1、第3講 醫(yī)學(xué)超聲成像技術(shù),南方醫(yī)科大學(xué) 醫(yī)學(xué)工程系 盧廣文,2020/8/31,醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義,2,主要內(nèi)容,超聲成像基本原理超聲回波法 醫(yī)學(xué)超聲設(shè)備的分類 超聲診斷儀的主要參數(shù),超聲成像基本原理超聲回波法,2020/8/31,醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義,4,超聲回波法,把幾兆赫至幾十兆赫的高頻聲脈沖發(fā)射到生物體內(nèi)，再接收反射波（回波），這種方法稱為超聲脈沖回波法。 脈沖寬度：幾微秒 脈沖間隔：幾百微秒（接收放大器處理回波的時間） 脈沖回波法最早較早是應(yīng)用于雷達和聲納。 回波時間 t、探測距離 L 的關(guān)系，c 為聲速,2020/8/31,醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義,5,2020/8/31,醫(yī)學(xué)超聲儀

2、器原理講義,6,2020/8/31,醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義,7,超聲回波法示意圖,2020/8/31,醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義,8,儀器基本框圖,發(fā)射通道：時鐘電路（同步脈沖發(fā)生器）、發(fā)射器（高頻脈沖發(fā)生器）、換能器（探頭） 接收通道：接收換能器、射頻放大器（RFA）、檢波及抑制電路、視頻放大器（UFA）,2 醫(yī)學(xué)超聲設(shè)備的分類,2020/8/31,醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義,10,A型超聲,A型超聲診斷儀因其回聲顯示采用幅度調(diào)制(Amplitude Modulation)而得名。 A型顯示是超聲診斷儀最基本的一種顯示方式，即在陰極射線管(CRT)熒光屏上，以橫坐標代表被探測物體的深度，縱坐標代表回波脈沖

3、的幅度，故由探頭(換能器)定點發(fā)射獲得回波所在的位置可測得人體臟器的厚度、病灶在人體組織中的深度以及病灶的大小。 根據(jù)回波的其他一些特征，如波幅和波密度等，還可在一定程度上對病灶進行定性分析。,2020/8/31,醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義,11,2020/8/31,醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義,12,由于A型顯示的回波圖，只能反映局部組織的回波信息，不能獲得在臨床診斷上需要的解剖圖形，且診斷的準確性與操作醫(yī)師的識圖經(jīng)驗關(guān)系很大，因此其應(yīng)用價值已漸見低落，即使在國內(nèi)，A型超聲診斷儀也很少生產(chǎn)和使用了。,2020/8/31,醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義,13,M型超聲,M型超聲成像診斷儀適用于對運動臟器，如心臟的探查

4、。由于其顯示的影像是由運動回波信號對顯示器掃描線實行輝度調(diào)制，并按時間順序展開而獲得一維空間多點運動時序（motion-time）圖，故稱之為M型超聲成像診斷儀，其所得的圖像也叫做超聲心動圖。,2020/8/31,醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義,14,2020/8/31,醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義,15,2020/8/31,醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義,16,M型超聲診斷儀發(fā)射和接收工作原理與A型有些相似，不同的是其顯示方式。對于運動臟器，由于各界面反射回波的位置及信號大小是隨時間而變化的，如果仍用幅度調(diào)制的A型顯示方式進行顯示，所顯示波形會隨時間而改變，得不到穩(wěn)定的波形圖。 因此，M型超聲診斷儀采用輝度調(diào)制的方法，

5、使深度方向所有界面反射回波用亮點形式在顯示器垂直掃描線上顯示出來，隨著臟器的運動，垂直掃描線上的各點將發(fā)生位置上的變動，定時地采樣這些回波并使之按時間先后逐行在屏上顯示出來。 圖中可以看出，由于臟器的運動變化，活動曲線的間隔亦隨之發(fā)生變化，如果臟器中某一界面是靜止的，活動曲線將變?yōu)樗街本€。,2020/8/31,醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義,17,2020/8/31,醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義,18,M型超聲診斷儀對人體中的運動臟器，如心臟、胎兒胎心、動脈血管等功能的檢查具有優(yōu)勢，并可進行多種心功能參數(shù)的測量，如心臟瓣膜的運動速度、加速度等。但M型顯示仍不能獲得解剖圖像，它不適用于對靜態(tài)臟器的診查。,202

6、0/8/31,醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義,19,B型超聲,為了獲得人體組織和臟器解剖影像，繼A型超聲診斷儀應(yīng)用于臨床之后，B型、P型、BP型、C型和F型超聲成像儀又先后問世，由于它們的一個共同特點是實現(xiàn)了對人體組織和臟器的斷層顯示，通常將這類儀器稱為超聲斷層掃描診斷儀。 雖然B型超聲成像診斷儀因其成像方式采用輝度調(diào)制(Brightness Modulation)而得名，其影像所顯示的卻是人體組織或臟器的二維超聲斷層圖(或稱剖面圖)，對于運動臟器，還可實現(xiàn)實時動態(tài)顯示。,2020/8/31,醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義,20,2020/8/31,醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義,21,2020/8/31,醫(yī)學(xué)超聲儀器原理

7、講義,22,C型超聲,C 型掃查，又稱C型顯示，“特定深度掃查”(constant depth mode)。 與B型掃查一樣都是輝度調(diào)制的二維切面象顯示方式，所不同的是 B 型掃查所獲得的是超聲波束掃查平面本身的切面象，即縱向切面象。 可惜由于 C 型掃查的靈敏度較低，顯象速度不易提高，使 C 型掃查技術(shù)的發(fā)展受到限制。,2020/8/31,醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義,23,2020/8/31,醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義,24,2020/8/31,醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義,25,D型超聲,D型超聲成像診斷儀也即超聲多普勒診斷儀，它是利用聲學(xué)多普勒原理，對運動中的臟器和血液所反射回波的多普勒頻移信號進行檢測并處

8、理，轉(zhuǎn)換成聲音、波形、色彩和輝度等信號，從而顯示出人體內(nèi)部器官的運動狀態(tài)。 超聲多普勒診斷儀主要分為3種類型： 即連續(xù)式超聲多普勒(continuous wave doppler)成像診斷儀 脈沖式超聲多普勒(pulsed wave doppler)成像診斷儀 實時二維彩色超聲多普勒血流成像(color doppler flow image)診斷儀。,2020/8/31,醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義,26,F型超聲,F型掃查，又稱F型顯示。它與C型掃進原理上是相似的。 區(qū)別僅在于：在掃查一幅圖像的過程中， C 型掃查平面距探頭的深度是不變的，而 F 型掃查面距探頭的深度是一變量，不是一個常量。 根據(jù)成

9、像需要可作相應(yīng)變動，從而可獲得斜面、曲面的 F 型圖像,2020/8/31,醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義,27,2020/8/31,醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義,28,P型超聲,又稱 P 型顯示，它可視為一種持殊的 B 型顯示，超聲換能器置于圓周的中心，徑向旋轉(zhuǎn)掃查線與顯示器上的徑向掃描線作同步的旋轉(zhuǎn)。主要適用于對肛門、直腸內(nèi)腫瘤、食道癌及子宮頸癌的檢查，亦可用于對尿道、膀胱的檢查。 P 型超聲診斷儀所使用的探頭稱為徑向掃描探頭，如尿道探頭，直腸探頭都屬于徑向掃描探頭。掃描時探頭置于體腔內(nèi)，如食道、胃或直腸等。,2020/8/31,醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義,29,2020/8/31,醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義,30,3

10、 超聲診斷儀的主要參數(shù),2020/8/31,醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義,32,主要參數(shù),表征超聲診斷儀性能的參數(shù)，從大的方面可分為三類，這就是： 聲系統(tǒng)參數(shù) 圖像特性參數(shù) 電氣特性參數(shù) 在眾多的參數(shù)中，我們只討論其中幾個主要參數(shù)。,2020/8/31,醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義,33,聲系統(tǒng)參數(shù)：,聲輸出的強度、總功率等； 超聲場的時頻特性，如波型、持續(xù)時間、脈沖重復(fù)頻率、脈沖形狀、頻率、脈沖帶寬等； 聲場分布特性，如換能器類型、波束形狀、聚焦特性、景深等。,2020/8/31,醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義,34,圖像特性參數(shù)：,分辨力； 位置記錄精度； 深度測量精度； 幀頻； 存貯器的容量； 圖像處理能力。,2

11、020/8/31,醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義,35,電氣特性參數(shù)：,靈敏度； 增益及TGC指標； 壓縮特性及動態(tài)范圍； 顯示器的動態(tài)范圍； 系統(tǒng)的帶寬等。,幾個主要參數(shù),2020/8/31,醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義,37,動態(tài)范圍,顯示信號的最大水平與最小水平的比稱為動態(tài)范圍(Dynamic Range, DR)， DR描述了信號幅度變化的大小，一般用分貝dB值表示。,式中：Umax信號最大值，Umin 信號最小值,2020/8/31,醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義,38,生物組織的聲界面特性，組織吸收（超聲衰減）特性及探測深度決定了信號的動態(tài)范圍 因此動態(tài)范圍DR通常由兩個部分組成： 聲界面特性（聲阻抗差）所確

12、定的信號幅度變化（SDR） 超聲在組織傳播過程中衰減所引起的信號幅度變化，超聲傳播衰減取決于組織特性（超聲衰減系數(shù)）與傳播距離（L） 由此超聲回波總動態(tài)范圍可寫為： DR = 2L + SDR,2020/8/31,醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義,39,對動態(tài)范圍的影響因素 超聲在生物組織中傳播所產(chǎn)生的全部回波； 超聲發(fā)射功率、接受放大器的等效輸入噪聲； 終端顯示裝置的動態(tài)范圍； 動態(tài)壓縮方法 時間增益控制補償傳輸衰減 幅度增益控制使有用信號相對壓縮,2020/8/31,醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義,40,線形范圍,線性范圍，一般指的是儀器中放大器線性范圍，它給出放大器輸入信號和輸出信號之間成線性關(guān)系的區(qū)域。即

13、Uo = KUi 線性關(guān)系也用分貝值來表示,式中：Umax信號最大值，Umin 信號最小值，可見線性放大器的線性范圍即是動態(tài)范圍,2020/8/31,醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義,41,2020/8/31,醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義,42,當輸出信號的最大幅度保持不變時，輸入信號的線性范圍將隨著 K 值的減小而增大。,2020/8/31,醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義,43,分辨率,分辨力指成像系統(tǒng)能分辨空間尺寸的能力，即能把兩點區(qū)分開來的最短距離。 超聲顯像儀的分辨力是衡量其質(zhì)量好壞的最重要的指標，分辨力越高，越能顯示出臟器的細小結(jié)構(gòu)。,2020/8/31,醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義,44,2020/8/31,醫(yī)學(xué)超聲儀

14、器原理講義,45,超聲成像的分辨力有橫向分辨力和縱向分辨力之分。 前者是指垂直于超聲脈沖束方向上的分辨力，后者是沿波束軸方向上的分辨力。 這兩種分辨力的大小差別很大，縱向分辨力總是優(yōu)于橫向分辨力。而且，垂直于波束軸的兩個維上的橫向分辨力也往往不同。 影響橫向分辨力和縱向分辨力的因素各不相同，,2020/8/31,醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義,46,橫向分辨力 又稱側(cè)向分辨力，它表示區(qū)分處于聲束軸垂直的平面上的兩個物體的能力。 超聲波束直徑尺寸直接影響橫向分辨力，波束直徑越細，能分辨的尺度越小，橫向分辨力越高。,2020/8/31,醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義,47,影響橫向分辨率的因素 顯示熒光點尺寸的影響

15、波束直徑尺寸的影響 動態(tài)范圍的影響,2020/8/31,醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義,48,2020/8/31,醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義,49,2020/8/31,醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義,50,儀器的圖像質(zhì)量主要取決于橫向分辨力。橫向分辨力好，圖像細膩，小結(jié)構(gòu)就能顯示清楚。 橫向分辨力主要由換能器的尺寸、形狀、發(fā)射頻率、聚焦等因素決定。 當顯示屏光點尺寸較大時，也會影響橫向分辨力。 此外，隨著深度的增加，脈沖頻譜中的各種頻率成分的衰減情況也不同，這個因素也潛在地影響著橫向分辨力。 現(xiàn)代化的顯像儀橫向分辨力可優(yōu)于2mm。,2020/8/31,醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義,51,縱向分辨力 又稱軸向分辨力或距離分辨力，

16、表示在聲束軸線方向上對相鄰兩回聲點的分辨力。 縱向分辨力與發(fā)射超聲頻率有關(guān)，因為聲波的縱向分辨力理論極限為聲波的半波長。頻率越高，波長越短。 縱向分辨力與超聲脈沖的持續(xù)時間有關(guān)，脈沖持續(xù)時間越短，即脈沖越窄，縱向分辨力越高。 超聲脈沖持續(xù)時間與發(fā)射電脈沖寬度及換能器阻尼有關(guān)。,2020/8/31,醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義,52,影響縱向分辨率的因素 脈沖寬度的影響 增益大小的影響,2020/8/31,醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義,53,2020/8/31,醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義,54,2020/8/31,醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義,55,色散吸收對橫向、縱向分辨率的影響 吸收與頻率的關(guān)系頻率越高，吸收越強； 頻譜

17、中心向低頻偏移； 波束變寬； 前沿變壞；,2020/8/31,醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義,56,理想的情況下，工作頻率越高，分辨率越高； 生物組織的平均衰減系數(shù)接近1dB/cmMHz； 頻率3MHz深度20 cm衰減60dB，94% 頻率10MHz深度20 cm衰減200dB，99.5% 在大多數(shù)情況下，最佳工作頻率就是超聲波穿透深度不超過200個波長時就能達到被探測臟器的那個頻率； 例如：頻率為3MHz時，波長是0.51mm它能夠形成102mm深處組織的良好圖像。,2020/8/31,醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義,57,帶寬,2020/8/31,醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義,58,工作頻率,超聲診斷儀的工作頻率，

18、根據(jù)兩個方面因素作最佳的選擇。 首先，從分辨力的角度說，增高頻率，可以改善分辨力。頻率越高，波長越短，則波束的指向性越好（近場距離大，而發(fā)散角小），橫向和縱向分辨力都能提高。 其次，從穿透深度的角度來看，工作頻率越高，則衰減成正比地增加，必然使探測深度減小。若要求較大的穿透深度，就得取較低的工作頻率。,2020/8/31,醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義,59,因此，在設(shè)計中不得不在工作深度與頻率之間取合理的折衷。 比如眼科應(yīng)用中，所要求深度小，可以用高頻率以提高分辨力，一般用10MHz。而要穿透較大深度（如腹腔）時，則只能取較低工作頻率。 通用B型超聲診斷儀的工作頻率一般在3.5MHz，有些診斷儀配有多

19、種不同頻率的探頭以滿足不同檢查深度的需要。,2020/8/31,醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義,60,常用超聲診斷儀的超聲頻率；,2020/8/31,醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義,61,作用距離（穿透深度）,指儀器發(fā)射的超聲波束可以穿透并能顯示出回聲圖像的被測介質(zhì)深度。 超聲醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)的作用距離，通常要滿足處于相當深度上的各種器官的成像需要，如腹部成像就需要有20cm的工作距離，而用于眼球的深度為10cm。 影響作用距離的主要因素是脈沖信號在傳播途中的衰減，這是由于組織的吸收、反射、折射、散射等原因引起的。,2020/8/31,醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義,62,要提高儀器的探測深度，有三個方面的途徑。 降低工作頻率

20、。但降低工作頻率，則分辨力也隨之降低，這是一個限制。 提高接收機的靈敏度和擴大動態(tài)范圍，使能接收較遠距離的微弱的反射信號，但這要受到換能器噪聲的限制，信噪比極限對診斷超聲的最大穿透深度上的限制為300個波長左右。 加大發(fā)射功率，使遠距離的微小聲阻抗差也能產(chǎn)生較強反射，從而使更遠距離的病灶也能被探測到，但要考慮安全劑量的限制。 考慮到各方面的指標，應(yīng)合理選取作用距離。,2020/8/31,醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義,63,脈沖重復(fù)頻率,指脈沖工作方式超聲儀器每秒鐘重復(fù)發(fā)射超聲脈沖的次數(shù)，即探頭激勵脈沖的頻率。,2020/8/31,醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義,64,重復(fù)頻率主要取決于所需探測的最大深度以及掃描

21、的回掃時間。 設(shè)最大深度 L=20cm，超聲速度 c=1540/s，則探測最大深度所需時間為 2L/c，最大重復(fù)頻率為：,2020/8/31,醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義,65,重復(fù)頻率過高，會造成多重界面的重復(fù)反射而互相干擾，使回波圖形混亂和模糊。 通常選用頻率在502000Hz之間。M型超聲多采用1000次/s，脈沖持續(xù)時間1.5 微秒。 斷層顯像儀為了提高幀頻，選用3000Hz,2020/8/31,醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義,66,幀頻,成像系統(tǒng)每秒鐘可以成像的幀數(shù)稱為幀頻。 動畫顯示：畫面幀頻必須達到一定的數(shù)目 電視 - 30幀/秒 電影 - 24幀/秒 通常幀頻 10幀/秒，為實時成像系統(tǒng)；幀頻 10幀/秒，為靜止成像系統(tǒng)。,2020/8/31,醫(yī)學(xué)超聲儀器原理講義,67,超聲波在生物體內(nèi)往復(fù)的時間 如果把診斷的深度定為15cm的話，則 0.15 (m) 2/1540 (m/s)=1/5133 s (每秒可接收5133次超聲波發(fā)送/接收信號)，假設(shè)生物體內(nèi)聲波的速度為 1540 m/s 如果每秒鐘發(fā)出5133束超聲波束的話，則 每一幅圖像均可從100束超聲波得到：5133/100=51幀/秒，因此，速度比電視和電影