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什么是超声波什么是超声波超声波是机械波，由物体机械振动产生。频率高于20kHz具有波长、频率和传播速度等物量。超声波需在介质中传播，其速度因介质不同而异，在固体中最快，液体中次之，气体中最慢。第1页/共64页超声波的特性超声波的特性 直线传播直线传播 良好的指向性良好的指向性 衰减性衰减性 反射性反射性 多普勒效应多普勒效应第2页/共64页多普勒效应：声源和接收体作相对运动时，接收体在单位时间内收到的振动次数（频率），除声源发出者外，还由于接收体向前运动而多接收到（距离/波长个）振动，即收到的频率增加了。相反，声源和接收体作背离运动时，接收体收到的频率就减少，这种频率增加和减少的现象称为多普勒效应第3页/共64页超声技术的发展历程超声技术的发展历程1942年年发现超声现象发现超声现象1949年年出现二维图像出现二维图像1950年年应用于脑部成像应用于脑部成像1954年年应用于心脏扫描应用于心脏扫描1957年年多普勒效应多普勒效应1973年年出现脉冲选通技术出现脉冲选通技术80年代年代彩色多普勒血流成像技术彩色多普勒血流成像技术第4页/共64页A超（Amplitude modulation display）M超B超（Brightness modulation display）D超（多谱勒）脉冲多谱勒（PW）连续多谱勒（CW）C超（彩色多谱勒）超声临床应用基础知识超声临床应用基础知识第5页/共64页A型回声图示意图第6页/共64页A型：属一维超声、回声强度以振幅显示、探头由单晶片构成，主要用于腹部、头颅、眼、胸腔等检查，现多已淘汰。图15-1-7A型回声图示意图回声图轴(振幅高度)代表回声强度、X轴代表深度第7页/共64页M型超声心动图示意图和扫描示意图第8页/共64页.M型：一维、光点显示、光点的亮度代表回声强弱、探头为单晶片，用于心脏、胎心、血管检查、显示心脏、血管结构的活动规迹曲线图又称M型超声心动图。图15-1-8M型超声心动图示意图扫描示意图M型心动图Y轴代表深度，X轴代表时间第9页/共64页B型：即使我们所说得B超，它是以二维、光点显示。图中切面超声心动图示a、快速扇形扫描示意，b、切面超声心动图Y轴代表深度，X轴代表心脏长轴。第10页/共64页a、线阵仪扫描示意，b声象图显示，Y轴代表深度。X轴代表上下或左右图15-1-10B型电子线阵显示示意图第11页/共64页超声多普勒利用多普勒效应原理检测运动物体。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。接收频率与发射频率之差称多普勒频移或差频。多普勒频移（fd）与发射频率（fo）、血流速度（V）、超声束与血流间夹角（）的余弦成正比，与声速（C）成反比，第12页/共64页公式为：V=fdCcos/2fo式中fd、cos仪器均可显示，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。第13页/共64页目前常用的超声多普勒有连续波多普（CWD）、脉冲波多普勒（PWD）及彩色多普（CDFI）。（1）连续波多普勒：一维频谱显示、探头内有二个晶片一收一发，用于检测高速血流。连续波多普勒以频谱显示，可单独使用，亦可与二维超声心动图结合。接收取样线经过部位上所有频移信号，其优点为可以测定高速血流，常用于测定心脏瓣口狭窄或返流的高速血流。缺点为不能区分信号来源深度。第14页/共64页超声多普勒显示示意图a、多普勒取样部位显示。B多普勒频谱图。Y轴代表频移（血流速度）。X轴代表时间。第15页/共64页脉冲波多普勒：一维、频谱显示，探头由单晶片组成、兼收、发。常与二维超声相结合，用于检测血流速度、方向、性质等。脉冲波多普勒亦以频谱显示，与二维超声相结合，可以选择心脏或血管内任一部位的小容积血流显示血流实时频谱。频谱可显示血流方向（朝向探头的血流在基线上，背离探头的血流在基线下），血流性质（正常的层流呈空窗型如图14-1-5，湍流则呈充填型如图15-1-6），血流速度（频谱上信号的振幅）、血流持续时间（横座标显示时间）。可供定性、定量分析。其特点为所测血流速度受探测深度及发射频率等因素限制。通常不能测高速血流。第16页/共64页图15-1-5正常脉冲多普勒频谱左图示超声束经血管内层流血流右图为所显示正常血流频谱（空窗型）第17页/共64页图15-1-6脉冲多普勒湍流频谱左图示超声束经狭窄后的湍流血流。右图为湍流频谱（充填型）第18页/共64页彩色多普勒：二维、光点显示、以伪彩色代表血流方向、性质及速度。它利用脉冲多普勒原理，在心脏或血管内多线、多点取样，回声经处理后进行彩色编码，显示血流速度剖面图，以红色代表朝向探头的血流、兰色代表背离探头的血流、与二维超声心动图套叠显示，可直观地显示心脏或血管的形态结构及血流信息的实时动态图像，信息最大，敏感性高，并可引导脉冲或连续多普勒取样部位，进行定量分析。第19页/共64页多普勒主要用于检测心腔及血管内血流。彩色多普勒仪都具有B型、M型、连续波、脉冲波多普勒功能、根据需要任意选择使用。第20页/共64页探头的种类和特性第21页/共64页（一）机械扇扫探头将单个圆盘形振子(其直径为12mm20mm)安置在扇形摆动架上，由电机驱动作扇形摆动扫描的机械扇扫探头机械扇扫探头己是八十年代使用的最多的技术；由于超声振子附着在一个机械摆架上，摆动的角度和摆动频率都受到一定限止，如它的最大摆动角度只有度，比不上现代电子相控阵凸阵探头的扇扫角度90度，更比不上微凸阵探头170度，和曲阵探头240度的扇扫角度在机械扇扫探头内必须充有探头油，探头油要具有良好声透性，又要是低密度、低阻力、绝缘性好的液体机械扇扫探头的使用寿命也不如相控阵凸阵探头；但是在使用上，两者都不需要移动时，就可获得一幅图像第22页/共64页(二)线阵探头线阵探头有64、128、256和512振元组成的多种探头；由于振元晶片切割的厚度不同，它的使用频率不同，它的线阵排列的长度也不同，工作频率低的,其尺寸就长一些第23页/共64页（三）凸阵探头凸阵探头有不同频率、不同弧面尺寸的通用凸阵探头和变频凸阵探头,还有一种适用小器官的微凸阵探头凸阵探头的扇扫角度达80多度,微凸阵探头可应用于小器官探查,其扇扫角度大于90度.目前在彩色多普勒超声诊断仪使用变频探头,变频探头的设计主要适用于一次探扫中，能进行多部位扫描,也适用于不同体形的超声探查第24页/共64页(四)相控阵探头相控阵探头有多种形状,如图3-1-7-7展示了六种相控阵探头,其中第1至第4是4种不同频率的相控阵探头；图中笫号是一种5.0MHz的经食道对心脏进行探查的相控阵探头；图中笫号是一种探测平面宽度很小，表面接触式相控阵探头，可用于心脏手术第25页/共64页(五)矩阵式探头矩阵式探头的振元块是由切割成数百个方块到数千个方块的矩阵组成如Philips4Matrix型超极矩阵式探头,是由3000个阵元块组成；它要有150多个计算机电子板进行接（六）超声多普勒探头第26页/共64页（六）超声多普勒探头测量血流的超声多普勒探头是双晶片分隔式或分离式的简易式换能器。探测多普勒频谱的超声多普勒探头也是专用的.现在许多凸阵、线阵、相控阵及腔内探头均具有PWD(脉冲多普勒)和HRPF超声多普勒探扫功能,相控阵探头还具有CWD(连续多普勒)探扫功能.脉冲多普勒的脉冲重复频率的应用范围是1kHz29kHz.第27页/共64页C5-2P2-5Ec4-9P3-7C3-7S-VAW4-7第28页/共64页-临床应用临床应用-腹部腹部产科产科妇科妇科胎儿心脏胎儿心脏泌尿科泌尿科小器官小器官胸部胸部血管血管儿科儿科成人心脏成人心脏儿科回波儿科回波颅脑横断颅脑横断肌肉与骨骼肌肉与骨骼第29页/共64页超声临床应用技术简介超声临床应用技术简介 数字波束成形技术数字波束成形技术 谐波成像技术谐波成像技术 复合闪烁自动消除技术复合闪烁自动消除技术 三维成像技术三维成像技术第30页/共64页数字波束形成的原理数字波束形成的原理 第31页/共64页模拟波束形成存在的问题模拟波束形成存在的问题模拟波束形成存在的问题模拟波束形成存在的问题不精确的时间延迟非线性衰减多重反射S SS S数字时间延迟反射器阵元信号加法器显示数字波束形成的意义全程像素聚焦宽频带稳定性可编程性第32页/共64页多声束成像技术多声束成像技术第33页/共64页多声束成像技术多声束成像技术图中所示为多声束成像的基本理论。传统的单声束扫描仪在处理信号时一次只可发射和接收一个声波脉冲信号，而多声束扫描仪发射一次信号可接收四个声脉冲信号，从而得到一无伪影的运动影像。第34页/共64页多声束是如何工作的?-技术背景 探探头头接接到到信信号号后后，4 4个个声声束束成成形形器器以以并并行行的的方方式式处处理理反反射射信信号号，产产生生高高帧帧频频、高高分分辨辨率率的的二二维维或或三三维图像维图像。第35页/共64页谐波成像技术谐波成像技术OHI最佳谐波成像双向谐波成像反向脉冲谐波成像第36页/共64页造影剂和非造影剂谐波成像造影剂和非造影剂谐波成像 二次谐波二次谐波 最佳组织谐波最佳组织谐波最佳谐波成像技术（最佳谐波成像技术（OHIOHI）第37页/共64页发送频率 2MHz接收频率4MHz内部器官或组织发送频率 2MHz接收频率4MHz非造影式和造影式谐波成像没有使用造影剂使用造影剂第38页/共64页 它是通过检测超声造它是通过检测超声造影剂微泡产生的二次谐影剂微泡产生的二次谐波来显示微血管低速血波来显示微血管低速血流的声学显像方法，它流的声学显像方法，它具有去除背景噪声，突具有去除背景噪声，突出检测目标的优点。出检测目标的优点。二二次次谐谐波波第39页/共64页它它不不需需要要使使用用造造影影剂剂，通通过过检检测测人人体体组组织织的的谐谐波波成成分分提提供供高高对对比比分分辨辨力的优质图像。力的优质图像。组组织织谐谐波波技技术术可可有有效效的的提提高高空空间间分分辨辨力力，对对于于普普通通显显像像困困难难的的肥肥胖胖人人、老老年年人人、心心脏脏扫扫查查窗窗很很差的病人尤为有效。差的病人尤为有效。最最佳佳组组织织谐谐波波第40页/共64页2Mhz4Mhz提高空间分辨率和对比度提高空间分辨率和对比度图像的中心区域更为清晰图像的中心区域更为清晰使用于老人和肥胖病人使用于老人和肥胖病人滤除原始的反射回波信号滤除原始的反射回波信号接收接收4MHz4MHz的信号的信号双向谐波成像技术双向谐波成像技术第41页/共64页 反反相相脉脉冲冲谐谐波波传传送送的的是是两两个个同同类类但但极极性性截截然然相相反反的的脉脉冲冲，采采用用实实时时数数字字存存储储和和相相取取消消技技术术，生生成成一一真真正正的的谐谐波波信信号号。可可以以提提高高灵灵敏敏度度和和空空间间分分辨辨率率，使使心心脏脏结结构构更更为为清清晰晰，尤尤可可提提高高微微量量造造影影剂剂在在影像上显示的清晰度，为临床医生提供诊断所需的信息。影像上显示的清晰度，为临床医生提供诊断所需的信息。反向脉冲谐波成像技术第42页/共64页复合闪烁自动消除技术新型的新型的 CAFE 数字信号处理数字信号处理CAFE“复合自动噪声消除”在用彩色多普勒检查期间,消除人为噪声的干扰。FrequencyEstimatorPostProcessingQuadratureDemodulatorProbeDBFQuadratureDemodulatorCluttreFilterPostProcessingProbeDBFCluttreFilterFrequencyEstimatorConventionalCAFECAFE第43页/共64页 表面成像模式表面成像模式三维容积成像模式（三维容积成像模式（VOCALVOCAL、MagiCutMagiCut）三维成像技术三维成像技术第44页/共64页 真实的、自如旋转的、带有丰实表面信息的胎儿面部图，栩栩如生。表面模式表面模式第45页/共64页在三个相交平面上自动进行前列腺的容积测量VOCAL TM 虚拟人体器官计算机辅助分析技术虚拟人体器官计算机辅助分析技术第46页/共64页图中所示为X线断层扫描方式逐层显示胎儿脑部的扫描影像。MagiCutPlusTM可以剪切掉影像中不需要的部分。并可在已存档的三维影像上以X线断层扫描成像的方式逐层显示，可以逐层观察肿瘤以下的结构。MAGICUT PLUS TM先进的电子编辑软件先进的电子编辑软件第47页/共64页现代医学超声诊断仪新技术发展特现代医学超声诊断仪新技术发展特点点 从20世纪70年代到90年代，多阵元超声换能器技术、数字扫描转换技术、超声多普勒检测技术、数字声束成形技术等重大技术的突破，有力地促进医学超声诊断仪的发展，促进了医学超声图像诊断的蓬勃发展和深入应用。由于低强度超声对人体组织不产生损伤，使超声图像诊断成为医学图像诊断的首选技术。现代医学超声诊断仪已是最新医学超声基础理论研究、新型压电材料和超声换能器研制、计算机处理、声成像技术与信息传输技术相结合的产物。70年代以B型超声显像技术为特征，80年代彩色多普勒血流成像技术为特征，90年代则以超声体成像为特征。而当今医学超声诊断的新技术发展特点主要体现在宽频带化、数字化、多功能化、多维化及信息化等五个方面的综合应用上，这一发展趋势在90年代后期已日渐明显，也引导着未来先进医学超声诊断设备研制的创新思维。第48页/共64页一宽频带化80年代中期，人们根据超声在生物组织中的衰减规律及其对超声图像的影响，开发了宽频带探头，如中心频率为3.5MHz的探头，可以产生2.56MHz的超声波，其有效带宽可达到3MHz左右，检测表浅组织时由于高频率可以提高分辨率，而对深部组织时由有较低频形成衰减较少的回声信号，从而使深部组织结构得以较清晰的图像显示，因此在宽频带探头的检测下可以形成多频率构成的图像，又称为融合图像技术。这也是与动态滤波信号处理技术的应用密不可分的，同时整个信号处理通道响应带通也应提高到相应宽带的程度。第49页/共64页90年代，变频宽带探头和超宽频带探头获得应用，例如同一只探头可以变换产生2.5、3.5、6MHz为中心频率的超声波，小器官探头可以产生5、7、9MHz中心频率的超声波，其频带宽度可以达到8MHz以上。超宽频带探头已可以产生1.812MHz的超声波，术中探头则能发射615MHz的超声波，可以准确显示浅表血管壁与内膜。超高频探头可产生60100MHz的超声波，极大地提高了皮肤及表浅组织的分辨率。变中心频率宽频带探头的应用为诊断医师提供了方便，也可以更容易获得更为清晰的图像，提高了检测灵敏度和动态范围。但信噪比则略有下降。宽频带化是医学超声诊断仪的重要技术发展。实际上超声二次谐波信号接收与处理，也是扩展信号的带宽第50页/共64页二数字化80年代中期，国际出现了将原来单一信号通道发展成同时发射和接收处理128路回声信号，并由微机控制，由模、数混合运算，计算出符合声学理论计算的每个回波声束(即波束成形器)，由软件控制的声透镜(DCLS)作动态聚焦、动态变迹、动态孔径和增强处理，这实际上是由软件控制实现回声信号的前端数字化处理，多通道同时处理提高了成像速度。随后，又出现了以全数字运算微机控制的128通道回声信号进行前端数字处理的超声显像诊断仪。理论上，全数字声束成形技术能够进一步减少非线性衰减延迟的相关失真和信号传输损失，实现了按象素点聚焦声束。在数字化超声诊断仪的基础上，进一步发展了全数字化超声诊断仪，现已达512路数字声束形成器。它还包括了数字图像管理和存档(PACS)以及数字图像传输等系统。第51页/共64页三多功能化根据超声与生物相互作用基础理论研究的最新进展，发展新的检测参数并用于临床医学，始终贯穿着医学超声诊断仪的发展过程，如最初利用组织界面声特性阻抗的差异，检测界面反向回声信号，形成了初期的黑白灰阶B型超声图像，而后在超声多普勒效应的基础上，利用血流形成的超声多普勒频移从而检测流速，随即又发展成以彩色显示流向的彩色多普勒成像技术。这两大技术检测的分别是声阻抗与频移参量。新参量的发现与应用，将导致医学超声设备的发展和功能增强。90年代中期以来，一些新参量发展带来超声诊断仪的多功能化。第52页/共64页1.能量图能量图建立在利用超声多普勒方法检测慢速血流信号的基础上。但除去了频移信号，仅利用由红血球散射能量形成的幅度信号。它可以出色地显示细小血管分布，不受血流角度及弯曲度的影响，又称为超声血流造影技术。新近发展的方向性能量图则全面利用了幅值及频移信号，有时又称为辐合全彩色多普勒(CovergentColorDoppler，CCD)。既可以显示血管分布，又可以检出血流平均速度，为诊断提供了新方法。第53页/共64页2.谐波成像通常超声换能器中的压电振子以固有频率谐振，发射基频超声波。若产生频率为基频几倍的超声波则称为n次谐波。超声二次谐波成像就是利用接收2倍于基频的超声信号来提取有用信息并结合到所显示的像图上。二次谐波信号只在特定情况下才能激发产生，并被高灵敏超声换能器接收到。由于声衰减量与频率平方成比例，通常二次谐波超声信号是很弱的。目前利用的二次谐波成像技术主要有两种，即自然组织二次谐波成像和造影剂二次谐波成像。前者来自于检测组织所产生的非线性声学效应。后者则来自于造影剂微气泡突然破裂所产生的激波信号。利用超声二次谐波成像可以进一步诊断心脏功能及心肌存活情况，也可为心肌密度定量分析提供依据。分谐波(Subharmonic)成像技术正在发展，它利用的是1/2或1/3基频探测人体组织，可以减少声衰减，提高侧向分辨。第54页/共64页3.组织特征参数成像诊断定量化一直是超声医学及工程学追求的目标。目前已对组织速度、弹性、B/A(非线性声参数)测量取得重大进展，利用超声多普勒法除测量与显示血流速度外，对心室壁面的快速运动同样可以应用，形成组织速度图像。另一种方法是采用高帧频采集技术，其帧频可近400Hz左右，以高速采集全部室壁的运动动态信息，然后再将彩色(速度)信息与组织灰阶信号相混合，从而显示运动组织的状况。组织弹性声成像(Sonoelastogram)反映组织弹性特征。它利用特制超声源对被测组织进行辐射激振，测量其动态位移，由应变与辐射力计算出相应的弹性系数加以显示。可以显示组织的弹性及老化状态。第55页/共64页4.复合图像技术最先出现的是多频图像技术，它利用宽带发射探头发射宽带超声波，而在接收过程中利用动态滤波技术，使得由浅入深接收的组织回声信号频率由高到低逐渐变化，形成整幅均匀而清晰的图像。另一种方法是控制高速图像采集系统，使其一幅图像来自于频带宽度的上缘，另一幅来自频带宽度的下缘，然后选择性接收与融合成一幅高清晰度图像。也有利用一次信号发射，同时从同一个面上的4个方向采集四组图像信号(4倍信号处理技术)组合成一幅高密度高清晰度的图像。近来又出现多波束、多角度进行复合扫描的技术，可以同时获得9倍于常规扫描的信息，进一步提高了图像质量，也提高了帧频。这些技术旨在克服随探测距离增加的组织声衰减，使显示的一幅图像由不同频率的回声信号构成。第56页/共64页5.相位参量应用90年代中期，在长期应用幅度参量超声成像的基础上，开发了同时利用相位与幅度信息的成像技术，即相干信号处理成像技术。它拥有256/512条数字处理通道，同时应用多声束成形器获得振幅与相位数据，然后用来构成图像单元。可以将成像速度提高一倍，并极大地提高了诊断分辨率。另一种是时相或时域分析技术，建立在回声信号高速采集与分析的基础上，实质上利用了运动的相位，自动时相显示技术可以用来分析心脏整体及局部运动状态及功能。而以时域分析技术为基础的时域血管造影和速度成像也为诊断提供了新信息。第57页/共64页6.自动分析技术90年代，B型超声诊断仪的各种测量与计算功能逐渐软件包化，而测量则先要选择相应的菜单。利用不同的测量菜单操作可以自动分析心率(HR)，心脏指数(CI)，每搏输出指数(SI)等，利用股骨长(FL)、双顶径(BPD)、孕囊(GS)等预测胎儿预产期及生长曲线等，在一些仪器上还备有一些专家诊断系统，为用户分析提供重要参考。第58页/共64页四多维化虽然换能器多阵元和宽频带技术、数字扫描转换技术、数字声束形成器技术、超声多普勒技术等有力地促进医学超声二维图像技术的飞跃发展，但在深入应用中也发现其不足之处:诊断的准确性较高地依赖于诊断医师掌握仪器的能力与医学知识;成像面间隙区域信号丢失;受检体空间结构是在诊断医师大脑中瞬间合成的印象;介入性治疗明显受到平面声像制约。第59页/共64页严格地说来，显示空间形态与结构(x，y，z)的是三维参数图像，能够显示结构运动(x，y，z，v)是四维参量图像，即动态体成像。而又能在动态体图像上同时显示动态血流的是五维(x，y，z，t，v)参量图像，可称为彩色动态体成像。目前实现体成像大致有两种途径，一是利用三维探头实现空间扫描，并重建体图像。二是利用图像处理工作站附加在主机上采集存储图像然后重建体图像，前者较为快捷，且失真度小。第60页/共64页五信息化90年代在许多中档灰阶显示的B型超声诊断仪上已有较强的计算机图像处理功能，实现多种图像处理及变换，图像存储回放可达896幅，自动计算与报告，还有胎儿生长曲线，产期预测等各种功能曲线显示，信息处理能力明显增加。90年代中期，多种功能强大的图像处理工作站相继问世，除了上述功能外，可以存档图像1万幅以上，可以由二维图像重建三维图像(目前大多是表面模式显示)，可以与互联网相接，而近来又在一些处理机上实现了远程图像传递及远程会诊，而在一些高性能仪中自身就具有此种功能，超声诊断信息化正逐步向前发展，这给超声诊断带来突破性进展。多种技术综合运用的能力与水平，也是衡量现代医学超声诊断仪性能的重要标志。第61页/共64页提问与回答第62页/共64页谢谢大家！谢谢大家！第63页/共64页感谢您的观看！第64页/共64页
