医学超声基础之d-数字B超原理及关键技术v3

生物医学超声基础

—数字B超的原理及关键技术2024年4月主讲人：牛金海目录Contents1数字B超的关键参数2多元线阵换能器的结构与功能3数字B超中的扫描技术4数字B超的架构及DSC技术5思考题1、数字B超的关键参数

B超设备以亮暗灰度呈现组织的二维断层图，既能进行静态观察，又能进行动态检查;组织内的背向散射信息和界面的反射波信息以亮度调制方式显示，即组织某一部分的回波越强，则图像上对应部位的亮度越亮。2、多元线阵换能器的结构与功能

1、数字B超的关键参数

B型超声检查(type-Bultrasonic)；分为“黑白B超”和“彩色B超”；是影像诊断技术的一个重要组成部分（CT、核磁共振,X-ray）；在临床上，它被广泛应用于心内科、消化内科、泌尿科和妇产科疾病的诊断。1、数字B超的关键参数

1.1分辨力分辨力（单位：毫米）是指超声诊断仪对被检组织相邻回声图的分辨能力，分纵向(深度方向)和横向(水平方向)分辨力。思考题：影响横向分辨力以及纵向分辨力的因素？纵向：脉冲频率，振铃效应，被测物移动，接收增益等。横向：脉冲频率，声束直径，聚焦特性，显示器件等。1、数字B超的关键参数

1.2超声的工作频率f和脉冲重复频率PRF①超声的工作频率f是指探头与仪器连接后，实际辐射超声波的频率，也即所发射超声波在每秒中内自身的振荡次数；②脉冲重复频率PRF（pulserepeatfrequency，PRF）指脉冲工作方式超声仪器在每秒钟重复发射超声脉冲的个数；1、数字B超的关键参数

①脉冲的宽度指脉冲从开始产生到截止的时间长短。脉宽越窄越有利于提高影像的轴向分辨率，因此激励脉冲宽度应该控制在一个较窄的范围，但激励脉冲宽度的缩小受到探测深度（高频衰减）和系统接收通道频带宽度的限制。②振铃是指探头受电激励截止后产生声波余振动的长短。理想的情况是当施加于探头的电激励脉冲结束后，振动立即停止，但事实上这是无法做到的。由于它会严重影响超声系统的纵向分辨力，因此，希望探头产生余振(振铃)的时间也越短越好。1.3脉冲的宽度和振铃1、数字B超的关键参数

1.4帧频的概念帧频等于完成一幅图像所需时间的倒数，记为Fve2Fve*N*D/c=12*(D/c)*N=1/Fve

N扫描线数D深度其中,N为扫描线数，D为每条扫描线能探测到的最大深度，c是声速。帧频Fve，扫描线数N，探测深度D，三者乘积为一常数，要提高其一，必须牺牲其余两个或其中之一。目录Contents1数字B超的关键参数2多元线阵换能器的结构与功能3数字B超中的扫描技术4数字B超的架构及DSC技术5小结2、多元线阵换能器的结构与功能

2、多元线阵换能器的结构与功能

腹部探头三维探头高频探头2、多元线阵换能器的结构与功能

2.1电子线阵超声探头

电子线阵探头剖面示意2、多元线阵换能器的结构与功能

（1）开关控制器开关控制器：用于控制探头中各振元按一定组合方式工作，若采用直接激励，则每一个振元需要一条独立的信号线连接到主机，目前换能器振元数已普遍增加到数百个，则与主机的连线需要数百根，这不仅使工艺复杂，因此而增加的探头和电缆的重量也是不堪设想的。采用开关控制器就可以使探头与主机的连线数大大减小。

比如输入3根控制信号线，通过编码可以输出产生23=8（000，001，010，011，100，101，110，111）种控制信号。也就是说，在有开关控制器的情况下，只需从线缆引入7根信号线，就可以产生27=128路的控制信号，实现对128个阵元相位的独立控制。3根控制信号线8种控制信号2、多元线阵换能器的结构与功能

(2)阻尼垫衬

其作用与单阵元探头中的垫衬作用相同，用于产生阻尼,抑制振铃并消除晶片背侧发射信号反射干扰，改善发射信号的质量，使发射声脉冲的持续时间缩短，从而提高纵向分辨力。阻尼垫衬材料的选取要求：1.阻抗率与晶片接近，减少直接反射；2.声波吸收衰减系数大，可以很好吸收衰减背向发射信号，有效抑制杂波干扰；3.会降低换能器的发射效率，同时对于收发一体的换能器会降低接收灵敏度；

阻尼垫衬通常采用环氧树脂为基料，填充高衰减系数的填充材料，也可以使用塑料或者橡胶为基料，但是要考虑其弹性系数，选择合适的材料。阻尼垫衬材料除了环氧树脂加钨粉，还可以是硅橡胶加钨粉，聚乙烯醇加钨粉等。要求亦和单阵元探头相似，常见的是环氧树脂加钨粉。2、多元线阵换能器的结构与功能

(3)换能器阵列*探头的核心部分是由压电材料制成的线形换能器阵。阵元不少于64个，阵元数量与B超图像质量、声学性能有很大关系，最多可达到400个。换能器阵列：换能器的晶体振元通常是采用切割法制造工艺，即对一宽约10mm，一定厚度的矩形压电晶体，通过计算机程控顺序开槽。2、多元线阵换能器的结构与功能

换能器阵列的结构1、阵元数量：阵元数量多，则主瓣窄，横向分辨力高，但是探头体积会增大2、阵元厚度：决定换能器的工作频率，通常超声波波长的1/23、单个阵元宽度（面积）：1）辐射强度，窄则，辐射弱，宽则，辐射强；2）主瓣扩散角，宽则，扩散角小；3）栅瓣，消除栅瓣的条件：阵元中心间距d<1/2λ综合考虑：通常取单个振元宽度与厚度之比小于0.64、开槽深度：开槽深则互耦小，开槽浅相互干扰大，收发分辨力降低。2、多元线阵换能器的结构与功能

(4)声学匹配层1.为什么要匹配2.如何匹配3.如何制作匹配层由于声透镜同时与晶体振元和人体接触，声透镜与这两者的声阻抗差别甚大，所以要设计声匹配层。

对匹配层除厚度与声阻抗的要求外，还要求其声阻尼要小，以减小对超声能量的损耗。在工艺上应保证其同时与晶体振元和声透镜接触良好。匹配层的制作，通常选用环氧树脂为基料，加入填料，均匀混合，加入固化剂固化。如果要求匹配层阻抗率大点的话，可选用密度较大的氧化钨等材料，如果阻抗率要求适中，可选玻璃粉，钛白粉等，阻抗率较低时，可选炭黑或者二氧化硅等。2、多元线阵换能器的结构与功能（5）透镜的作用通常聚焦声透镜是凹透镜，这种透镜不利于与被测物的贴合，比如与人体的贴合，这时，我们可以选凸透镜，采用声阻抗率低于人体组织的声学软性材料(如RTV硅胶)，制作透镜，这时制作出来的聚焦透镜是凸透镜。

压电片另一侧的声透镜的作用：聚焦，提高系统的横向分辨力，此外多阵元换能器的透镜设计，可以有效降低扫描面的厚度，降低声束容积效应引起的伪影。目录Contents1数字B超的关键参数2多元线阵换能器的结构与功能3数字B超中的扫描技术4数字B超的架构及DSC技术5小结3、数字B超中的扫描技术

3.1什么是扫描技术？扫描[scanning]：通过电子束、无线电波，声波等的左右移动或者角度转动在屏幕上显示出画面或图形。3、数字B超中的扫描技术

3.2机械扫描

按实现扫描的方式来看分为机械扫描和电子扫描;机械扇形扫描超声探头用于扇扫式B型超声诊断仪，它是依靠机械传动方式带动传感器往复摇摆或连续旋转来实现扇形扫描的。不足之处，是噪声大和探头寿命短。机械线扫机械扇扫3、数字B超中的扫描技术

电子扫描

把探头固定，用电子开关控制超声波束扫描。在一条线上配置多个振子。加在各振子上的信号用电子开关控制，可以任意做成直线扫描、扇形扫描、复合扫描等方式，从而易于实现实时描绘。其优点是：由于没有机械运动部分，主要优点是耐用，此外精度高，方便控制，是当前主要的扫描方式。(a)Linear(线性),(b)curvilinear(曲线),

(c)Trapezoidal(梯形),(d)sector(扇形)(e)radial(辐射)

3、数字B超中的扫描技术

3.3B超探头扫描分类按断层图像的形式来看有多种，主要有线性及扇形;线扫式断层B型超声波诊断仪适用于观察腹部脏器，如对肝、胆、脾、肾、子宫的检查，而扇扫断层B型超声波诊断仪适用于对心脏的检查。现代B型超声波诊断仪通常同时具备以上2种探查功能，通过配用不同的超声探头，方便地进行转换。3、数字B超中的扫描技术

3.4线性扫描的形成需要线形换能器阵，既用做发射，又用做接收。除了换能器外，还装有一部分电路，如：电子扫描、激励电路、前置放大电路,探头的核心部分是由压电材料制成的线形换能器阵。阵元不少于64个，阵元数量与B超图像质量、声学性能有很大关系，最多可达到400个。阵元与电子开关相连；电子开关的动作：每次只接通相邻的m个阵元，下次动作m个阵元往旁边移一个位置；声线在阵列的正中间，一帧断层像的扫线数为：

N＝n-m+1开关转换时间：

C为声速，a为预留量，l为最大诊断距离缺点：一、帧频低，二、扫线数少3、数字B超中的扫描技术

线性扫描的形成阵元与电子开关相连；电子开关的动作：每次只接通相邻的m个阵元，下次动作m个阵元往旁边移一个位置；声线在阵列的正中间，一帧断层像的扫线数为：

N＝n-m+1开关转换时间：

C为声速，a为预留量，l为最大诊断距离缺点：一、帧频低，二、扫线数少3、数字B超中的扫描技术

实例：两种常见的线扫技术，1）交错2)飞跃1）交错扫描方式：扫线数N增加一倍；2）飞跃扫描方式：扫线数N不变，降低了前后两次扫查束之间的干扰；1）交错2)飞跃

3、数字B超中的扫描技术

3.5扇扫的原理

相控扇扫的倾角于延时：相邻单元按一定时间差τ被同一激励源激励源或相邻阵元被有相同相位差δ的激励源激励。3、数字B超中的扫描技术

3、数字B超中的扫描技术

3.6相控波束成形采用固定聚焦延迟不可能沿声束方向在不同的探测深度获得了好的聚焦声束和很好分辨率，因此要根据产生回波脉冲界面的深度动态的改变聚焦延迟，使得聚焦区的变化速度与回波信号到达换能器的速度一致，实际应用中采用分段聚焦。3、数字B超中的扫描技术

延时模式B延时模式A波阵面A波阵面B焦点A焦点B阵元1）相控发射3、数字B超中的扫描技术

数字B超中的波束成形，接收过程2）接收过程3、数字B超中的扫描技术

3.7临床上采用的扫描形式目录Contents1数字B超的关键参数2多元线阵换能器的结构与功能3数字B超中的扫描技术4数字B超的架构及DSC技术5思考题4、数字B超的架构及DSC技术

4.1

B超中DSC的结构及功能1）可以对B超图像进行实时录像，图像冻结记录。2）使图像冻结和A超、M超以及多普勒血管信息的同时复合成为可能。3）改善图像质量：（1）使显示帧高于声束扫描帧；（2）便于图像处理；数字扫描变换器DigitalScanConverter（DSC）采用了DSC以后，解决了如下几个难题：4、数字B超的架构及DSC技术

1、A/D转换：将前端装置检波后的超声回波信号进行采样。采样率从几兆赫兹到20M赫兹，满足采样定律，采样精度可以是8bit，16bit等，表示灰阶的精细层度，比如灰阶64的B超采用6bit的变换器。2、波束形成模块：对A/D转换之后的信号进行延时加权求和，以达到动态聚焦的目的。3、前处理：对波束成形模块的输出进行二次采样和按扫描声束矢径方向平滑，TGC等预处理。4、帧存储器：这是DSC的核心装置，用来存储扇形扫描的超声图像，在微机控制下实现各种存储方式和显示方式。5、像素地址逻辑单元：主要将扇形扫描所得到的回波数据在极坐标中的位置转变为存储、显示所需要的直角坐标位置。6、D/A转换器扇形B超中DSC的工作原理4、数字B超的架构及DSC技术

1）回声的动态范围压缩和扩展（Compressthedynamicrangeofechoes）超声回波信号的动态范围非常大，有时可以达到100dB，100dB意味着最大信号与最小信号的幅度相差105，如果不对回波信号做预处理，我们在采集处理的时候无法兼顾多有的有效信号，而且一些回声若的小信号很可能会被强回声信号“亮闪”，同时，回波信号的范围也可能超出ADC的采样范围，所以需要对回声信号做动态范围调整。

4.2扇形B超中DSC的工作原理ADC的采样范围ADC的采样范围动态范围调整如果直接截取，必然丢失有用信息回波的有用信息并没有丢失ADC的采样范围4、数字B超的架构及DSC技术

4.2扇形B超中DSC的工作原理小信号放大倍数大，大信号放大倍数小4、数字B超的架构及DSC技术

2）

模数转换的过程AnaloguetoDigitalconverter

（1）采样-Sampling（2）量化与编码-Quantizationandcoding4、数字B超的架构及DSC技术

3）

前处理前处理：也称为预处理，基本方法有（1）二次采样：当任一个像素中采样点的个数大于1时，存储在像素地址中的采样值可由下述二次采样方法之一来确定：峰值法、点值法、峰偏值法、平均值法；（2）平滑处理，滤除高频噪声；（3）回声幅度查表；（4）深度无关的回声幅度校正；（5）真实幅度重显。4、数字B超的架构及DSC技术

A)在线形扫描中，采样及A/D转换所得回波数据的扫描坐标与显示可直接一一对应。B)在扇形扫描中，回波信息及其采样与A/D转换过程是在极坐标中进行，需要实现极坐标－直角坐标变换：顺序写入，非顺序读出；或者是非顺序写入，顺序读出；坐标变换，B型扇扫超声成像系统中，数字扫描变换器是将极坐标系转换为可供电视水平扫描显示的直角坐标系。这种不同坐标之间的转换可以用如下表达式表示：x=x0+Lsinθ

y=y0+Lcosθ式中，x0和y0是极坐标原点所对应的直角坐标位置；θ是扫描声束偏转角；L是沿扫描声束矢径上的采样深度。

4）

位置计算单元和帧存储器是数字扫描变换的关键4、数字B超的架构及DSC技术

5）后处理A）图像插补后处理（原因）在下图中，数字扫描变换器将扫描回波数据极坐标位置转换为直角坐标像素地址，并将直角坐标像素地址数字化到一个最接近的存储和显示像素地址。这样势必造成扇形图像近场区域内扫描回波数据个数大于存储和显示像素个数而显得太密。其次随着探查深度增加、相邻扫描线间距变大，以致扫描线之间某些显示像素没有给予回波数据赋值而形成显示器上的“黑洞”显示许多黑洞云集成“云纹状”，使图像质量下降。黑洞出现的个数与像素大小，超声探查深度，声速偏转角和成像帧频等因素有关。解决“黑洞”和“云纹”的方法:横向插入算法“云纹状”“云纹状”黑洞黑洞黑洞黑洞4、数字B超的架构及DSC技术

缺点：使得直角坐标的整个扫描上布满了数据，“云纹”失真减少了，然而写入过密的问题更加严重。（1）最简单的办法是横向插入算法，在两根邻近的扫描线间插入一根或者几根扫描线4、数字B超的架构及DSC技术

（2）可变的线性插补技术它比R-θ插补方法简单。且又避免了横向插入算法中出现的写入过密的问题。其原理是:从数字扫描变换器帧存储器输入两个相邻采样点的采样数据a和b。当a和b之间存在几个显示像素无采样数据赋值时，就根据a和b线性地插入几个像素点数据，插补方法为:

Δg=(a-b)/(n+1)

ai=ai-1-Δg你是如何理解评价该插补算法的？科学性，合理性，处理之后的效果？举例说明。4、数字B超的架构及DSC技术

灰阶处理包括灰阶伸展和压缩处理，常采用窗口处理方式。窗口处理又分为窗口提升处理和抑制处理。下面重点介绍窗口提升处理。这种处理主要为增加图像对比度。选择所存储图像的一个灰度窗口（范围）而加以增强，灰度窗口以外的灰度加以压缩或略去，而着重显示所需观察的灰度等级。这样做的目的是为了显示各组织结构，或突出或消隐图像中的某些部分，提高识别力和诊断力。这在临床运用中很重要，比如对于回声与周围十分接近的细小结构，可选用小提升窗口，逐级移置窗口段的方法予以显示，例如输卵管的显示，经过这种处后便于医生观察和分析诊断，通常所采用的窗口有以下几种方式，见下图。

B）

灰阶处理4、数字B超的架构及DSC技术

图（a）是线性变换，假定原图像的灰度范围为[m,M]，不在合适的观察范围，要把它变为[n,N]范围，变换函数为其中g（x，y）是变换函数；f（x，y）是原图像的灰度函数，利用这种变换把灰度比例增大和移动，使之充满动态范围[n,N],增强图像对比度。图（b）所示的变换函数也是线性变换，它可使图像亮区的灰度级均匀展开，而暗区变黑。图（c）和（d）是分段线性变换，这是最常用的变换方式。图（c）中，0至f1的回波强度级变黑，而f1-fm间灰度线性扩展。图（d）所示为重要部分的灰度级增加，其余部分灰度级压缩。如0至f1，f2至fm间斜率k<1，灰度被压缩，而f1至f2间灰度增强。4、数字B超的架构及DSC技术

4、数字B超的架构及DSC技术

C）γ校正的概念：现实世界中几乎所有的CRT显示设备、摄影胶片和许多电子照相机的光电转换特性都是非线性的。这些非线性部件的输出与输入之间的关系（例如，电子摄像机的输出电压与场景中光强度的关系，CRT发射的光的强度与输入电压的关系）可以用一个幂函数来表示，它的一般形式是：输出＝k(输入)γ

式中的γ(gamma)是幂函数的指数，它用来衡量非线性部件的转换特性。这种特性称为幂-律(power-law)转换特性。

伽马变换主要用于图像的校正，将漂白的图片或者是过黑的图片，进行修正，伽马变换也常常用于显示屏的校正。对于不同的伽马值，其对应的变换曲线如下图所示。根据下面两个实验，可以看出伽马变换的作用。4、数字B超的架构及DSC技术

伽马变换

图9-26γ校正变换结果图γ=1γ=0.4γ=2.54、数字B超的架构及DSC技术

D）帧相关：

帧相关处理是一种多帧图像平均法，它将同一像素点的前后几幅图像进行处理，可以是平均值、最大值或者新的像素值，用来达到减少噪声干扰的目的。可以认为一幅带有噪声的图像g（x,y）是由一幅原始图像f（x,y）和噪声n(x,y)叠加而成，即：g（x,y）=f（x,y）+n(x,y).如果n(x,y)是随机噪声，经过多幅图像平均叠加后，得到的图像：用这种方法可以减少原图像中的噪声，平滑后的图像g’（x,y）的均方差比原图像g（x,y）的均方误差小M倍，但是当M越大时，实时成像变得越困难。思考题：帧相关处理消除的是什么类型的噪声？4、数字B超的架构及DSC技术

（a）静止物体7帧相关（b）静止物体0帧相关4、数字B超的架构及DSC技术

（a）运动物体7帧相关（b）运动物体0帧相关4、数字B超的架构及DSC技术

E）其他处理技术

6）时间后处理；

7）读放大；

8）视频显示反转；

9）观察场间闪烁减小与平滑；

10）自动阀值；

11）边界检测与边沿增强；

12）直方图均衡等；

4、数字B超的架构及DSC技术

（股票代码:300633）秉承“开行业先河、立民族品牌”的理念，自成立以来一直致力于医疗设备的自主研发和制造。4.3数字B超的国内外现状深圳开立生物医疗科技股份有限公司4、数字B超的架构及DSC技术

迈瑞迈瑞公司是中国领先的高科技医疗设备研发制造厂商，同时也是全球医用诊断设备的创新领导者之一。N80全数字黑白超声诊断系统4、数字B超的架构及DSC技术

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