生物医学工程基础四-生物医学图象

1、2020/8/12,四川大学材料学院生物医学工程系,1,生物医学图象(Biomedical Image),生物医学工程基础（四） 超声医学成象 林江莉 （2007.11）,Imaging technologies are changing the way science is done (R.P. Crease, Science, Vol. 261, July 1993),2020/8/12,四川大学材料学院生物医学工程系,2,超声医学成象,医学超声是超声物理学、电子探测技术和生物医学在发展中相互渗透的产物，具有理、工、医相结合的特点。其研究包括基础物理理论研究、仪器工程开发、图像处理、换能材

2、料研究等相互联系又相互促进的多个方面。它以研究超声波与生物组织媒质互作用规律和生物效应为理论基础，以研制先进的生物医学超声仪器为工具，应用于诊断、康复、监护、普查人体疾病。,2020/8/12,四川大学材料学院生物医学工程系,3,主要内容,一、发展简史和发展概况 二、超声医学图象的特点 三、超声成像物理原理概述 四、超声成像系统的构成 五、超声探头与压电效应 六、超声成像工作方式 七、B超成像原理 八、超声医学成象的新进展,2020/8/12,四川大学材料学院生物医学工程系,4,一、发展简史和发展概况,1917年，压电超声辐射器发明，开创超声探测。（超声探测水下潜艇） 1928年，德国有了超声

3、治疗机发明专利 1939年，有了应用超声治疗效果的报告，超声对于关节炎和神经痛等疾病疗效显著。发展起了超声治疗学 40年代，超声脉冲回声法取代了透射法。A型超声诊断研制成功，开始超声诊断学 50年代，A型超声诊断获得推广应用。M型超声心功仪发明用于临床诊断,2020/8/12,四川大学材料学院生物医学工程系,5,一、发展简史和发展概况,60年代，B型超声诊断仪发明。各种医用超声新技术，如超声多普勒技术、超声全息超声显微镜等开始发展。 70年代，进入了蓬勃发展时期。B型超声显像仪不断更新换代，同时超声CT，超声刀和超声加热治癌研究不断发展 80年代，彩色多普勒血流技术迅速发展，3D超声诊断的研究

4、开始 80年代以来超声诊断的发展特点是由体表诊断向内窥诊断，出单参数诊断发展到多参数诊断，由定性观察向组织定征发展，由临床诊断向健康普查发展。,2020/8/12,四川大学材料学院生物医学工程系,6,一、发展简史和发展概况,40年代 探索阶段 50年代 A型、M型超声仪 70年代 灰阶实时超声（B型） 双功能超声仪（ B型+频谱） 80年代 彩色多普勒超声仪 （ B型+ 彩色+频谱） 90年代 新技术 （超声造影、谐波成像、 超高频探头、三维超声等）,2020/8/12,四川大学材料学院生物医学工程系,7,开端,1942Dr. Karl Theodore Dussik (1908-) 第一个发

5、表，用超声波透射脑部,2020/8/12,四川大学材料学院生物医学工程系,8,History：B-Mode出现,1949Dr. Douglass Howry, W. Roderick Bliss与Gerald Posakony 开发出用人体的反射声波成像之B-mode系统,2020/8/12,四川大学材料学院生物医学工程系,9,History：A-Mode,1951-Dr. John Julian Wild用A-mode超音波扫描人体,2020/8/12,四川大学材料学院生物医学工程系,10,History：接触皮肤的B-mode,1958Dr. Ian Donald 与电机工程师 Tom B

6、rown开发出接触皮肤的B-mode超声波探头,1,2020/8/12,四川大学材料学院生物医学工程系,11,History：末梢血管的血液流动,1959Dr. Shigeo Satomura(里村茂夫)与Dr. Ziro Kaneko首先发表用Doppler检查末梢血管的血液循环,2020/8/12,四川大学材料学院生物医学工程系,12,History：胎儿心脏检查,1964武汉医学院之王新房及萧济鹏医生首先发表用M-mode检查胎儿心脏,2020/8/12,四川大学材料学院生物医学工程系,13,History：3D,1984Dr. Kazunori Baba(马场一宪)首先开发出3D超音波

7、影像 1996-Dr. Kazunori Baba与ALOKA合作，发表实时3D超音波影像,2020/8/12,四川大学材料学院生物医学工程系,14,二、超声医学图象的特点,无伤害性 局部成像 可以动态显示体内器官的活动情况 血流显示 目前心脏功能评价和心脏疾病诊断的主要手段 分辨率低 图象质量差 Speckle noise Dynamic range,2020/8/12,四川大学材料学院生物医学工程系,15,三、超声成像物理原理概述,采用频率高于声波频率的超声波 (typically above 1MHz)，医用频率2.513MHz(常用2.5 5MHz) 超声是机械波，由物体机械振动产生，

8、用压电晶体产生超声波 进入人体的超声波遇到密度变化的组织界面时，产生较强的回波信号 记录回波 （Echoes） 反射波的延迟确定界面位置，根据接收到的回波成象，反映人体断面结构 对多普勒回波信号频移的分析，可以得到血流（组织）运动方向和速度信息,2020/8/12,四川大学材料学院生物医学工程系,16,人体组织对超声波的衰减系数,2020/8/12,四川大学材料学院生物医学工程系,17,超声波在人体中的传播速度,2020/8/12,四川大学材料学院生物医学工程系,18,超声在特性阻抗相同的介质中传播，不产生反射和散射 经过声阻抗不同的相邻介质时（声阻抗差大于0.1%），在交界面上产生： 反射、

9、折射（透射）（界面直径大于超声波波长，大界面） 散射与绕射(界面直径近似或小于波长,小界面）,2020/8/12,四川大学材料学院生物医学工程系,19,超声波的反射与折射,2020/8/12,四川大学材料学院生物医学工程系,20,当界面直径波长, 几乎只反射，无绕射，这时反射回波很强 当界面直径与波长相当，既反射又绕射，波的绕射使反射回波减弱 所以，超声波能探测到的最小病灶为波长2,2020/8/12,四川大学材料学院生物医学工程系,21,被界面反射的这部分声波携带着界面位置和形状的重要信息，而透射进去的那一部分声波，则继续前进，探索组织更深处的奥秘。 进入第二介质的超声继续往前传播，遇不同声

10、阻抗的介质时，再产生反射，依次类推 被检测的物体密度越不均匀，界面越多，则产生的反射也愈多。,2020/8/12,四川大学材料学院生物医学工程系,22,不同组织界面的反射率,2020/8/12,四川大学材料学院生物医学工程系,23,四、超声成像系统的构成,2020/8/12,四川大学材料学院生物医学工程系,24,线阵探头,凸阵探头,相控阵探头,五、超声探头与压电效应,线阵、 凸阵、 相控阵、 二维面阵,2020/8/12,四川大学材料学院生物医学工程系,25,Array Types,Linear Sequential (switched) 1 cm 10-15 cm, up to 512 el

11、ements Curvilinearsimilar to (a), wider field of view Linear Phasedup to 128 elements, small footprint cardiac imaging 1.5D Array3-9 elements in elevation allow for focusing 2D PhasedFocusing, steering in both dimensions,2020/8/12,四川大学材料学院生物医学工程系,26,超声探头产生与探测超声波原理,压电效应:Piezoelectric Effect 采用压电换能法，发

12、射、接收超声波 正压电效应（压电效应） 逆压电效应（电致伸缩效应）,2020/8/12,四川大学材料学院生物医学工程系,27,正压电效应（压电效应） The Direct Piezoelectric Effect,法国居里Pierre Curie对晶体对称性的研究, 发现压电效应 什么是正压电效应：形变电荷 一些离子型晶体的电介质(如石英、酒石酸钾钠、钛酸钡等)不仅在电场力作用下，而且在机械力作用下，都会产生极化现象.,正负电荷中心相对转移,2020/8/12,四川大学材料学院生物医学工程系,28,逆压电效应（电致伸缩效应） Converse Piezoelectric Effect,电压（电

13、场）形变 当在电介质的极化方向施加电场，这些电介质就在一定方向上产生机械变形或机械压力，当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失的现象。,2020/8/12,四川大学材料学院生物医学工程系,29,压电陶瓷的压电效应 压电陶瓷属于铁电体一类的物质，是人工制造的多晶压电材料，它具有类似铁磁材料磁畴结构的电畴结构。电畴是分子自发形成的区域，它有一定的极化方向，从而存在一定的电场。在无外电场作用时，各个电畴在晶体上杂乱分布，它们的极化效应被相互抵消，因此原始的压电陶瓷内极化强度为零。,直流电场E,剩余极化强度,剩余伸长,电场作用下的伸长,极化处理前,极化处理中,极化处理后,在陶瓷片上加一个与极化方向

14、平行的压力F： 陶瓷片将产生压缩形变（图中虚线），片内的正、负束缚电荷之间的距离变小，极化强度也变小。因此，原来吸附在电极上的自由电荷，有一部分被释放，而出现放电荷现象。 当压力撤消后，陶瓷片恢复原状(这是一个膨胀过程)，片内的正、负电荷之间的距离变大，极化强度也变大，因此电极上又吸附一部分自由电荷而出现充电现象。 正压电效应：机械效应转变为电能。,在陶瓷片上加一个与极化方向相同的电场 由于电场的方向与极化强度的方向相同，所以电场的作用使极化强度增大。这时，陶瓷片内的正负束缚电荷之间距离也增大，就是说，陶瓷片沿极化方向产生伸长形变（图中虚线）。 如果外加电场的方向与极化方向相反，则陶瓷片沿极化

15、方向产生缩短形变。 逆压电效应：电能转变为机械能,2020/8/12,四川大学材料学院生物医学工程系,32,如果施加较小的交变电场，压电陶瓷的长度就会周期变化，这种变化的频率与外加交变电场的频率一致。 超声发射探头就是这种电致伸缩效应，将电压转变为声压，并向人体发射 而利用压电效应接收超声波。,2020/8/12,四川大学材料学院生物医学工程系,33,压电材料Piezoelectric materials,种类： 压电晶体，如石英等； 压电陶瓷，如钛酸钡、锆钛酸铅等； 压电半导体，如硫化锌、碲化镉等。,2020/8/12,四川大学材料学院生物医学工程系,34,对压电材料特性要求,转换性能。要求

16、具有较大压电常数。 机械性能。压电元件作为受力元件，希望它的机械强度高、刚度大，以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率。 电性能。希望具有高电阻率和大介电常数，以减弱外部分布电容的影响并获得良好的低频特性。 环境适应性强。温度和湿度稳定性要好，要求具有较高的居里点，获得较宽的工作温度范围。 时间稳定性。要求压电性能不随时间变化,2020/8/12,四川大学材料学院生物医学工程系,35,六、超声成像工作方式：A型,2020/8/12,四川大学材料学院生物医学工程系,36,六、超声成像工作方式：M型,2020/8/12,四川大学材料学院生物医学工程系,37,六、超声成像工作方式：B型,2020/8

17、/12,四川大学材料学院生物医学工程系,38,六、超声成像工作方式：C型,2020/8/12,四川大学材料学院生物医学工程系,39,六、超声成像工作方式：D型（多普勒血流成像）,2020/8/12,四川大学材料学院生物医学工程系,40,多普勒血流测量原理,当发射超声传入人体某一血液流动区，被红细胞散射返回探头，回声信号的频率可增可减，朝向探头运动的血流，探头接收到的频率较发射频率增高，背离探头的血流则频率减低。这种接收频率与发射频率之差称多普勒频移或差频。,2020/8/12,四川大学材料学院生物医学工程系,41,多普勒血流测量原理,多普勒频移（Fd）与(发射频率（fo）、血流速度（V）、超声

18、束与血流间夹角（）的余弦)成正比，与声速（C）成反比，公式为： 式中Fd、cos均可测得，fo及C为已知，可以计算出V;声束与血流方向平行时可记录到最大血流速度，声束与血流方向垂直时则测不到血流信号。,2020/8/12,四川大学材料学院生物医学工程系,42,超声多普勒回波信号的频谱,2020/8/12,四川大学材料学院生物医学工程系,43,声谱图,2020/8/12,四川大学材料学院生物医学工程系,44,系统框图,2020/8/12,四川大学材料学院生物医学工程系,45,六、B超显像原理,2020/8/12,四川大学材料学院生物医学工程系,46,2020/8/12,四川大学材料学院生物医学工

19、程系,47,DP-9900全数字超声实验系统,(1)RF信号采集 探头的参数: 探头名称: 35C50HA 原来名称:CA3.5/R50 标称频率(MHz):3.5MHZ 半径 (mm) :50 阵元间距 (mm) : 0.498 阵元数量:128 最大角度为73度,2020/8/12,四川大学材料学院生物医学工程系,48,波束形成器,2020/8/12,四川大学材料学院生物医学工程系,49,换能器阵元数N,物理通道数 Z,波束形成通道数 M,波束形成器数 P,一个声束由17个振元合成发生, 文件链接,2020/8/12,四川大学材料学院生物医学工程系,50,换能器 阵元,回波 信号,2020

20、/8/12,四川大学材料学院生物医学工程系,51,B超的横向分辨率决定因素:,声束宽度决定 扫描线之间的距离 等于振元中心间距d 半个振元中心间距d(DP-9900半间距扫描) 四分之一个振元中心间距d,2020/8/12,四川大学材料学院生物医学工程系,52,2020/8/12,四川大学材料学院生物医学工程系,53,2020/8/12,四川大学材料学院生物医学工程系,54,(2)高通滤波 (滤除直流分量) (3)RF信号正交移频,2020/8/12,四川大学材料学院生物医学工程系,55,(4)低通滤波 采用积分梳状滤波器(设计滤波器设计),滤波器的阶数n62 滤波器的通带截止频率过大 阻带截

21、止频率过小,2020/8/12,四川大学材料学院生物医学工程系,56,滤波器的阶数n138 获得了足够大的阻带衰减,2020/8/12,四川大学材料学院生物医学工程系,57,2020/8/12,四川大学材料学院生物医学工程系,58,(5) 数据抽取: 进行16倍抽取,2020/8/12,四川大学材料学院生物医学工程系,59,(6)图象灰度的对数线性变换实质: 图象增强算法的点处理方法,2020/8/12,四川大学材料学院生物医学工程系,60,坐标变换 数据插补,(7)坐标变换,2020/8/12,四川大学材料学院生物医学工程系,61,2020/8/12,四川大学材料学院生物医学工程系,62,彩色多普勒超声图象（心脏）,2020/8/12,四川大学材料学院生物医学工程系,63,彩色多普勒超声图象（肾脏）,2020/8/12,四川大学材料学院生物医学工程系,64,小型化,2020/8/12,四川大学材料学院生物医学工程系,65,我国的超声仪,2020/8/12,四川大学材料学院生物医