超声基础知识介绍

模拟波束形成器
模
合
/
检波
数
数字扫描
处理
转
换
转换器
成
器
DSC
中间处理器
A/D
模拟波束形成器的不足:
1. 信号处理中,噪声信号引入, 信号/噪声比低;
2. 信号处理能力差;
3. 通频带受到限制;
4. 相控阵支持困难
数字化超声工作原理
…转 换 开 关
…
探头
功率放大 功率放大 ……… 功率放大 功率放大
发射波束形成器
灰度（对比度）分辨率：是指对两个相似密度的物体的 识别能力。
几何分辨率高－－灰度分辨率差
灰度分辨率
平衡 几何分辨率
轴向分辨率
高
低
侧向分辨率
高
低
提高分辨率
孔径大小 频带宽度
侧向分辨率 轴向分辨率
距离
Elevatio n
轴向
侧向
侧向分辨率
=
距离 x 波长 孔径
轴向分辨率 =波长的2~4倍
孔径
2、聚焦
针对不同脏器检查，适当调整动态范围，有利于接收脏器内微弱回升信号，又能使边界 较强回声信号不失真，使整幅图像清晰，保证正确的诊断。
low
Dynamic Range
high
波束形成 器
动态范围
中间处理器
扫描变换器 &
显示控制器
256灰阶
动态范围代表了 中间处理器某处 信号与最后输出 显示（现在一般 为256灰阶显示） 的对应关系
用途： A型脉冲超声诊断仪现用于颅脑和眼科检查。 特点： 方便、快捷。
探头 ((
))
反射波
A型显示
2. B模式(Brightness)：
是一种亮度的模式。其图像由不同亮度的点所组成的直线构成。点的亮度代表接收 到回声的振幅。通过连续扫描，二维的剖面图像不断地被更新，这就是实时B模式。
换能器
监视器
Line 1 Line 2 Line 3 Line 4 Line 5 Line 6 Line 7 Line 8
处理
滤波器、对数放大 器、时间增益控制
DSC
数字扫描转换器
存储
硬盘、磁光盘
监视器
记录设备
录像机
打印机
彩色打印机
图象档案管理
声束
操作控制 装置
超声诊断仪工作原理图
换能器
发射装置
前端
接收装置
波束形成器
模式处理 装置
后端
显示装置
超声诊断仪工作原理图
七、名词解释
1、分辨率
几何分辨率
分辨率是指对两个靠近物体的识别能力，即对图象的区分。 分辨率
用于超声的探头也称为换能器，是用来产生和检测超声波的部件，即换能器既是发射器， 也是接收器。它和主机构成超声设备最重要核心。
1. 结构：详见右图所示。 其中：压电陶瓷－发射/接收超声波；声透镜－轴向 聚焦；背衬材料－防止产生超声波反向振动；匹配层 --减少超声传播中的多重反射.
衬套
匹配层 声透镜
2. 压电效应：是指具有压电特性的材料(陶瓷、石英)
4、 帧频
移
帧频是指单位时间内 动 获得图象的帧数。 的
高帧频可以捕捉细小 物
的信息。
体
-3dB
5MHz
传统探头
频带宽度
5MHz
宽频带探头 主机带宽
探头带宽
远场
近场
5MHz
10MHz
低
高
帧
帧
频
频
帧频
256线
如果B模式深度 = 18 cm 扫描线= 256
那么B模式的总深度为 18cm x 2 x 256 = 92.16 m/frame 二维帧频：1520/92.16=16.39 帧/
在受到外界压力后，在其受压端面产生电压；在其
端面施加交变电信号时，其端面会产生机械振动，
电缆
发出声波。
3. 工作原理：
主机通过电缆在基元上施加电信号，使基元振动，
发出超声波，超声波经物体反射作用在基元上，使基元
两端产生电信号，通过电缆传送至主机处理、显示。
背衬材料 压电陶瓷(基元)
发射
物
反射
体
凸阵探头解剖
许多超声设备都有调整聚焦的功能，对感兴趣的 区域进行聚焦，从而使图象分辨率更高，图象更清晰。
聚焦 发散
超声系统的几种聚焦方式：
透镜
焦点
－只在发射端聚焦（接收端：自动聚焦）：保持较高的帧频
－发射和接收端聚焦：可使图象质量更好，但是帧频很低
常用的聚焦方式：分段聚焦；动态聚焦；连续动态聚焦(CDF）
动态接收孔径
秒
18cm 如果CFM模式深度 = 9 cm 取样次数 = 4 扫描线 = 100
所以CFM模式的总深度为 9cm x 2 x 100 x 4 = 288 m/frame
帧频 = 1530 / (92.16 + 288) = 9.3帧/秒
接收信号动态范围
超声设备的动态范围是其同时保留最大和最小回声信号的能力。 动态范围=20Log（最大回声幅值/最小回升幅值）
最大孔径
0 1 2 3 … 62 63 64 65 66 67 … 126 127
多路开关
…
…
波束形成器通道
…
0123
62 63
双波束形成器31源自063接收波束（左） 发射波束
接收波束（右）
• 接收通道数应与发射通道数相同 • 但在处理回波信号时可使用双波束或多
波束形成器来增加一次扫描的线数 • 所以处理电路会×2，×4增加。
于腔内扫查.
不同探头的成像原理
线阵
微凸阵
凸阵
线阵/凸阵 探头的许多基元通过电子控制产生扫描波束并且通过延时线对波束进行聚焦。
相控阵
0 1 2
不同探头的成像原理
脉冲
31
0
63
n
Q
五、超声扫描方式
1. 概述：超声设备在医学临床上有多种诊断方式。目前主要采用以下的方式：
电子扫描方式
－线阵
－凸阵（含微型凸阵） －相控阵
基元
声吸收层
声匹配层
声透镜
探头的种类
－电子线阵：用于小器官、血管及术中。
－电子凸阵：也称弯曲线阵，与线阵的区别在于 基元是弯曲的。用于腹部和妇产科。
－电子相控阵： 相控阵方式是通过连续变换延时线来得
到产生超声波束的不同角度。主要用于心 脏,颅脑。
－电子微凸阵： 与电子凸阵探头工作原理相同. 主要用
中央处理器 (CPU)
收发控制处理器
显示
前置放大 前置放大 ……… 前置放大 前置放大
A/D A/D …… A/D A/D
数字延时线 数字延时线
………… 数字延时线 数字延时线
模/数转换器 数字波束形成器
合
检波
成
处理
中间处理器
数字波束形成器:
1. 噪声引入少, 信号 / 噪声比值高; 2. 数字延时精度高, 控制易实现, 聚焦精度高; 3. 可以配接电子相控阵探头; 4. 集成度高,通道间一致性好; 5. 技术难度大,成本高.
特点： • 近、远场视野宽
－相控阵： 相控阵方式是通过连续变换延时线来得到产生超声波束的不同角度。主要用于心脏。
3. 三维容积扫描
通过探头在一定角度内往复运动（摆动） 来产生若干个切面，每一个切面就是一幅二维图像。 将若干切面处理后，形成三维图像。
Abdominal
六、超声系统
探头
主机
延时线路 脉冲发射/接收
二、超声原理
1. 基本原理：
超声基本原理与回声原理相同。
2. 超声频率与波长： λ＝C / f
λ－超声波波长；C－超声波声速 f －超声波频率。 波长：一个波的长度。 频率：单位时间内的周数（重复次数）
分辨率 穿透力
低频
更差
更强
高频
更好
更弱
远
探 头
近
3. 超声波的衰减：
超声波的衰减与传播距离成正比；与频率的2/3方成正比。
通过窄孔径， 在近场聚焦
中场
通过宽孔径， 在远场聚焦
对每一深度聚焦
3、宽频及变频
宽频是指探头的工作频率范围比较宽。
宽频带探头是实现变频的基础。
变频是一种新技术：改变同一个探头的 频率。若目标区域在近场，可以选用高 频率；若目标区域在远场，可以切换到 低频率。
宽频＋变频－－有效地解决探头分 辨率与穿透力的矛盾
TXM
TXM
RCV
RCV
如果接收体向着振动源运动，则接收 到的频率将高于发射频率。
如果接收体背着振动源运动，则接收 到的频率将低于发射频率。
多普勒技术在超声诊断中非常有价值。主要用于检测心脏、血管内血液的流向， 流速及流量。 主要包括以下三种：- 脉冲多普勒(PW)
- 高脉冲重复频率多普勒(HPRF) - 连续波多普勒 (CW)，包括：单连续波多普勒和可控连续波多普勒
即所谓一发双收，一发四收。
目的：提-高-帧-频
双波束形成器
A/D
转换器1
延时1
A/D
转换器2
延时2
A/D
转换器3
延时3
A/D
转换器4
延时4
合成 1
合成 2
八、多普勒（Doppler）
1. 多普勒效应：振动源和接收体有相对运动时,所接收到的声波频率不同于振源所发射
的声波频率,其差别与相对运动的速度有关,这就是多普勒效应。多普勒 效应是奥地利科学家多普勒于1842年首先提出
29
input
54db 48db 42db
将不同输入输出的对应曲线 标记为动态范围的数值。
28
output
灰阶
灰阶是图像中像素的亮度等级，由黑到白 分为256级。 灰阶级数愈高，其图像对比分辨力愈好。
增益 （Gain）
通过补偿，调节整幅图像的亮度。
时间增益控制 (TGC)
增益调节
帧平均 Frame Averaging
–全新的图像管理及优化技术,3D/4D
• 灵活的工作流程
- Rawdata, DICOM Rawdata, connectivity
• 相同的用户界面 / 探头群 - VIVID, LOGIQ,
• 方便持续的升级能力
- 更少硬件, 网络化升级, 通用技术 …
6、阵元数、通道数、一发双/多收
换能器基元
超声基础知识介绍
一、声波
1. 概念：声波是一种机械振动，可以通过介质进行传播。
2. 声音频谱
0Hz
20Hz
20KHz
1MHz
30MHz 400MHz
次声频段 可听见声音
地震波
耳朵
超声频段 无损探伤 图像诊断 声学显微镜
3. 超声的特性
三棱镜
• 超声的折射：超声从甲介质进入乙介质时，传播方向发生偏离。
• 把前面的数帧图像中的数据加到当前帧. • 有助于将短暂而突发的回声改变消除掉..
边缘增强 Edge Enhance
• 通过增强相应结构的边界灰阶能将组织的 细微差异和边界突显出来.
• 通过加强器官和血管间的介面来改变二维 图像的品质
0
1
2
5、数字化
数字化的标志是数字化处理装置。 前端数字化－全数字化 后端数字化－部分数字化 全数字化超声的标志：前端数字化
机械扫描方式
－机械扇扫 －径向扫描
特殊方式
－斜向扫描 －梯形扫描 －扩大扫描 －向量扫描
2. 电子扫描方式
探头的许多基元通过电子控制产生扫描波束并且通过延时线对波束进行聚焦。
－线阵：用于小器官、血管及术中。
－凸阵：也称弯曲线阵，与线阵的区别在于 基元是弯曲的。用于腹部和妇产科。
特点： • 孔径大 • 近场视野宽 • 旁瓣影响小
灰度分辨率
轴向（纵向）分辨率：是指沿超声波束轴方向上可区分的 两个点目标的最小距离。
轴向分辨率 侧向分辨率
轴向分辨率由超声波束的波长所决定。 一般来说，轴向分辨率为波长的2到4倍。
侧向（横向）分辨率：是指对垂直于超声波束轴方向上可 区分的两个点目标的最小距离。
侧向分辨率取决于超声波束的宽度和波束聚焦情况。
数字波束形成器
数字化 处理 A/D
延时 处理
延时 处理
数字化 处理 A/D
显示
Σ
•
目标
探头
处理
显示
数字化延时
数字化叠加
模拟超声工作原理
功率放大
功率放大
……
功率放大
转 换
功率放大
开
关
前置放大
前置放大
……
前置放大 前置放大
探头
发射波束形成器
中央处理器 (CPU)
显示
模拟延时线 模拟延时线 ………… 模拟延时线 模拟延时线
Line 1 2 3 4 5 6 7 8
3. M模式： M模式中的M表示运动，M模式通过B模式图
象来显示一个光标，然后在以时间为轴线的波形 图上表示其运动状态。通常M模式用于检测心脏 及胎儿的心率。
M - Mode used to monitor the Ventricle Motion
四、探头
高频衰减大，低频衰减小（穿透力强）
三、超声模式（A超、B超、M超）
在监视器上显示的超声图像是二维图像，这与CT和核磁共振所形成的图像相同。 超声图像有以下几种模式：
1. A模式（A超）：显示界面回声的幅度（Amplitude），称为振幅调制型。
A型是以脉冲波的幅度来显示回声的高低，可 用于测量组织界面的深度（距离）和反应界面 的组织基本特性。
数字扫描 转换器
DSC
高速芯片10~16位
专利技术
TruScan 超声平台
传统超声 - 硬件密集型
探头
波束 形成器
前置处理
转换
TruScan超声 - 软件密集型
探头
波束 形成器
TruScan 超声平台
主计算机
TruScan 超声平台的优势
• 强大的计算能力
–面阵探头,编码技术, 原始数据功能
• 强大的图像处理能力
• 超声的反射：超声在遇到两种介质界面时，传播方向在一种介 质中发生偏转。
• 传播速度： 超声在水中的传播速度－1530米/秒( 20°C )
超声在空气中传播速度－344米/秒( 20°C )
折射 镜子
反射
4.声学技术的应用
海洋
声纳
潜艇
5. 超声诊断的优点
➢ 安全、无辐射。适用于胎儿诊断。 ➢ 设备可移动，成本低。 ➢ 实时成像 ➢ 通过扫描角度变化，获得更佳的图像。 ➢ 多普勒－检测血流量信息。