超声成像

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 CW0.25-0.5W/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/cm2Isptac0c2,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，能明显地消除声束旁瓣伪像并使主瓣变细,超声旁瓣引起的伪像,在膀胱纵断声图像上，骶骨胛、肠管气体常引起旁瓣伪像，充盈的胆囊，膀胱和囊肿的后壁，常见模糊的低回声，有时很像腔内的“沉积物”，均属旁瓣伪像,二次谐波成像的类型,谐波成像的临床应用,主要作用：提高回波信号的信噪比，谐波成像通过改善组织的对比分辨力、空间分辨力、消除近程伪像来提高图像的清晰度主要用在：心血管和腹部方面的疾病诊断增强心肌和心内膜显示增强对细微病变的分辨力，了解心内血流状态清晰显示血栓的轮廓及腹腔内深部血管的病变边界增强心腔内超声造影剂回声信息清晰显示腹部、肝、肾、胰腺局限性占位性病变清晰显示腹部含液性脏器病变及囊性病变的内部回声对评估现象困难的病人病变区域及边界及混合性肿物的判断有明显的改善，但谐波对显像良好的病人可能使图像质量退化,一 超声造影原理,为什么需要超声造影血液中红细胞的散射回声低，是软组织的1/100001/1000倍，因此血液常表现为“无回声”在二维超声成像时心腔内膜边界通常容易识别，但由于探头与胸腔之间存在混响，使血流内出现虚假回声等。为了使血液在心腔内（尤其是小血管