超声物理基础上岗考试辅导j1课件

1、CDFI上岗考试辅导超声物理基础双城市人民医院住院二部超声科任传江目录超声物理基础超声成像原理频谱及彩色多普勒超声诊断仪器几项新技术的临床应用一、超声物理基础什么是超声波？超声波是声源振动的频率大于20000Hz的机械波。临床常用的超声频率在210MHz之间。目前腹部及心脏检查所用的频率范围在2.55MHz之间，小器官、眼科检查所用的频率范围在510MHz之间，皮肤及血管内检查所用的频率范围在1030MHz之间，生物显微镜成像所用的频率范围在40100MHz之间。 超声波是如何发生的？超声的发生是利用换能器逆压电效应的原理，而超声的接收是利用正压电效应的原理。超声诊断仪的探头里安装着具有压电效

2、应性质的晶体片（换能器），由主机发生高频交电场，电场方向与晶体压电轴方法一致，压电晶片沿一定方向发生压缩和拉伸，这种现象为逆压电交应；当有回声时，作用于晶体片上，则晶体片产生电荷，这种现象为正压电效应。什么是超声的频率、波长和声速？ 超声波具有三个基本物理量，即频率（f）、波长（）和声速（c），三者之间的关系可用下列公式表示：c=f。频率（f）：单位时间声源振动的次数，以赫兹（Hz）为单位，每秒振动一次为1Hz。声速（c）：声波在介质中单位时间传播的距离，以米/秒（m/s）表示。人体软组织平均声速为：1540m/s。 波长（）：声波传播时相邻的两个周期中，对应点的距离或相邻的两个波峰或波谷间的

3、距离，以毫米（mm）表示。 频率、波长、声速的关系不同频率的超声波在相同介质中传播时，声速基本相同 ；相同频率的超声波在不同介质中传播，声速和波长都不相同，人体组织中超声波速度总体差异约为5%；声波在相同介质中传播时，波长与频率成反比，频率越高波长越短。声阻抗声阻抗（Z）等于介质的密度（P）和声速（C）的乘积，声Z=PC,当P的单位是g/cm3 时，声阻抗的单位是瑞利。声阻抗：阻抗声波传播的能力，具有类似于电阻抗的性能。超声成像正是通过人体组织声阻抗的不同来诊断病变的。由于正常肝组织与肝占位病灶组织密度不同，超声回声发生了改变，从而可以诊断出病变。人体正常组织的声阻抗 组织器官密 度g/cm3

4、声速m/s声阻抗（105 瑞利）大 脑 1.03815401.588脂 肪0.95514761.410软 组 织1.01615001.590肌 肉1.07415681.648肝 脏1.05015701.648颅 骨1.65833605.570胎 体1.02315051.579羊 水1.01314741.463血 液1.05515701.656眼晶体1.13616501.874肺及肠腔气体0.001293320.000428超声的反射超声波传播过程中，当遇到两种声阻抗不同的界面时，改变声波传播的方向，形成反射。声场定义：发射超声在介质中传播时其能量所达到的空间，也可称为超声场或声束。声场特性扫描

5、声束的形状、大小（粗细）及声束本身的能量分布是特殊的，随所用探头的形状、大小、阵元数及其排列、工作频率（超声波长）、有无聚焦以及聚焦的方式不同而有很大的差异。声束还受人体组织不同程度吸收衰减、反射、折射和散射等影响，即超声与人体组织间相互作用的影响。声束聚焦与分辨率聚焦方法固定式声透镜聚焦电子聚焦环阵聚焦相控阵聚焦其它聚焦新技术聚焦区声束明显变细，横向和侧向分辨率可望大大改善。超声的束射特性（方向性）超声成束发射，类似光线，符合几何光学定律。束射特性或方向性是诊断用超声首要的物理特性。大界面与界面反射界面回声反射的角度依赖性：入射声束垂直于大界面时，回声反射强；入射声束与大界面倾斜时，回声反射

6、减弱甚至消失。小界面与后散射（背向散射）超声的衰减超声波在介质中传播时，随着距离增加，声能将随之减弱，这就是衰减。引起衰减的原因有：声能转换成热能被“吸收”，声束在传播中逐渐发散开，以及能量的反射和散射。但超声波被运动目标点产生频移不会造成声衰减。在诊断中使用STC或TGC就是为了补偿声能的衰减。超声的散射超声波在传播中遇到粗糙面或极小的障碍物时，将有一部分能量被散射。红细胞的直径比超声波要小得多，红细胞是一种散射体，其背向散射信息是研究、分析红细胞运动规律的有用信息，声束内红细胞数量越多，背向散射强度就越大 。超声的分辨力分辨力是超声在人体软组织中传播时，在显示器上能够区分声束中两个细小目标

7、的能力或最小距离。超声的分辨力受多种因素的影响。包括：超声波的频率、脉冲宽度、声束宽度（聚焦）、声场远近和能量分布、探头类型和仪器性能等。空间分辨力主要与声束特性有关。多普勒频移多普勒效应：1842年奥地利物理学家Christain Doppler在研究行星与观察者之间相对运动，使观察的星光频率发生改变而引起色彩变化时首先发现并命名。多普勒公式：fd=fR-f0=(2Vcos/c)f0，为fd多普勒频移，f0为入射频率，fR为反射频率，V为反射物体运动速度， c为声速，为运动方向与入射波间的夹角。多普勒频移属于可听声波范畴。超声的生物学效应超声能量的物理参数声功率：单位时间内从超声探头发出的声

8、功声强：单位面积上的声功率ISPTA：空间峰值时间平均声强ISPPA：空间峰值脉冲平均声强超声生物学效应热效应空化作用超声诊断的安全因素超声剂量（声强）的限定值 Ispta100mW/cm2（ Ispta空间峰值时间平均声强）超声诊断妊娠应注意安全 ，应尽量选择低输出声强，缩短对同一位置的检查时间，选用脉冲式发射超声波，减少妊娠期内的超声检查次数，不可采用阴道探头探查胎儿脐血流。从安全角度考虑，通过增加超声波发射输出强度来提高多普勒检测灵敏度是不可取的。 1、A型诊断法Amplitude，幅度调制式简单，一维扫描线显示反射界面A型扫描成像不是通常意义上的超声成像2、B型诊断法Brightnes

9、s，辉度调制式多条扫描线动态图像显示切面图像回波信号强度决定图像象素的亮度B型显像的几个基本概念象素（pixel）回声的基本单位（回声点）灰度（gray）从最亮到最暗的象素变化过程白-较白-灰-较暗-暗-最暗灰阶（gray scale）灰度的等级一般分成：16，32，64，128，256.超声回声分级超声回声分级强回声：灰标最高部分，最亮高回声：灰标中上部分，较亮等回声：灰标中间水平，中等亮度低回声：灰标中下水平，较暗弱回声：灰标低、回声点稀少，暗淡无回声：正常条件下，无回声点出现 3、M型诊断法Motion,运动辉度调制式时间深度扫描，Y轴代表检测深度，X轴表示时间或时相。M超不是显示Z轴上

10、的回波。，三、频谱及彩色多普勒多普勒基本概念多普勒超声血流检测技术主要用于测量血流速度，确定血流方向，确定血流种类：如层流、射流等；获得速度、时间积分，压差等有关血流的参数。频谱多普勒技术的应用，不能了解组织器官的结构。 多普勒公式：V= c(fd)/（2cosf0）Cos是血流与声束夹角的余弦函数，当相对固定时，则fd与流速成正比， fd即反映流速值V。当声束入射角（）恒定不变时，多普勒频移主要决定于探头发射的基础频率（f0）。对于一定的fd， f0越小，则可测的血流速度V就越大。欲测高速血流，f0就应选择低频率的探头。多普勒公式：V= c(fd)/（2cosf0）角改变的一般规律当0090

11、0时，Cos为正值，即血流迎超声探头而来，频率增加，fd为正向频移。当9001800时，Cos为负值，即血流背离超声探头而去，频率减低，fd为负向频移。当=00或=1800时，Cos=1，即血流与声束在同一线上相向或背向运动，这时fd最大。当=900时，Cos=0，即血流方向与声束垂直，这时fd=0，检不出多普勒频移。多普勒角血流方向与超声束之间的夹角称为多普勒角。在临床检查中，多普勒角应采用小角度。声束与血流方向夹角为90时，检不出多普勒频移。同一探头测量同一处的血流信息其重复性好坏主要取决于声速与血流方向的夹角 。两种多普勒方式连续波多普勒（CW），不能提供距离信息，即不具有距离选通性，不

12、受深度限制，能测深部血流，无折返现象，可测高速血流。连续多普勒取样线上的符号表示发射波束与接收回声的焦点。两种多普勒方式脉冲波多普勒（PW），具有距离选通能力，可设定取样容积的尺寸，测值相对准确，但检查深部及高速血流受到限制。多谱勒频谱分析技术的基础是快速傅立叶变换-FFT。超声工作频率与脉冲重复频率T0=1/f0Tp=1/PRF脉冲多普勒局限性脉冲多普勒测量血流速度受到脉冲重复频率(PRF)限制；当血流频移大于1/2 PRF时出现折返，这称为尼奎斯特（Ngquist）极限 ；扩大测量血流速度范围，必须提高脉冲重复频率（PRF）；反之，检测低速血流，不能采用高重复频率多普勒； PRF（脉冲重复

13、频率）高，则探测的距离浅；探测距离深，则测量血流速度低 ；采样容积越小，则速度分辨力愈差；调大采样容积不能提高PW检测血流速度值。 脉冲重复频率与可测血流速度的关系PW、CW的脉冲重复频率x0.33(经验常数）约=可测血流速度例如，PW，通常脉冲重复频率为2、3、4、5KHz等，当脉冲重复频率为3KHz时，可测单向血流最大值约为1m/s；CW，通常脉冲重复频率为10、15、20KHz等，当脉冲重复频率为15KHz时，可测单向血流最大值约为5m/s。显示方式频移（速度）-时间显示功率谱图显示三维显示频移（速度）-时间显示在速度/频率时间显示的谱图中， “横轴”代表时间（时基），单位为秒（s） ；

14、“纵轴”代表速度（频移），以KHz或cm/s表示。调节零位线，可扩大PW血流速度检测值。基线移动，适用于单一方向（正向或反向）的血流频谱信号，但不适用于同时具有正向和反向的血流频谱信号。功率谱图显示频率（频移）代表血流速度，振幅代表具有该流速的红细胞数目。红细胞数目多少与检测的频移范围大小无关。在心脏和血管的多谱勒检测中，功率谱可看作是采样容积或声束内的红细胞流速与红细胞数量之间的关系曲线。 频谱分析中的一些错误概念频谱分析是把不同位置（采样）的血流频移显示在同一谱图中便于分析；显示多普勒频谱可直接测量血流量。彩色多普勒血流显像定义：在二维超声图的基础上，用彩色图像实时显示血流的方向和相对速度

15、的超声诊断技术，称为彩色多普勒血流成像法（CDFI）或彩色血流图（CFM）。在二维超声图上，用彩色显示运动组织的运动方向和相对速度的超声诊断技术，称为彩色多普勒组织成像法（CDTI）。彩色定义彩色图，以红、蓝、绿三基色组成，规定以红色表示朝探头方向运动的血流，以蓝色表示背离探头方向运动的血流。单纯红色或蓝色表示层流。绿色表示湍流。绿色的混合比率与血流的湍流程度成正比。正向湍流接近黄色，反向湍流接近青色。颜色愈鲜亮表示速度愈快，愈暗表示速度愈慢。MTI（Moving Target Indicator）MTI是彩色血流显像的核心技术之一。MTI的滤波特性好坏与彩色显像质量直接相关。从接收到的回声中

16、，只分离出血流信号成分，而滤去非血流信号（心室壁，瓣膜）。当用于TDI时，作用正相反。自相关技术血流信息的自相关处理技术是彩色多普勒血流成像的核心技术之一。彩色多普勒血流显像仪中自相关技术的作用是分析血流信号相位差，得出血流速度均值和血流方向。 彩色显像的局限性彩色显像与PW一样，存在类似的问题。显示深度受脉冲频率影响；减少脉冲频率最大速度又受影响；增加角度，每秒的成像速度也受影响。影响彩色多普勒成像帧频最重要的因素是彩色取样框大小及深度。彩色多普勒能量图彩色多普勒能量图（CDE），不受声束与血流夹角的影响，无彩色信号混叠现象，它与血流中红细胞的数量有关，对于低速血流检测灵敏度高。CDE不能显

17、示血流的速度和方向。彩色血流成像调节时，改变探头的角度彩色能量图显示不会随之改变。 彩色标尺彩超仪器有多种专门显示血流的彩色标尺，常用的有速度、方差、功率方式。心脏彩色血流的彩色标尺应选择速度一方差显示模式。提高彩色血流检测敏感度不能选择方差显示方式。从使用角度评价彩色多普勒血流显像仪，不满意的是调节速度标尺彩色血流显示不变 。彩色血流显像的调节调节彩色增益，滤波器及速度标尺是调节彩色血流显示的重要手段。彩色血流显像滤波器的主要功能是滤除低速血流或高速血流。改变彩色血流图的基线，使其向红色标尺方向调节，结果是蓝色增多，反向血流测速范围扩大。调节彩血流显像，调节脉冲多普勒的取样容积是错误的。彩色

18、血流显像的调节调节“彩超”中的速度标尺及滤波范围：高速血流选调高速标尺，低速血流选调低速标尺，低通滤波适合检查低速血流，高通滤波适合检查高速血流。 彩色血流显像的一些错误概念彩色多普勒血流显像，改变取样框的位置彩色显示不变 。彩色血流动态信息显示与彩超的数字化/非数字化技术有关 。彩色多普勒血流显像的工作流程包括完成图像的编辑及病历管理。彩色血流显像，测量血流速度可以用于定量或半定量。 测量血流量定量及半定量分析是彩色多普勒血流成像品质评价依据。彩超、伪彩“彩超”是以颜色显示血流信息，伪彩是对灰阶的彩色变换。 “彩超”对血流信息处理方式与伪彩对灰阶的处理方式完全不同。多种彩色血流显像仪均带伪彩

19、功能，它的作用是增加对灰阶图像的视觉分辨能力。伪彩色二维图像处理技术不是当前超声发展的热点技术。 四、超声诊断仪器超声诊断仪器的基本结构超声诊断仪器的基本结构：超声探头、主机、控制面板、显示器、电源。超声诊断仪器原理框图面板发射 与接收探头中央控制单元（含DSC）监视器控制信号视频信号控制信息增益控制超声探头（压电换能器）超声探头的核心是压电晶片，其作用是将电能转换为机械能，亦将机械能转换为电能。超声探头最重要的部件是压电振子。探头匹配层的最主要的作用是使探头与皮肤声阻抗相匹配，有利于声波传播。探头分类机械扇扫、电子线阵、电子凸阵、相控阵、环阵等；凸阵扫描探头，临床常用于腹部的检查；心脏超声检

20、查最常用的探头是相控阵探头。环阵探头虽然聚焦性能较好，但由于机械扫描方式故障率较高，价格较贵，目前各厂家已基本停产，临床上基本上不采用此探头。超声探头的一些错误概念在B型成像中，电子探头比机械探头远场视野大。变频探头可解决超声三维重建中的技术。心脏检查要求探头振子数比腹部探头要多。 主机主机通常包含：发射电路、接收电路、波束形成器和控制电路核心：波束形成器波束形成器模拟波束形成器数字波束形成器模拟波束形成器VGADelayDemodulationADC数字波束形成器VGAADCDemodulationDelayMemory全数字化技术全数字化技术关健是采用数字式波束形成器，获得全程动态聚焦。动

21、态实时跟踪和面阵聚焦是新发展的技术。数字化“彩超” 不采用电阻-电感延迟聚焦技术。数字化“彩超”最关键技术是数字波束形成技术。数字化的彩超仪器最重要的是数字声束形成及多声束同步处理技术。 DSC数字扫描转换器（DSC）是借助数字电路技术和存储技术，把以不同扫描方式所获得的超声图像信息，通过IC存储器存入超声信息，然后变成标准的电视扫描制式进行图像文字显示。数字化超声的一些错误概念数字化的超声仪在接收时回波信号不需再经放大。数字扫描变换器(DSC)所实现的功能是增强了滤波器的性能。对血流频移信号进行FFT变换是数字扫描变换器(DSC)的功能。 超声仪器的正确调节使用在进行超声检查时必须掌握方法学

22、，检查不同的脏器，仪器设置的条件不变是错误的。调节灰阶超声仪器的工作条件达到最佳状况，不重要的是调节M型的扫描速度。超声仪器的维护对超声诊断仪的维护保养，已使用带地线的三相电源，不再接专门的地线是不恰当的。超声诊断仪的工作条件，用紫外线照射或消毒液对探头消毒是错误的。彩超使用中的寿命大致规律，长期使用性能无明显变化是不现实的。彩超仪器使用一段时间后，最早出现敏感度下降的是：探头老化，灵敏度下降。 彩超质量评价因素彩色多普勒血流显像仪质量好的最主要标志是检出低速血流的敏感度高，帧速率快。彩色血流显像仪血流的最低实际流速不易检测。高档彩超仪器的技术指标中，使用者难以测知的是探头的阵元数及通道数目。

23、五、几项新技术的临床应用全数字化超声诊断技术 传统的数字波束形成器使用ASIC器件来实现，研发和制造成本极高，因而世界上的几个主要厂家，虽然拥有此项技术，却一直将之应用于高档彩超系统中，而未能普及到中低档彩超及黑白超系统中。 随着微电子工业的高速发展，利用大规模FPGA器件来实现数字波束形成器已成为现实，其优异的性能价格比和便利的升级能力，使得医学超声诊断系统全数字化已成潮流。 PC平台技术 传统的超声诊断仪采用简单的微处理器作为中央控制核心，而当今的先进技术是使用PC(即计算机)作为中央控制系统，两者具有较大的技术差异。基于PC平台技术的产品，电影回放、图像处理、档案管理及远程传输，例如DI

24、COM 3.0接口等都能方便地实现。三维成像技术三维成像的技术发展趋势是应用二维面阵探头。但在工程实现时，由于二维面阵的阵元数量很大，每个阵元都需配置相应的通道，因此无论从技术的复杂性，还是系统的代价来说，都还有许多问题需要研究解决。相比而言，利用传统二维超声系统的Free-hand方式在相当一段时间内不失为一种较好的过渡解决方案。超声三维重建技术目前的临床应用情况是正处于发展改进阶段。 谐波成像技术谐波的产生：声波在人体组织中传播，在反射和散射时，由于非线性效应，产生谐波。基波、二次谐波、高次谐波谐波成像原理人体组织的回波，其基波的幅度远大于谐波。通常的超声成像，滤去谐波，仅用基波的信息成像

25、；谐波成像则是滤去基波，利用谐波的信息成像。f02f0fA发射频率谐波接收频率利用基波或谐波成像的带通滤波曲线 左：基波 右：二次谐波谐波成像的方法对比谐波成像（CHI）超声造影剂组织谐波成像（THI）造影剂谐波成像与组织谐波成像的区别是造影谐波要使用造影剂，组织谐波是声波的非线性传播。自然组织谐波的作用是增加界面分辨力、清晰度及信噪比。 声学造影剂要求：气泡更稳定、半衰期长；微泡大小可控制，易排出；对人体无害，不影响人体血流动力学；具有良好的造影作用，经外围静脉注射，通过肺循环使心肌造影。作用：造影剂的散射截面比同样大小的固体粒子大几个数量级，可使背向散射的信号大大增强，提高显像效果；血液中

26、有造影剂，可显示小血管极低速的血流；正常组织与病变组织对造影剂反差存在差异，可提高肿瘤检查率。谐波成像的作用谐波成像可以明显改变超声图像质量消除近场伪像干扰消除近场混响谐波成像的临床应用增强心肌和心内膜显示增强细微病变的分辨力，了解心内血流状态清晰显示血栓轮廓及腹腔深部血管病变边界增强心腔内声学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内病变及蘘性病变的内部回声谐波成像的一些错误概念谐波成像在临床中应用，用于基波显像良好的脏器。自然组织谐波成像可改善图像质量，谐波成像频率比基波高一倍，可提高轴向分辨力。自然组织谐波成像技术中接收的基波和谐波能量相等。自然组织

27、二次谐波在应用中能准确的进行组织定征。超声半定量、定量及组织定征技术 相比于X-RAY、CT、MRI等其它影像技术，超声影像技术在发展定量分析方面明显落后，这主要是由于超声图像中固有的斑点噪声、信噪比低及反射成像法等原因，使得全自动的图像分割与数据分类并不可靠。利用超声仪器进行半定量、定量和组织定征，满足医患的需求，确实是一个艰难的过程。但是相信，随着学科和技术的进展，这些技术最终必将得以实现。超声组织定征技术的作用是分析组织结构声学特性的改变。 PACSPACS的中文全名是图像存档与通讯系统，它不能完成的功能是检索、查询医学科技文献。现在Dicom3.0标准已被人们所熟悉，它的作用是对医学数字图像进行规范化交换与传输。 问题：采用频谱技术研究血流运动规律，其信号来自什么？ A红细胞运动信号B红细胞反射信号C红细胞背向散射信号D红细胞衍射信号E红细胞挠射信号问题：提高多