3 超声诊断信息的提取

f为频率，s为探测深度．据此可 计算出增益补偿速率．
超声诊断信息的提取
(五) 超声诊断仪的分辨率 五 超声诊断仪的分辨率与诊断效果密切相关．超声诊断仪的分辨率分 为轴向(或纵向)分辨率和侧向(或横向)分辨率．超声换能器的结构、 声场特性、待测点的距离和方位、仪器的扫查方式、动态范围及显 示方式等都会影响分辨率． 1 轴向分辨率 0 轴向分辨率r 又称为纵向分辨率、距离分辨率或深度分辨率，是超声检测在轴向 上的识别能力，它由在轴向上可以识别的两个靶点之间的最小距离 R确定． 对于连续超声波，可以达到理论分辨率r0 等于 λ/2．显然，要提高分 辨率必须提高超声发射频率．但频率的提高将影响声波穿透深度， 一般应保证穿透深度达到声波波长的2~3倍． 对于脉冲声波，在声轴上可以识别 r0 = R = cτ a 2 的最小距离R与超声脉冲的有效宽 度有关． τa为脉冲持续时间
T0
阈值—10dB
持续时间
图 2 换能器的工作频率和 带宽示意图
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如果脉冲包络的持续时间为1s，则相应的中心频率为1MHz，而重 现此脉冲波形至少应具有1kHz～1MHz的带宽，甚至更宽的频带． 实际上超声回波系统的频率在1～15MHz之内选择，透射型的一般在 1～10MHz． (三) 动态范围和线性范围 三 随着超声换能器灵敏度的提高，微伏级的信号都能检测出来，而发 射信号的幅度高达数百伏．放大器的动态范围 放大器的动态范围是放大器不截至的情 放大器的动态范围 况下所能放大的最大输入信号和最小输入信号之比的对数．
c ≥ Fp ≥ 2 f m 2 Rmax
c 是 声 速 ， Rmax 为 最大探测距离．
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实际上，由于被检生物组织并不是单一的均匀组织，所以在选择Fp 时，应使被检组织能层次分明地显示出来，而不致混选或多次反 射．根据不同的扫查深度，Fp一般可取1～10kHz之间．Fp较低可显 示全部回波信息，但图形灰暗不清． 探测深度是由受检目标确定的．胖人、瘦人及不同部位的探测深度 是不同的．如腹部和胸部，前者一般取Rmax ＝180cm，心脏一般取 Rmax＝160cm． 圆形平面探头的最佳直径可根据Rmax φ = 2 λRmax 和声波波长λ确定，即 (二) 换能器的工作频率和带宽 二 换能器的工作频率可通过测量全反射面的反射 回波波形观测．实际持续时间是受阈值限定以 后的数值，如图2．工作频率即回波频率可以 最大幅度振荡的周期检测，f0=1/T0 ，理论上应 该等于晶片的共振频率．但实际上工作频率略 低于标准频率．
U i max LD = 20 lg U i min
LD为线性动态范围(dB)，Uimax和 Uimin分别为放大器能线性放大的 最大和最小信号电压(V)．
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(四) 增益和深度补偿 四
超声在组织中传播时，大的外部边界反 射信号比小的内部边界回声信号强得多， 而且超声在组织内部传播还将引起能量 损失，使得回波信号幅度随着组织深度 而变化．为了获得良好的补偿，测量系 统必须采用合理的增益补偿放大措 施．实验证明，超声在水中的吸收衰减 为0.002dBcm-1MHz-2． 超声在生物组织中的衰减作用使得回波 振幅按指数规律衰减．为了使不同距离 的回波信号得到同样清晰地显示图像， 超声诊断仪的信号放大电路通常采取所 谓“深度补偿 技术 深度补偿”技术 深度补偿 技术(或“时间增益补 时间增益补 技术)，即将放大器设计成对近距 偿 ”技术 技术 离回波信号的放大系数较小，而对远距 离回波信号的放大系数较大，如图3．
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3 空间分辨率 V 空间分辨率r 又称为分辨单元，指脉冲回波能识别的最小体积． 在脉冲回声系统中，在最简单最理想 的情况下，分辨单元是由脉冲包络所 围成的体积，亦即超声脉冲沿波束轴 线向前传播，脉冲围绕中心轴旋转时， 包络所形成的体积，它像一个缩短的 泪珠，如图6． 分辨单元的轴向长度为超出系统阈值 电平的回声包络的持续时间，即有效 脉冲宽度，相当于距离分辨率．其横 向(垂直于轴线)最大直径为有效波束 宽度，相当于横向分辨率．
Hale Waihona Puke Vi max RD = 20 lg Vi min
RD 为 动 态 范 围 (dB) ， Vimax 和 Vimin分别为放大器所能放大的 最大和最小信号电压(V) ．
在超声诊断仪中放大器的线性放大区，放大器的输出信号和输入信 号之间成线性关系，即Uo=KUi，放大器的线性范围 放大器的线性范围是指满足这一关 放大器的线性范围 系的最大输入信号和最小输入信号之比的对数．
图 4 不同增益的轴向分辨率示意图
有效声束宽度与阈值门限及动态范围有 关．动态范围越大，有效声束越宽，横向 分辨率越差，如图5．实际的动态范围等 于脉冲最大幅值电压与阈值电平之比．
(A) 声束宽度小于靶点间距，易于分辨
(B) 声束宽度等于靶点间距，刚能分辨
(C) 声束宽度大于靶点间距，难以分辨
图 5 声束宽度对分辨率的影响
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超声诊断的依据主要是超声通过人体后产生的多种变化的信息．如 如 何从这些信息中提取和分离与人体组织学、病变学、 何从这些信息中提取和分离与人体组织学、病变学、解剖学等有关 的信息，是超声医学工程技术的核心课题．这里主要对临床和科学 的信息，是超声医学工程技术的核心课题 研究中采用的信息提取与分离检测方法作一概括介绍． 当然，人体本身是一个不断运动的有机体，大到人体的各种运动、 心脏搏动等，小到细胞、神经元及其它生物泵产生的传输过程，所 有这些运动都会产生声信息．但这些主动型的声信息并不属于超声 检测的信息范畴，这里主要叙述被动超声检测技术．
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二、超声诊断设备的主要参数
(一)探测深度和脉冲重复频率 一 探测深度和脉冲重复频率 在脉冲超声回波系统中，超声探头在电脉 冲的激励下产生一个短脉冲声信号，但在 更长的时间里处于接收状态，如图1． 工作周期 发射脉冲时间τ与脉冲重复周 期T之比，即
τ
T
Tw = τ T
图 1 短脉冲声信号示意图
一、超声诊断设备的种类 二、超声诊断设备的主要参数
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一、超声诊断设备的种类
依据不同的检测原理，超声诊断设备有不同的分类方法． (一) 按发射超声的方式分类 一 检测信息主要来源于超声波在人体组织界面 检测信息主要来源于 1 回波型 又称为反射型．检测信息主要来源于 反射和散射，是目前应用最广的一种超声检测技术． 相关的超声诊断技术仪器主要有：A型、B型、C型、F型、 相关的超声诊断技术仪器主要有 PPI型、M型、D型超声波诊断仪，彩色超声波诊断仪、超 声心动图等． 检测信息主要来源于超声透过人体组织后的变化． 2 透射型 检测信息主要来源于 相关的超声诊断技术仪器主要有：超声全息、透射型CT、 相关的超声诊断技术仪器主要有 超声显微镜等． 检测信息主要来源于人体组织界面和运动细胞散射引起的 3 多普勒型 检测信息主要来源于 超声频率、振幅及相位等的变化． 检测信息主要来源于超声透过人体组织界面和细胞界面 4 透射反射型 检测信息主要来源于 反射、散射引起的变化．如透过反射型脑超声诊断仪 等．
脉冲重复频率 每秒钟内脉冲出现的次数， 即
Fp = 1 T
脉冲重复频率的选择受到探测深度和受检体运动波形的影响．其上 限与渡越时间有关，即脉冲重复周期T必须大于渡越时间，以保证回 波信号被探头接收后再发射下一个脉冲．脉冲重复频率的下限取决 于采样速率，即采样速率至少应等于受检体运动波形的最高频率fm 的2倍，因此有
I P
S /cm
S /cm
(a) A P
(b)
S /cm
S /cm
(c)
(d)
(a) 生物组织中的声衰减 (c) 增益补偿曲线
(b) 生物组织中的声回波 (d) 增益补偿后的声回波
图 3 增益补偿示意图
一般软组织的平均衰减系数略 小于1dBcm-1MHz-2 ，所以增益 补偿速率用SGR表示
SGR=1.3fs (cm-1MHz-1)
图 4.17 典型脉冲回声系统的分辨率单元
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(二) 按扫查方式和显示时间分类 二 超声诊断设备按扫查方式和显示时间可分为三类：实时检测、准实 时检测(8帧/秒)、非实时检测(1帧/秒)． (三) 按显示方式分类 三 1 彩色显示 1982年日本Aloka公司，采用自相关技术提取信息． 2 伪彩色显示 采用数字编码技术将黑白图加以彩色显示，实际上是一 种假彩色显示技术，但可提高信息识别率． 3 多维显示 采用多维显示方式，可更为细致的显示体内组织结构． 主要有两种：一是合成型，多个二维信息经计算机合成显 主要有两种 示；二是演算型，采用预测理论用计算机计算后显示． (四) 按功能和用途分类 四 1 按功能分 高档多功能、中档、低档及普及型超声诊断仪等． 2 按用途分 眼科专用、颅脑专用、心脏专用、血流专用超声诊断仪等． 3 按操作类型分 便携式、推车移动型、固定式超声诊断仪等．
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不同增益的τa与R不同，如图4． 2 侧向分辨率 w 侧向分辨率r 又称为横向分辨率或水平分辨 率，是指脉冲回波在垂直于轴 线方向上对于两个靶点的最小 识别距离R．
(a) (b) (c) (d)
rw = R = W
W是声束的有效宽度
(a) 增益=0dB (b) 增益=10dB，τa=1.6s，△R=1.2mm (c) 增益=20dB，τa=2.7 s，△R=2.0mm (d) 增益=30dB，τ a=3.5 s，△R=2.6mm