超声成像原理

1、第十章第十章超声成像原理2n 超声波（ Ultrasound）的物理特点）的物理特点l 超声波是机械波：振动源和传播介质。l 超声波的振动频率在20KHz以上，超过人类的听觉上限（20Hz20KHz）。l 超声波波长短、方向性强、能量大。l 超声波与光波相比，频率和传播形式不同。310.1 引言引言l 超声波可以在人体组织内传播，对人体无损伤、无痛苦。l 超声设备价格低廉，易于推广。l 超声波扫描成像能实时提供影像。l 超声波对人体软组织的探测和对心血管脏器的血流动力学观察有独到之处。n 超声波成像的特点 在医学超声影像技术中，使用的频率一般在15MHz之间。对于较薄的组织，比如眼球，可以使用

2、20MHz的频率。410.1 引言引言n 根据声阻抗的不同，人体组织可以分为三大类：1）低声阻的气体或充气组织，如肺部组织；2）中等声阻的液体和软组织，如肌肉；3）高声阻的矿物组织，如骨骼。 三类组织声阻抗相差甚大，彼此不能传播声波。超声检测适用于第二类组织。在这类组织中，声阻抗相差不大，声速大致相等，又可以利用不同组织之间的声阻抗造成的声波反射、散射来识别不同软组织与器官的形态和性质。510.1 引言引言610.1 引言引言n 超声波成像的发展l 超声波成像研究起源于二十世纪四十年代。l 1942年奥地利的K.T.Dussik使用A型超声装置，用穿透法探测颅脑。l 1952年，美国的D.H.

3、Howry和Bliss开始使用B超检测人体。l 1954年，瑞典人用M型超声检查心脏。l 1956年，日本人首先将多普勒效应原理应用于超声诊断。 l 1959年，研制出脉冲多普勒超声。l 1975年，美国的Greenleaf开始用计算机处理超声图像。l 1983年，日本Aloka公司首先研制成功彩色血流图（CFM）。710.2 超声波的物理属性超声波的物理属性n 超声波的传播特性超声波的传播特性固体中，纵波、横波均可。气体、液体中为纵波。 根据机械振动方向与波的传播方向，可以分成两种波动方式：方向一致为纵波，互相垂直为横波。l 波型转换 超声波在介质中传播时，由于传播条件的改变，会产生波型转换

4、。垂直声束不发生波型转换。 超声波的波型转换具有临床意义。例如：超声波通过脑软组织打在颅骨上时，会转换成一部分横波，产生伪影。8l 在超声诊断中使用的脉冲波，一般为阻尼衰减振荡波。n 连续波与脉冲波连续波与脉冲波l 按照发射方式，超声波可以分为连续波与脉冲波。l 在超声诊断中使用的连续波，一般为正弦等幅波，超声频率与振幅都稳定不变。10.2 超声波的物理属性超声波的物理属性脉冲波的特征量脉冲波的特征量 ：间歇期脉冲宽度重复周期l 脉冲宽度：脉冲持续时间，通常在1.55微秒之间。910.2 超声波的物理属性超声波的物理属性l 平均功率：单位时间内输出的功率。l 间歇期：相邻脉冲之间的间歇时间。l

5、 占空因子：脉冲周期中脉冲宽度与间歇期之比。l 峰值功率：脉冲发射期间的最大输出功率。l 脉冲重复周期：指两个相邻脉冲前沿的相隔时间。 l 脉冲重复频率：每秒内脉冲重复出现次数。1010.2 超声波的物理属性超声波的物理属性l 声阻抗：声压与声振动速度之比。声压与振动速度同相时，Z=pc。单位是瑞利。 n 超声波的描述参量超声波的描述参量l 声压：压强瞬时值与无声传播时压强值之差，单位为帕斯卡（N/m2）。l 声强：声波在单位时间内通过单位横截面积的周期平均能量。 在声学介质中，只要声阻抗相同，则可以认为它们是声学的同种均匀介质，不存在界面。1110.2 超声波的物理属性超声波的物理属性超声波

6、在界面发生反射或折射的条件是：反射与透射（折射）反射与透射（折射）l 介质的声阻抗在界面处发生突变。l 界面的线度远大于声波波长及声束直径。ir1Z1c2ct2Zivrvtv界面超声波的反射与折射 声压反射系数声压反射系数反射声压与入射声压之比声压连续方程： irtPPP1210.2 超声波的物理属性超声波的物理属性法向速度连续方程 coscoscosiirrttvvv2121coscoscoscositrpirtZZPrPZZ垂直入射时：2121pZZrZZ1310.2 超声波的物理属性超声波的物理属性由界面声压连续和法向速度连续条件2122coscoscosiptrZtZZ垂直入射时212

7、2pZtZZ声压透射系数声压透射系数透射声压与入射声压之比1410.2 超声波的物理属性超声波的物理属性衍射与散射衍射与散射 超声波绕过障碍物的边缘传播叫做衍射（也叫绕射），衍射与障碍物的线度有关。 如果介质中存在许多悬浮粒子，会使部分声能偏离原来的方向，形成散射现象。根据散射物体线度与超声波长的关系，可以有不同的散射效果。衍射散射1510.2 超声波的物理属性超声波的物理属性声通量反射系数：2prr声通量透射系数：212coscostpiZttZ声传播能量守恒声传播能量守恒为了测量超声波能量的变化，一般采用声通量来描述。声通量声强面积声通量声强面积1610.2 超声波的物理属性超声波的物理属

8、性 声束通过介质薄层是临床超声检测经常会遇到的情况，分别有以下几种可能： d1Z2Z3Z123iItI声束通过介质薄层 当Z2比Z1和Z3小得多时，声束不能透过。 当薄层厚度远小于2 ，或者d= 2/2, 2, 22, n2/4 （n为不等于零的偶数）时，声束完全透过。当 ，且d为2/4 的奇数倍时，相当于两个介质界面都不存在。21 3ZZZ1710.2 超声波的物理属性超声波的物理属性薄层匹配原理薄层匹配原理薄层匹配原理在临床上用来进行耦合剂材料的设计。即：通过探头、耦合剂和被检体的声阻抗值相互之间的匹配，让探头发出的超声最大限度地透过耦合剂薄层进入被检体。 现在临床使用的耦合剂是液体石蜡，

9、最大透射率只是入射强度的四分之三。 1810.2 超声波的物理属性超声波的物理属性 声波在介质中传播时，声强会随着传播距离增加而减弱，即声波衰减。声波衰减规律声波衰减规律l 扩散衰减： 波阵面能量分布的改变引起。l 散射衰减 ：声波与散射中心作用，转化为热能。l 吸收衰减： 粘滞吸收、热机制吸收、驰豫吸收。1910.2 超声波的物理属性超声波的物理属性l 空化作用：指超声场使充有气体或水蒸汽的空腔发生振荡，可以分为稳态空化和瞬态空化。（作用机理复杂，仍有许多未知领域）。l 热作用：分子振动和转动能量可逆转增加或者分子结构永久性地改变。l 机械作用：振动和压力对细胞和组织产生直接作用。超声波的生

10、物效应（超声波的生物效应（没有累积效应和电离损害）2010.2 超声波的物理属性超声波的物理属性 超声安全剂量的确定需要同时考虑强度和时间。目前，有的国家将安全声强阈值定为几十毫瓦/平方厘米。 超声生物效应主要取决于辐射超声的强度和持续时间。在一定的阈值范围内，超声对人体的损伤可以忽略不计，有时还可以起到治疗作用。比如增加细胞活力，促进血液循环等。2110.3 超声换能器超声换能器n 超声换能器超声换能器 实现电声转换和声电转换的器件，按其工作原理，可以分为电场式和磁场式。l 电场式换能器是利用电场所产生的各种力的效应来实现声电能量的相互转换，内部存储元件是电容，又可分为压电式、电致伸缩式、电

11、容式。l 磁场式换能器是借助磁场力的效应实现声电能量的相互转换，内部储能元件是电感，又可分为电动式、电磁式、磁致伸缩式。 在医学超声工程中，一般采用电场式中的压电效应。2210.3 超声换能器超声换能器 超声换能器（超声探头）由压电晶片组成，晶片受电信号激发发射超声，进入人体组织，遇不同声阻界面产生反射与散射；晶片接收回声信号，转换成电信号，送入仪器。晶片将电能转换成声能（发射），又能将声能转换成电能（接收），所以称为声电换能器。u 工作原理 超声探头可以是圆片形，也可以是半圆片形，其厚度一般选择所用超声波长的一半。产生超声波需要两个必要条件：高频声源和传播介质。2310.3 超声换能器超声换

12、能器 某些各向异性的材料，在外部拉力或压力作用下引起材料内部正负电荷重心移动，在相应表面产生符号相反的表面电荷。即在机械力的作用下产生了电场，或者在电场作用下，材料产生几何形变。这种机械能与电能的相互转换称为压电效应。压电效应 材料的居里点表示使其失去压电效应的临界温度值。24压电效应的表征参数l 压电接收常数g：指压电片单位形变所产生的电位移，表示换能器接收性能的好坏。l 压电发射常数d：指压电片由所加电场单位场强引起的形变。 l 相对介电常数：指均匀电极化状态下，压电材料的电容与真空电容之比。 10.3 超声换能器超声换能器l 机电耦合系数k：机械能和电能之间耦合强弱的一个常数。l 机械品

13、质因数Q：压电体振动时，储存的机械能与一个周期内损耗的机械能量之比称为机械品质因数，它反映压电体振动时克服内摩擦消耗的能量大小。Q值越大，机械能消耗愈小。2510.3 超声换能器超声换能器另外，还需要考虑选择径向振动小的材料。超声换能器材料的选择需要根据用途决定l 发射超声波，选择发射系数d大的材料，如锆钛酸铅（PZT）4。l 接收超声波，选择接收系数g大的材料，如硫酸锂。l 同时用来发射和接收，选择d与g乘积较大的材料，如PZT-4。 晶片的厚薄决定着超声频率的高低，晶片越薄，频率越高。目前运用压电晶片的频率大致在110MHz范围内，单晶片探头的直径在812mm范围内。2610.3 超声换能

14、器超声换能器超声探头发射与接收示意 2710.3 超声换能器超声换能器u 超声换能器的超声场 超声在介质内传播时，明显受到超声振动影响的区域称为超声场。如果超声换能器的直径明显大于超声波波长，则所发射的超声波能量集中成束状向前传播，这种现象称为超声的束射性（或称指向性）。声源直径 近场距离半扩散角 圆形活塞声源的声场分布理论计算表明：理想的、性能均匀的压电换能器，其近场和远方区域内的声场分布都是很不均匀的。以圆形单晶片探头为例。2810.3 超声换能器超声换能器l 声场中某点的声压是每个小声源辐射到该点处声压的叠加。l 圆形活塞声源面上各点作同位相、同速率的振动。l 圆形声源看作无限多个小声源

15、组成。l 每一个小声源，都在360度立体角的半空间辐射球面波。声场计算假定以下条件成立：经理论推导，圆形活塞声源产生的超声场中心轴上的声压为：2202sin()sin()4DppXXtD（10-1）P0为圆形晶片表面的声压幅值，D为晶片直径，为超声波长。29l 近场区近场区 换能器近侧的超声波束宽度与声源直径相近似，平行而不扩散，近似平面波，该区域称近场区。近场区内声强分布不均匀。声学上，称L=a2/以内的近场区为菲涅尔区。a为晶片的半径。 据式10-1，可以计算出近场区声压极小值和极大值的位置分别为：22min(2)8DnXn（10-2） 其中，n取小于D/2的正整数，m取包含0在内小于（D

16、-）/2的正整数。可见，D越大，辐射频率越高，n和m值越大，近场内声压起伏越大，不均匀性越明显。222max(21)4(21)DmXm303110.3 超声换能器超声换能器 指近场区以外的声波以某一角度扩散区域，据式10-1，可以近似估算出远场区声压幅值：01mAPPX（10-3） 对于给定的探头和周围的弹性介质，P0，A（圆形晶片面积），都是常数，声压随距离X增大而减弱。l 远场区远场区 10-3式是对晶片中心轴上的声压公式用牛顿二项式展开进行的近似计算得到，只有当X5L时，反比关系表现得比较明显。3210.3 超声换能器超声换能器 圆形活塞晶片的辐射声压，不仅在中心轴上的分布是不均匀的，而

17、且在中心轴以外的声压分布也是不均匀的，即在中心部分的主瓣旁边出现许多旁瓣，这种现象叫做换能器的指向性，也可以说是声束的集中程度。指向性因数Dc可以表示为： l 超声场的角分布超声场的角分布12(sin )( , )( ,0)sincJ kaP rDP rka（10-4） 指向性因数Dc可以理解为距晶片中心距离为r，并与声场中心轴线成角处的声压与中心轴线上相同距离处的声压之比。3310.3 超声换能器超声换能器 指向性因数Dc为零的第一点对应的角度称为半扩散角，可由下式计算： 1sin (1.22)D（10-5）结论：超声振动频率越高（波长越短），晶片半径越大，则近场长度L越大，扩散角越小，表示

18、声束方向性好。 若被检查组织或脏器位于近场范围内，由于近场内的超声束平行度最高，反射界面与晶片的垂直性最好，因此反射的声强较高，失真度小。而远场有声束扩散，反射声强较弱，失真度高，故在医学诊断上，要求超声扩散角应在3.5度以内，否则超声束截面积太大，使超声的横向分辨力降低。3410.3 超声换能器超声换能器 实际应用中，希望声束焦点直径小，而焦距大一些。也就是说，希望得到既细又长的聚焦声束。一般可以通过声束聚焦的办法来变窄声束，但是需要考虑声束强度的安全性：l 声透镜聚焦l 声反射镜聚焦l 曲面换能器l 电子聚焦（相控扇形扫描） 3510.4 超声成像方法超声成像方法 超声诊断仪有采用连续波的

19、，也有采用脉冲波的。由于脉冲检测技术能够定位回声界面，还可以消除发射信号对反射信号的影响，灵敏度高，应用广泛。超声诊断成像的基本物理假定：l 声束在介质中以直线传播。l 在各种介质中声速均匀一致。l 在各种介质中介质的吸收系数均匀一致。3610.4 超声成像方法超声成像方法n 超声脉冲回波检测技术基本原理超声脉冲回波检测技术基本原理 脉冲回波检测技术是利用超声波在传播路线上遇到介质的不均匀界面能发生反射的物理特性检测回波信号，并对其进行接收放大和信号处理，最后在显示器上显示。 人体组织和脏器具有不同的声速和声阻抗，在界面会反射声波。但这些界面两侧介质的声学性质差异通常并不很大，所以大部分超声能

20、量穿过界面继续向前传播，依次可以得到不同深度界面的回波。3710.4 超声成像方法超声成像方法l 超声脉冲回波成像系统的组成超声脉冲回波成像系统的组成u 换能器：将电脉冲转换成超声脉冲发射到人体内，再接收反射回声信号并转换为电信号。 u 信号处理部分：对接收信号进行检波、放大等必要处理，使之适合显示和记录。包括：时间增益补偿（TGC）：深度不同，衰减不同，亮度不同，成像困难。声波在深度上幅度减少的分贝数与声波穿过该层介质的时间成正比。接收器的增益可以按衰减幅度补偿，随扫描时间增加而增大。即较深部位回声信号放大倍数大，较浅部位回声信号放大倍数小。3810.4 超声成像方法超声成像方法 检波器：根

21、据终显要求检出相应信息，有幅度检波、位相检波和频率检波之分。对检波器的要求：波形失真小，传输系数大，滤波性能好、输入电阻大。抑制电路：用来抑制不希望有的干扰信号和杂波噪声，即限定视频信号的下限电平，压缩动态范围。视频放大：放大信号幅度，压缩动态范围，一般采用微分电路突出信号前后沿。u 显示记录部分3910.4 超声成像方法超声成像方法 A型显示是超声诊断仪最基本的显示方式，属于幅度调制，用回波脉冲的大小决定显示器中脉冲的幅度。荧光屏上出现的是脉冲波形，脉冲之间的距离正比于反射界面之间的距离。A型超声主要用于颅脑的占位性病变的诊断。10.4.1 A型超声型超声10.4.2 M型超声型超声 M型超

22、声诊断仪是在A超基础上发展起来的，适于观察心脏的运动状况，所以也称为超声心动仪。M超的探头、发射和接收通道与A超完全一样，不同的只是显示方式：1）改幅度显示为亮度显示；2）纵轴像A超那样表示扫描深度，横轴表示时间（慢速帧扫描），以反映心脏活动周期内反射界面的振动曲线。40发射电路同步电路时基电路触发脉冲换能器可变衰减电路放大器TGC时间标尺显示器给出显示器的横轴，也可以换算成反射界面的深度标尺10.4 超声成像方法超声成像方法产生幅值达近百伏的高频振荡电压输出控制脉冲高度，即显示器的Y轴偏转板探头接收的反射信号幅度大约在十几微伏到几百毫伏A型超声诊断仪的方框原理图型超声诊断仪的方框原理图41M

23、型超声诊断仪的方框原理图型超声诊断仪的方框原理图同步激励信号除杂波探头放大检波选通门脉宽调制辉度放大显示器距离展开/行扫描时间展开/帧扫描XYZ 运动结构表面与声束的相对取向改变时，回波幅度要改变； 混合结构要求增益补偿曲线是变化的。10.4 超声成像方法超声成像方法4210.4 超声成像方法超声成像方法10.4.3 B型超声型超声 B超是目前超声图像诊断应用最广泛的机型，它得到的是脏器或病变的断层图像，并可以进行实时的动态观察。它还能与其它形式的超声设备复合成更先进的超声诊断系统。其特点为：l 辉度调制型，光点的亮度由回波幅度线性控制。l Y轴表示检测深度，自上而下的一串光点表示在各个深度界

24、面上的回波。l X轴偏转板加扫描电压，随探头的移动同步变化。l B超的帧扫描需要和声线的实际位置严格对应，M型帧扫描与时间成线性关系的慢变化。4310.4 超声成像方法超声成像方法同步激励信号检波探头放大视频放大显示器距离展开方位展开XYZTGC电子扫描B型超声诊断仪的方框原理图4410.4 超声成像方法超声成像方法 声学反射式：换能器静止不动，用轻体的声学反射镜代替它振动。n B超的扫描方式超的扫描方式l 机械扫描机械扫描 机械扫描由单个或多个换能器晶片进行高速机械转动或摆动实现快速扫描。有三种类型： 机械旋转式：换能器安装在旋转轮上高速转动，径向发射波束实现扇形扫描。轮周上的晶片数可以有2

25、，3，4片。 机械摆动式：只需一个晶片和一个驱动机构。压电晶片被固定在支点上，换能器绕着支点摆动，使波束扇形传播。4510.4 超声成像方法超声成像方法（a）机械旋转式，（b）机械摆动式，（c）声学反射式4610.4 超声成像方法超声成像方法 电子线性扫描是以线阵式探头为基础，以电子开关或全数字化系统控制阵元组顺序发射来实现。阵元数已经从早期的40、120发展到现在的256、400等。每次发射和接收声波时，将若干阵元编为一组，由一组阵元产生一束扫描声束，并接收信号，然后由下一组阵元发射下一束，并接收。电子线性电子线性扫描的几种形式：扫描的几种形式：l 电子线性扫描电子线性扫描 常规扫描：相邻声

26、束之间错开一个阵元，扫描线数为M-N+1，M为阵元数，N为组阵元数； 隔行扫描：每个阵元组相差两个阵元，先扫描奇数线，再扫描偶数线，错开扫描声束位置。扫描线数仍为M-N+1 ；4710.4 超声成像方法超声成像方法 飞越扫描：为进一步降低前后扫描声束间的干扰，将扫描声束位置固定排列（128阵元：5，65，6，66，64，124）； 半间距扫描：为了提高横向分辨率，可以采用半间距扫描方式，即第一条合成声束用110号阵元发射，19号阵元接收，第二条用110号发射，210号接收；而在第三条合成声束，用211号阵元发射，210号接收，第四条声束用211号阵元发射，311号接收，依此类推。这样，扫描声束

27、总数为2（M-N+1）。实际中，常将半间距扫描与飞越扫描结合使用。4810.4 超声成像方法超声成像方法 通过控制线阵探头的激励时序，使合成声束方向改变。相控阵超声诊断仪扫描声束范围一般在正负45度之间。同时激励时，合成波阵面垂直于换能器表面。偏转角，发射延迟时间以及阵元间距d的关系为：sindc（10-6）l 相控阵扇形扫描（电子扇形扫描）相控阵扇形扫描（电子扇形扫描）4910.4 超声成像方法超声成像方法5010.4 超声成像方法超声成像方法“相控”接收 相控阵探头发出的超声束遇到目标产生的回波信号到达晶片的时间是有差异的，必须对各晶片接收回波进行准确地时差补偿，才能获得目标空间位置地正确

28、信息。这也是称之为“相控”接收的原因。1234567P+延迟相控接收原理示意图5110.4 超声成像方法超声成像方法 指根据检测组织的深度自动调节探头工作频率，对较浅组织，使用高频率，提高纵向分辨率，对较深组织，使用低频率，提高超声穿透能力。 l 动态频率扫描动态频率扫描 动态频率扫描器把各种单频探头集于一体，需要和可变带通滤波器组合。5210.4 超声成像方法超声成像方法p 空间后处理，包括读出电子放大和图像翻转。l 数字扫描变换器（数字扫描变换器（DSC） DSC的作用是将模拟图像转换成数字图像，经数据存储处理后再转换成模拟图像显示。其中，图像后处理是B超图像处理的重要部分，主要包括：p

29、像素亮度后处理，按给定灰阶数进行扩展和压缩。p 时间后处理，指利用数字滤波器对图像做噪声抑制，平滑和边缘增强处理。p 图像冻结，便于观察和拍照令图像在显示屏幕上静止不动。p 扫描数据变换，可以将扇形扫描数据转换成线性扫描数据。5310.4 超声成像方法超声成像方法胎儿的超声检测B超图像5410.4 超声成像方法超声成像方法 超声多普勒技术是研究和应用由运动物体反射或散射所产生的多普勒效应的一种技术。它在医学临床诊断中用于心脏、血管、血流和胎儿心率的诊断。相应的仪器有超声血流测量仪，超声血管显像仪等。10.4.4 超声多普勒技术超声多普勒技术 声源和接收体作相对运动时，接收体在单位时间内收到的振

30、动次数（频率），除声源发出者外，还由于接收体向前运动而多接收到（距离/波长）个振动，即收到的频率增加了；相反，声源和接收体作背离运动时，接收体收到的频率就减少，这种频率增加和减少的现象称为多普勒效应。 多普勒效应多普勒效应5510.4 超声成像方法超声成像方法ir体表血管发射接收多普勒频移测量原理5610.4 超声成像方法超声成像方法多普勒效应的数学表示： 0(coscos)dirvffc （10-7）实际应用中，一般采用 ，这样，多普勒频移为： 45oir02 cosdvffc （10-8） fd一定，f0越小，测量的流速越大。因此，为了测量高速血流，应尽可能的选用低频探头。5710.4 超

31、声成像方法超声成像方法n 连续多普勒超声测量仪（连续多普勒超声测量仪（CWD） 连续波多普勒是最早出现的一种多普勒超声技术，它只能观察某些浅表组织结构和动脉血流。 连续式多普勒技术使用双晶片探头，一个连续发射脉冲波，另一个连续接收反射回声。连续式多普勒有测量高速血流的能力，根据音频信号和频谱形态的变化可以指导探查方向。缺点是缺乏距离选通能力，无法确定声束内回声信号的来源，不能进行定位诊断。5810.4 超声成像方法超声成像方法n 脉冲多普勒超声测量仪（脉冲多普勒超声测量仪（PWD） 脉冲式多普勒技术具有距离选通功能，可以对沿超声束不同深度的某一区域进行定位检测，增加了血流定位探测的准确性。 脉冲多普勒血流仪用同一块晶片完成发射和接收，脉冲重复频率会限制所测血流速度的大小。 脉冲重复频率必须大于多普勒频移的两倍，才能准确显示频移的方向和大小。5910.4 超声成像方法超声成像方法如何根据多普勒频谱提取有