课件：超声成像.ppt

生物医学工程基础,常向荣 ,第二章 医用超声诊断,超声治癌,HIFU,超声治癌(HIFU),低功率超声诱导微泡试剂致肿瘤血管栓塞疗法,超声空化 产生空化效应需用高强度超声辐射，在有效杀灭靶组织的同时也造成周围组织损伤，而无法将其引入血管栓塞治疗。 研究表明，在组织中含有微泡试剂时，低剂量超声即可产生过去高功率单纯超声才能诱导的声孔效应，可应用于加强血栓的消融。 东南大学附属中大医院的临床实验表明仅用低功率的超声辐射，即可使微泡产生空化,破碎微血管管壁和部分周围组织,激活内源或外源 性凝血,诱发大面积毛细血管血栓形成,阻断作用区域的直接血液供给途径；,低声强刺激骨伤愈合,低声强刺激骨伤愈合,超声美容,超声波对人体细胞的微按摩、温热效应。 改变细胞膜的通透性 改善血液循环 增强药物透入 3-4MHz CW 0.25-0.5W/cm2,超声减肥,1992年 超声去脂法巧妙地除去体内多余脂肪超声去脂的原理是利用探头插入脂肪组织内，利用超声波的物理及化学特性，选择性地破坏脂肪细胞，而对其中的血管、淋巴管及神经组织不会造成任何损伤，然后通过隐蔽的0.51.0厘米的皮肤小切口将破碎的液体脂肪析出体外。,超声减肥,1.皮下注射特制溶液.,2.超声作用(20-40KHz),超声减肥,超声减肥 3.排出油脂,超声减肥,超声介入应用与解决方案,超声诊断与介入治疗一体化技术,培育试管婴儿 介入治疗 前列腺诊断与介入治疗 射频消融 肾囊肿的诊断与穿刺治疗 肝脏的穿刺与活检 内窥成像 神经外科,应用：超声导引抽汲卵子培育试管婴儿,应用实例：超声引导前列腺种子植入治疗前列腺癌,腹腔镜超声应用示例,内窥成像应用的解决方案,+,实例,实例,实例,正常肝包膜呈细线样回声，完整，光滑；右侧膈面呈圆顶形，肝下缘比较锐利。如果声学图像上肝脏外形显得特别饱满，局部隆起，或肝脏经线测量明显超过正常范围，应考虑肝肿大或有局部病变等,实例,正常肝脏实质呈中等水平比较均匀的点状回声 弥散回声异常可见于脂肪肝，慢性肝炎，肝硬化等 局部性回声异常，见于囊肿、脓肿、血肿、肿瘤、局灶性增生等,实例,实例,实例,实例,人体组织的声学特征,无回声 （无反射型）胆汁、尿液、血液 低回声 （少反射型）肝、脾 强回声 （多反射型）血管壁、结石 极强回声（全反射型）肺、胃肠道,回声类型,肝,胆汁,胆囊壁,2.2.2 声速,超过人耳听阈上限的声波，即大于20KHz的称为超声波 （Ultrasonic wave) 临床常用的超声波频率: 210MHz 声阻抗：介质传播超声波能力的物理量， 是超声波检测的对象,2.2.2 声速,声速C表示超声波在某种介质中的传播速度，即单位时间内传播的距离，单位为米/秒，它与介质的弹性（K）和密度（）有关，即 ，而与超声波的频率无关。声速在决定声阻抗以及回声测距精度上是重要因素。超声在人体不同正常组织中传播的有关密度、声速和声学特性阻抗如下表所示,声学阻抗,声学特性阻抗 表征超声波在不同介质中传播时的特征，用Z表示，单位kg/(m2.s)， z等于介质的密度和超声在其中传播速度c的乘积，即Zc,人体组织的 密度 声速 声学特性阻抗,组织的声学特性包括： 声速、特性阻抗、衰减系数、背向散射系数,2.2.3 超声在人体组织中的传播特性,反射（Reflection）与折射（Refraction） 发生：不同的声阻抗分界面（只要有10/00的声阻抗差） 界面厚度远大于波长,超声诊断仪：利用人体组织对超声波的反射作 用，从声反射波种提取医学诊断信息 注意：超声不适于检查肺、骨等于周围软组织 声阻抗差别大的脏器 也不适于检查无声阻抗差的脏器,超声波的传播特性,绕射（Diffraction) 当障碍物的直径略小于波长时，超声波绕过该障碍物继续前进，如图所示。,所以，波长越小，能发现的障碍物越小，分辨力越高。 波长小，频率高，对组织的穿透能力差,折射（Refraction）,1 超声波的传播特性,散射（scattering） 当障碍物的直径远小于波长时，将有一部分能量被散射，散射源作为一个新的发射源向各个方向发射超声波。,红细胞是血流中主要的散射体，红细胞的背向散射是彩色血流多普勒探测的基础。,声学频谱范围及应用,应用于治疗和清洗的频率范围在202000KHz 高强度超声聚焦治疗仪采用1MHz 左右的频率 用于临床诊断的超声治疗频率范围：160MHz 3.55MHz的频率用于成人心脏及腹部成像。这些频率通常能穿透组织2015cm的深度。 710MHz用于小器官的成像，如甲状腺、乳腺、眼睛显像，通常达54cm的穿运深度。 在1040 MHz的高频范围内已应用于皮肤成像及血管成像系统。 在4060 MHz的频率范围内，则用于生物显微镜成像，对眼睛活组织表面下显微镜诊断结果，可显示用其他非侵入的方法无法获得的信息。 超过100 MHz的频率范围称为超高频。同样有各种应用价值，但目前没有在临床上应用。,超声波的分辨力和穿透力,（一）分辨力 能在荧光屏上被显示为两个点的最小间距的能力 1. 轴向分辨力 前后两点的距离 由衍射定理可知决定，最大理论分辨力为/2， 例如，3MHz的超声波在人体软组织中的波长为0.5mm，则最大理论分辨力为0.25mm 注意，由于显示器分辨力的限制，实际分辨力是理论分辨力的1/51/8。,2. 侧向分辨力,与声束 相垂直的直线上，能在荧光屏上被分别显示的两点间的距离 与声束宽度有关 声束直径小于亮点的距离时，两点可以分别显示出来 声束的直径大于两点之间的距离时，则两个物体在荧光屏上变为一点 侧向分辨力差的超声设备，使得不在同一条直线上的周围结构同时显示出来，使单层结构变为多层结构，对观察诊断图像增加了一些困难 侧向分辨力与带你子聚焦有关,分辨率,分辨率与分辨力的关系，不同文献与书籍的提法不同 与分辨力的定义基本一致 定义一：能分辨最小距离的倒数 定义二：声场内一个点目标在显示器上所呈现图像尺寸的倒数,（二）分辨力的测量,通常采用生物模块来测量超声波的轴向和侧向分辨力,（三）穿透力,分辨力和穿透力相矛盾 假定衰减系数为0.5dB/(cm.MHz）则不同频率下的衰减情况为：,探测频率的选择,衰减系数的不同 探测深度的不同 分辨率的要求 腹部心脏和神经研究学中：24MHz 波长：0.80.4mm，最大穿透深度为200100mm 探测血管和细小部分：35MHz 波长0.50.3mm，穿透深度：10050mm 眼科探查：820MHz 波长0.20.1mm，穿透深度4020mm 颅骨对超声衰减大：11.2MHz,3、超声的生物效应,一定强度的超声（辐照强度和辐照时间）在生物体系中传播时，通过他们之间的相互作用机制致使生物体系的功能和结构发生变化 空化作用 在强超声传播时，会出现一种类似雾状的气泡，此种现象称为超声空化作用 研究表明：只要液体中含有直径为几微米的稳定气泡，在声强0.3W/cm2，即会产生空化反应稳定空化 结果使振荡周围液体产生湍流和相应的粘滞应力，从而使附近存在的生物细胞收到扰动乃至损伤。 即使不含稳定气泡的液体，在声强大于0.7W/cm2时即可发生瞬态空化,热作用,生物组织在超声机械能作用下，由于黏滞吸收，将一部分超声能转化成热能，使生物组织的温度升高,当超声辐射达到治疗剂量的强度时，热作用明显，并能使热量深入人体组织器官，甚至还会随着学业传导热能，在用超声进行治疗中，频率为800KHz、剂量为4W/cm2的照射20s后，会在组织器官0.20.3cm的深处产生热作用，从而起到治疗效果，高强度聚焦超声（HIFU）在临床中用于对癌症的治疗，其聚焦部位组织内温度瞬间上升到65度以上，可使靶向病变组织瞬间凝固坏死，达到切除病变组织的目的,化学作用,主要是氧化和还原作用，由超声所形成的乳浊液是一种特殊的化学作用，在高剂量超声情况下，因超声的化学作用还会破坏有机结构的蛋白质，然而诊断剂量的超声不会引起化学作用,超声诊断的安全因素,主要参数 空间峰值时间平均声强Ispta 空间峰值脉冲平均声强Isppa 真实声束声强Ioh 规定： 美国医用超声学会1987年12月发表声明，低于MHz频段的超声波，只要非聚焦超声波Ispta100 mW/cm2，就不会对人类活体组织产生明显的生物效应 国际电工委员会57IEC1192也作出规定，用于诊断的超声波声强为： Ioh20mW/cm2 Ispta100mW/cm2,2.3、超声仪器的工作模式,基本成像系统 脉冲回波成像原理 A 型超声 M 型超声 B 型超声 C 型超声,2019/8/31,53,可编辑,超声发展概况,40年代 探索阶段 50年代 A型、M型超声仪 70年代 灰阶实时超声（B型） 双功能超声仪（ B型+频谱） 80年代 彩色多普勒超声仪 （ B型+ 彩色+频谱） 90年代 新技术 （超声造影、谐波成像、 超高频探头、三维超声等）,2.1 基本成像系统,基本脉冲回波式成像系统：,2.2 脉冲回波成像原理,右图为： 超声波经过不同组织 反射 显示屏的显示, A型超声,它是根据声波的时间与振幅的关系，来探测声波的回波情况，其定位准确性高，, M型超声,M型超声波诊断仪是辉度调制。 M超常用于检测心脏疾病，也叫超声心动图，,与A型关系：每一条纵深的线都是一次A型探查，只是A表示为幅度，M表示为亮度 M型扫描：得到的是该直线上各点的运动信息,M型曲线图, B型超声,而B超显示的正是探头移动线和声束方向构成的平面上人体组织的二维断层图像，即超声影像图 。 原理图：,与A型的关系，每一条纵深的线为一个A型探查， 与M型的关系： M型是对某一部位不懂，扫描得到的是某一直线上（深度）的运动信息 B型是沿一条线运动扫描出来是一个切面的信息, B型超声,B型超声的探查与显示：,肝脏B超,心脏B超, C型超声,系统在一个很短的时间内开启接受电路，采集指定深度 处的信息， 必须不断的移动扫描线并重复上述过程，这样作很费时，也很难获得实时图像，一般超声仪上不配备这种工作方式。,D型（超声多普勒法）,机理：利用Doppler原理对心血管内血流进行探测分析 频谱多普勒（PW+CW） 以频谱曲线显示，检测血流动力学参数 彩色多普勒血流显像（CDFI） 彩色编码实时显示血流方向、速度及血流性质,二尖瓣血流CDFI,二尖瓣血流PW,超声探头与扫查方式,常规探头：扇型、线阵型、凸弧型 专用探头：腔内探头（食管、直肠、阴道） 术中探头 穿刺探头,超声波的发射与接收,超声诊断仪由探头（换能器）和主机构成 超声波的发射与接收均由换能器来完成 发射：电讯号换能器超声波(逆效应) 接收：反射波换能器电信号(正效应),逆压电效应示意图,发射超声,正压电效应示意图,探头类型,超声扫查方式示意图,凸弧型探头扫查,凸弧型B超切面,扇型探头扫查,扇型探头B超切面,线阵型探头扫查,线阵型B超切面,1、超声换能器及超声探头,换能器的质量很大程度上决定了超声图像的质量 材料：压电晶体、复合压电材料或压电陶瓷复合压电换能器，通常采用合成的铁电陶瓷如：锆钛酸铅（PbZr0.52Ti0.48PZT）。近期有高分子聚合材料作为超声探头的换能器 压电效应： 发射超声波为逆压电效应 接收超声波为正压电效应 探头的其他构件： 吸声层、匹配层、声透镜、保护层等，探头电缆和外壳,超声探头的种类与临床应用,目前临床检查常用的探头： 电子凸阵探头：用于腹部、妇科检查 电子线阵探头：用于外围血管、小器官检查 电子扇形探头：用于成人心脏、小儿信噪拿过检查 腔内探头： 经食管探头用于心脏检查 经直肠探头，用于泌尿系统检查 经阴道探头，用于妇产科检查,探头外观,探头阵元及频率,探头阵元： 随着微电子工艺的发展数向着高度密集、小曲率半径、二维面阵方面发展 常规探头阵元数：80、96、128阵元,高密集探头阵元有：256、512阵元 高密集阵元探头使声束扫描密度高，多方向接收回声信号，不需要进行插补处理，图像细腻、分辨力高,探头频率,单频成像：常规探头的标称频率，如3.5MHz，即单一频率，发射时标称频率的振幅最强，接收回声信号的频率也是标称频率 宽频带探头：在发射时有一很宽带范围，如212MHz,宽频探头在接收时，可分为两种选择方式： 选频接收，在接收回声中选择不同特定的中心频率，保证能达到所有要求的诊断深度，尽可能选择较高频率的回声，以获得最佳的图像质量 动态接收：在接收回声时，随深度变化选取不同的频率， 近距，使用高频超声波获得结构细腻、分辨力高的图像， 中程取中频， 远程只保留低频，深部组织则使用低频超声获得穿透深的图像，达到好的分辨力与好的穿透力相结合的要求,变频探头 探头可以切换两三种频率，如3.5MHz、4.0MHz 、6.5MHz，针对不同的诊断深度选择不同的频率 高频探头：可以分辨细微的病灶，提高超声图像轴向分辨力， 在血管内及浅表器官成像中，已采用2040MHz的频率 在眼科超声显微镜频率范围40100MHz，高频超声主要用于皮肤成像，冠状动脉内成像及眼部成像,4.多普勒频谱显示,4.彩色多普勒血流成像,4.1 超声多普勒物理基础,式中： v为血流速度，单位为m/s fd血流多普勒频移，以Hz或KHz表示 c 超声波在人体中传播速度，1540m/s f0发射超声波的频率，单位Hz cos入射声束与血流方向之间的夹角的 余弦函数,角的影响,二 多普勒三种方式,连续多普勒技术 （continuous wave Doppler CW） 脉冲多普勒技术 （pulse wave Doppler PW） 高脉冲重复频率脉冲多普勒技术（high pulse repeated frequency Doppler HPRF）,1. 连续多普勒技术,连续多普勒的优点，是可以测高速物体，如临床中要了解声束内最大血流速度，测量二尖瓣反流瓣口处的速度，必须采用连续多普勒技术，现在连续多普勒可以测得最大速度达到10m/s，完全可以满足临床需要。 连续多普勒检测的局限性，是它不能鉴别器官组织的位置。,5 谐波成像的基本概念与相关问题,超声波在人体组织种传播时，不仅有探头发射的基础频率，并且有与基波成倍数的超声波传播 在谐波成像时，只检测二次谐波成分作为成像信息，其他信息（基波或更高的谐波）都被滤除或不接收，这种成像方式称为自然组织谐波成像,一、谐波产生的物理基础,随着非线性理论的发展，对超声波在人体组织传播的研究发现：超声波与人体组织作用时，其传播、反射、散射都同时存在非线性效应，这种非线性效应使得发射的基波f0出现谐波频率 从时间轴上看，是传播的波形发生了畸变 从频率域分析，谐波存在 对造影剂微泡共振后散射回声中包含的谐波频率应用在造影成像 发射的超声波中心频率为f0，其能量比较高。在超声造影成像时，声波冲击造影剂微泡，微泡可能在2倍或更高倍数的声波频率上振东，作为新的声源发射2f0的谐波返回到探头，接收造影剂的这种二次谐波能很好地显示造影剂回声信号,传播中的非线性现象 声波速度的非线性谐波的产生 超声波在弹性介质中传播时，使介质在压力大的区域，分子紧密排列，在压力小的区域，分子排列疏松 介质这一密度上的变化使得声波速度处于压缩区比疏松区稍快，若c0为同一介质中的传播速度，c1为压缩区的声速，c2为疏松区的声速，c1c0c2,介质中各点的传播速度不同导致声波传播过程中形态上发生轻微的变化：波峰变尖，这就意味着谐波频率的产生，代表较高的谐波频率。,二次谐波的接收,二次谐波接收是提取2f0的谐波信号 在实际操作中，基波频率的高频成分，与谐波频率的低频成分往往有重叠，若分离不当，将有基波信息干涉图像,三、谐波成像的相关问题,谐波成像与图像质量 消除近程伪像干扰 表层腹壁或接近腹壁的反射和散射会产生超声伪像，但这些伪像基波反射强，当采用谐波成像时，近程的伪像大部分被消除 基波声束旁瓣会产生明显的伪像，而二次谐波声束能量与中心声束的能量相比成反比例降低，即使接收到的二次谐波信号强度放大到与基波相当时，二次谐波的旁瓣仍然比基波低很多，在二次谐波成像时，