医学超声成像原理

关于医学超声成像原理3.4超声波成像原理超声波成像技术超声波探测技术可以分为两大类，即基于回波扫描的超声探测技术和基于多普勒效应的超声探测技术。基于回波扫描的超声探测技术主要用于解剖学范畴的检测、了解器官的组织形态学方面的状况和变化。基于多普勒效应的超声探测技术主要用于了解组织器官的功能状况和血流动力学方面的生理病理状况，如观测血流状态、心脏的运动状况和血管是否栓塞检查等方面。第2页,共48页，2024年2月25日，星期天医学超声波诊断仪A型超声波诊断仪M型超声波诊断仪B型超声波断层显像仪超声多普勒血流仪、成像仪与彩超超声三维成像系统（超声CT）第3页,共48页，2024年2月25日，星期天Ａ型（超声示波法）机理：以波幅变化反映回声情况特点：一维波形图，不直观用途：鉴别液、实性包块，测距目前临床不再使用第4页,共48页，2024年2月25日，星期天显示特点：探头不动向人体反射并接收声波，根据回波出现的位置，回波幅度的高低、形状、多少和有无，确定被检体病变或解剖部位的信息，但特异性不突出，还缺乏解剖学特征。第5页,共48页，2024年2月25日，星期天进波中线波底波肿瘤波第6页,共48页，2024年2月25日，星期天第7页,共48页，2024年2月25日，星期天Ｍ型（超声扫描法）机理：以单声束取样，获得活动界面回声，再以慢扫描方式展开特点：一维－时间运动曲线图用途：分析心脏和大血管的运动幅度第8页,共48页，2024年2月25日，星期天M型曲线图第9页,共48页，2024年2月25日，星期天Ｂ型（超声显象法）机理：不同的光点反映回声变化，用切面显示正常组织与异常组织特点：二维断面图像，灰阶/彩阶实时显示，直观用途：及其广泛

第10页,共48页，2024年2月25日，星期天肝脏B超心脏B超第11页,共48页，2024年2月25日，星期天D型（超声多普勒法）机理：利用Doppler原理对心血管内血流进行探测分析频谱多普勒（PW+CW）以频谱曲线显示，检测血流动力学参数

彩色多普勒血流显像（CDFI）

彩色编码实时显示血流方向、速度及血流性质第12页,共48页，2024年2月25日，星期天二尖瓣血流CDFI二尖瓣血流－PW第13页,共48页，2024年2月25日，星期天声束的聚焦

要提高超声成像系统的灵敏度和分辨力，除了对线阵探头实施多振元组合发射外，还需要对超声进行聚焦，使声束变细，使强度聚焦收敛，提高声束的穿透力和回波强度，从而提高灵敏度和分辨力声束聚焦分为：

1、声学聚焦

2、电子聚焦

第14页,共48页，2024年2月25日，星期天超声波束处理技术

在超声波发射和接收时.采用多种波束处理技术，使主波束变窄，旁瓣变小.现在，先进B超设备中已采用的具有实际效果的波束处理方法有:(l)使晶体表面凹陷;(2)采用声学透镜聚焦;’(3)可变孔径;(4)电子聚焦;(5)动态聚焦;(6)实时动态聚焦;(7)动态变迹等.第15页,共48页，2024年2月25日，星期天

一．凹面晶体用这种聚焦方式，焦点的声束比较细，横向分辨性能好.但是，一旦偏离聚焦范围，声束比未聚焦的还粗，因此，采用这种聚焦型探头，要注意聚焦范围的深度、一般可分成近距离、中距离和远路离3个档次。第16页,共48页，2024年2月25日，星期天第17页,共48页，2024年2月25日，星期天

与光学聚焦原理类似，在平面晶体表面附加声学透镜，可使超声波束汇聚到一点，即焦点.焦点深度，即焦距。由声学透镜曲率半径、超声波在声学透镜中的传播速度和人体中声速所决定.声学聚焦第18页,共48页，2024年2月25日，星期天第19页,共48页，2024年2月25日，星期天第20页,共48页，2024年2月25日，星期天１、电子聚焦

对线性换能器阵的各阵之上加上适当延时的激励脉冲，则可在预定的距离上获得聚焦波。第21页,共48页，2024年2月25日，星期天二、电子聚焦所谓电子聚焦，就是控制各振元的相位，使其发射的超声束在焦区得到同相相长加强，达到聚焦的目的，实际上是通过控制延时达到控制相位的。延时量的计算：分别为L1，L2，L3，焦距F=35cm，阵元间距d=0.5mm，由图可得

L1=3.5d=3.5×0.5=1.75mmL2=2.5d=1.25mmL3=1.5d=0.75mm第22页,共48页，2024年2月25日，星期天第23页,共48页，2024年2月25日，星期天设声速c=1540m/s则第1号振元与第2号振元的相差延时量为：

Δτ1=ΔS1/c=0.02141/1540×103=13.9ns同理2号振元与3号振元之间的延时量为：

Δτ2=ΔS2/c=9.27ns3号与4号振元延时差为：Δτ3=ΔS3/c=4.64ns设第1号及第8号振元无延时，则2号振元延时时间为：τ1=13.9ns3、6号振元延时时间为：τ1+τ2τ2=13.9+9.27=23.17ns4、5号振元延时时间为：

τ3=Δτ1+Δτ2+Δτ3=27.81ns那么延时量是如何实现的，是通过延迟线来实现的。第24页,共48页，2024年2月25日，星期天第25页,共48页，2024年2月25日，星期天

三

聚焦探度和焦点直径

在聚焦点，声束宽度最小。在焦点附近一个有限的范围内，聚焦声束宽度小于同一阵列换能器同时被激励，即未聚焦时所产生的声束宽度。离焦点越远，聚焦声束宽度越宽，直至大于同一阵列换能器未聚焦声束宽度。第26页,共48页，2024年2月25日，星期天第27页,共48页，2024年2月25日，星期天动态电子聚焦

为了提高成像系统的分辨力，需要进行聚焦，焦区以内的声束变细了，确实提高了分辨力，但焦区以外，声束不仅没有变细，反而变得更粗了，焦区以外的分辨力不仅没有得到提高，反而变得更差了，因此需要整个穿透深度上都要进行聚焦，使整个深度上的分辨力都得到提高。动态电子聚焦又分为：

1、等速动态电子聚焦

2、全深度分段动态电子聚焦

第28页,共48页，2024年2月25日，星期天1、等速动态电子聚焦

等速动态电子聚焦是通过计算机控制，以一定的速度改变发射和接收的延迟时间，使焦点随发射波和接收同步移动，使整个深度的所有位置，都有良好的横向分辨力，显然这种聚焦最为理想，但由于焦点移动速度快，延时分级细，延时程度高，故电路更复杂，成本更高。第29页,共48页，2024年2月25日，星期天2、全深度分段动态电子聚焦：

全深度分段动态电子聚焦就是将探测深度分成若干，只对每个段分别进行聚焦，接收时只取每个焦区的回波信号，最后将各段焦区的回波信号迭加合成一行回波信号。优点是：分段数少，延迟线分段段数少，操作简便，成本低。缺点是：成像速度慢，精度低。但可以TV方式显示，以慢入快出的方式对存贮器进行续写，并进行各种图像处理，从而就得稳定清晰图像。第30页,共48页，2024年2月25日，星期天第31页,共48页，2024年2月25日，星期天四可变孔径技术变孔径技术，在近场采用小孔径，在远场采用大孔径。第32页,共48页，2024年2月25日，星期天第33页,共48页，2024年2月25日，星期天扫描方式

一、扫描：换能器在被探查区域获取人体信息的运动过程叫扫描。机械扫描与电子扫描第34页,共48页，2024年2月25日，星期天机械扫描与电子扫描（1）机械扫描：借电机带动换能器旋转或摆动，同时位置传感器连续地检测换能器的瞬时取向，并产生位置信号，使显示器的扫描方向有相应的取向。（2）电子扫描：用电子方法控制多阵元换能器实现扫描，分为线性扫描和相控阵扫描。第35页,共48页，2024年2月25日，星期天（ⅰ）线阵扫描

线阵探头长为10~15cm，宽为1cm左右用电子开关切换多元换能器振元，使之轮流工作，为了提高系统的分辨力和灵敏度，通常有相应的若干个相邻的小单元同时受到激励，发射一束超声并接收其回波，然后舍去前面一个，纳入后面的一个单元，发射一束超声波，依次类推，发射许多平行声束，扫查目标区。第36页,共48页，2024年2月25日，星期天（ⅱ）相控阵：阵元数较少，长度短，一般1~3cm左右，宽1cm左右。工作时，同时激励所有的振元，并适当地控制加到各振元上的激励信号的相位（实际上是控制延时）来改变超声的发射方向，接收时对接收信号出作类似的相控，并形成扇形扫描。第37页,共48页，2024年2月25日，星期天超声波束的扫描(线阵）一、组合顺序扫描设总振元数为n，振元组中振元数为m（设m=4），则激励顺序为：1~4，2~5，3~6，4~7……

即顺序扫描是用电子开关顺序切换方式，将相邻m个振元构成一个组合，发射一束超声，使之分时轮流工作。特点：扫描方法简单，但声束间的线距等于振元距，声束线数为n-m+1,较少，不利于提高分辨力。第38页,共48页，2024年2月25日，星期天第39页,共48页，2024年2月25日，星期天二、组合间隔扫描

组合顺序扫描的缺点是：线距较宽，线数较少，图像质量较差，要提高图像质量，必须减小声束的线距。1、d/2间隔扫描设总振元数为n，子振元组合分为二组：一组为m，一组为m+1，若m=5，则分组激励顺序为1~5、1~6，2~6、2~7，3~7、3~8……。特点：其声束间距为d/2，线数增加了一倍。第40页,共48页，2024年2月25日，星期天第41页,共48页，2024年2月25日，星期天三、微角扫描

设有n个振元，子振元组为m，分组情况类似组合顺序扫描，但对子振元组m个振元激励的相位略有不同，使射出的声束线与中心线有微小偏角，然后将相位的变化规律颠倒过来，就得到偏向中心线另一侧的另一条声束线，这样总共得到（n-m+1）×2各声束线，线密度提高了一倍，但由于声束线有一个微小偏角，而显示扫描线仍然平行，故图像存在一定畸变。第42页,共48页，2024年2月25日，星期天第43页,共48页，2024年2月25日，星期天电子相控阵扇形扫查波束的时空控制：该探头中既没有开关控制器也没有子阵，这是因为相控阵所有阵元对每个时刻的波束都有贡献，而不像线阵探头那样分组、分时轮流工作。分相控发射和相控接收。电子相控阵扇形扫查第44页,共48页，2024年2月25日，星期天（1）相控发射：第45页,共48页，