9-超声成像.ppt

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1、生物医学工程基础生物医学工程基础 常向荣 第二章第二章 医用超声诊断医用超声诊断超声治癌qHIFU超声治癌(HIFU)(HIFU)低功率超声诱导微泡试剂致肿瘤血管栓塞疗法q超声空化超声空化q产生空化效应需用高强度超声辐射，在有效杀产生空化效应需用高强度超声辐射，在有效杀灭靶组织的同时也造成周围组织损伤，而无法灭靶组织的同时也造成周围组织损伤，而无法将其引入血管栓塞治疗。将其引入血管栓塞治疗。q研究表明，在组织中含有微泡试剂时，低剂量研究表明，在组织中含有微泡试剂时，低剂量超声即可产生过去高功率单纯超声才能诱导的超声即可产生过去高功率单纯超声才能诱导的声孔效应，可应用于加强血栓的消融。声孔效应，

2、可应用于加强血栓的消融。q东南大学附属中大医院的临床实验表明仅用低东南大学附属中大医院的临床实验表明仅用低功率的超声辐射，即可使微泡产生空化功率的超声辐射，即可使微泡产生空化,破碎破碎微血管管壁和部分周围组织微血管管壁和部分周围组织,激活内源或外源激活内源或外源 性凝血性凝血,诱发大面积毛细血管血栓形成诱发大面积毛细血管血栓形成,阻断作阻断作用区域的直接血液供给途径；用区域的直接血液供给途径；低声强刺激骨伤愈合低声强刺激骨伤愈合低声强刺激骨伤愈合低声强刺激骨伤愈合超声美容超声美容q超声波对人体细胞的超声波对人体细胞的微按摩、温热效应。微按摩、温热效应。q改变细胞膜的通透性改变细胞膜的通透性q改

3、善血液循环改善血液循环q增强药物透入增强药物透入q3-4MHz CWq0.25-0.5W/cm2超声减肥q1992年年q超声去脂法巧妙地除去体内多余脂肪超超声去脂法巧妙地除去体内多余脂肪超声去脂的原理是利用探头插入脂肪组织声去脂的原理是利用探头插入脂肪组织内，利用超声波的物理及化学特性，选内，利用超声波的物理及化学特性，选择性地破坏脂肪细胞，而对其中的血管、择性地破坏脂肪细胞，而对其中的血管、淋巴管及神经组织不会造成任何损伤，淋巴管及神经组织不会造成任何损伤，然后通过隐蔽的然后通过隐蔽的0.51.0厘米的皮肤小切厘米的皮肤小切口将破碎的液体脂肪析出体外。口将破碎的液体脂肪析出体外。超声减肥q1

4、.皮下注射特制溶液皮下注射特制溶液.q2.超声作用超声作用(20-40KHz)超声减肥超声减肥3.3.排出油脂排出油脂超声减肥超声介入应用与解决方案超声诊断与介入治疗一体化技术超声诊断与介入治疗一体化技术q培育试管婴儿培育试管婴儿q介入治疗介入治疗前列腺诊断与介入治疗前列腺诊断与介入治疗射频消融射频消融肾囊肿的诊断与穿刺治疗肾囊肿的诊断与穿刺治疗肝脏的穿刺与活检肝脏的穿刺与活检内窥成像内窥成像q神经外科神经外科应用：超声导引抽汲卵子培育试管婴儿应用：超声导引抽汲卵子培育试管婴儿应用实例：超声引导前列腺种子植入治疗前应用实例：超声引导前列腺种子植入治疗前列腺癌列腺癌腹腔镜超声应用示例腹腔镜超声应

5、用示例内窥成像应用的解决方案内窥成像应用的解决方案+正常肝包膜呈细线样回声，完整，光滑；右侧膈面呈圆顶形，肝下缘比较锐利。如果声学图像上肝脏外形显得特别饱满，局部隆起，或肝脏经线测量明显超过正常范围，应考虑肝肿大或有局部病变等正常肝脏实质呈中等水平比较均匀的点状回声正常肝脏实质呈中等水平比较均匀的点状回声弥散回声异常可见于脂肪肝，慢性肝炎，肝硬化等弥散回声异常可见于脂肪肝，慢性肝炎，肝硬化等局部性回声异常，见于囊肿、脓肿、血肿、肿瘤、局灶性增生等局部性回声异常，见于囊肿、脓肿、血肿、肿瘤、局灶性增生等人体组织的声学特征人体组织的声学特征无回声无回声 （无反射型）（无反射型）胆汁、尿液、血液胆汁

6、、尿液、血液低回声低回声 （少反射型）（少反射型）肝、脾肝、脾强回声强回声 （多反射型）（多反射型）血管壁、结石血管壁、结石极强回声（全反射型）极强回声（全反射型）肺、胃肠道肺、胃肠道回声类型回声类型肝肝胆汁胆汁胆囊壁胆囊壁2.2.2 声速声速超过人耳听阈上限的声波，即大于超过人耳听阈上限的声波，即大于20KHz的称为超声波的称为超声波（Ultrasonic wave)临床常用的超声波频率临床常用的超声波频率:210MHz声阻抗声阻抗：介质传播超声波能力的物理量，：介质传播超声波能力的物理量，是超声波检测的对象是超声波检测的对象介质 密度 超声传播速度 声阻抗 (g/cm3)(m/s)(kg/

7、m2.s)空气 0.00129 332 42.9水 0.9934 1523 15130血液 1.055 1570 13530软组织 1.016 1500 15240肌肉 1.074 1568 16840肝 1.050 1570 14100骨 1.658 3860 55710在人体不同介质中传播时的声速和声阻抗2.2.2 声速声速q声速声速C表示超声波在某种介质中的传播速度，表示超声波在某种介质中的传播速度，即单位时间内传播的距离，单位为米即单位时间内传播的距离，单位为米/秒，它秒，它与介质的弹性（与介质的弹性（K）和密度（）和密度（）有关，即）有关，即 ，而与超声波的频率无关而与超声波的频率无

8、关。声速在决定声阻。声速在决定声阻抗以及回声测距精度上是重要因素。超声在抗以及回声测距精度上是重要因素。超声在人体不同正常组织中传播的有关密度、声速人体不同正常组织中传播的有关密度、声速和声学特性阻抗如下表所示和声学特性阻抗如下表所示声学阻抗声学阻抗q声学特性阻抗声学特性阻抗 表征超声波在不同介质中表征超声波在不同介质中传播时的特征，用传播时的特征，用Z表示，单位表示，单位kg/(m2.s)，qz等于介质的密度和超声在其中传播速度等于介质的密度和超声在其中传播速度c的乘积，即的乘积，即Zccq人体组织的人体组织的 密度密度 声速声速 声学特性阻抗声学特性阻抗组织的声学特性包括：组织的声学特性包

9、括：声速、特性阻抗、衰减系数、声速、特性阻抗、衰减系数、背向散射系数背向散射系数2.2.3 超声在人体组织中的传播特性超声在人体组织中的传播特性 反射（Reflection）与折射（Refraction）发生：不同的声阻抗分界面（只要有发生：不同的声阻抗分界面（只要有10/00的声阻抗差）的声阻抗差）界面厚度远大于波长界面厚度远大于波长超声诊断仪：利用人体组织对超声波的反射作超声诊断仪：利用人体组织对超声波的反射作 用，从声反射波种提取医学诊断信息用，从声反射波种提取医学诊断信息注意注意：超声不适于检查肺、骨等于周围软组织：超声不适于检查肺、骨等于周围软组织 声阻抗差别大的脏器声阻抗差别大的脏

10、器 也不适于检查无声阻抗差的脏器也不适于检查无声阻抗差的脏器超声波的传播特性超声波的传播特性绕射（绕射（Diffraction)当障碍物的直径略小于波长时，超声波绕过该障碍物继当障碍物的直径略小于波长时，超声波绕过该障碍物继续前进，如图所示。续前进，如图所示。所以，波长越小，能发现的障碍物越小，分辨力越高。波长小，频率高，对组织的穿透能力差 折射（折射（Refraction）1 超声波的传播特性超声波的传播特性散射（散射（scattering）当障碍物的直径远小于波长时，将有一部分能量被当障碍物的直径远小于波长时，将有一部分能量被散射，散射源作为一个新的发射源向各个方向发射超声波。散射，散射源

11、作为一个新的发射源向各个方向发射超声波。红细胞是血流中主要的散射体，红细胞是血流中主要的散射体，红细胞的背向散射是彩色血流红细胞的背向散射是彩色血流多普勒探测的基础多普勒探测的基础。声学频谱范围及应用声学频谱范围及应用q应用于治疗和清洗的频率范围在应用于治疗和清洗的频率范围在202000KHz高强度超声聚焦治疗仪采用高强度超声聚焦治疗仪采用1MHz 左右的频率左右的频率q用于临床诊断的超声治疗频率范围：用于临床诊断的超声治疗频率范围：160MHz1.3.53.55MHz5MHz的频率用于成人心脏及腹部成像。这些频率通的频率用于成人心脏及腹部成像。这些频率通常能穿透组织常能穿透组织202015c

12、m15cm的深度。的深度。2.2.7 710MHz10MHz用于小器官的成像，如甲状腺、乳腺、眼睛用于小器官的成像，如甲状腺、乳腺、眼睛显像，通常达显像，通常达5 54cm4cm的穿运深度。的穿运深度。3.3.在在101040 MHz40 MHz的高频范围内已应用于皮肤成像及血管的高频范围内已应用于皮肤成像及血管成像系统。成像系统。4.4.在在404060 MHz60 MHz的频率范围内，则用于生物显微镜成像，的频率范围内，则用于生物显微镜成像，对眼睛活组织表面下显微镜诊断结果，可显示用其他非侵对眼睛活组织表面下显微镜诊断结果，可显示用其他非侵入的方法无法获得的信息。入的方法无法获得的信息。5

13、.5.超过超过100 MHz100 MHz的频率范围称为超高频。同样有各种应的频率范围称为超高频。同样有各种应用价值，但目前没有在临床上应用。用价值，但目前没有在临床上应用。超声波的分辨力和穿透力超声波的分辨力和穿透力（一）分辨力（一）分辨力能在荧光屏上被显示为两个点能在荧光屏上被显示为两个点的最小间距的能力的最小间距的能力1.轴向分辨力轴向分辨力前后两点的距离前后两点的距离由衍射定理可知决定，最大理由衍射定理可知决定，最大理论分辨力为论分辨力为/2/2，例如，例如，3MHz3MHz的超声波在人体软的超声波在人体软组织中的波长为组织中的波长为0.5mm0.5mm，则最，则最大理论分辨力为大理论

14、分辨力为0.25mm0.25mm注意，由于显示器分辨力的限注意，由于显示器分辨力的限制，实际分辨力是理论分辨制，实际分辨力是理论分辨力的力的1/51/51/81/8。2.侧向分辨力侧向分辨力q与声束与声束 相垂直的直线上，能在荧光屏上被分别显示的两点间的距相垂直的直线上，能在荧光屏上被分别显示的两点间的距离离q与声束宽度有关与声束宽度有关声束直径小于亮点的距离时，两点可以分别显示出来声束直径小于亮点的距离时，两点可以分别显示出来声束的直径大于两点之间的距离时，则两个物体在荧光屏上变为一声束的直径大于两点之间的距离时，则两个物体在荧光屏上变为一点点侧向分辨力差的超声设备，使得不在同一条直线上的周

15、围结构同时侧向分辨力差的超声设备，使得不在同一条直线上的周围结构同时显示出来，使单层结构变为多层结构，对观察诊断图像增加了一些显示出来，使单层结构变为多层结构，对观察诊断图像增加了一些困难困难侧向分辨力与带你子聚焦有关侧向分辨力与带你子聚焦有关分辨率分辨率q分辨率与分辨力的关系，不同文献与书分辨率与分辨力的关系，不同文献与书籍的提法不同籍的提法不同与分辨力的定义基本一致与分辨力的定义基本一致定义一：能分辨最小距离的倒数定义一：能分辨最小距离的倒数定义二：声场内一个点目标在显示器上所呈定义二：声场内一个点目标在显示器上所呈现图像尺寸的倒数现图像尺寸的倒数（二）分辨力的测量（二）分辨力的测量q通常

16、采用生物模块来测量超声波的轴向通常采用生物模块来测量超声波的轴向和侧向分辨力和侧向分辨力（三）穿透力（三）穿透力q分辨力和穿透力相矛盾分辨力和穿透力相矛盾q假定衰减系数为假定衰减系数为0.5dB/(cm.MHz）则不同）则不同频率下的衰减情况为：频率下的衰减情况为：探测频率的选择探测频率的选择衰减系数的不同衰减系数的不同探测深度的不同探测深度的不同分辨率的要求分辨率的要求q腹部心脏和神经研究学中：腹部心脏和神经研究学中：24MHz波长：波长：0.80.4mm，最大穿透深度为，最大穿透深度为200100mmq探测血管和细小部分：探测血管和细小部分：35MHz波长波长0.50.3mm，穿透深度：，

17、穿透深度：10050mmq眼科探查：眼科探查：820MHz波长波长0.20.1mm，穿透深度，穿透深度4020mmq颅骨对超声衰减大：颅骨对超声衰减大：11.2MHz3、超声的生物效应、超声的生物效应q 一定强度的超声（辐照强度和辐照时间）在一定强度的超声（辐照强度和辐照时间）在生物体系中传播时，通过他们之间的相互作生物体系中传播时，通过他们之间的相互作用机制致使生物体系的功能和结构发生变化用机制致使生物体系的功能和结构发生变化1.空化作用空化作用 在在强超声传播时，会出现一种类似雾状的气泡，此种现象称为强超声传播时，会出现一种类似雾状的气泡，此种现象称为超声空化作用超声空化作用研究表明：只要

18、液体中含有直径为几微米的稳定气泡，研究表明：只要液体中含有直径为几微米的稳定气泡，在声强在声强0.3W/cm2，即会产生空化反应，即会产生空化反应稳定空化稳定空化结果使振荡周围液体产生湍流和相应的粘滞应力，从而结果使振荡周围液体产生湍流和相应的粘滞应力，从而使附近存在的生物细胞收到扰动乃至损伤使附近存在的生物细胞收到扰动乃至损伤。即使不含稳定气泡的液体，在声强大于即使不含稳定气泡的液体，在声强大于0.7W/cm2时即可时即可发生瞬态空化发生瞬态空化热作用热作用q 生物组织在超声机械能作用下，由于黏滞吸收，生物组织在超声机械能作用下，由于黏滞吸收，将一部分超声能转化成热能，使生物组织的温将一部分

19、超声能转化成热能，使生物组织的温度升高度升高当超声辐射达到治疗剂量的强度时，热作用明显，并能使热量深入当超声辐射达到治疗剂量的强度时，热作用明显，并能使热量深入人体组织器官，甚至还会随着学业传导热能，在用超声进行治疗中，人体组织器官，甚至还会随着学业传导热能，在用超声进行治疗中，频率为频率为800KHz、剂量为、剂量为4W/cm2的照射的照射20s后，会在组织器官后，会在组织器官0.20.3cm的深处产生热作用，从而起到治疗效果，高强度聚焦超声的深处产生热作用，从而起到治疗效果，高强度聚焦超声（HIFU）在临床中用于对癌症的治疗，其聚焦部位组织内温度瞬间）在临床中用于对癌症的治疗，其聚焦部位组

20、织内温度瞬间上升到上升到65度以上，可使靶向病变组织瞬间凝固坏死，达到切除病变度以上，可使靶向病变组织瞬间凝固坏死，达到切除病变组织的目的组织的目的化学作用化学作用q主要是氧化和还原作用，由超声所形成主要是氧化和还原作用，由超声所形成的乳浊液是一种特殊的化学作用，在高的乳浊液是一种特殊的化学作用，在高剂量超声情况下，因超声的化学作用还剂量超声情况下，因超声的化学作用还会破坏有机结构的蛋白质，然而诊断剂会破坏有机结构的蛋白质，然而诊断剂量的超声不会引起化学作用量的超声不会引起化学作用超声诊断的安全因素超声诊断的安全因素q主要参数主要参数空间峰值时间平均声强空间峰值时间平均声强Ispta空间峰值脉

21、冲平均声强空间峰值脉冲平均声强Isppa真实声束声强真实声束声强Iohq规定：规定：美国医用超声学会美国医用超声学会1987年年12月发表声明，低于月发表声明，低于MHz频段的超声波，只要非聚焦超声波频段的超声波，只要非聚焦超声波Ispta100 mW/cm2，就不会对人类活体组织产生明显的生物，就不会对人类活体组织产生明显的生物效应效应国际电工委员会国际电工委员会57IEC1192也作出规定，用于诊也作出规定，用于诊断的超声波声强为：断的超声波声强为：Ioh20mW/cm2Ispta100mW/cm22.3、超声仪器的工作模式 基本成像系统基本成像系统 脉冲回波成像原理脉冲回波成像原理 A

22、型超声型超声 M 型超声型超声 B 型超声型超声 C 型超声型超声 超声发展概况超声发展概况4040年代年代 探索阶段探索阶段5050年代年代 A A型、型、M M型超声仪型超声仪7070年代年代 灰阶实时超声（灰阶实时超声（B B型）型）双功能超声双功能超声仪（仪（B B型型+频谱）频谱）8080年代年代 彩色多普勒超声仪彩色多普勒超声仪 （B B型型+彩色彩色+频谱）频谱）9090年代年代 新技术新技术 （超声造影、谐波成像、（超声造影、谐波成像、超高频探头、三维超声等）超高频探头、三维超声等）2.1 基本成像系统l基本脉冲回波式成像系统：基本脉冲回波式成像系统：Z接受电路发射电路显示器RT换能器2.2 脉冲回波成像原理 1231右图为：超声波经过不同组织反射显示屏的显示 231界面1界面21 23121 23232112.3.1.1 A型超声l它是根据声波的时间与振幅的关系，来探测它是根据声波的时间与振幅的关系，来探测声波的回波情况，其定位准确性高，声波的回波情况，其定位准确性高，2.3.1.2 M型超声MM型超声波诊断仪是型超声波诊断仪是型超声波诊