中， L 为近场长度，r为振动源半径，f为频 率，c为声速。 超声波指向性好坏的指标是近场的长度和扩散 角的大小，从此公式可以看出其中的关系。 超声声场的形状 （四）声束聚焦与分辨力 为什么要使声束聚焦？特别要注意聚焦分发 射聚焦和接收聚焦两种情况（常有混淆）。聚 焦有那些方法？ 1 声透镜聚焦 2 电子相控阵聚焦（发射聚焦） （1）相控阵扇扫：包括扇扫、扇扩 （2）环阵扇扫 （3）线阵、凸阵 （4）多点聚焦 （5）聚焦新技术：二维多阵元（矩阵）探头 聚焦和未聚焦声束 注意：成像、频谱多普勒及彩色多 普勒用的是短阵脉冲波 3 电子相控阵动态聚焦（接收聚焦）沿回声方向全 程接收聚焦。 4 聚焦声束与非聚焦声束的比较 （1）聚焦区明显变细，大大提高分辨力 （2）近场（旁瓣区）声能分布不均现象依然存在 （3）远场（非聚焦区）散焦现象依然存在，或许 更为严重 （4）与纤细的X线束相比仍不同。 1. 1. 时间延迟动态聚焦原理时间延迟动态聚焦原理 声波发射时电子聚焦的基本原理声波发射时电子聚焦的基本原理 F 时间延迟的曲率半径、 c 延迟时间的改变 多振子探头声场分布呈花瓣状，超声技 术需消除副瓣。 二、 超声的物理特性 （一）方向性（束射性或集束性） 1. 大界面与界面反射（specular reflection） （1）发射的声波在遇到大界面时会产生反射与 折射（透射），大界面指界面长度大于声束波长 的界面。 （2）界面回声反射的角度依赖性：如果声束垂 直于界面时的回声反射强度为100，入射角6 时，回声强度降低到10，12 时，到1，20 时，则几乎检测不到回声反射，出现“回声失 落”。 注意：以上情况出现在大界面。垂直于界面时 可接收到最强的反射信号。 （3）界面反射的强度和反射系数 声阻抗的概念。 声阻抗（特性阻抗）z = c (密度声速) 声强反射系数(RI) = 反射波声强/入射波声强 RI = （Z2-Z1）2/（Z2+Z1）2 Z1和Z2代表两种介质的声阻抗。 当Z2Z1时，为均匀介质，RI0, 无反射。 当Z2Z1时，为不同介质，RI0, 有反射。 当Z2和Z1相差很大时，如骨与软组织或空气 与软组织等，RI则接近于1（100）,则产生 强反射。 从上述公式很容易推断不同声阻抗组织介面 所出现的反射情况。 （4）界面回声反射的能量与界面形状的关系 声束垂直于凹面或凸面，分别具有聚焦和散焦 的作用。 垂直于不规则界面时，呈现乱反射情况。 人体软组织只要有0.1%密度差即产生反射波， 说明超声对软组织的密度分辨力很高。 人体许多器官，如：肝、胆、脾的包膜，腹壁 各层肌肉筋膜及皮肤层等，都是典型的大界面。 2. 小界面与后散射（背向散射back scattering） （1）小界面是指小于声束波长的界面。 （2）发射的声波在遇到小界面时，会产生散射 ，如：肝、脾等实质脏器或软组织内的细胞、 红细胞等。以小界面为震源散射波向四面八方 发射超声能量。 只有朝向探头方向的散射信号才会被探头检 测到，称为后散射或背向散射信号。 （3）后散射或背向散射回声无角度依赖性。 3. 超声成像技术与界面反射和后散射 当代超声诊断仪器正是利用超声的这 种界面反射和后散射特性，从组织中提 取图像、多普勒频移和彩色多普勒信号 的。 利用超声脉 冲提取组织内 回声信号 （二）衰减特性（attenuation） 超声在介质中传播时，声能随距离增大而减 小，称为超声的衰减。 1. 衰减与超声传播的距离和超声频率有关。 2. 衰减的主要原因有：吸收、散射、声束扩散 等 （1）介质对超声波的吸收; （2）声能被许多散射体散射; （3）声束的扩散。 注意: 反射和衰减是两个概念。 3. 衰减系数(单位: dB/（cmMHz) 衰减服从指数规律 （x）= 0e-x 式中：（x）为在声束传播方向离x处质点振 动的振幅，0为起始点处质点振动的振幅，为 衰减系数，单位为dB/（cmMHz), e = 2.718 。 zi:t* (1) 人体软组织和体液声衰减是不同的（见教材 P5）; （2）蛋白质是人体组织声衰减的主要原因，约占 80，不含蛋白质成分的水几乎无衰减（透声）; 4. 对抗超声衰减的技术措施 TCG（time compensation gain）, 又称DCG (distance compensation )。 TGD或DGC在仪器出厂时已经有预设定值，同 时，TCG调节也可以起到补充作用。 5. 人体组织对超声衰减不同程度的一般规律 (1) 骨软骨肌腱肝、肾血液尿液、胆 汁（见教材P5）; （2）组织体液中蛋白成分尤其是胶元蛋白成 分愈高，衰减就愈显著；水分含量愈多， 衰减就愈少，钙质成分愈多，衰减也愈明 显。 （三）超声的分辨力 1. 指利用超声成像技术在显示器上区分细小目 标的能力或最小距离。 2. 分辨力受多种因素影响，如：声波频率、脉 冲宽度、声束宽度（聚焦程度）、声场的远近 等等。 3. 空间分辨力主要与声束特性有关。分三类： （1）轴向（纵向）分辨力：与波长密切相关， 纵向分辨力大致等于58倍波长。 （2）横向分辨力：与探头厚度方向上声束宽度和曲 面聚焦性能有关。焦区宽度一般2fd 或fd1/2PRF， 1/2PRF称尼奎斯特率极限，超过这一极限，就会出 现频谱混叠或频率失真 。 因此，PW的最大可测血流速度受PRF，也就是探 察深度的限制。 2) PRF与最大采样深度 我们知道：PRF c/2dmax 所以: dmax c/2PRF PRF越高，采样深度就越小。 3) 探测深度与速度测量 最大可测深度和最大可测流速间的关系为： dmax vmax c2/8 f0 当f0 一定时，dmax vmax乘积固定，它们相互制约。 另外，从上式可以看出，f0 与 dmax和 vmax的关系。 （二）彩色多普勒血流显像（CDFI） 一、彩超彩色血流显像的品质评价 （1）空间分辨力细微分辨； （2）速度分辨力对比分辨； （3）动态分辨力帧速率； （4）灵敏度对低速血流的检测水平； （5）图像均匀性及穿透力； (6) 彩色显示效果等。 当彩色显示角度变大、深度增加时，帧频会 降低，时间分辨力变差，空间分辨力也就变差。 要会处理好它们之间的关系。 二、彩色血流显像原理 使用运动目标显示器 (Moving Target Indication， MTI)测算血流中血细胞的动态信息，进行彩色编码 并将之叠加在二维声像图上。 （一） MTI原理 MTI在同一方向上多次（612次）发射超声波， 对其相位差变化进行比较，统计分析，获得运动血 细胞的动态信息。 （二） MTI特性 MTI是一种壁滤波器，其目的是滤掉非血流产生 的低频，而只让强度低但速度高的血流信号通过。 类似于PW中的壁滤波器。 MTI与显像的质量有关 。 （三） 血流分散（flow scatter） 血流分散又称方差显示，显示取样点内血细胞 速度的分散程度，相应于频谱多普勒中的频谱宽 度。在彩色多普勒模式中，是通过在红和兰的方 向显示中加入绿色斑点的方法实现的。 注意：彩色多普勒技术只能提供同一取样容积 内血细胞的平均流速、平均流向和流速方差。 （四） 彩色显示 对采集来的血流信息进行彩色编码用不同的颜 色、颜色亮度和色彩混合度显示不同信息 血流方向 用红色与蓝色显示，但血流速度超过 尼奎斯特频率极限时，出现频率失真或彩色混迭 ； 血流速度 用色彩亮度显示； 血流速度的分布（方差） 在PW中用“频谱宽度 ”显示，CDFI中用附加的绿色斑点显示，再由于 二次色的作用出现五彩图。 红与兰色代表血流方向，亮度代表速 度大小，附加的绿色斑点代表速度方差， 移动基线可以扩大单方向血流的显示范围 。 （五） 自相关技术 自相关技术 是一种新的频率分析方法，它 是对两个连续的回声信号的相位差进行分析 相乘。其主要优点是具有较高的数据处理速度 ，在2毫秒内能处理大量的多普勒频移数据并 迅速计算出平均血流速度、平均方向和速度方 差。但不能提供瞬时流速，因此，不能用于定 量分析峰值流速。 （六） 彩色多普勒血流显示方式及临床应用 角度范围 一般为3090，角度大则彩色 幀频减少。最大帧频速率为2530帧/s 。最低 幀频不应少于1012幀/s。 彩色取样深度与幀频也有关。深度大，幀频 就少。 以上几个因素之间相互制约，操作者必须注 意到它们之间的关系。 三、彩色血流显像的局限性 （一） CDFI与声束入射角度的关系 1. 用扇扫或凸阵探头时，对于相同方向的血流，彩 色血流图角度范围内的色彩的色相和色泽会有不 同； 2. 用线阵探头扫查血管时，血管的弯曲可造成血流 色彩不同。 这两种情况都是多普勒夹角变化造成的伪像。 （二）CDFI的彩色混叠 流速超过尼奎斯特极限时出现频率失真。 用我们所做的模拟实验用我们所做的模拟实验 可以看出几个关系：可以看出几个关系：1. 1. 血血 流速度与彩色亮度；流速度与彩色亮度；2.2.液液 流速度与流速度与频率失真频率失真；3.3.入入 射角与射角与频率失真；频率失真；4.4.流速流速 与与流速轮廓线流速轮廓线及彩色外溢及彩色外溢 现象。现象。 （三）二维图像质量受影响 由于CDFI取样需要较长时间，二维图像质量 会受影响，但高档彩超采用多通道多相位同时 分别处理，对二维和彩色多普勒影响较小。 （四）湍流显示的不确定性 湍流存在一定会出现绿色斑点，但出现绿色 斑点并不一定就有湍流存在（常出现于高速射 流区）。 四、彩色血流显像的几个基本概念 1. 彩色血流速度标尺 标识平均流速相应的亮度（通常有16个亮度 等级或色阶）和最大速度（最亮），标尺应调 到与速度相应。 2. 彩色血流显示阈值 即仪器规定的最低彩色血流信号显示值，分 能量阈值和多普勒频率阈值。 3. 彩色血流显示的滤波器 针对不同的彩色显示需要，滤除不必显示的血 流信号成分的仪器组件。 高通显示高速血流信号，滤除低速血流信号。 低通显示低速血流信号，滤除高速血流信号。 4. 彩色血流显示方式通常有四种 速度方差显示（V-T） 速度显示（V） 方差变化显示（T） 能量显示（P） 五、彩色多普勒能量图（CDE） 主要特点 1. 相对于角度的非依赖性。 2. 增加动态范围，可显示低流量、低流速血 流。 3. 不会发生混叠现象。 4. 不能血流方向和血流速度大小，脏器活动 可造成闪烁伪像。 六、组织多普勒成像（TDI） TDI技术是显示组织运动多普勒频移的多普 勒技术。在处理回声信号时，将高频低振幅的 多普勒血流频移信号滤除，提取低频高振幅的 室壁运动多普勒频移信号，提供有关组织运动 速度、加速度和能量信息。 它所显示的速度范围通常为：0.01-0.03m/s。 帧频为：50帧/s，因速度很小而不会产生混叠 。 （三）彩超与二维图像的彩阶显示 一、彩色基础（三原色原理） 1. 物体的颜色（包括透明物体）：光的反射和 吸收； 2. 三基色（又称三原色）：红、绿、兰； 3. 二次色：基色叠加 黄、青、品红 4. 以彩色电视为例说明五彩缤纷（包括白与黑 ）是如何产生的。 二、彩色多普勒血流显像描述要点（复习） 1. CDFI可显示血流方向、平均流速和血流分散 度（方差显示）。 2. “近流”用红色；“远流”用兰色。 3. 颜色色调（或亮度）代表多普勒平均频移或平 均血流速度。 4.多普勒血流分散度（湍流）用加入的绿色斑点 显示（复习三元色理论，说明五彩镶嵌xiangqian 形成原理）。 5. 多普勒信号增强时（流速、流量增大）CDFI 的敏感度也相应提高。 三、彩阶（B彩，伪彩）灰阶到彩色变换 人眼对灰阶等级的分辨不甚敏感，于是对灰阶 进行彩色编码，将回声强度（灰度）分成不同的 彩色以增强图像边界的被识别程度。从而增加显 示信号的动态范围，提高人眼对图像的分辨能力 ，丰富影像层次，增加实感，提高B超对病理组 织变化的可视度。 因此，彩阶与彩超（CDFI）在概念、原理和 应用领域上都不同，应非常明确。 （四） 血流动力学基础（简述） 一、基本概念 实际流体和理想流体的概念。 1. 稳流: 液体的元素以恒定的速度和恒定的方向运 动时的流动称稳定流稳流，稳流时液体的流动是 分层的。流速概念。 2. 非稳流：当液体元素内任何一点的运动速度和 方向均随时间而变化时的流动称非稳定流动。动脉 血流呈现脉动的性质。 3. 粘滞性：流体流动时产生内摩擦力这种性质称为 流体的粘滞性。这是流体在圆筒形容器中流动形 成层流的原理。 4. 流体阻力: (boxiaoye Law) 泊萧叶定律：Q =r2（p2p1）/8 L Q 为血流量， L为血管长度， r为血管半径，（ p2p1）为血管两端的压差， 粘滞系数。 从上式可以看出， r的微小变化可引起血管阻力 的明显改变。血管有弹性，它的流阻随其内的压 力而变化。 5. 流量：是指流体元素在一段时间里通过管腔横 截面的体积。 对于匀速运动的流体来说， Q = Svt 流量等于横截面、流速和时间的乘积。 SV为流率，即单位时间流过S的流量。因为 密封管道中任何截面的流率应该相同，故得 ： 连续性方程： S1 V1 S2 V2 液流连续性原理：液流连续性原理： S S 1 1 V V 1 1 S S 2 2 V V 2 2 6. 层流 粘性血流在血管中形成稳定的层流时，血细胞在 血管中以相同的方向做规则的分层流动，但血管断 面上各点的血流速度分布是不同的，这就是层流。 7. 加速度 血流在收缩早期产生加速度，晚期产生减速度。 在动脉系统中，血流的加速度对速度分布的形成起 着重要作用。在静脉系统中，流速分布一般为抛物 线形。在外周动脉中，舒张期流速分布近似于抛物 线形。收缩早期，加速使流速分布变平坦。晚期可 出现管壁附近的血流逆转。 层流、湍流和速度轮廓线层流、湍流和速度轮廓线 二、几何形体对流速剖面的影响 1. 入口效应 血液流经横截面积突然变小处，由于流速增加血 流获得较大动能，粘性作用减弱，出现平坦形的 流速分布。大动脉到小动脉，舒张期从心房流入 房室瓣的血流等等。 2. 出口效应 与入口效应相反。如果扩散度较大可导致涡流 。 3. 弯曲血管 当血液流入 弯曲的血管时 ，由于向心力 、向心加速度 的作用，使血 流呈双螺旋线 式向前流动的 复杂状态。 4. 4. 湍流流动湍流流动 血液从高压心腔经过窄孔进入低压心腔时，血液从高压心腔经过窄孔进入低压心腔时， 可出现可出现湍流流动湍流流动，如上图。，如上图。 三、流体能量和柏努力方程（Benoulli equation） 柏努利方程及其应用 柏努利方程：理想流体在流管中作稳定流动时 ，在流线上任一点处，流体单位体积的势能（ gh）、动能（1/2v2）和压强能（P）之和为一 恒量。 P + 1/2v2 + gh = C （1）或 P1 + 1/2v12 + gh1 = P2 + 1/2v22 +gh2 （2） 柏努利方程应用举例1：跨瓣压力差的计算： P1 - P2 = 4V22 或 P = 4V22 注意单位：P用mmHg, V用m/sec， 柏努利方程应用举例2：流体在某处的压强与流 速的平方成反比，即： P = C - 1/2v2 四、血管壁弹性与平均动脉压 1. 血管顺应性 血管顺应性（C， compliance）表示当血管的跨壁 压强增加一个单位时，血管容积的改变数量。即 ：C dv/dp 2. 平均动脉压 平均动脉压是指整个心动周期内，各瞬时动脉压 的总平均值（mean arterial blood pressure, MABP） 。等于一个完整心动周期压强曲线下的积分面积 。平均动脉压要比收缩压和舒张压更能代表驱动 血液流动的动力。 (End of chapter 2) 五、三维、四维超声 （90年代） 更多的新技术飞速发展的阶段，图像 分辨力、图像处理功能进一步提高，超 声诊断仪器更加完善，超声研究和应用 的新进展更为广泛，主要包括： Y Depth X Length Z Width 3D3D技术分类技术分类 静态三维超声心动图 Static 3D Echo-cardigraphy 动态三维超声心动图（4D）Dynamic 3D Echocardiography，又分两种： 1. Live 3D（帧频数较低） 2. 实时4D（帧频可达25帧/秒） Serial Beamformation Focused TX Single RX Beam Wide TX Beam Parallel RX Beams (Multibeam) Cohere