第七章超声波成像课件.ppt

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1、)(Hz 19171917年，法国科学家年，法国科学家保罗保罗朗之万朗之万首次使用由石首次使用由石英晶体制成的超声换能器，并发明了声纳，即声英晶体制成的超声换能器，并发明了声纳，即声探测与定位技术，被成功地用于探测水下潜艇。探测与定位技术，被成功地用于探测水下潜艇。2020世纪世纪3030年代，超声用于医学治疗和工业金属探年代，超声用于医学治疗和工业金属探伤，从而使超声治疗在医学超声中最先获得发展。伤，从而使超声治疗在医学超声中最先获得发展。 19421942年，年，杜希克和费尔斯通杜希克和费尔斯通首先把工业超声探伤首先把工业超声探伤原理用于医学诊断。用连续超声波诊断颅脑疾病。原理用于医学诊断

2、。用连续超声波诊断颅脑疾病。19461946年研究应用反射波方法进行医学超声诊断，年研究应用反射波方法进行医学超声诊断，提出了型超声诊断技术原理。提出了型超声诊断技术原理。 9090年代，医学超声影像设备一方面是价格低廉的便携年代，医学超声影像设备一方面是价格低廉的便携式超声诊断仪大量进入市场，另一方面是向综合化、式超声诊断仪大量进入市场，另一方面是向综合化、自动化、定量化和多功能等方向发展。介入超声、全自动化、定量化和多功能等方向发展。介入超声、全数字化电脑超声成像、三维成像及超声组织定性不断数字化电脑超声成像、三维成像及超声组织定性不断取得进展。取得进展。 在探头方面，新型材料、新式换能器

3、不断推出，如高在探头方面，新型材料、新式换能器不断推出，如高频探头、腔体探头、高密度探头相继问世，进一步提频探头、腔体探头、高密度探头相继问世，进一步提高了超声诊断设备的档次与水平。高了超声诊断设备的档次与水平。 总之，随着医学进步和超声技术的发展，多种新型的总之，随着医学进步和超声技术的发展，多种新型的医用超声设备将不断涌现。医用超声设备将不断涌现。2121世纪必将是医学超声技世纪必将是医学超声技术蓬勃发展、日新月异的新世纪！术蓬勃发展、日新月异的新世纪！ （二）超声波的特点（二）超声波的特点 1 1、超声可在气体、液体、固体等介质中传播。、超声可在气体、液体、固体等介质中传播。 2 2、超

4、声呈直线传播且能量容易会聚。能量的会聚是通、超声呈直线传播且能量容易会聚。能量的会聚是通 过聚焦来实现的。过聚焦来实现的。 3 3、电声转换容易且能量大。其电声的转换是通过压电、电声转换容易且能量大。其电声的转换是通过压电 材料来实现的。材料来实现的。 4 4、超声在传播过程中会产生反射、折射、散射、绕、超声在传播过程中会产生反射、折射、散射、绕 射、射、 干涉、共振等现象。干涉、共振等现象。 5 5、超声在产生、传播、接收与相互作用，相互影响因、超声在产生、传播、接收与相互作用，相互影响因 素多，故在超声成像过程中易形成伪像。素多，故在超声成像过程中易形成伪像。 6 6、超声工作安静且危害少

5、。、超声工作安静且危害少。 振动是指质点在平衡位置上来回往复的运动；振动是指质点在平衡位置上来回往复的运动； 波动是指振动在介质中的传播（简称为波）。波动是指振动在介质中的传播（简称为波）。 波分为电磁波和机械波二大类，超声属于机械波波分为电磁波和机械波二大类，超声属于机械波; ; X X线属于电磁波。线属于电磁波。纵波：质点的振动方向与波传播方向一致的波。纵波：质点的振动方向与波传播方向一致的波。 横波：质点的振动方向与波传播方向垂直的波。横波：质点的振动方向与波传播方向垂直的波。在超声诊断中，声波在人体所有软组织中均以纵在超声诊断中，声波在人体所有软组织中均以纵波的形式传播，故诊断用超声都

6、为纵波。波的形式传播，故诊断用超声都为纵波。对于纵波对于纵波, ,等于两相邻密集点等于两相邻密集点( (或稀疏点或稀疏点) )间的距离间的距离, ,如图如图(a)(a)所示所示; ;对于横波对于横波, ,则是从一个波峰则是从一个波峰( (或波谷或波谷) )到相邻波峰到相邻波峰( (波谷波谷) )的距的距离离, ,如图如图(b)(b)所示。所示。 超声在介质中单位时间传播的距离称为声速。超声在介质中单位时间传播的距离称为声速。 用用C C表示，单位表示，单位m ms s。 1 1、不同频率的超声在相同介质中传播其声速相同。、不同频率的超声在相同介质中传播其声速相同。 2 2、相同频率的超声在不同

7、介质中传播其声速不同。、相同频率的超声在不同介质中传播其声速不同。 3 3、超声在软组织（液体）中传播的速度约为、超声在软组织（液体）中传播的速度约为 1500m 1500ms s，在骨骼中传播的速度约为，在骨骼中传播的速度约为4080m4080ms s， 在气体中传播的速度约为在气体中传播的速度约为330m330ms s。 4 4、超声诊断仪测量病变的位置和大小就是以超声在人体、超声诊断仪测量病变的位置和大小就是以超声在人体 中传播的速度为依据的。中传播的速度为依据的。 fc 1、声阻抗：指介质的密度()与超声在介质中传播的速度(c)的乘积。用Zs表示：Zs = c 2、声阻抗差：指两种不同

8、介质声阻抗的差值。 通常情况下，反射系数满足以下关系式： 式中，z1和z2分别是两种介质的声阻抗，i为入射角,t为折射角。 两种介质只要存在声阻抗差就可在界面上引起超声反射，声阻抗差越大，反射越强，则折射声能就越弱，反之亦然。ttCosZCosZCosZCosZR112112Z1Z2C1C2itr1 1、概念：当入射声能遇到声阻、概念：当入射声能遇到声阻抗不同的两种介质的大界面时，抗不同的两种介质的大界面时，入射声能部分或全部返回原介质入射声能部分或全部返回原介质中传播的现象称为反射。中传播的现象称为反射。2 2、形成条件：、形成条件： 1 1）两种介质存在声阻抗差。）两种介质存在声阻抗差。

9、2 2）大界面。）大界面。3 3、入射、反射和折射的关系：、入射、反射和折射的关系：入射声能反射声能折射声能入射声能反射声能折射声能4 4、Z2Z1Z3d21ccSinSinti 超声波遇到界面的尺寸与超声波长相似的界面时，超声波遇到界面的尺寸与超声波长相似的界面时，超声能绕过该界面继续向前传播的现象称为绕射。超声能绕过该界面继续向前传播的现象称为绕射。1 1、概念：超声波遇、概念：超声波遇到界面尺寸小于波长到界面尺寸小于波长的微粒时，能使微粒的微粒时，能使微粒振动而向四周辐射声振动而向四周辐射声能的现象称为散射。能的现象称为散射。2 2、产生条件：界面、产生条件：界面尺寸小于超声波长。尺寸小

10、于超声波长。3 3、超声散射是形成超声散射是形成人体内部组织结构图人体内部组织结构图像的另一个声学基础。像的另一个声学基础。它能获得人体内微细它能获得人体内微细结构的信息，用于医结构的信息，用于医学诊断。学诊断。 利用超声的反射观察脏器的轮廓，利利用超声的反射观察脏器的轮廓，利用超声的散射弄清楚脏器内部的病变用超声的散射弄清楚脏器内部的病变。 当声源与接收器之间出现相对运动时，接收的回当声源与接收器之间出现相对运动时，接收的回波频率与发射频率会发生改变，当它们相互靠近波频率与发射频率会发生改变，当它们相互靠近时，回波频率会升高，当它们彼此远离时，回波时，回波频率会升高，当它们彼此远离时，回波频

11、率会降低，这种频率的差异称为频率会降低，这种频率的差异称为频移频移即多普勒即多普勒效应。效应。 f0f0为波源的频率，为波源的频率，f f为接收回波的频率，为波源的为接收回波的频率，为波源的运动速度，运动速度， 为接收器的运动速度。式中的为接收器的运动速度。式中的 、 在相互靠近时为正，彼此远离时为负。在相互靠近时为正，彼此远离时为负。0fucccfuul接收频率与发射频率之差称多普勒频移或差频接收频率与发射频率之差称多普勒频移或差频fdfd 。 fd = f- f0血血血血血血血血 人体内流动血液中的红细胞在探头探查时相对探头人体内流动血液中的红细胞在探头探查时相对探头是运动的，它可产生多普

12、勒效应，利用探头接收到是运动的，它可产生多普勒效应，利用探头接收到的多普勒频移信号就可测得人体内血流的速度。的多普勒频移信号就可测得人体内血流的速度。 入射超声频率为入射超声频率为f f0 0，反射超声频率为，反射超声频率为frfr，被检查目，被检查目标运动速度为标运动速度为v v，超声速度为，超声速度为c c，目标运动方向与入，目标运动方向与入射超声声束夹角为射超声声束夹角为，则接收器接收到的反射超声，则接收器接收到的反射超声频移频移fdfd为：为： 由于由于c c、f f0 0 、是固定不变的（已知的），所以、是固定不变的（已知的），所以频移频移fdfd只与血流速度只与血流速度v v有关，

13、因此只要检测出血流有关，因此只要检测出血流的频移信号就能测出血流的速度，且频移越大，血的频移信号就能测出血流的速度，且频移越大，血流速度越快，频移越小血流速度越慢。流速度越快，频移越小血流速度越慢。00cos2fcfffrd02fCVCos 超声波超声波发射发射是利用压电晶体的是利用压电晶体的逆压电效应逆压电效应（即应用交变电压使压电晶体产生机械振动，（即应用交变电压使压电晶体产生机械振动，振动在弹性介质中的传播就形成超声波）；振动在弹性介质中的传播就形成超声波）； 超声波超声波接收接收是利用压电晶体的是利用压电晶体的正压电效应正压电效应（即把超声反射波对压电晶体的机械压力转（即把超声反射波对

14、压电晶体的机械压力转换为电信号）。换为电信号）。测厚探头测厚探头近场近场远场远场声轴声轴二、超声脉冲回波成像原理二、超声脉冲回波成像原理 A型超声诊断仪因其回波显示采用幅度调制型超声诊断仪因其回波显示采用幅度调制(amplitude modulation)而得名。而得名。 A型显示是超声诊断仪最基本的一种显示方式，即在阴极型显示是超声诊断仪最基本的一种显示方式，即在阴极射线管射线管(CRT)荧光屏上，以横坐标（荧光屏上，以横坐标（X轴）代表被探测物轴）代表被探测物体的深度，纵坐标（体的深度，纵坐标（Y轴）代表回波脉冲的幅度，回波强轴）代表回波脉冲的幅度，回波强则波幅高，回波弱则波幅低，无回波则

15、无波形。故可测得则波幅高，回波弱则波幅低，无回波则无波形。故可测得人体脏器的厚度、病灶在人体组织中的深度以及病灶的大人体脏器的厚度、病灶在人体组织中的深度以及病灶的大小，可在一定程度上对病灶进行定性分析。小，可在一定程度上对病灶进行定性分析。 M型超声成像诊断仪适用于对运动脏器，如心脏型超声成像诊断仪适用于对运动脏器，如心脏的探查。由于其显示的影像是由运动回波信号对的探查。由于其显示的影像是由运动回波信号对显示器扫描线实行辉度调制，并按时间顺序展开显示器扫描线实行辉度调制，并按时间顺序展开而获得一维空间多点运动时序（而获得一维空间多点运动时序（motion-time）图，故称之为图，故称之为M

16、型超声成像诊断仪，其所得的图型超声成像诊断仪，其所得的图像也叫作超声心动图。像也叫作超声心动图。三、三、B型超声诊断仪（型超声诊断仪（B超超:剖面剖面） 为了获得人体组织和脏器解剖影像，为了获得人体组织和脏器解剖影像，B型超声成像型超声成像仪问世，实现了对人体组织和脏器的断层显示。仪问世，实现了对人体组织和脏器的断层显示。 虽然虽然B型超声成像诊断仪因其成像方式采用辉度调型超声成像诊断仪因其成像方式采用辉度调制制(brightness modulation)而得名，其影像所显而得名，其影像所显示的却是人体组织或脏器的二维超声断层图示的却是人体组织或脏器的二维超声断层图(或称或称剖面图剖面图)，

17、对于运动脏器，还可实现实时动态显示，对于运动脏器，还可实现实时动态显示，所以，所以，B型超声成像仪与型超声成像仪与A型、型、M型超声诊断仪在型超声诊断仪在结构原理上都有较大的不同。结构原理上都有较大的不同。 有线形扫描断层影像、扇形扫描断层影像之分。有线形扫描断层影像、扇形扫描断层影像之分。A、B、M型基本原理型基本原理 D型超声成像诊断仪也即超声多普勒诊断仪，它型超声成像诊断仪也即超声多普勒诊断仪，它是利用声学多普勒原理，对运动中的脏器和血液是利用声学多普勒原理，对运动中的脏器和血液所反射回波的多普勒频移信号进行检测并处理，所反射回波的多普勒频移信号进行检测并处理，转换成声音、波形、色彩和辉

18、度等信号，从而显转换成声音、波形、色彩和辉度等信号，从而显示出人体内部器官的运动状态。示出人体内部器官的运动状态。 超声多普勒诊断仪主要分为超声多普勒诊断仪主要分为3种类型：即连续式种类型：即连续式超声多普勒成像诊断仪、超声多普勒成像诊断仪、。 （一）超声多普勒成像工作原理（一）超声多普勒成像工作原理 B B）多普勒频移信号的分析处理）多普勒频移信号的分析处理 经解调提取的多普勒频移信号必须经过分经解调提取的多普勒频移信号必须经过分析处理后才能以不同的方式显示出现。析处理后才能以不同的方式显示出现。 C C）多普勒频移信号的显示）多普勒频移信号的显示 多普勒频移信号的显示方式有多种，但主多普勒

19、频移信号的显示方式有多种，但主要的有频谱显示和彩色血流显像显示。要的有频谱显示和彩色血流显像显示。 * *频谱显示：包括脉冲多普勒超声显像仪和频谱显示：包括脉冲多普勒超声显像仪和连续多普勒超声显示仪。连续多普勒超声显示仪。 * *彩色血流显示：将流动的血液着有不同的彩色血流显示：将流动的血液着有不同的颜色。颜色。（1）横坐标代表频移时间（即血流持续的时间）， 纵坐标代表频移幅度（血流速度大小）中间的水 平轴线为基线。（2）频移方向（即血流方向）：基线以上的频移信号为正，表示血流朝向探头，基线以下的频移信号为负，表示血流背离探头。（3）频移强度：以频谱的亮度表示。反映探测声束内具有相同流速的红细

20、胞数量的多少。相同流速的红细胞数量越多，频谱的亮度越亮，相同流速的红细胞数量越少，频谱亮度越暗。（4）频谱离散度：以频谱曲线在垂直方向上的宽度表示。代表某一瞬间探测声束内红细胞速度分布范围的大小。速度分布范围越大，频谱则越宽；速度分布范围越小，频谱则越窄。频率-时间显示（频谱显示型） 一、超声图像质量评价一、超声图像质量评价 1、声速声速： 声波在介质中单位时间内传播的距离声波在介质中单位时间内传播的距离,称为声速。称为声速。用符号用符号c表示表示,单位为单位为ms(米秒米秒)。对于纵向传播的平面。对于纵向传播的平面波波,其声速为其声速为 c= k / ，式中，式中: 为介质密度，为介质密度，

21、k为介质的体为介质的体积弹性模量。积弹性模量。 2、波长、波长: 在一个周期内在一个周期内,声波所传播的距离就是一个波长声波所传播的距离就是一个波长,用用表示。对于纵波表示。对于纵波,等于两相邻密集点等于两相邻密集点(或稀疏点或稀疏点)间的距离。间的距离。 3、在超声诊断中，声波在人体所有软组织中均以（纵波）、在超声诊断中，声波在人体所有软组织中均以（纵波）的形式传播，故诊断用超声都为（纵波）。的形式传播，故诊断用超声都为（纵波）。 4、波长、波长、声速、声速c与频率与频率f之间满足以下关系：之间满足以下关系： c/f 5、声强、声强: 声强是表示声的客观强弱的物理量声强是表示声的客观强弱的物

22、理量,它用每秒钟它用每秒钟通过垂直于声波传播方向的通过垂直于声波传播方向的1平方厘米面积的能量来度量平方厘米面积的能量来度量,它的单位是焦耳它的单位是焦耳(秒秒平方厘米平方厘米)J/(scm 2 )。 6、声阻抗声阻抗： 声阻抗是描述弹性媒质传播声波的一个物理声阻抗是描述弹性媒质传播声波的一个物理量。对于各向同性的均匀媒质中来说量。对于各向同性的均匀媒质中来说,媒质中某点有效声压媒质中某点有效声压P与振动质点速度有效值与振动质点速度有效值V之比称为声阻抗之比称为声阻抗,用用Zs表示：表示： Zs = PV= c 7、超声波：频率高于、超声波：频率高于20000赫赫的声波。的声波。 8、压电效应

23、是压电效应是：机械能与电能相互转换的物理现象。：机械能与电能相互转换的物理现象。 正压电效应正压电效应：对晶体两端施加压力或拉力时，晶体两侧表：对晶体两端施加压力或拉力时，晶体两侧表面会出现异名电荷产生电场分布效应。面会出现异名电荷产生电场分布效应。 逆压电效应：逆压电效应：当晶体的两端施加一交变电场时，晶体厚度当晶体的两端施加一交变电场时，晶体厚度有所改变，即晶体沿着电轴方向出现压缩或拉伸。有所改变，即晶体沿着电轴方向出现压缩或拉伸。 9、目前所用超声诊断仪多应用超声脉冲回波技术，将接收、目前所用超声诊断仪多应用超声脉冲回波技术，将接收到的回波信号、经过放大并显示在显示屏上。根据显示的到的回

24、波信号、经过放大并显示在显示屏上。根据显示的方式不同，分为方式不同，分为A（Amplitude）型、）型、M（Motion）型、）型、B（Brightness）型及）型及D（Doppler）型）型已为临床广泛应用已为临床广泛应用 10、凡超声束所遇界面的直径大于超声波波长（称大界面）、凡超声束所遇界面的直径大于超声波波长（称大界面）时，产生（时，产生（反射与折射）反射与折射）。 11、凡超声束遇到与超声波波长近似或小于波长（小界面）、凡超声束遇到与超声波波长近似或小于波长（小界面）的介质时，产生（的介质时，产生（散射与绕射散射与绕射）。）。 12、利用超声的反射观察脏器的轮廓，利用超声的散射弄

25、利用超声的反射观察脏器的轮廓，利用超声的散射弄清楚脏器内部的病变。清楚脏器内部的病变。 13、多普勒效应多普勒效应：声源和接收体作相对运动时，接收体在：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，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振动，即收到的频率增还由于接收体向前运动而多接收到振动，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。频率就减少，这种频率增加和减少的现象称为多普勒效应。 14、接

26、收频率与发射频率之差称多普勒频移或差频接收频率与发射频率之差称多普勒频移或差频fd 。 15、超声脉冲回波成像原理：超声脉冲回波成像原理：利用超声波在传播路径上遇利用超声波在传播路径上遇到不均匀介质界面发生反射特性。向人体内发射超声脉冲，到不均匀介质界面发生反射特性。向人体内发射超声脉冲，超声遇到人体组织和脏器界面时即有反射回波，检测回波超声遇到人体组织和脏器界面时即有反射回波，检测回波信号并接收放大和处理，最后在显示器上显示。信号并接收放大和处理，最后在显示器上显示。 为分清回波的个数和发射的先后，使用脉冲波束来照射，为分清回波的个数和发射的先后，使用脉冲波束来照射，即每发射一个脉冲就收到几

27、个回波，称脉冲回波法。即每发射一个脉冲就收到几个回波，称脉冲回波法。 16、多普勒频移（多普勒频移（Fd）与发射频率（）与发射频率（fo）、血流速度）、血流速度（V）、超声束与血流间夹角（）、超声束与血流间夹角（）的余弦成正比，与声）的余弦成正比，与声速（速（C）成反比，）成反比，公式为：公式为：( ) 式中式中Fd、cos均可测得，均可测得，fo及及C为已知，可以计算出为已知，可以计算出V。 17、超声诊断仪的类型超声诊断仪的类型：A型超声诊断仪（幅度显示）；型超声诊断仪（幅度显示）； M型超声诊断仪（运动显示）；型超声诊断仪（运动显示）； B型超声诊断仪（切面显型超声诊断仪（切面显示）；示

28、）； 彩色多普勒超声诊断仪。彩色多普勒超声诊断仪。 18、超声图像的纵向分辨力、横向分辨力的定义超声图像的纵向分辨力、横向分辨力的定义。 （1）纵向分辨力（轴向）：在声束轴线方向上对前后相）纵向分辨力（轴向）：在声束轴线方向上对前后相邻两点的的分辨能力。纵向分辨力主要取决于超声脉冲的邻两点的的分辨能力。纵向分辨力主要取决于超声脉冲的脉冲宽度脉冲宽度 。愈小则纵向分辨力愈高。愈小则纵向分辨力愈高。 （2）横向分辨力：与声束轴线垂直的横向平面上两点的）横向分辨力：与声束轴线垂直的横向平面上两点的分辨能力。与声束直径或宽窄有关。波束的直径越细，能分辨能力。与声束直径或宽窄有关。波束的直径越细，能分辨的尺度越小，横向分辨力越高。图像质量主要取决于分辨的尺度越小，横向分辨力越高。图像质量主要取决于横向分辨力，横向分辨力好，图像细小结构显示清楚，信横向分辨力，横向分辨力好，图像细小结构显示清楚，信息量多。息量多。 谢谢！