1、醫(yī)學(xué)影像成像理論制作：竇汝海第三節(jié) 超聲成像系統(tǒng)工作原理 超聲診斷儀與介質(zhì)的聲阻抗（Z）密切相關(guān)，正常組織與病變組織的聲阻抗不同，就有可能形成異常的界面聲波反射，檢測(cè)這種異?；夭ň涂梢詤^(qū)分正常組織與病灶。 超聲回波檢測(cè)主要是測(cè)量聲壓（聲振幅），因此，超聲探頭對(duì)聲壓敏感的元件超聲診斷種類超聲診斷種類 超聲示波法（型，Amplitude mode) 淘汰臨床已基本不使用了 二維超聲顯像法（B型，Brightness mode) 超聲光點(diǎn)掃描法（型，Motion type) 超聲頻移診斷法（D型，Doppler type) Doppler 超聲診斷法（PW CW) 彩色Doppler超聲 （CDFI

2、 ) 彩色Doppler能量圖 (CDE)超聲造影一、A型超聲診斷儀 A型超聲診斷儀是幅度調(diào)制型（amplitude modulated mode）超聲診斷儀的簡(jiǎn)稱。 A型超聲診斷儀是通過(guò)測(cè)量線度及分析回波幅度的分布來(lái)獲得組織的特征信息 一維超聲檢查 利用脈沖回波成像技術(shù)利用脈沖回波成像技術(shù) 二、B型超聲診斷儀 （一）基本原理 B型超聲診斷儀（簡(jiǎn)稱B超）是亮度調(diào)制顯示（brightness modulated display）超聲診斷儀的簡(jiǎn)稱。 B型超聲診斷儀（簡(jiǎn)稱B超）是在A超基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，它的工作原理與A超基本相同，也是利利用脈沖回波成像技術(shù)用脈沖回波成像技術(shù)。因此它的基本構(gòu)成也是由探

3、頭、發(fā)射電路、接收電路和顯示系統(tǒng)組成。 B超與A超不同之處：將A超的幅度調(diào)制顯示改為亮度調(diào)制顯示，即將放大后的回波脈沖電信號(hào)送到顯示器的陰極，使顯示的亮度隨著回波信號(hào)的大小變化； 時(shí)基深度掃描加在顯示器垂直方向上，使聲束掃查受檢體的過(guò)程與在顯示器水平方向上的位移掃描相對(duì)應(yīng)，構(gòu)成切面顯示圖像 在回波信號(hào)處理與圖象處理各環(huán)節(jié)上，大部分的B超都應(yīng)用了專門的數(shù)字計(jì)算機(jī)控制數(shù)字信號(hào)的存儲(chǔ)與處理以及整個(gè)成像系統(tǒng)的運(yùn)行，使圖象質(zhì)量大為提高 工作過(guò)程：探頭每發(fā)射一個(gè)超聲脈沖后處于接收狀態(tài)，接收回波后將回波的聲壓轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大、檢波、濾波、時(shí)間增益補(bǔ)償?shù)忍幚恚賹㈦娦盘?hào)的幅度值轉(zhuǎn)換成亮度在顯示器上顯示。

4、 （二）B型超聲掃描原理 超聲束通過(guò)組織時(shí)，經(jīng)過(guò)幾個(gè)反射層，在顯示器上有幾個(gè)亮點(diǎn)的顯示群體形成。探頭在體表移動(dòng)時(shí)，每改變一次探測(cè)部位就可以得到一條掃描亮點(diǎn)線（掃描線）。若干個(gè)探測(cè)部位形成了若干條掃描線，所有探測(cè)部位形成的掃描線同時(shí)在顯示器上顯示出來(lái)構(gòu)成一幅斷層圖像 B型超聲斷層顯示儀又稱B型超聲斷層顯像儀 B型顯示是將脈沖回波信號(hào)加在顯示器的Z軸（Z）上進(jìn)行亮度調(diào)制，回波越強(qiáng)，光點(diǎn)越亮，所以稱為亮度調(diào)制顯示。 B超掃描中，回波信號(hào)加在顯示器的調(diào)灰板（Z軸）上形成光點(diǎn)，光點(diǎn)輝度（灰階）與回波幅度存在函數(shù)關(guān)系。代表不同回波幅度的灰階點(diǎn)，按其回聲源的空間位置，顯示在與聲束掃查線對(duì)應(yīng)的顯示掃描線上，

5、Y 軸反映組織的深度。 X軸表示聲束在掃查方向上的位置（斷層圖像的寬度）。 顯示器上每一條掃描線與聲束在組織內(nèi)的傳播有嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，由同步電路實(shí)現(xiàn)。 B超按掃查技術(shù)：手動(dòng)掃查技術(shù)、機(jī)械掃查技術(shù)、電子掃查技術(shù)、環(huán)陣掃查技術(shù) B超按掃查方式：線形掃查、扇形掃查、弧形掃查 B超按顯示圖像：靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示 （三）手動(dòng)掃描斷層成像儀的工作原理 B型超聲手動(dòng)掃描斷層成像儀是最早應(yīng)用于臨床，具有掃描范圍大、線條密以及圖像輪廓清晰等優(yōu)點(diǎn)。 圖8-21 （四）實(shí)時(shí)成像儀的工作原理 1、特點(diǎn)：實(shí)時(shí)成像儀是在靜態(tài)成像系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了驅(qū)動(dòng)器和掃描控制單元，來(lái)控制波束的發(fā)射方向，同時(shí)控制位置檢出電路所產(chǎn)生的相應(yīng)

6、偏轉(zhuǎn)電壓（X、Y軸偏轉(zhuǎn)電壓）加到掃描轉(zhuǎn)換器上，使圖像在水平方向展開(kāi) 圖8-22 實(shí)時(shí)成像儀采用快速掃描，成像速度快，可達(dá)每秒30幀以上。操作者只要移動(dòng)或偏轉(zhuǎn)探頭，就可以在任何方向上掃查出圖像，且能顯示運(yùn)動(dòng)著的器官 2、實(shí)時(shí)成像儀中的探頭 掃描方式：機(jī)械掃描器、電子掃描器、復(fù)合掃描器 （五）回波信號(hào)處理 1、回波信號(hào)形成：超聲回波信號(hào)主要有反射信號(hào)和散射信號(hào) 人體組織十分復(fù)雜，超聲在體內(nèi)發(fā)生多種傳播，所以返回探頭的超聲應(yīng)該是人體內(nèi)所有超聲效應(yīng)作用的混合效果 B型超聲顯像儀設(shè)計(jì)必須考慮三個(gè)重要的超聲效應(yīng)：生物組織對(duì)超聲波的衰減效應(yīng)、人體臟器的反射和散射效應(yīng)、超聲波在人體組織內(nèi)的多重反射效應(yīng) 2、回

7、波信號(hào)的預(yù)處理 預(yù)處理階段：對(duì)回波電信號(hào)進(jìn)行放大、檢波、衰減補(bǔ)償、信號(hào)壓縮 對(duì)數(shù)壓縮：回波信號(hào)波動(dòng)范圍大，顯示器的視覺(jué)分辨亮度的變化范圍小。使用對(duì)數(shù)壓縮技術(shù)對(duì)數(shù)放大器，這樣使弱小回波信號(hào)增大，補(bǔ)償了反射信號(hào)和散射信號(hào)的強(qiáng)度差異。 時(shí)間增益補(bǔ)償：通常用低增益放大淺部回聲信號(hào)，以高增益放大深部信號(hào)。 3、信號(hào)轉(zhuǎn)換 借助計(jì)算機(jī)，把超聲圖像由CRT顯示轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的電視（TV）圖像。 數(shù)字掃描轉(zhuǎn)換器的主體是圖像存儲(chǔ)器。將獲得的視頻信號(hào)用A/D轉(zhuǎn)換器變?yōu)閎位的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)，用數(shù)字表示回波信號(hào)的大小，然后按一定編排存入存儲(chǔ)器。 4、超聲回波信號(hào)的后處理 超聲回波信號(hào)以數(shù)字信號(hào)的形似存入存儲(chǔ)器中稱為像素信號(hào)

8、。 對(duì)像素信號(hào)的后處理：像素亮度后處理空間處理圖像序列處理圖像凍結(jié)三、M型超聲診斷儀 M型超聲診斷儀，又稱時(shí)間運(yùn)動(dòng)型超聲診斷儀，基本原理也是利用回波成像技術(shù)利用回波成像技術(shù)。 （一）基本原理 A型與B型混合顯示型 （二）工作原理 M型超聲診斷儀的最大特點(diǎn)：檢測(cè)人體內(nèi)運(yùn)動(dòng)器官 專門診斷心臟的各種疾病，如：心血管大小及厚度的測(cè)量、心臟瓣膜運(yùn)動(dòng)狀況的測(cè)量等四、超聲多普勒成像系統(tǒng) （一）工作原理 根據(jù)多普勒效應(yīng)根據(jù)多普勒效應(yīng)制成的超聲診斷儀稱為多普勒超聲診斷儀（又稱D型超聲診斷儀） 超聲多普勒成像系統(tǒng)的基本工作原理是依據(jù)多普勒效應(yīng) 超聲多普勒技術(shù)分類：頻譜多普勒、彩色多普勒血流成像 基本工作過(guò)程： 發(fā)

9、射固定頻率的脈沖式或連續(xù)式超聲； 提取頻率已經(jīng)變化的回聲（差頻回聲、或差頻回聲的強(qiáng)度等）； 將回聲頻率與發(fā)射頻率相比，取得兩者間的差值及正負(fù)。將所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行不同的顯示，成為不同的超聲多普勒技術(shù) 1多普勒頻移信號(hào)的產(chǎn)生：多普勒系統(tǒng)的主要工作是檢測(cè)頻率的變化量并加以分析處理，不同的多普勒系統(tǒng)具有不同的信號(hào)檢出方式。 超聲多普勒頻移fd值均在音頻范圍內(nèi)，可用揚(yáng)聲器監(jiān)聽(tīng)或用示波器進(jìn)行觀察。 2多普勒頻移信號(hào)的解調(diào) D超的換能器接收到的回波信號(hào)非常復(fù)雜是多種反射波的組合信號(hào)：有運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的fd信號(hào)，有靜止目標(biāo)或慢速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)等產(chǎn)生的回波信號(hào)，也有聲、電泄漏和復(fù)雜界面的散射波。 多普勒頻移解調(diào)目的：從復(fù)雜

10、的回波信號(hào)中提取有用的fd信號(hào)。 由于血流的速度V遠(yuǎn)小于發(fā)射波聲速c，要求解調(diào)器能檢測(cè)出頻率為發(fā)射頻率1%以下的fd。雜波分量的幅度通常比有用的fd信號(hào)大得多，還要求解調(diào)器檢出被雜波所掩蓋的fd信號(hào)。 方法：非定向型解調(diào)和定向型解調(diào)。 3多普勒頻移信號(hào)的處理 fd 信號(hào)解調(diào)后，必須進(jìn)一步進(jìn)行分析處理，尤其是脈沖多普勒，取樣容積是一個(gè)小體積，其內(nèi)有眾多的紅細(xì)胞，它們的速度不相同，產(chǎn)生的fd 也不相同，因此散射回的超聲脈沖多普勒信號(hào)是由各種不同頻率合成的復(fù)雜信號(hào)（有一定頻寬）。 對(duì)這種信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，獲得采樣區(qū)域血流速度信息與波形頻率有關(guān)的內(nèi)容 （1）時(shí)域處理：顯現(xiàn)與頻率分量有關(guān)的參數(shù)。 （2）

11、頻域處理：利用頻譜分析器對(duì)多普勒信號(hào)的頻率分布進(jìn)行分析，它對(duì)識(shí)別和抑制偽差信號(hào)，或者在SNR特別差的情況下分析多普勒波形完整頻譜等是必不可少的。 4多普勒頻移信號(hào)的顯示 主要是頻譜顯示，包括： 頻率-時(shí)間顯示 幅度-頻率顯示 主頻顯示 均值顯示 標(biāo)準(zhǔn)差顯示 能量指數(shù)顯示等。 （1）頻移時(shí)間：橫坐標(biāo)代表血流持續(xù)的時(shí)間s； （2）頻移幅度：縱坐標(biāo)代表血流速度的大小，單位為ms-1（速度）或kHz（頻移） （3）頻移方向：以頻譜中間的零位基線區(qū)分。）頻移方向：以頻譜中間的零位基線區(qū)分?；€以上的fd信號(hào)為正，表示血流方向朝向探頭；基線以下的fd信號(hào)為負(fù)，表示血流方向背離探頭； （4）頻譜強(qiáng)度：）頻譜

12、強(qiáng)度：以頻譜的亮度表示，反映取樣容積或探查聲束內(nèi)具有相同流速的紅細(xì)胞相對(duì)數(shù)量的多少。速度相同的紅細(xì)胞數(shù)量越多，散射的信號(hào)強(qiáng)度越大，頻譜的灰階越深；相反，速度相同的紅細(xì)胞數(shù)量越少，散射的信號(hào)強(qiáng)度就越低，頻譜的灰階越淺。 5）頻譜寬度（離散度）：表示某一時(shí)刻取樣血流中紅細(xì)胞速度分布范圍的大小。速度分布范圍大，頻譜增寬； 人體正常血流是層流，速度梯度小，頻譜較窄； 病變時(shí)是湍流狀態(tài)，速度梯度更大，頻譜更寬。當(dāng)頻譜增寬至整個(gè)頻譜高度時(shí)，稱為頻譜充填。 頻譜寬度是識(shí)別血流動(dòng)力學(xué)改變的重要因素 （二）連續(xù)波多普勒超聲儀 連續(xù)波多普勒技術(shù)是多普勒超聲技術(shù)中最基本、最早出現(xiàn)的一種多普勒超聲技術(shù) 1、工作原理

13、圖8-27 （三）脈沖多普勒成像儀 連續(xù)波多普勒成像儀無(wú)法分辨距離。 脈沖多普勒系統(tǒng)可以地連續(xù)波發(fā)射進(jìn)行脈沖幅度調(diào)制，它同時(shí)兼?zhèn)涿}沖回波系統(tǒng)的距離鑒別能力和連續(xù)波多普勒的速度鑒別能力的優(yōu)點(diǎn)。 （四）彩色多普勒血流成像儀 1主要特點(diǎn) 彩色多普勒血流成像儀是利用自相關(guān)的技術(shù)得到血流的速度信息，然后通過(guò)彩色的編碼技術(shù)將血流的速度信息加在B型圖像的相應(yīng)位置，使血流和組織分別以彩色和黑白同時(shí)顯示出來(lái)。 血流成像系統(tǒng)：一個(gè)B型超聲成像系統(tǒng)、一個(gè)自相關(guān)技術(shù)的速度測(cè)量系統(tǒng)、2D彩色流速成像系統(tǒng)組成。 2、血流的彩色多普勒顯示方法 （1）血流方向表示：朝向探頭的正向血流以紅色表示，遠(yuǎn)離探頭的負(fù)向血流以藍(lán)色表示。

14、 （2）血流速度表示：以彩色信號(hào)色調(diào)表示血流速度快慢，血流速度的快慢由顏色的輝度級(jí)來(lái)顯示，最亮到最暗分為八級(jí)，分別代表著不同的速度，可估計(jì)速度快慢，而不能作出定量判斷。 （3）血流分散的顯示：所謂分散就是血流的紊亂情況，用綠色表示。綠色代表紊亂的血流，且以輝度強(qiáng)弱代表血流紊亂的程度，凡紊亂較輕者綠色暗淡，程度嚴(yán)重者綠色鮮亮。 正向血流如有紊亂者在顯示器上呈黃色，負(fù)向血流有紊亂者則呈青色。五、其他超聲成像 1、P型超聲診斷儀 2、彩色多普勒能量圖 3、組織多普勒成像 4、超聲諧頻成像 5、三維超聲成像 利用計(jì)算機(jī)對(duì)器官的一些結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維模型重建 （1）成像原理：立體幾何構(gòu)成法（已很少應(yīng)用）；表面輪廓提取法：將三維超聲空間中一系列坐標(biāo)點(diǎn)相互連接，形成若干簡(jiǎn)單直線描述臟器的輪廓； 體元模型法：目前最理想的動(dòng)態(tài)三維超聲成像技術(shù)，對(duì)結(jié)構(gòu)的所有組織信息進(jìn)行重建。將三位物體劃分成依次排列的小立方體，一個(gè)小立方體就是一個(gè)體元。一定數(shù)目的體元按相應(yīng)的空間位置排列即可構(gòu)成三維立方圖