灰阶超声成像原理PPT

3、感受器——探头
探头接收组织反射回来的信号后，经仪器 处理放大，在示波屏上形成代表界面反射强 弱的光点与波幅。
超声，是利用超声波在人体不同组织产生反射
和散射等的回波中所携带的人体解剖形态信息， 经处理形成灰度显示图像来诊断疾病的仪器。
三、灰阶成像三大步骤
发送脉冲波
↓
接收回波信号
↓
电路处理灰阶显像
（三）多反射型
修改显示系统的配色方案，通过伽马校正可以 ◆主要针对回波信号的幅度进行调节，用于改
超声经过结构杂乱的实质组织如乳腺时， 器官内部大小与超声波长接近或更小的
◆深度较大，远场的分辨力降低， ◆成像帧频大小与多声束形成技术和探测深度相关。 ■超声在工作中，是反射、透射、散射、
因结构复杂，界面甚多，其前后声阻差大， ◆通过调节使灰阶图像亮度均匀平滑，
③频率（Frequency, f ）：
单位时间内单位振动的次数， 亦超声波通过介质中某点的疏密波的次数。
★波长、声速与频率之间关系密切，公式如下：
声速 (c) 波长(λ)＝ -----性好，透入深，分辨力低 频率高，波长短，穿透性差，透入浅，分辨力高
■ 目前医用超声波的频率：200KHZ——100MHZ。 ■ 目前临床超声仪常用频率：2MHZ——15MHZ。
变图像亮度（回声强度）。 ■ 原理：透镜材料的声速大于周围介质声速时声束可 ◆ 有关超声波的物理量： 超声经过结构比较均匀的实质组织如肝脏、脾脏、甲状腺、睾丸等器官和组织时，在相应区域即或有些界面，但声阻差较小，回声较 少，此即少反射型或称低回声区。 修改显示系统的配色方案，通过伽马校正可以 11、边缘增强（edge enhancement）： ◆连续动态聚焦，由机器自动完成，是数字波束形 机械能转换成电能，由换能器接收。 ◆ 有关超声波的物理量： 频谐波信号，将多频率信号放大、
Z1 + Z2
人体组织声学类型：
(一)无反射型
液体内的界面无明显声阻抗差异，如假设有一 界面，因其前后声阻值相似，其反射系数为0或接 近于0，超声通过相应区域时无何反射。此乃液体 的特点，故称无回声区或液性暗区。
（二）少反射型
超声经过结构比较均匀的实质组织如肝 脏、脾脏、甲状腺、睾丸等器官和组织时， 在相应区域即或有些界面，但声阻差较小， 回声较少，此即少反射型或称低回声区。
一般而言，频率增加1MHZ,同时深 度增加1cm,超声波的能量会衰减1dB.
声能随着透入距离增加而减弱
2、介质——传播声波的媒介物质
①气体和充气的肺组织
②液体和软组织
③骨骼和矿物化后的组织
■超声检查中，人体组织就是超声波传播的介质。
回声的强度为何不同？ “介质声阻抗差”
声阻抗（ acoustic impedance ）：
利用逆压电效应，将电信号 转换成机械能，发射超声波
利用压电效应，将回波声信号 转化成电信号，由探头接收
电路转换、数字扫描变换、 后处理（像素亮度后处理、灰 阶变换、图像平滑、复合视频等）
探头（probe）主要构成：
声透镜、匹配层、压电阵子、吸声块。
压电阵子
■ 是超声换能器的核心。 ■ 目前使用较多的是人造压电陶瓷（PZT，锆钛酸铅）。 ■ 优点：电-声能转换率高；性能稳定，价廉，易于加工
■ 一、灰阶及回声的概念 ■ 二、灰阶成像的三大基本要素 ■ 三、灰阶成像的三大步骤 ■ 四、灰阶超声中常用术语及其调节
一、灰阶及回声
一、灰阶及回声的概念
灰阶（gray-scale）：灰色色调的数量，表示在图上黑 色到白色的之间的灰度（亮度）。
■ 目前超声常使用256级灰阶。
■ 回声（echo）：对灰阶的统称。
吸收与衰减的多少和超声的频率、介质的 与衰减( attenuation)
力也有了提高，明显增强了对细微 ■超声在工作中，是反射、透射、散射、
粘滞性、导热性、温度及传播的距离等因素有 超声经过结构杂乱的实质组织如乳腺时，因结构复杂，界面甚多，其前后声阻差大，故反射较多且强，光点更为密集，回声强度亦大
，此称多反射型或谓高回声区。 ■ 优点：电-声能转换率高；
介质的密度与超声波在介质中传播速度的乘积。
设：Z为声阻，ρ为密度，c为声速 则：声阻 (Z)＝密度 (ρ) X 声速 (c)
●设定超声波在介质中传播速度为1540m/s, 则声阻抗与介质的密度差相关。
●介质越硬，组织的声阻抗越大。 ●一般声阻抗：固态>液体>气体
次谐波信号进行成像。 ◆主要是对近场抑制、远场抑制、远场增强进行调节。 ①方向性（指向性，direction ） 2、时间增益控制 ■ 目前使用较多的是人造压电陶瓷（PZT，锆钛酸铅）。 当声波穿过介质时，由于“内摩擦 ”或所谓“粘滞性”，使声能被吸收、 散射而逐渐减弱，声波的振幅随之减低，此即衰减。 5、无回声：均匀的液体，如正常充盈的膀胱或胆囊。 用信号本身造成干扰，另外也会降低帧频。 5、无回声：均匀的液体，如正常充盈的膀胱或胆囊。 ■ 二、灰阶成像的三大基本要素 ③骨骼和矿物化后的组织 环境亮度（灯光）的影响。 但是也可能造成噪声信号进入而对有 利用压电效应，将回波声信号 可压制成任意形态、尺寸（线阵、凸阵、矩阵等） ◆ 在石英等晶体上施加压力时， ◆连续动态聚焦，由机器自动完成，是数字波束形 3、等回声：灰阶强度呈中等水平，如正常的肝脾实质回声。 将图像相邻像元(或区域)的亮度值(或色调) ■ 位置：位于压电振子背后
当声波穿过介质时，由于“内摩擦 ”或所 骨 (或钙化区) > 软骨 > 肌腱 >
肝、肾组织 >脂肪 > 血液 > 尿液与 胆汁。
谓“粘滞性”，使声能被吸收、 散射而逐渐 力也有了提高，明显增强了对细微
射、折射等程度不一，与介质的声阻抗差密切 ◆声束穿透介质的距离（深度）。
减弱，声波的振幅随之减低，此即衰减。 衰减程度的一般规律是： 骨 (或钙化区) > 软骨 > 肌腱 > 肝、肾组织 >脂肪 > 血液 > 尿液与 胆汁。 ◆增益是指接收机的放大倍数，为后处理过程。
灰阶成像三要素：
1、超声波→振源（Ultrasound） 2、乒乓球壁→介质(Medium) 3、接收回波的探头→感受器(Receiver)
振源
介质
感受器
1、声源——超声波
｛ ｛ 电磁波：无线电波、X线、可见光等。
波
次声波：<20HZ
机械波 可听波：20HZ——20KHZ
超声波：>20KHZ
超声波:声源高速振动， 其频率20000次 (Hz) 以上，
医用超声频率的应用范围
频率范围（单位：MHZ）
2—5 5—10 10—30 40—100
应用情况
腹部、心脏等检查 浅表器官、外周血管等检查 皮肤、血管内、内窥镜等检查 声学显微镜
◆ 有关超声波的物理性能：
①方向性（指向性，direction ）
②反射（ reflection ） 与透射（transmission）
■ 超声波传播过程中，所遇的组织界面不同，其 声阻抗也不一样，发生反射、折射等现象，反 射、折射等程度不一，与介质的声阻抗差密切 相关。
■反射系数之大小决定在界面处两介质声阻之差。 设 Z1为第一介质之声阻，Z2为第二介质之声阻 公式表之：
Z1 - Z2 声强反射系数 R1 = (----------)2
③散射（ scattering ） 与绕射（diffraction）
绕射：如界面不大， 可与超声波波长相 比，则声波将绕过 该界面继续向前传播。
散射：如物体的直径 小于超声波的波长时， 则声波向物体的四面 八方辐射。
■在人体结构中，散射主要发生在组织或 器官内部大小与超声波长接近或更小的 微小结构上，如肝脏中的肝小叶，肾中 的肾小体，心脏中的心肌纤维、血液中 的红细胞。
超声在传播中，经过两种不同介质的界面 时，一部分能量由界面处返回第一介质，此即 反射(reflection)。另一部分能量穿过界面， 进入第二介质，此即透射 (transmission)。
◆ 探头可接收的回波信号的强度与入射波 和反射界面之间的夹角有关，垂直入射（入 射角为0），反射越多，探头接收到的回波信 号最强；入射角越大，反射越少，能返回的 信号越弱。
Z1 + Z2 3、深度（Depth） 置及间距，可以实现图像的优化。 和散射等的回波中所携带的人体解剖形态信息， ■ 目前使用较多的是人造压电陶瓷（PZT，锆钛酸铅）。 收频率的提高，对较深组织的分辨
（四）全反射型
在软组织与含气组织(如肺、肠腔)交界处， 界面前后声阻相差3000多倍，反射系数达 99.9％，接近于全部反射，故不能透入第二 介质，使界面后的组织结构则无法显示，故 称全反射型。
多有8—10组键组成。 ② 声速（ velocity of sound, c ）
故反射较多且强，光点更为密集，回声强 ■ 目前使用较多的是人造压电陶瓷（PZT，锆钛酸铅）。
■在人体结构中，散射主要发生在组织或 较深位置的病灶应将其显示在较浅的 则：声阻 (Z)＝密度 (ρ) X 声速 (c)
度亦大，此称多反射型或谓高回声区。 ①方向性（指向性，direction ）
超过人类的听觉阈值，不能被人耳感受的的机械振动。
◆ 有关超声波的物理量：
超声经过结构比较均匀的实质组织如肝脏、脾脏、甲状腺、睾丸等器官和组织时，在相应区域即或有些界面，但声阻差较小，回声较 少，此即少反射型或称低回声区。
①波长（wavelength,λ ）：在传 灰阶（gray-scale）：灰色色调的数量，表示在图上黑色到白色的之间的灰度（亮度）。
② 声速（ velocity of sound, c ）
单位时间内声波在介质中传播的距离称声速。 其传播速度在气体中较小, 360 m/s左右； 在液体和人体软组织中较大，1500 m/s 左右； 在固体中最大，约为4500 m/s 左右。
■ 超声仪器在设计时对于不同的软组织， 假定了一个相对平均的速度，即1540M/S.
强回声：胆囊结石
高回声：肝内血管瘤
等回声：正常脾实质
低回声：颈部淋巴结
无回声：充盈好的膀胱
LV
二、灰阶成像三大基本要素
二、灰阶成像的三大基本要素
A：水槽中的乒乓球照片
B：灰阶超声切面图像
●为何会产生差别？
A图成像原理：
乒乓球→视网膜→大脑皮层→完整图像
B图成像原理：
探头发射超声波→乒乓球（介质）→接 收回波信号显像→切面灰阶图像
■超声在工作中，是反射、透射、散射、 绕射的综合运用。
④吸收（ absorption ）
超声在传播中，经过两种不同介质的界面
与衰减( attenuation) 的显示进行调节。
厚度有所改变，出现强烈的压缩或扩张。 1、强回声：灰度明亮，后方常伴声影，如结石或钙化灶。 缘增强后的图像能更加清晰地显示出不同目标类 衰减程度的一般规律是：
可压制成任意形态、尺寸（线阵、凸阵、矩阵等） 非溶水性、耐湿防潮、机械强度较好 ■ 缺点：多晶体，使用频率受一定限制 易脆性；受温度影响大；老化性
■ 探头制作过程中，将压电陶瓷切割成多个振元， 每个振元又分成多个阵子进行排列。
■ 目前常用的是128振元。
根据灰阶的不同，回声可大致分为五种类型：
1、强回声：灰度明亮，后方常伴声影，如结石或钙化灶。 2、高回声：灰度较明亮，后方不伴声影，如肾窦或血管瘤。 3、等回声：灰阶强度呈中等水平，如正常的肝脾实质回声。 4、低回声：透声较好的暗区，如正常的淋巴结。 5、无回声：均匀的液体，如正常充盈的膀胱或胆囊。
■ 材料：由钨粉与环氧树组成的强吸声物 ◆一般采取近场负增益和远场正增益。 设 Z1为第一介质之声阻，Z2为第二介质之声阻
播过程中一个完整周期内所通过的距离。 转化成电信号，由探头接收
和散射等的回波中所携带的人体解剖形态信息， ■ 回声（echo）：对灰阶的统称。 与绕射（diffraction）
波长λ 平均处理后再实时成像，由于接
密切关系。 ①方向性（指向性，direction ）
◆ 探头发射的声束的聚焦，通过调节其数量、位 (depth resolution and lateral resolution)。 射、折射等程度不一，与介质的声阻抗差密切
衰减程度的一般规律是：
骨 (或钙化区) > 软骨 > 肌腱 > 肝、肾组织 >脂肪 > 血液 > 尿液与 胆汁。