医学图像技术-超声成像课件

超声成像MedicalImagingTechnologyMedicalImagingTechnology超声物理超声波的基本概念超声波在介质中的传播特性多普勒效应超声换能器超声场血流动力学效应

MedicalImagingTechnology超声波的基本概念声音实质是机械振动在媒质中的传播MedicalImagingTechnology纵波1830年法国Savart,音调极限实验，24000赫兹

自然界存在听不到的声音MedicalImagingTechnology蝙蝠选择超声的理由

A.声波在一定范围内，频率越高，反射越大；B.对于同样大小的声源，发射声波的频率越高，声波的方向性就越好；C.对于同样大小的反射体，同样大小的波长，声波的强度越大，回波越强。MedicalImagingTechnologyMedicalImagingTechnology超声次声振动频率>20,000Hz的声波——超声波(Ultrasonic)振动频率<20Hz的声波——次声波医用频率2.5—13MHz(常用2.5—5MHz)

什么是超声？MedicalImagingTechnology超声波的基本概念频率(f):声波每秒振动次数，Hz。波长(λ):声波在一个振动周期内所通过的距离，mm声速(C):声波在介质中每秒传播的距离，m/sＣ=f×λλC（m/s）人体软组织超声声速平均为1540m/sMedicalImagingTechnology脉冲波脉冲宽度脉冲重复周期脉冲重复频率间歇期占空因子峰值功率平均功率MedicalImagingTechnology声速

超声波传播的速度与所经过的介质有关。在致密性介质中传播快，在可压缩介质中传播慢，如在软组织为1500m/s,在骨中为3400m/s,在空气中为330m/s.在不同的介质中传播时频率不变。MedicalImagingTechnology声压和和声强强声压:声强:A:声声振动动幅值值ρ：介介质密密度c：波波速ω：声声波圆圆频率率MedicalImagingTechnology声阻抗介质的密度度与超声在在介质中传传播速度的的乘积称声声阻抗。声阻抗值一一般为固体体>液>气气体。瑞利，RayleighMedicalImagingTechnology超声物理超声波的基基本概念超声波在介介质中的传传播特性多普勒效应应超声波的发发生与接收收－压电效效应超声场血流动力学学效应超声波的反反射与折射射超声在密度度均匀的介介质中传播播，不产生生反射和散散射。当通通过声阻抗抗不同的介介质时，在在两种介质质的交界面面上产生反反射与折射射或散射与与绕射。MedicalImagingTechnology超声声波波的的反反射射与与折折射射MedicalImagingTechnology超声声波波的的入射射、、反反射射和和折折射射示意意图图大界界面面折射波

入射波

反射波

△Z＞＞0.1%即即可可产产生生反反射射声阻阻抗抗差差大大，，反反射射强强超声声波波的的反反射射与与折折射射MedicalImagingTechnology超声声波波的的反反射射与与折折射射MedicalImagingTechnology反射射、、折折射射与与透透射射：：凡凡超超声声束束所所遇遇界界面面的的直直径径大大于于超超声声波波波波长长（（称称大大界界面面））时时，，产产生生反反射射与与折折射射。。成成角角入入射射，，反反射射角角等等于于入入射射角角，，反反射射声声束束与与入入射射声声束束方方向向相相反反。。垂垂直直入入射射时时，，产产生生垂垂直直反反射射与与透透射射。。反反射射声声强强取取决决于于两两介介质质的的声声阻阻差差异异及及入入射射角角的的大大小小。。垂垂直直入入射射时时，，反反射射声声强强最最大大。。反反射射声声能能愈愈强强则则折折射射或或透透射射声声能能愈愈弱弱。。进进入入第第二二介介质质的的超超声声继继续续往往前前传传播播，，遇遇不不同同声声阻阻抗抗的的介介质质时时，，再再产产生生反反射射，，依依次次类类推推，，被被检检测测的的物物体体密密度度越越不不均均匀匀，，界界面面越越多多，，则则产产生生的的反反射射也也愈愈多多。。超声波的的散射与与绕射MedicalImagingTechnology超声在传传播时，，遇到与与超声波波波长近近似或小小于波长长（小界界面）的的介质时时，产生生散射与与绕射。。散射为小小介质向向四周发发散超声声，又成成为新的的声源。。绕射是超超声绕过过障碍物物的边缘缘，继续续向前传传播。超声波的的散射MedicalImagingTechnology遇界面远远小于波长的微微小粒子子，超声声波将产产生散射射，人体体内的散散射源为为红细胞胞和脏器器内的细细微结构构。超声波的的绕射MedicalImagingTechnology目标大小小约为1～2λ或稍稍小，超超声波将将绕过该该靶目标标继续前前进，很很少发生生反射。。超声波的的吸收与与衰减MedicalImagingTechnology声衰减定定义：是指声能能随着传传播距离离而减弱弱的现象象衰减量=频率××深度频率高，，衰减重重原因：吸吸收损耗耗、声束束扩散、、反射和和折射超声波的的分辨力力与穿透透力MedicalImagingTechnology频率高，，分辨好好，穿透透差频率低，，分辨低低，穿透透强对应的临临床应用用：检测浅表表器官，，采用高高频探头头检测深部部脏器，，采用低低频探头头MedicalImagingTechnology超声物理理超声波的的基本概概念超声波在在介质中中的传播播特性多普勒效效应超声波的的发生与与接收－－压电效效应超声场血流动力力学效应应MedicalImagingTechnology多普勒效效应Dopplereffect声源和接接收体作作相对运运动时，，接收体体在单位位时间内内收到的的振动次次数（频频率），，除声源源发出者者外，还还由于接接收体向向前运动动而多接接收到（（距离/波长个个）振动动，即收收到的频频率增加加了。相相反，声声源和接接收体作作背离运运动时，，接收体体收到的的频率就就减少，，这种频频率增加加和减少少的现象象称为多多普勒效效应。MedicalImagingTechnology多普勒勒效应应相对静止相对运动背离运动MedicalImagingTechnology多普勒勒效应应MedicalImagingTechnology超声多多普勒勒利用多多普勒勒效应应原理理检测测运动动物体体。当当发射射超声声传入入人体体某一一血液液流动动区，，被红红细胞胞散射射返回回探头头，回回声信信号的的频率率可增增可减减，朝朝向探探头运运动的的血流流，探探头接接收到到的频频率较较发射射频率率增高高，背背离探探头的的血流流则频频率减减低。。接收收频率率与发发射频频率之之差称称多普普勒频频移或或差频频。目前常常用的的超声声多普普勒有有连续续波多多普（（CWD））、脉脉冲波波多普普勒（（PWD））及彩彩色多多普勒勒（CDFI））。MedicalImagingTechnology超声多多普勒勒多普勒勒频移移（Fd））与发发射频频率（（fo）、、血流流速度度（V）、、超声声束与与血流流间夹夹角（（θ））的余余弦成成正比比，与与声速速（C）成成反比比，公公式为为：式中Fd、、cosθθ均可可测得得，fo及及C为为已知知，可可以计计算出出V声束与与血流流方向向平行行时可可记录录到最最大血血流速速度声束与与血流流方向向垂直直时则则测不不到血血流信信号。。VMedicalImagingTechnology超声多多普勒勒cosθ＜＜900，血流流迎向向探头头，fd为正值值称为正正性频频移cosθ＞＞900，血流流远离离探头头，fd为负值值称为负负性频频移夹角对对fd值的影影响MedicalImagingTechnology超声多多普勒勒血流速速度测测量对对于脑脑循环环,心心血管管疾病病的诊诊断非非常重重要。。利用超超声多多普勒勒技术术测量量血流流的成成功，，是人人们可可不必必切开开皮肤肤，从从血管管中插插入导导管来来测血血流，，只需需在体体外就就可实实现血血流的的无损损测量量。MedicalImagingTechnology超声物物理超声波波的基基本概概念超声波波在介介质中中的传传播特特性多普勒勒效应应超声换换能器器超声场场血流动动力学学效应应MedicalImagingTechnology超声换换能器器Transducer超声换换能器器是由由压电电晶片片组成成，晶晶片受受电信信号激激发发发射超超声，，进入入人体体组织织，遇遇不同同声阻阻界面面产生生反射射与散散射、、晶片片又接接收回回声信信号，，转换换成电电信号号、送送入仪仪器。。晶片片将电电能转转换成成声能能（发发射）），又又能将将声能能转换换成电电能（（接收收），，称之之为声声电换换能器器。MedicalImagingTechnology压电效效应（（Piezoelectricity））有些种种类的的单晶晶体对对它施施加机机械应应力，，它的的表面面会出出现电电荷（（正效效应）），反反过来来，对对它加加电压压，它它的尺尺寸会会改变变(逆逆效应应)。。天然晶晶体、、压电电陶瓷瓷电能机机械械振动动能1880,居里里兄弟弟MedicalImagingTechnology超声波波的发发射与与接收收（压压电效效应））发射：：电讯讯号→→换能能器→→超声声波(逆效效应)接收：：反射射波→→换能能器→→电信信号(正效效应)MedicalImagingTechnology超声波波的发发射与与接收收（压压电效效应））逆压电效应示意图+++++++++++++++++

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++++++++++++++++++--+发射超声MedicalImagingTechnology超声波波的发发射与与接收收（压压电效效应））正压电效应示意图+++++++++++++++++

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+++++++++++++++++正压负压接收超声MedicalImagingTechnology超声物物理超声波波的基基本概概念超声波波在介介质中中的传传播特特性多普勒勒效应应超声波波的发发生与与接收收－压压电效效应超声场场血流动动力学学效应应MedicalImagingTechnology超声场场超声场场特性性：超超声在在介质质内传传播的的过程程中，，明显显受到到超声声振动动影响响的区区域称称超声声场。。超声声场具具有以以下特特点：：如果果超声声换能能器的的直径径明显显大于于超声声波波波长，，则所所发射射的超超声波波能量量集中中成束束状向向前传传播，，这现现象称称为超超声的的束射射性（（或称称指向向性））。近场区区：：换能能器近近侧的的超声