4 医学超声仪器.ppt

第四章医学超声仪器 4 1超声波的物理基础4 2超声的发射与接收4 3超声成像系统4 4超声多普勒成像与彩超4 5其他超声设备 2020 2 18 合肥工业大学生物医学工程系 1 2020 2 18 合肥工业大学生物医学工程系 2 前言 医学超声设备主要有医学诊断设备和医学治疗设备两种 其中医学超声诊断设备种类较多 应用很广 是目前医院临床不可缺少的重要医学设备 2020 2 18 合肥工业大学生物医学工程系 3 4 1超声波的物理基础 1 超声波的基本概念超声波 频率高于20KHz的声波 频率范围在2 104 3 108Hz 在医学中应用的超声波一般在0 2MHz 15MHz 2020 2 18 合肥工业大学生物医学工程系 4 超声波的特点 直线传播且易会聚超声波的频率高 波长很短 1MHz 波长1 5mm 20MHz 波长0 075mm 可以像光线那样沿直线传播 具有很高的穿透能力 且能量易会聚 2020 2 18 合肥工业大学生物医学工程系 5 电声转换容易且能量大超声使介质的微粒振动 虽然振幅很小 当加速度非常大 具有很大的能量 能量与频率的平方成正比 物理机制复杂且参数多超声工作安静且危害小总之 医用超声的特点 易会聚 能量大 参数多 危害小 2020 2 18 合肥工业大学生物医学工程系 6 超声波的分类 纵波 质点的振动方向与波的传播方向相同的波 例如声波 纵波可以在固体 液体 气体介质中传播 横波 质点的振动方向与波的传播方向垂直的波 不能在液体及气体中传播 人体组织 除骨骼外 基本上都为液体及气体成分 因此超声诊断仪是用纵波 2020 2 18 合肥工业大学生物医学工程系 7 2 超声的物理量 声速c 频率f 波长 c f 一般情况下 超声波的速度是不随频率而变的 超声波在人体的软组织 如血液 脂肪 肝肾等实质性脏器的声速 大致在1500m s左右 2020 2 18 合肥工业大学生物医学工程系 8 2020 2 18 合肥工业大学生物医学工程系 9 f 在超声成像中是两个极重要的参数 波长决定了成像的纵向极限分辨率 在纵向上需检出的病灶必须大于半个波长 而频率则决定了可成像的组织深度 f越高则可检出深度越浅 2020 2 18 合肥工业大学生物医学工程系 10 声压声波作为纵波在弹性介质中传播时 介质各部分时而密集时而稀疏 交替出现密部和疏部 介质各部分压强相应变化 设若没有声波传播时 介质某处的静压强为P0出现密部时 P P0出现疏部时 P P0 2020 2 18 合肥工业大学生物医学工程系 11 声压 由于声波作用而产生的压强叫 声压 瞬时声压P与静压强P0的差 当空气中有声波传播时该点的压强与没有声音传播时的压强之差叫做该点的声压 声压是变化的 若声源作周期性振动 声压也随之周期性变化 通常用幅值Pm表示 其中A 振幅 角频率 介质密度c 声速 2020 2 18 合肥工业大学生物医学工程系 12 声强 指超声在传播的过程中 垂直于超声传播方向上截面的单位面积在单位时间内通过的超声能量 声强与声压的关系 2020 2 18 合肥工业大学生物医学工程系 13 声阻抗表征声振动在介质中传播时要受到的阻碍 发生传播损耗 若不考虑发射波时 Z c人体正常组织的声阻抗的平均值 1 5 106瑞利 2020 2 18 合肥工业大学生物医学工程系 14 3 超声波在介质中的传播特性 2020 2 18 合肥工业大学生物医学工程系 15 超声波的反射 声压反射系数 当超声以 角投射到两种不同声阻抗的介质界面时 在不考虑超声吸收的情况下 声压发射系数为 2020 2 18 合肥工业大学生物医学工程系 16 声强反射系数 当超声以 角投射到两种不同声阻抗的介质界面时 在不考虑超声吸收的情况下 声强发射系数为 2020 2 18 合肥工业大学生物医学工程系 17 可见 若Z2 Z1 无发射波 当Z1 Z2不同时 声阻抗差别越大 在气体与固体或气体与液体的交界面上 无论是Z2 Z1 还是Z2 Z1 例如 Z水 1 492瑞利 Z气 0 00428瑞利 则ri 99 因此可见 超声很难从气体进入固体或液体中 反之也很难从固体或液体进入气体中 这就是为什么人体重要器官之一肺 很难利用超声诊断的原因 2020 2 18 合肥工业大学生物医学工程系 18 2020 2 18 合肥工业大学生物医学工程系 19 常见组织界面的声压反射系数 软组织和水0 05软组织和空气0 9991肌肉和肝0 01肌肉和血0 03肌肉和脂肪0 01脂肪和骨胳0 69脂肪和血0 03 超声波的折射超声波的折射定律与光波相同 据试验测量及计算结果 当超声波经液体入射到人体体表 临界角约为15 20o 即当入射角大于15 20o时 超声波在介质分界面上全部反射 由于人体内各种软组织的声速相当接近 因此折射不明显 可将超声看成直线传播 2020 2 18 合肥工业大学生物医学工程系 20 超声波的透射 声压透射系数 当超声以 角投射到两种不同声阻抗的介质界面时 在不考虑超声吸收的情况下 声压透射系数为 2020 2 18 合肥工业大学生物医学工程系 21 声强透射系数 当超声以 角投射到两种不同声阻抗的介质界面时 在不考虑超声吸收的情况下 声强透射系数为 2020 2 18 合肥工业大学生物医学工程系 22 4 超声的衰减 超声波在媒质中传播时会像光通过媒质或X射线穿过物体一样发生衰减 同样可用朗伯定律来描述 超声衰减的因素 扩散衰减 散射衰减 吸收衰减 2020 2 18 合肥工业大学生物医学工程系 23 传感器 d 有研究表明衰减不仅与距离有关系同样也与超声的频率成正比关系 超声频率越高衰减越大 所以我们给出另一个参数 平均衰减系数单位是dB CM MHZ 常见组织平均衰减系数 软组织1 35 1 68dB MHz cm 水0 002dB MHz cm 颅骨20dB MHz cm 血液0 18dB MHz cm 空气10dB MHz cm 肝脏0 04dB MHz cm 假设1M超声在颅骨中传播1cm时 就衰减20dB即声强仅为原来的1 10 衰减的原因 1 扩散衰减 超声本身的发散 反射 折射等造成的强度衰减 2 散射衰减 当组织的被测物体与超声的波长差不多时 该物体在接受到超声信号后 会以该物体为中心向周围反射超声信号 这种现象就是散射 散射造成衰减 3 吸收衰减 组织的吸收 传播过程中组织将声场能量吸收转变为其他能量比如说热能等 衰减对超声成像的影响 衰减会消弱超声的回波信号 使远处的组织成像结果较差 超声物理特性是超声在医学中运用的基础 如超声成像中 超声的反射 透射 折射 衰减等特性均需要考虑 除了上述的物理性质 超声在人体中还具有热效应 空化效应等生物特性 这些特性在医学超声设备中具有重要的作用 也是目前重要的研究课题 2020 2 18 合肥工业大学生物医学工程系 28 4 2超声的发射与接收 压电效应正压电效应 对某些材料两端施加压力时 在材料的两个电极表面出现电荷 产生当场分布 超声波的接收逆压电效应 材料两端施加电压时 材料将出现形变 超声波的发射材料 石英晶体 压电陶瓷 2020 2 18 合肥工业大学生物医学工程系 29 4 2 1超声探头 2020 2 18 合肥工业大学生物医学工程系 30 医学诊断上所使用的超声波频率一般为0 2MHz 15MHz 多是由压电晶体一类的材料制成的超声探头产生的 利用压电陶瓷或晶体的正压电效应和逆压电效应 可以将其做成超声波发射和人体组织反射波接收的器件 即超声换能器 它是超声诊断仪器的重要部件 也称探头 2020 2 18 合肥工业大学生物医学工程系 31 2020 2 18 合肥工业大学生物医学工程系 32 主体 壳体 压电振子 压电晶体和电极组成 吸收块 背材 吸收后射声场 保护层 阻抗匹配 外壳 连接件 电缆线 单阵元超声探头 一个探头内可以安装1个压电晶片 例如A型和M型超声诊断探头 或数十个以至千个以上晶片 如实时超声诊断探头 由1至数个晶片组成一个阵元 依次轮流工作 发射和接收声能 按频率有单频 多频和宽频探头 实时超声探头按压电晶片的排列分线阵 环阵 凸阵等 按用途又有体表 腔内 管内各种名称 有的探头仅数毫米 可进入冠状动脉内 2020 2 18 合肥工业大学生物医学工程系 33 4 2 2超声场的特性超声场 超声能量作用的弹性介质空间 是描述波动能量在一定区域的空间分布状态 在理论上一般根据惠更斯 菲涅尔原理为基础来分析 惠更斯 菲涅尔原理 子波相干 原理 即同一波前上各点所发出的子波 在传播过程中相遇于空间某点时 也可相互叠加产生干涉现象 2020 2 18 合肥工业大学生物医学工程系 34 1 点声源的超声场对单个振子 尺寸极小时 可看成是一个点声源 根据惠更斯 菲涅尔原理 它所产生的超声场是没有指向性的球面波 2020 2 18 合肥工业大学生物医学工程系 35 2 圆形单晶片振源的超声场多数超声换能器都是扁平状 场面为圆形 其前表面的振动平行于法线 类似于活塞作用产生的压力波 2020 2 18 合肥工业大学生物医学工程系 36 圆形单晶片发射的超声场是什么 2020 2 18 合肥工业大学生物医学工程系 37 单晶体的圆形超声探头超声场根据声程可分为近场和远场 如下图所示 近场和远场的分界和探头的半径及发射超声的波长有关系 例 直径为10mm 1 5MHz的单阵元超声探头测量人体时的近场深度为 近场 Fresnel区 瞬时声压和质点振速不同相 超声能量基本上集中在半径约为d的圆柱声束中 直到最后一个极大声强处 近场是一个花瓣区 由于波动干涉和衍射 使声压和声强起伏很大 是不能用于超声诊断的一个死区 2020 2 18 合肥工业大学生物医学工程系 38 远场 Fraubofer区 瞬时声压和质点振速同相 远场区声压和声强比较平稳 可以用于超声诊断 2020 2 18 合肥工业大学生物医学工程系 39 主声束的扩散角 远场声场指向性 由于不同电源波动能量相互干涉的原因 超声能量在中心轴线以外的其他声场的分布也是不均匀的 即声场中远场的声压除了和距离有关系外还随着方向角变化而变化 这称之为超声换能器声场的指向性 指向性一般用指向性函数来表示 2020 2 18 合肥工业大学生物医学工程系 40 在距阵元中心相同距离处 中心轴上的声压为 偏离中心轴角度的声压为 k为波数 J1为第一类贝塞尔函数 2020 2 18 合肥工业大学生物医学工程系 41 当ro 的比值增加时 波束主瓣的变窄 且出现较小的旁瓣 主瓣的宽度对超声的应用有重要的影响 一般认为当得到的角度为代表了主瓣的宽度 上式可表示为 主声束半扩散角 可见 当超声源的ro 很大时 超声波就集中成一束 并以 c角扩散 2020 2 18 合肥工业大学生物医学工程系 42 例 直径为10mm 1 5MHz的单阵元超声探头测量人体时的远场主瓣宽度为 10MHz的超声探头呢 答 7度和1 05度 可见 半径ro越大 半扩散角 c越小 超声声束性越好 方向性好 能量越集中 声束越平行 一般诊断要求 c应小于3 5o 对于声束的扩散可采用聚焦的方法来解决 2020 2 18 合肥工业大学生物医学工程系 43 2020 2 18 合肥工业大学生物医学工程系 44 超声波集聚的方法 使用碗形换能器在换能器平面的辐射表面配以透镜通过适当的反射体通过多元换能器的相控聚焦 2020 2 18 合肥工业大学生物医学工程系 45 简单物理聚焦 4 2 3超声波束的聚焦 通过多元换能器的相控聚焦组成 换能器阵列 每一阵元都是可独立调控的波源 由主振荡器及延迟元件控制 原理 通过计算机控制 选择合适的相位延迟就可以得到朝向换能器法线任意一侧的平面波阵 曲面 聚焦 波阵 及不同方向瞬时变化的聚焦 优点 波束转向不需换能器运动 动态聚焦 可在不同方向聚焦 采用微机控制 2020 2 18 合肥工业大学生物医学工程系 46 2020 2 18 合肥工业大学生物医学工程系 47 为什么要聚焦 聚焦和成像的关系 4 3超声脉冲回波成像系统 超声诊断主要应用超声的良好指向性和与光相似的反射 散射 衰减及多普勒 Doppler 效应等物理特性 利用其不同的物理参数 使用不同类型的超声诊断仪器 采用各种扫查方法 将超声发射到人体内 并在组织中传播 当正常组织或病理组织的声阻抗有一定差异时 它们组成的界面就会发生反射和散射 再将此回声信号接收 加以检波等处理后 显示为波形 曲线或图像等 2020 2 18 合肥工业大学生物医学工程系 48 由于各种组织的界面形态 组织器官的运动状况和对超声的吸收程度等不同 其回声有一定的共性和某些特性 结合生理 病理解剖知识与临床医学 观察 分析 总结这些不同的规律 可对患病的部位 性质或功能障碍程度作出概括性以至肯定性的判断 当前超声诊断技术主要用于体内液性 实质性病变的诊断 而对于骨 气体遮盖下的病变不能探及 因此在临床使用中受到一定的限制 2020 2 18 合肥工业大学生物医学工程系 49 4 3 1超声脉冲回波成像原理 超声脉冲回波成像法 就是把高频超声脉冲发射到生物体内 再接收来自生物体内反射波 回波 根据回波成像 发射和接受采用同一个探头 通过回波信号回波时间 可以确定被测组织的深度 通过同一深度的回波信号的强弱可以判断物体的形态 2020 2 18 合肥工业大学生物医学工程系 50 接收电路 显示器 发射电路 传感器 T R开关 超声脉冲回波测量物体 探头 物体 通过检测回波脉冲 可以获得有关超声脉冲在介质内反射界面的位置信息和方位信息 脉冲回波显示体内有关结构信息时 可有两种类型的显示显示回波图形的回声图显示利用回波构成图像的声像图显示 2020 2 18 合肥工业大学生物医学工程系 52 影响超声成像的因素 2 影响超声成像的因素 聚焦性能聚焦状况影响成像的横向分辨率和对比度 阵元越多 聚焦能力越强 2020 2 18 合肥工业大学生物医学工程系 54 现有的相控阵聚焦方法 聚焦能力越强 焦点的横向分辨率越高 但旁瓣越大 焦点外的区域成像越差 一般采用加窗叠加的方式降低旁瓣 但横向分辨率下降 超声频率和带宽系统的超声的频率和带宽影响成像的深度和纵向分辨率 频率越高 超声受到的衰减越大 成像深度越小 频率越大 带宽越大 超声脉冲宽度越小 纵向分辨率高 2020 2 18 合肥工业大学生物医学工程系 55 其他因素除了上述因素外 超声速度 超声的衰减都会对成像造成影响 如声速的误差 带来成像的偏差 聚焦性能的下降 超声的衰减导致图像的一致性变差等等 另外还有成像理论 成像电路设计也是得到高质量超声成像的关键因素 2020 2 18 合肥工业大学生物医学工程系 56 超声回波成像的工作参数 超声频率 f越高 分辨率高 衰减增加 探测深度减小 作用距离 穿透深度 指超声诊断仪发射的超声波束可以穿透并能显示出回声图像的被探测介质深度 如 腹部20cm 眼球 10cm提高深度的方法 降低f 加大发射功率 提高接收机的灵敏度 2020 2 18 合肥工业大学生物医学工程系 57 脉冲重复频率fpr 超声仪器每秒重复发射超声波脉冲的次数脉冲重复频率太高 多次回波相互干扰脉冲重复频率太低 影响图像的帧频或线密度常取 2 4KHz 最大探测距离Dmax CT 2 C 2fpr Dmax并不等于仪器的作用距离 作用距离受上述因素的影响 而最大探测深度只是设计中允许设定探测距离的最大值 2020 2 18 合肥工业大学生物医学工程系 58 脉冲宽度和占空比脉冲超声探头 不能在同一时间同时发射和接收超声 当超声波从探头发射到被检测经组织发射再被探头接收时 需要经历一个时间t 如果t小于发射脉冲的持续时间 脉冲宽度 发射始波将与反射波相重合 探头无法接收而被漏测 显然t应大于脉冲宽度 最小探测深度 Dmin c 2盲区 D Dmin为了缩短盲区 只有减小 但又使超声能量减小 影响灵敏度 通常在适当缩小 时 提高fpr 使能量不至于减小 但Dmax减小 最小深度还要考虑声场的近场造成的影响 2020 2 18 合肥工业大学生物医学工程系 59 4 3 2超声脉冲回波成像系统 1928年 R W Wood等人首先应用超声波作为生物学方面的研究手段 本世纪四十年代 Firestone等人开创了利用超声波诊断疾病的先例 将工业无损伤检测用的超声脉冲回波技术 即类似于现代雷达或声纳的回波测距技术 移用到医院诊断方面 也就是A型超声仪器 开创了超声显像诊断的历史 2020 2 18 合肥工业大学生物医学工程系 60 四十年代末 超声医学作为一门学科已初具雏形 五十年代 超声心动图仪 即M型仪器取代了A型超声仪器 它可对心脏瓣膜的运动规律作连续的动态描记 在此基础上 又出现了手动扫描二维断层成像仪 这为发明自动扫描二维断层成像仪即B型超声仪器打下了基础 其间 还有人提出将超声多普勒效应用于医学临床诊断 六十至七十年代是B型超声仪器出现并极大发展的时期 出现了机械直线扫描 机械扇形扫描 电子直线扫描及电子扇形扫描等仪器 并且超声CT的研究工作开始进行 A型超声仪器也逐渐被淘汰 2020 2 18 合肥工业大学生物医学工程系 61 四十年代末 超声医学作为一门学科已初具雏形 五十年代 超声心动图仪 即M型仪器取代了A型超声仪器 它可对心脏瓣膜的运动规律作连续的动态描记 六十至七十年代是B型超声仪器出现并极大发展的时期 并且超声CT的研究工作开始进行 A型超声仪器也逐渐被淘汰 2020 2 18 合肥工业大学生物医学工程系 62 八十年代 随着微型计算机研究与应用的飞速发展 超声智能化的步伐加快 另外 将脉冲超声多普勒血流仪与B超相结合 还产生了双功能超声诊断仪 进入九十年代 彩色B超诞生 它可以在显示动态心脏黑白图像的同时 显示动态多普勒血流的彩色图像在心脏内的分布 2020 2 18 合肥工业大学生物医学工程系 63 医学超声波诊断仪分类 A型超声波诊断仪 Amplitudemode M型超声波诊断仪 Motiontype B型超声波断层显像仪 Brightnessmode 超声多普勒血流仪 成像仪与彩超超声三维成像系统 超声CT 2020 2 18 合肥工业大学生物医学工程系 64 2020 2 18 合肥工业大学生物医学工程系 65 1 A型超声波诊断仪 型超声诊断仪 将产生超声脉冲的换能器置于人体表面某一点上 声束射入体内 由组织界面返回的信号幅值 显示于屏幕上 显示器 X轴 表示超声波的传播时间Y轴 表示回波脉冲的幅度 amplitude 故称 型 2020 2 18 合肥工业大学生物医学工程系 66 A超可以应用于医学各科的检查 尤其对眼科和妇科疾病方面的病灶深度 大小 脏器厚薄以及病灶的物理性质等检查比较方便准确 但A超的回波图只能体现局部组织信息 无法反映解剖形态 现已被M超和B超取代 2020 2 18 合肥工业大学生物医学工程系 67 A型超声仪器工作原理方框图 2020 2 18 合肥工业大学生物医学工程系 68 2 B型超声波断层显像仪 自从1967年首次出现至今 因其诊断功能强 技术先进 B超已经成为临床中最常规和重要的诊断仪器 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 显示器 X轴 换能器的位置信号Y轴 回波信号的时间Z轴 回波信号的亮度调制 2020 2 18 合肥工业大学生物医学工程系 69 超声影像图 2020 2 18 合肥工业大学生物医学工程系 70 2020 2 18 合肥工业大学生物医学工程系 71 探头 接收放大 高压脉冲 TGC AD 滤波 波束形成电路 beamform 处理器 T R转换开关 显示器 数据传输 数字化医学超声成像系统结构图 2020 2 18 合肥工业大学生物医学工程系 72 其中TGC即时间增益控制电路 波束形成电路和T R转换电路是医学超声成像设备所共有的 TGC的作用是消除衰减对成像的影响 对远处的较弱的回波信号放大倍数较高 而近处较强的回波信号则采用较低的放大倍数 使得远处和近处图像亮度一致 波束形成电路是将接收到的回波信号转变为声学图像 即完成超声成像的过程 是超声成像设备的核心 T R转换电路是实现系统发射和接收过程的转换 防止高压的发射信号对接收电路造成损坏 2020 2 18 合肥工业大学生物医学工程系 73 2020 2 18 合肥工业大学生物医学工程系 74 2020 2 18 合肥工业大学生物医学工程系 75 按扫描方式分类 B超已经发展了四代 包括手动直线扫描 机械扫描 电子直线扫描和电子扇形扫描 2020 2 18 合肥工业大学生物医学工程系 76 1 手动直线扫描由医务人员掌握探头的移动方向 探头的直线移动导致显示器在X方向上出现与之对应的光点 Y轴仍为深度轴 回波幅度由图像辉度表示 图像就是探头移动所经过直线方向上的二维切面图 但只能用于观察静止的脏器 如肝脏等 此种仪器现已淘汰 2 机械扫描机械扫描是由电机带动探头作直线移动 往复摆动或旋转 从而产生机械直线扫描 机械扇形扫描和机械圆形扫描三种扫描图像 其中 直线扫描多用于腹部疾病诊断 扇形扫描适用于心脏和腹部 圆形扫描时 将探头置于人体体腔 如食道 胃肠 阴道及泌尿道等 或血管内 从而获得某个腔道的圆周扫描断层图像 2020 2 18 合肥工业大学生物医学工程系 77 3 电子直线扫描与机械扫描不同 电子扫描仪的探头是由许多小换能器 小探头 排列而成 每个小探头称为阵元 各阵元的距离相等 用电子开关按一定时序激励各阵元组发射与接收超声脉冲 回波信号经处理后 到达显示器进行辉度调制 扫描过程中探头静止不动 而超声波束的发射与接收是沿一定方向匀速移动的 移动线和声束方向构成的断面就是所得图像 在探头长度一定的情况下 图像的质量主要决定于阵元的数量 阵元的数量越多 垂直扫描线就越多 图像就越清晰 有的探头可包括256个小探头 2020 2 18 合肥工业大学生物医学工程系 78 2020 2 18 合肥工业大学生物医学工程系 79 电子直线扫描 电子直线扫描原理框图 4 电子扇形扫描 电子相控阵扇形扫描 如果对探头各阵元加上依次延迟一定时间的激励脉冲 则各阵元所产生的脉冲也相应延迟 这样 总的叠加波束方向出现相位改变而产生扇形图像 此种探头体积小 无噪声和振动 寿命比较长 但价格相对较高 2020 2 18 合肥工业大学生物医学工程系 80 为了提高检测功能和图像质量 B超中应用了许多先进的技术 应用数字图像技术 可以随时冻结超声断层图像并进行观察 分析 测量及拍照等 还可以将有意义的图像存储下来 应用数字扫描技术 可以使用电视监视器显示图像与文字 采用电子聚焦 声聚焦和动态聚焦可变孔技术 能使图像分辨率提高 可达到2mm 总之 通过B超的图像能较清晰地观察到人体多种器官的动态变化 是心脏 腹部器官 妇产科临床诊断的首选辅助工具 2020 2 18 合肥工业大学生物医学工程系 81 3 M型超声波诊断仪 M型超声波诊断仪是继A超之后发展出的辉度调制式仪器 诞生于1954年 至今临床上还在使用 目前主要用于心脏疾病的诊断 尤其用于观察心脏瓣膜的活动情况 M超与A超有共同之处 即都是利用探头向人体发射超声脉冲并接收反射脉冲 不同的是M超的发射波和回波信号加到了示波器的栅极或阴极 信号的强弱控制了到达荧光屏的电子束的强弱 反映到荧光屏上就是光点的明暗 即辉度调制 2020 2 18 合肥工业大学生物医学工程系 82 荧光屏上光点在垂直方向的距离表示探测深度 在水平方向的移动表示时间的进行 光点的亮度表示回波信号的强弱 2020 2 18 合肥工业大学生物医学工程系 83 2020 2 18 合肥工业大学生物医学工程系 84 M超常用于检测心脏疾病 当心脏收缩和舒张时 其各层组织的界面与固定放置于人体表面的探头之间的距离随时改变 导致光点随之移动 在水平扫描电压下 光点水平展开 描绘出各层组织结构的活动曲线图 因此也叫超声心动图 它能显示心脏各部分结构的活动情况 动态变化 心室排血量以及可以得出室间隔 动脉等结构的定量数据等 是临床心脏疾病诊断中比较准确实用的工具 2020 2 18 合肥工业大学生物医学工程系 85 微机控制的超声心动图仪与B超和多普勒血流仪三者合一的多功能的超声诊断仪 采用了数字扫描变换技术 即利用标准电视光栅扫描格式显示信号 使用此仪器一般先用B超和多普勒仪定位 然后用M超将图像 冻结 在一个需要的位置上 用仪器中的测量光标或微机自动测量功能获得各种参数 2020 2 18 合肥工业大学生物医学工程系 86 扇形扫描多功能诊断仪的B型与M型的同屏幕显示 4 4超声多普勒成像与彩超 4 4 1超声多普勒 Doppler 现象当声源 接收器和介质之间存在相对运动时 接收器收到超声频率和声源的原有频率之间有一定的差异 其变化的频移称为多普勒频移 这种现象称为多普勒效应 2020 2 18 合肥工业大学生物医学工程系 87 多普勒效应的公式 设声源与接收器的相对运动发生在两者连线上声源的频率 fs波长 周期 T声源相对于介质的运动速度 Vs接收器相对于介质的运动速度 VR超声在介质中传播的速度 c接收器接收到的声音频率为 fR 合肥工业大学生物医学工程系 88 接收器 声源 Vs VR 从式中可以看到 多普勒频偏与物体运动的速度成正比 如果用电子学的方法检测出多普勒频偏 就能够得出运动器官或血流的运动速度 而超声多普勒频偏的正负可以反映出运动的方向 所以利用由运动结构反射回来的超声波束的多普勒频移来提供人体器官或物体 如心脏壁和血液 的运动速度信息的超声多普勒方法已被广泛应用于人体运动结构的临床诊断中 并且具有相当高的诊断价值 2020 2 18 合肥工业大学生物医学工程系 89 4 4 2多普勒效应测量血流 通常在医学超声诊断中 发射器和接收器均静止不动 实际工作中主要是介质在运动 我们可以按两次多普勒频移来分析 第一次多普勒频移 超声波入射到达血管内的血液颗粒时 由于超声接收器的血液颗粒运动 相当于声源静止 接收器运动 则 2020 2 18 合肥工业大学生物医学工程系 90 第二次多普勒频移 当血液颗粒散射的超声波返回到接收器时 由于作为散射体的血液颗粒相当于超声源 且是运动的 于是出现第二次多普勒频移 相当于声源运动 接收器静止 则 2020 2 18 合肥工业大学生物医学工程系 91 故多普勒频移 又因c V 则 2020 2 18 合肥工业大学生物医学工程系 92 已知接收信号的频移可知道血流的速度和方向 4 4 3多普勒血流信号处理 2020 2 18 合肥工业大学生物医学工程系 93 多普勒测量血流速度和方向的方法很多 其中正交相位检测法是较为简单 运用较广的一种 常用于连续波多普勒测量中 带通 带通 2020 2 18 合肥工业大学生物医学工程系 94 90度相移网络 正向流信号 反向流信号 相域处理原理框图 多普勒血流信号经过正交解调和相域处理后得到不同方向的血流频移信号 可以测得血流的方向和速度 多普勒血流测量模式有两种 连续波模式和脉冲波模式两种 连续波模式是指超声发射连续的超声波 该模式不能得到深度信息 用连续多普勒仪器构成的血管二维扫描基本上是一个平面图 它代表血管在皮肤上的投影 2020 2 18 合肥工业大学生物医学工程系 95 连续波多普勒仪器成像原理框图 4 4 4多普勒血流测量模式 脉冲波模式是发射脉冲的超声波 脉冲超声多普勒血流测量仪的采样距离 采样体积都可以调节 所以可以得到某一深度某一范围内的血流信息 既能显示被测血流的深度 又能产生血管腔的横断面像和纵断面像 显示方式有波形显示和动态声谱图显示 波形显示有正向血流 反向血流和正反向血流 幅度代表速度大小 水平方向代表时间 还可监听多普勒血流声 声调高表示血流速度快 声调低表示血流速度慢 2020 2 18 合肥工业大学生物医学工程系 96 2020 2 18 合肥工业大学生物医学工程系 97 脉冲超声多普勒血流仪框图 多功能超声诊断仪一般具有B型 M型及多普勒三种功能 它以B型图像进行定位 可以精确测得心脏内某一位置的血流频谱图 对诊断心脏疾病有重大意义 这种超声波诊断装置 不仅能显示血流频谱图 还能以彩色显示的二维彩色血流图像 迭加在黑白的B型图像上 简称为 彩超 该设备是将脉冲多谱勒血流测量结果叠加在超声成像上 该技术大大提高了临床诊断的水平 2020 2 18 合肥工业大学生物医学工程系 98 4 4 5彩超 血流的彩色多普勒显示方法 血流方向表示 红色 朝向探头的正向血流蓝色 远离探头的反向血流血流速度表示 常用彩色信号色调表示 由颜色的辉度等级来显示 一般仪器上由最亮到最暗分为8级 2020 2 18 合肥工业大学生物医学工程系 99 流速离散度表示 在彩色血流成像图上 代表该区域流速的颜色或红或蓝 颜色纯净 说明其离散度较小 若速度有快有慢 离散度大 则以绿色代表紊乱的血流 且以其辉度强弱代表血流速度离散度的程度 正向紊乱的血流 红 绿 黄反向紊乱的血流 蓝 绿 青 2020 2 18 合肥工业大学生物医学工程系 100 由于脉冲超声多普勒血流仪可以得到不同深度的信息 因而可得到血流速度