医药卫生]超声机器原理介绍.ppt

超声诊断仪,超声诊断仪的主要参数,(一)声学系统参数： (1)声输出强度：总功率等； (2)超声场的时频特性：如波型、持续时间、脉冲重复 频率、脉冲形状、频率、脉冲带宽等； (3)声场分布特性：如换能器类型、波束形状、聚焦特 性、景深等。 (二)图象特性参数: (1)分辨力；(2)位置记录精度；(3)深度测量精度； (4)帧频；(5)储存器容量；(6)系统的带宽等。 (三)电气特性参数： (1)灵敏度；(2)增益及TGC指标；(3)系统的带宽； (4)压缩特性及动态范围；(5)显示器的动态范围等。,一、分辨力,成像系统分辨空间尺寸的能力，即把两点区分开来的能力。 1.横向分辨力（也称侧向分辨力） 定义：垂直于声束轴方向的分辨力。 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，刚能区分， 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。, 与波束直径有关的因素 .非聚焦方式： 近场区，波束直径约等于换能器直径。 远场区，波束发散。波束直径 d20r20.61r/a2.44cr/fD 式中：r距离，f频率，D=2a换能器直径 故横向分辨力与r、f、D有关。 .聚焦方式： 理论上焦点(r=F)处波束直径 df 2.44F/D 2.44cF/fD 在焦距F内，声束变细，并与F，f，D有关。 在焦距F外，声束增粗，横向分辨力比不聚焦更差。,2. 纵向分辨力（又称轴向分辨力或距离分辨力）, 定义：在声束轴方向上的分辨力。 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。 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）(P),1定义： 超声诊断仪图象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：P20cm， 眼部：P10cm,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=3.5MHz。 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(直接成象法)： 如图，P探测深度，c声速， N扫查线数, Fs扫查帧频 直接成象时： 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。,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。,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两次发射间的时间 而： PDmax 故： FcDmaxP 帧频F，或线密度dL Fc F, 或dL 通常取： Fc24KHz。,六、动态范围（LD）,1. 定义： 仪器的动态范围： 仪器能不失真地处理的，输入信号的变化范围。 不失真信号既不被噪声淹没，也不饱和。 信号的动态范围： 有意义的信号的变化范围。 2. 表征： LDUmax/Umin 常表示为： LD 20lg(Umax/Umin) (dB) 3超声仪器的LD值： 超声回波信号有： LD100 dB 显象管亮度有： LD2030dB。,扫查方式,1. 扫查定义： 为形成二维图象，声线与人体之间作的相对运动。 相对运动声线位置或方向按一定规律变化 2. B型超声仪按扫查方式分类：,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)线形扫查： 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)扇形扫查： 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)凸面弧形阵（凸阵）扫查 声线：弧形移并摆动，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、甲状腺的显象。 (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，提高象质。,线型、弧型、扇型、复合型,2.复合扫查, 定义：多种简单扫查组合，声线相交。 复合扫查比简单扫查： .优点： 声线密、无阴影、象质好、 斜边界显示清楚 、扫查均匀。 .缺点： 成像慢，非实时, 脉动结构成像模糊。,二、直接接触式与水路耦合式,1.直接接触式 探头与皮肤直接接触，加声耦合剂。 特点：声程短，穿透深度大。操作灵活。 2.水路耦合式 探头与皮肤间用水或其它液体耦合。 特点： (1)换能器大小不受限制。可用大孔径、 强聚焦的换能器。 (2)易实现简单和复合扫查结合。 (3)易实现自动化，获得重复性好的图象。 (4)易对体表弯曲厉害，及不易直接耦合 的部位进行扫查。,三、机械扫查与电子扫查,1.机械扫查 定义： 电机通过传动机构带动换能晶片作机械运动， 形成不同方向或位置的声线，实现扫查。 配合技术： 位置检测： 正弦电位器或旋转变压器，检测晶片瞬时位 置，控制显示扫描与探头扫查同步。 液体声耦合： 水或油，兼容晶片运动和声传输。 电器耦合： 旋转变压器，兼容晶片运动和电子信号传输。,机械扫探头实例,如图摆动式机械扫探头 压电振子： 位于盛满水的小盒中，通过 齿轮和连杆的传动，可作30o角 摆动，作扇形扫查。 位置电位器： 测定驱动轴的位置变化,从而 换算出压电振子的角度变化。 直流马达： 是驱动力源。,机械扇形扫描方式,单晶片往返摆动式 重复精度差，造成帧与帧之间的扇形扫描线位置不能重迭。 机械振动大，噪声大，易出故障。 步进马达改善扇形扫描线的非均匀性有好处，但还是克服不了其它缺陷。,机械扇形扫描方式,单晶片360o旋转式 扇形扫描角为90o，那将有270o的旋转时间不能被利用于成像，而被浪费，从而降低了扫描帧频，不利于实时成像。,机械扇形扫描方式,多晶片360o旋转式 是先进的机械扇形超声诊断设备中选用的一种扫描方案。 要求三个晶片的安装位置及方向要极其精密。否则，最后合成的图像是模糊的，不能提取准确得诊断信息。,机械扇形扫描方式,体腔内机械扇形扫描 腔内扫描比体表扫描能把换能器更接近被扫描的器官，从而可避免皮肤、脂肪、骨骼和肺等中间介质对超声波的较大衰减作用。并可用较高的超声频率（510MHz），从而可获得高的图象分辨率。 经食道扇形扫描 经阴道扇形扫描 机械径向扫描方式 向扫描的超声换能器作360o旋转运动，整个旋转中，换能器作发射和接收工作，因而可获得以换能器为中心的圆形切面图像。 经向扫描与扇形扫描在成像原理和扫描探头结构上是相似的，径向扫描可以看作扇形成像角为360 o的扇形扫描的特殊情况。,2.电子扫查,概述： 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。 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。 分类： 线形步距阵，简称：线阵， 线形相控阵，简称：相控阵。,线阵,换能元： 有几十至几百个换能阵元组成。 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。 结构组成： 电子开关、 阻尼垫衬、 换能线阵、 匹配层、 声透镜、 外壳。,相控阵,换能元： 换能阵元数较少，长度约13cm。 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,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， 不收缩。,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，不收缩。,关系式：,叠加声波（接收回波）最强方向 偏离轴线的夹角： uw=9c, uv=9d sin=uw/uv=c/d = sin-1(c/d) 或：=(d /c) sin 式中：相邻阵元激励（接 收）信号相位差 d 相邻阵元的中心距 c 声速 可见：不断改变 ，可改变， 实现扇形扫查。,四、实时成像与非实时成像,按成像的速度来分类： 1.实时（动态）成像： F10Hz （闪烁） 对于扫查运动器官有重要意义。 例如：检查心脏、胎儿。 2.非实时（静态）成像： F10Hz 如：手动扫，机械扫（高线数、大视野象）。 可通过数字扫描转换器（DSC），转换为TV制式， 以消除闪烁。,五、反射型成像与透射型成像,1. 反射型成像： 利用超声反射波成象。发射和接收超声用同一换能器。 如：脉冲回波法。 2. 透射型成像： 利用超声透射波成象。发射和接收超声用不同的换能器。 类似于X射线成像。,阵元：组成线阵的电器切换的基本单元，几十至几百个。 相邻阵元中心距mm 阵元越多扫查线数越多图像越好。 振元：独立振动的小晶体。几个振元电气连成一个阵元， 以减小旁瓣。 多阵元组合工作：发射和接收时，用相邻的一组阵元同 时工作，工作孔径相对较大。,超声波束的聚焦、发射与控制 第一节 对线阵探头实施多阵元组合工作的原因,多阵元组合工作的意义：,1.减小波束扩散角，提高远场分辨力。 对于圆形换能器，其半扩散角 0sin-1(0.61/a)sin-1(1.22/D) D0 对于矩形振元，有相似的结论。 2.延长近场区长度。而近场声束不扩散，故分辨力好。 对于圆形换能器，近场距离 r02/D2/4 D r0 对于矩形振元，有相似的结论。 当然，D使近场变粗，这可用可变孔径技术来克服。,3提高发射功率和接收灵敏度。 4便于实现电子聚焦(以致动态聚焦)，改善分辨力。 5可增加扫查线，改善象质。,对阵元不同顺序的分组，可形成不同的扫查方式。 一、组合顺序扫描 若4个阵元组合工作，次序为： 14，25，36，47，,超声波束的扫描,性能指标：,扫查线总数： Nn-m+1 N 扫查线总数 n 阵元总数 m每组工作的阵元数 扫线间距： dd d扫线间距 d相邻阵元中心距,二、组合间隔扫描,1. d/2间隔扫描 可得： N2(n-m+1）， dd/2 扫线总数是组合顺序扫描的2倍，象质提高。,2. d/4间隔扫描,可得： N4(n-m+1）， dd/4 扫线总数是组合顺序扫描的4倍，象质进一步提高。,三、微角扫描,如同电视机的隔行扫描，将一帧图象分为奇、偶两场。 特点： 扫线比普通扫描增加一倍。 图象有微小位置误差。 超声探查，扫查声线不平行， 图象显示，扫描光栅平行。 但因是“微角”，这种误差很小。,波束控制方法,切换并采用相控技术 工作时： 奇数场声线偏向， 偶数场声线偏向。 同时： 施加电子聚焦延时。 波束： 线扫微偏聚焦,超声聚焦：使超声束在一定深度内会聚，改善分辨力。 分类： 声学聚焦，电子聚焦。 一、声学聚焦（几何聚焦，机械聚焦） 1. 声透镜聚焦 利用声传播的折射原理进行聚焦。 若：C1透镜介质声速， C2被测介质声速，则： 当C1C2时，凹形声透镜有会聚作用； 当C1C2时，凸形声透镜有会聚作用。 焦距F与曲率半径R成正比，与C1/C2成反比。,声束的聚焦,示意图如下：,厚度：声透镜中心部位厚度取/2可有最大透射率； 匹配：为防止反射，一般需采用匹配层。 材料：通常为环氧树脂、丙稀树脂与其它成分复合。,2. 声反射镜聚焦,用凹面的声反射镜，当镜面曲率和声源离镜面距离 适当时，即具有聚焦作用。 利用了声传播的反射定律。 3. 凹面振子聚焦 振子做成凹面，焦距F等于其曲率半径R。 效果好，但工艺复杂。,二、电子聚焦,原理： 用一组相邻阵元组合工作： 发射时： 各阵元的激励信号相位按二次曲线变化，使发射超声经空间叠加后，合成超声波束产生会聚。 接收时： 各阵元的接收信号相位按同样形式变化，使接收信号经电路叠加后，接收灵敏区域产生会聚。 改变相位二次曲线变化曲率，可改变会聚焦距。 二次曲线常为圆弧线,电子聚焦原理图解：,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，不会聚。,无偏向有聚 焦发射：,各阵元的激励信号相位按二次曲线变化，叠加超声最 强区域同相位波面密集区域，在焦距内逐渐会聚，在焦距外逐渐扩散。不偏向。,无偏向有聚 焦接收：,各阵元的接收信号经延迟线，相位按二次曲线变化，使焦点处回波达到同相位，叠加电路对之有最大输出。接收灵敏区域产生会聚。不偏向。,发射聚焦和接收聚焦的异同及连接：,相同： 信号相位二次曲线变化延迟 不同： 发射聚焦： 超声空间叠加， 合成超声聚焦。 接收聚焦： 信号电路叠加， 灵敏范围聚焦。,聚焦延迟线计算公式：,i号阵元距焦点的声程(距离)Si： 其中：i=1,2,阵元序号 线阵工作组的阵元数 Lii号阵元距线阵组中心距 F焦距 d相邻阵元中心距 i号阵元所接延迟线的延时量i： 其中：c1540m/s 声速,数值例：,设：F35mm，d0.5mm，m8，则可求得： S1S835.043723mm 180ns S2S735.022314mm 2713.9ns S3S635.008034mm 3623.17ns S4S535.000893mm 4527.81ns,四、动态电子聚焦,在扫查过程中动态地改变焦点，使整个探测深度内 波束都有良好的会聚。 1.等声速动态电子聚焦 定义： 以超声在人体中的平均探测速度，移动波束焦点。 （实际上，只能在接收系统中实现）。 探测速度VD ： 因接收时，超声波在人体内往返一次，故： VDc/2770m/s0.77m/ms0.77mm/us 即应以VD改变延迟线的延时分布曲率，即焦距。 需要用专用计算机进行，速度快，且精度要求高。在高档机中使用。实际很少采用。,2.分段动态电子聚焦,基本原理： 将探测的深度划分成n段。 (通常：n24)。 发射： 按近、中、远场顺序，n个焦 点，发射n次。 接收： 每次发射后接收。但只将本次 发射焦点附近相应的回波数据写 入存储器。 经n次发射、接收后的数据组合，获得一行所有信息。,等效的波束,整个探测深度内都有较高的分辨力。 优缺点 优点： 焦点不多，延时变化少,速度慢,电路易实现。 缺点： 一行信息经多次发射、接收，时间长，使帧频低。 需对存贮器以“慢入快出”方式写读，以稳定显示。,一、基本要求 原因：阵元获取信号10-30Vp-p， 合成电路本身噪音30Vp-p， 故需加前置放大器，以提高信噪比。 路数：线阵B超，前置放大常为多路，各机型有所差异。 EUB-240型B超有16路，EUB-40型B超有24路。 基本要求： 与探头馈线匹配良好。 馈线特性阻抗前放输入阻抗。 否则：信号被反射入馈线，信号减弱。 多重反射，造成图象重影。,前置信号放大,一、回波合成法 1、直接合成法 方法：各阵元信号孔径控制聚焦延迟相加合成。 优点：可不对称延迟，进行微角扫查。 缺点：路数多，设备量大。,第三节 超声回波信号的合成,2、二步合成法,方法：各阵元信号对称合成孔径控制聚焦延迟 相加合成。 条件：具有对称延迟特性（无偏向）。 优点：孔径控制电路、聚焦电路减少一半。,三、可变孔径电路, 可变孔径的提出及其实现方法 接收灵敏范围与孔径的关系： 根据：发射与接收的互易性；发射超声场的结论。 非聚焦： 近场：孔径越小，灵敏范围越小； 远场：孔径越大，灵敏范围扩散角越小。 聚焦： 焦点处直径： df2.44F/D D接收孔径 即：为使df小，当F增大时，D也应增大。 方法： 近场用小孔径，远场用大孔径可变孔径技术。 意义： 近场、远场灵敏范围(波束)均较窄，横向分辨力好。,四、接收相位调整电路（接收聚焦电路）, 作用： 对各阵元接收的回波信号进行延迟调整（二次曲线 变化），使焦点处回波达到同相位叠加。 其实质是换能器空间灵敏范围的聚焦。 分段聚焦的类型： 非实时分段动态聚焦： 多次发射，多次接收。发射与接收同焦距，每次固定。 实时分段动态聚焦： 一次发射，一次接收。发射固定焦距，接收动态焦距。 实时分段动态聚焦原理： 简述：以超声探查速度，同步分段地移动焦点。,一、时间增益补偿（TGC）电路 实现时间增益补偿的意义及方法 补偿的意义： 由于超声波随传播距离（时间）的衰减，使相同反射系数的界面近距离反射强，远距离反射弱，若不给予补偿，则图象将随深度（时间）而逐渐变暗。 时间增益补偿：控制放大器增益随探测深度（时间）的增加而加大，以补偿超声随传播距离的衰减。 各种名称： 时间增益补偿 (Time Gain CompensationTGC) 深度增益补偿 (Depth Gain CompensationDGC) 灵敏度时间控制(Sensitivity Time ControlSTC),预处理电路,补偿原理,声传播强度与时间(距离)的关系 II0e-2xI0e-2ct 时间负指数关系。 声-电转换、前置放大等时间线性关系。 经声-电转换、前置放大等处理，回波信号仍是： 时间负指数关系。 可用时间正指数放大补偿。,实际情况及措施,上述分析忽略了多种因素，仅为大致的补偿关系。 .实际情况的复杂性： 受超声工作频率的影响： f， f，频率高，衰减快。 多重界面反射的影响： 实际常有多重界面，回波穿过界面越多，强度越弱。 临床诊断感兴趣深度的不同： 临床对同一患者不同部位，或同一部位不同患者， 成像时关注深度往往有所不同。 .对策： TGC控制波形指数波形(可变速率)修正波形 操作者可调节：指数波形速率，修正波形形状 根据实际情况，通过面板按钮、电位器操作。,二动态滤波（Dynamic Filter：DF）电路, 动态滤波的意义 原因： 超声传播时： I=I0e-2x, =f 所以：高频快，低频慢， 造成：探测距离信号f0(f0 频谱中心频率) 接收频带范围固定的不利： 接收电路f0信号f0高频损失分辨力 接收电路f0信号f0噪声增加信噪比 动态滤波的过程和意义： 随探测距离接收电路的f0， 近区：选通高频，抑制低频分辨力； 远区：选通低频，抑制高频信噪比。,三、对数放大器,1、对数放大的意义 原因： 回波信号动态范围： LD100 dB 显象亮度动态范围： LD2030dB 若直接显示： 强信号图象一片模糊 弱信号图象星星点点 如同胶片曝光太过和曝光不足。 需要压缩信号动态范围： 100dB2030dB 同时，并不丢失亮度信息。 对数放大器能起到这样的作用。,信息淹没、丢失,对数放大器的特性,输入、输出关系： uoK1lg(K2ui)K1lgK2+(K1/20)(20lgui) 其中：K1斜率， K2对数偏差。 输入、输出关系曲线： 均匀座标系中：斜率递减、数值递增曲线。 输入对数座标输出均匀座标系中：递增直线。,2、对数放大和TGC放大的比较和关系,(1)动态压缩比较 TGC放大： 浅部信号(含Umax)增益小：UOmaxA1Uimax ，A1小 深部信号(含Umin)增益大：UOminA2Uimin ，A2大 UOmax/UOminA1Uimax/A2UiminUimax/Uimin 也有压缩信号动态范围的作用。 但中间信号并不按比例压缩。 总动态范围压缩。 对数放大： 增益只与Ui有关，与时间无关。 信号全部按一定规律压缩。 瞬时动态范围和总动态范围全面压缩。,(2)位置安排的影响,先TGC放大，再对数放大 TGC放大压缩信号动态范围：100dB60dB 要求对数放大器：LDi60dB，电路可简化。 先对数放大，再TGC放大 要求对数放大器：LDi100dB。 输入信号伴有随传播距离(时间)的指数衰减： II0e-2x I0e-2ct 经线性声-电变换和放大得： VV0e-2ct 时间指数衰减 经对数放大： UK1lg(K2V0e-2ct) K1lg(K2V0)-2K1ctlge时间线性衰减 这使TGC简化线性补偿，TGC电压产生电路简化。,4、宽输入动态范围对数放大器的结构,概述 特性要求： 作用：压缩宽广的信号动态范围 要求：有宽广的输入动态范围。 名称及含义： 名称：似对数放大器 含义：以多段直线或曲线相加近似对数函数。 它与真正的对数放大之间有一定误差。 结构和类型： 以多级限幅放大器构成： 线性限幅放大器 串联相加 非线性限幅放大器 并联相加,串联相加型对数放大器,单级限幅放大器特性 图中：L1，L2，LN限幅放大器，特性相同。 若放大区为线性，则可写为： 0 ， Vi0 截止区 Vo KVi ， 0ViVT 线性放大区 Vm ， ViVT 限幅区 其中：K1（放大），V