超声成像原理

超声医学 总论 一 超声成像基本原理二 图像伪象三 图像描述与分析四 不同成像的观察 分析及综合应用 一 超声成像基本原理 检查方法 超声成像过程 1 探头发射超声波 2 超声波穿过人体组织器官产生反射 散射等回波被探头接收 3 经过超声压电效应产生电信号并经处理后显示出来 一 超声波的定义 振动的传播称为波动 波 波动分为两大类 机械波和电磁波 超声波 是指振动频率超过2万Hz的机械波 称为超声波 诊断用的超声波频率通常为2 5 10MHz 横波 质点的振动方向与波的传播方向垂直纵波 质点的振动方向与波的传播方向平行 1 波长 2 频率 f3 声速 c 声波在人体中平均速度为1540m s三者关系 c f 二 超声波的物理参数 三 人体组织的声学参数 1 密度 2 声速 3 声阻抗 Z 介质的密度 与介质中声速 c 的乘积 即 Z c Kg m2 s 声阻抗是超声诊断中最基本的物理量 声像图中各种回声图像都主要由于声阻抗差别造成 人体各组织声阻抗值大小排列顺序 骨 肌肉 肝脾 肾 血液 乳腺 水 脂肪 肺 空气 四 超声波的特性 1 方向性 直线传播2 声衰减现象 扩散 散射 组织对声能的吸收3 多普勒效应 Doppler效应 声源与接受体之间存在相对运动 产生频率变化 超声遇到活动的界面 散射或反射回声的频率发生改变 又名多普勒频移 界面活动朝向探头时 回声频率升高 呈正频移 界面活动背离探头时 回声频衰减低 呈负频移 频移的大小与活动速度呈正比 4 非线性传播 声源所发射的声波在介质中传播遇到界面时 可发生反射和折射 此即声波在介质中的线性传播 当声波遇到不规则界面时 声波在组织中传播时可发生波形畸变 谐波成分增多和声衰减系数增大 声波的这种传播方式称为非线性传播 5 穿透性 五 超声波在人体中的传播 超声波在人体中传播时产生的现象1 反射 大界面对入射超声产生反射现象 2 全反射 全反射发生时不能使声束进入第二介质 而出现 折射声影 3 折射 由于人体各种组织 脏器中的声束不同 声束在经过这些组织间的大界面时 产生声束前进方向的改变 称为折射 4 散射 小界面对入射超声产生散射现象 散射无方向性 5 衍射 又称绕射 超声波通过一到两个波长的物体 其传播方向将偏离原来的方向 6 衰减 吸收 散射 声束扩散7 多普勒效应 Doppler效应 8 非线性传播 六 超声图像形成 超声传播系通过介质中粒子的机械振动进行的 它不同于电磁波 故在真空中不能传播 人体组织为什么表现为各种图像 1 因为不同组织声阻抗不同 超声在介质的传播过程中 遇到两种不同介质 只要两者的密度或声速不同 在其交界面即产生声阻抗 其间只要有0 1 的差值即可产生反射与折射等 2 超声具有上述各种物理特性 反射 折射 散射 衰减 多普勒效应 方向性 穿透力等 1 超声波的发生与接收 压电现象 经过人工极化的压电陶瓷 在机械力的作用下会在电极表面产生电荷 反之 若对陶瓷施加以电场 陶瓷也会产生应变 这种机械能转变为电能 电能转变为机械能的现象称为压电效应 正压电效应 机械能转变为电能 负压电效应 电能转变为机械能 2 超声成像的显示方式 1 A型 基本已淘汰 2 B型 为辉度调制型 也称二维超声 一个平面由X轴和Y轴形成的坐标表示 Y轴代表时间 X轴代表范围 将单条声束传播途径中遇到各个界面所产生的一系列散射和反射回声的强度 在示波屏时间轴上以光点的辉度表达 声束 顺序扫切脏器时 每一单条声束线上的光点群按次分布在X轴上 形成一切面声像图 包括3个重要概念 回声界面以光点表达 各界面回声振幅 或强度 以辉度 灰度 表达 声束顺序扫切脏器时 每一单条声束线上的光点群按次分布成一切面声像图 3 M型 为活动显示型 获得 距离 时间 曲线 其原理为 单声束取样获得界面回声 回声辉度调制 示波屏y轴为时间轴 代表界面深浅 示波屏x轴为另一外加的慢扫描时间基线 代表在一段时间内的超声与其他有关生理参数的显示线 4 差频回声式 基本工作原理为 发射固定频率的脉冲式或连续式超声 提取频率已经变化的回声 差频回声 将差频回声频率与发射频率相比 取得两者间的差别量值及正负值 显示 多普勒超声基础 1 频谱多谱勒多普勒效应 是奥地利科学家Doppler于1842年首先提出 用于阐明振动源与接收器之间存在相对运动时 所接受的振动频率因为运动而发生改变的物理现象 多普勒公式 2Vcos fR f0 fd f0C将上式改写为 C fd V 2f0cos 多普勒效应基本条件V不等于0 同时必须有强的反射源 0 90度时 cos 为正值 表示血流方向朝向探头 为正频移 90 180度时 cos 为负值 表示血流方向背离探头 为负频移 0或180度时 cos 1 fd最大 90度时 cos 0 无频移 2 多普勒血流频谱分析基础 频谱的横轴代表时间s 纵轴代表血流速度cm s 收缩峰是指在心动周期内达到收缩峰频移和峰值流速的位置 舒张期末是将要进入下一个收缩期的舒张期最末点 窗为无频率显示区 中间水平线 横轴线 代表零频移线 基线 在横轴上方为正频移 表示血流朝向探头 横轴下方为负频移 表示血流背离探头 振幅的高低代表频移的大小 即血流速度的快慢 频谱辉度以亮度表示 亮度代表红细胞的数量 亮度亮表示红细胞数量多 反之 少 频谱离散度 即频移在垂直方向上的宽度 代表血流速度分布范围 分布范围大 频谱宽 层流 频谱窄 光点密集 包络光滑 频谱和基线之间有空窗 湍流 频谱宽 光点疏散 包络毛糙 频谱和基线之间没有空窗 涡流 双向湍流特征 收缩期 收缩峰 带宽 窗 时间 速度 频率 舒张期 舒张期末 速度 频移 时间显示谱图 彩色多普勒血流显像基础 1 定义 彩色多普勒血流显像 ColorDopplerFlowImaging CDFI 利用自相关技术 采用伪彩色编码来显示血流的一种方法 自相关技术 是检测两个信号间相位差的一种方法 其目的是检测出血流的方向和速度 伪彩色编码 将多普勒信号以红 蓝 绿三种基色进行人为编码 以红色表示血流朝向探头 蓝色表示血流背离探头 绿色表示血流分散 显示颜色的亮度表示速度的大小 色彩明亮表示血流速度快 色彩暗淡表示血流速度缓慢 正向血流紊乱接近黄色 红 绿 反向血流紊乱接近青色 蓝 绿 这样用三种彩色便显示了血流的方向 速度 及湍流程度 2 CDFI原理 用运动目标显示技术和相位检测法 由接收回波分析血流速的空间分布 并把它的大小 方向用红蓝绿三种彩色编码和B型成像同时显示 5 其它成像显示方式 能量多普勒 CDE 成像 组织多普勒成像 三维超声成像 非线性血流成像 即二次谐波成像 声学定量与彩色室壁运动动态显示技术 声学造影 二 图像伪像 一 定义 因声学物理特性 成像技术 仪器调节或人体生理 病理情况等原因所造成的假像 二 常见图像伪像 1 混响效应 由于多次反射和 散射造成 常见于体内平滑大界面 如腹壁出现混响使膀胱前壁 胆囊底 肾脏 囊肿前壁等表浅部位出现假性回声 避免 减少 a 侧动探头 避免声束垂直腹壁 可减少伪像 b 加压探头 2 振铃效应 声尾 胃肠道及肺部气体 多次内部反射形成 又见胆道积气 胆囊壁胆固醇结晶后方的慧尾 节育环等 3 镜像效应 镜面折返虚像 在大而光滑的界面产生 4 侧壁失落效应 大界面回声时入射角度过大产生 5 后壁增强效应 由于仪器加入深度增益补偿而产生 6 声影 系声路中具有较强声衰减所造成 三 图像描述与图像分析 一 回声的描述与命名常用超声术语 1 描述必须使用规范化超声术语 牢记常用超声术语 以回声强度定名a 弱 低回声 指反射光点辉度较正常脏器或病灶周围的正常组织的回声光点辉度减低 肾髓质 b 等回声或中等回声 指反射光点强度等于正常组织回声 不增强也不减低 肝脾实质 c 强回声 反射比较强 回声明亮 也可伴有声影或多重反射 纤维组织 包膜 结石 钙化灶 气体 d 高回声 回声强度介于等回声与强回声之间 e 无回声 均匀液体内无声阻抗差异的界面既呈无回声暗区 胆汁 尿液 血液 正常人体各种组织的回声表现 1 强回声 气体 骨皮质 软骨组织 纤维结缔组织2 高回声 肾窦 胎盘 胰腺 肌肉 眼球后组织 甲状腺实质3 等回声 肝脾实质 肾皮质4 低回声 脂肪5 弱回声 无髓鞘中枢神经系统6 无回声 液体 以回声形态命名 1 光点 细小的亮点状 直径小于3mm 2 光斑 直径小于5mm的斑片状强回声 3 光团 直径大于5mm的团状强回声 4 光环 回声呈环状 5 光带 回声光点连续排列呈明亮的带状或线状 6 声晕 结节外周呈1 2mm无回声环形围绕者 肝癌 7 声影 声速经过声阻抗差别大及声衰减系数较大的障碍物时 声能明显衰减 后方出现条状暗区称为声影 多见于结石 钙化及致密结缔组织回声之后 二 图像方位仰卧位 1 横切 图左为患者右侧 图右为患者左侧 图上为腹 图下为背 2 纵切 图左为患者头端 图右为患者足端 图上为腹 图下为背 3 冠状切面 图左为患者头侧 图右为患者足侧 4 斜切 图左为患者右侧 图右为患者左侧 图上为腹 图下为背 俯卧位 1 横切 图左为患者左侧 图右为患者右侧 图上为背 图下为腹 2 纵切 图左为患者头侧 图右为患者足侧 图上为背 图下为腹 侧卧位 1 横切 图左为患者左侧 图右为患者右侧 图上为背 图下为腹 2 纵切 图左为患者足侧 图右为患者头侧 图上为背 图下为腹 三 图像分析的内容 观察分析超声图像时 首先应了解切面方位 以便于认清所包括的解剖结构 并注意分析以下内容 1 外形 脏器的外形是否肿大或缩小 有无形态失常 如系肿块 外形为圆形 椭圆形或不规则形 呈分叶状或条索形等 2 边界和边缘回声 肿块有边界回声且显示光滑完整者为具有包膜的证据 无边界回声或模糊粗糙形态不规则者多为无包膜的浸润性病变 声晕 征 光环 征等 3 内部结构特征 可分为结构如常 正常结构消失 界面的增多或减少 界面散射点的大小与均匀度以及其他各种不同类型的异常回声等 4 后壁及后方回声 由于人体各种正常组织和病变组织对声能吸收衰减不同 则表现后壁与后方回声的增强效应或减弱乃至形成后方 声影 如衰减系数低的含液性的囊肿或脓肿 后方回声增强 而衰减系数高的纤维组织 钙化 结石 气体等则其后方形成 声影 5 周围回声强度 当实质性脏器内有占位性病变时 可致病灶的周围回声的改变 如系膨胀性生长的病变 则其周围回声呈现较均匀性增强或有血管挤压移位 如系浸润性生长的病变 则其周围回声强弱不均或有血管走向的中断 6 毗邻关系 有无压迫 粘连或浸润 7 脏器活动情况 脏器的活动可反映脏器组织的功能状况 如心肌出现缺血和梗死时 其相应部位的心肌将出现室壁运动异常 通过观察心脏瓣膜的活动可判断有无瓣膜狭窄和关闭不全 8 脏器结构的连续性分析 脏器的连续性可为疾病诊断提供重要依据 如先天性室间隔缺损表现为室间隔的连续性中断 9 血流的定性分析 频谱型多普勒和彩色多普勒技术 可分析血流速度 血流时相 血流性质和血流途径 10 血流的定量分析 多普勒超声心动图的定量分析包括血流量 压力阶差和瓣口面积的测量 四 不同成像的观察 分析及综合应用 一 不同成像的观察 分析 各种影像学方法的成像原理不同 其组织学特点在图像上的表现亦不同 X线成像和CT显示出的是组织器官间 正常组织与病理组织间的密度差异 MRI则体现的是它们之间的信号强度不同 超声则是以它们之间因不同的声阻抗和衰减差别产生的不同回波构成图像 它们的共同点都是以不同的灰度构成解剖图像 对于不同的成像方法而言 相同的组织或病变则表现为不同的灰度 只有在了解了各种影像学方法的成像原理后 才能正确解读各种图像 二 医学影像学征象的