彩超技术概述-谐波成像
超声谐波成像
超声谐波成像
Ultrasonic harmonic imaging
历史由来
20世纪80年代初,Muir首先从理论及实验上证实了在生物医学超声所使用的频率及强 度范围内,存在不容忽视的非线性现象。 1997年，Christopher提出使用超声波在传播过程中产生的谐波成分进行医学成像, 此后,谐波成像方法和技术的研究得到重视,并逐步应用到医学诊断中。 在70年代推导出一个描述非线性超声场的波动方程即KZK方程，随后大量的实验和理 论以及数值计算结果充分证明了它的正确性。
谐波产生的物理基础
超声在人体组织内传播过程产生的非线性，以及组织界面入射/反射关系的非线性 谐波产生（2f,3f,1.5f……）
非线性声学 一个描述非线性超声场的波动方程，即KZK方程 根据连续性方程、运动方程以及物态方程等推导出来的
波形畸变
非线性场中，波形上各点处的传播速度 并不恒定，而是位置 x 的函数
压缩区也就是声压为正的区域 稀疏区也就是声压为负的区域 压缩区与稀疏区的交界点处
非线性现象的表现
谐波能量的非线性改变
谐波成像能有效的减少的近场伪像
在近场表浅处，超声波仅由基波频率组成。但
传播后，能量会在二次谐波频率处产生。 当组织衰减作用超过非线性参数B/A作用的时
候，谐波能Байду номын сангаас衰减。
非线性现象的表现
基波能量与谐波能量的非线性改变
谐波频率能量的高低与基波频率能量有关，弱的基波频率几乎不产生谐波频率 能量，而强的基波产生较大的谐波能量
组织谐波成像
二次谐波成分的幅度
表征非线性程度的项 f为频率, 为介质密度 Z为深度，p为声压，c为声速
组织谐波成像
彩超的技术参数
彩超的技术参数全数字化技术：数字化波束形成技术：相位矫正、二维阵面聚焦等技术提高图像质量；采用多通通、多波束、多频技术以提高图像帧频，抑制旁瓣，提高分辨力前端数字化或射频信号模数变换技术宽频探头和宽频技术数字声束形成器:1）数字式全程动态聚焦:发射声束聚焦≥8段，接收连续动态聚焦（每个像素即一个焦点）。
2）数字式可变孔径及动态变迹：改善声束主瓣与副瓣的相对大小，抑制副瓣（旁瓣），消除副瓣伪象发射声波：改变阵孔径上各阵元的激励电压；接收声波：改变各阵元信号相加前的加权系数。
3）数字声束形成物理通道,接收信号通道≥256通道A/D≥12bit4）多倍信号并行处理，超声信号动态范围≥120dB物理扫描通道:在数字声束行成器中，每个阵元对应一个A/D和数字存储器及延迟线，即构成一个物理扫描通道。
声束快速扫描，物理扫描通道也随着快速更换。
数字声束扫描通道:若发射一次超声后，接收回声可采用2~4组多倍信号并行处理技术（各有一微小角偏差），2~4组声束行成通道同时接收回声信号，这就是数字声束扫描通道。
采用一发多收，每帧线密度一定时，可以提高帧速率；当帧速率一定时，可以提高每帧的线密度。
备注：据上所述，厂家宣传的通道数都不是实际物理通道。
即便是标称１０２４通道但是探头没有１０２４个有效阵元，在提高实际分辨率上是没有任何意义的。
厂家标称的通道数不可尽信。
复合成像技术（实时融合图像技术、sonos CT）：是基于普通超声基础上研制出的新的超声技术，它利用电子声束偏转技术和数字化图像处理技术，发射和接收9个角度的超声波，获得比普通超声扫描多9倍的图像信息，从而提高图像的细微分辨率和对比分辨率。
“sonos CT”这个名词是厂家为宣传而起的一个名词，和真正的CT有很大的区别，目前不存在真正的“超声CT”技术解剖M型超声：又称任意角度M型超声、全方位M型超声。
最早由挪威Vingmed公司推出（其公司目前已经被GE公司收购）。
超声设备成像为什么必备谐波技术？
超声设备成像为什么必备谐波技术？谐波技术已经成为了超声设备必备的一项成像技术，那么我们对谐波又有多少了解呢？▎什么是谐波？谐波是相对于基波而言的。
在超声设备中，基波就是超声探头发射出来的初始声波频率，谐波就是超声探头接收到的不同于基波频率的声波信号。
两倍频率的叫二次谐波，三倍频率的叫三次谐波，四倍频率的叫四倍谐波，以此类推。
频率越高谐波分辨率越高，但是信号强度越弱。
因此频率并不是越高越好。
谐波的原理谐波是超声波的非线性传播特性和组织的非线性特性而产生的声波，非线性概念：我们可以理解为自然界存在两种声波的传播特性：线性传播和非线性传播，线性传播只是相对而言的，而非线性是绝对的，也就是说波的传播一定是非线性的，只是过去我们通常假设声波是线性传播的。
谐波的产生和接收超声探头发射出来的波总是基波，基波通过组织后频率发生了变化形成不同频率的谐波。
探头接收到的声波中既有基波的成分也有谐波的成分。
但设备具有选择通过的功能，选择性的接收二次谐波，滤除基波和其他谐波成分就是我们所说的二次谐波成像技术。
这是目前超声设备主要采用的谐波类型。
▎我们为什么要用谐波？我们最开始认为谐波是有害的，无用的，但是随着专家们的不断研究，谐波逐渐变废为宝。
谐波相对于基波来说旁瓣伪像更少，信噪比和对比分辨力更好。
1、组织谐波成像目前超声设备中主要使用的组织谐波成像技术是二次谐波技术，为了宣传而起名的脉冲反向谐波技术、脉冲剪影谐波技术、编码脉冲谐波技术、能量调制谐波技术等等都是基于二次谐波的。
我们以脉冲反向谐波技术举例：脉冲反向谐波技术的目的是增强组织二次谐波信号强度，探头同时反射两组反向的基波信号，探头接收声波后基波信号完全抵消，保留了干净的谐波信号，两组基波产生的谐波信号可相互叠加，从而提高了信号强度，该技术已经被广泛应用到各中-高端超声设备中。
2、造影谐波成像向血管内注入微气泡（相对组织具备更强的非线性特性），以增强超声的谐波反射效能。
超声造影之基本原理篇
Contrast Pulse Sequencing 相干脉冲系列技术
在相干成像的基础上，采用连续发射一 组脉冲，提取来自微泡非线性二次谐波 （second harmonic）用于成像，特点 是提高了信噪比，造影效果好 。
仪器：Sequoia512，Sequoia Paragon 等
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Contrast Tuned Imaging 对比造影成像技术
百胜集团（Esaote Group）推出的CnTi 技术， 低声压实时超声造影成像技术，采用独有的 纯净波发射激励、宽动态范围和数字滤波技 术，从而可获得纯正的造影剂二次谐波实时 图像。
CnTi 技术的独特优势之一是声压可调 （0.02≤MI≤1.7）。即使直接声压（DP）在 40Kpa，MI 在0.06 以下低声压作用于微泡时， 也能通过宽动态范围放大获得理想的低噪声、 完全实时的谐波图像。
f0 2f0
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谐波成像
谐波造影成像技术
从组织除去或分离出线性超声信号(数 字减影),并利用微泡产生的非线性回波, 可更有效的接收造影剂谐波信号，提高 对微血流的敏感性,实时观察肿瘤实质 内微血管的血流灌注的全过程。
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常用谐波造影成像技术
目前 国内
• PI: Pulse Inversion脉冲反相谐波技术
象技术
• CHI: Coded Harmonic I. maging编码谐波显象
谐波信号接受示意图
1.5MHZ
3.0MHZ
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超声造影原理
采用微气泡注入血流提高声压反射系数 (Ra)；
空气与血浆间Ra为99.95%，红细胞与 血浆间Ra仅1.3%；
即：空气的Ra较红细胞大75-77倍，它 们强烈的增强超声的背向散射。
组织谐波成像技术及其临床应用
文章编号:1001-5949(2007)07-0670-02・讲 座・组织谐波成像技术及其临床应用叶秀芳 [关键词] 组织谐波成像技术;超声 [中图分类号] R445.1 [文献标识码] A 谐波成像是一项超声诊断新技术,是近年来非线性领域的一项重大突破,这一技术的开发和应用使许多疾病的诊断范围和诊断水平得到拓展。
在二维及彩色多普勒超声检查中应用谐波成像极大地提高了信噪比,更清晰地显示被检脏器的图像和血流状态,这一技术被认为是超声技术发展过程中的又一里程碑。
谐波成像技术分为造影剂谐波成像和组织谐波成像。
谐波成像技术应用于非超声造影时称为自然组织谐波成像(nature tissue har monic i m aging NTH I),现简要介绍组织谐波特性及其临床应用。
1 组织谐波T H I技术特点自然组织谐波技术融合了多种现代超声技术,如超宽频探头,宽频全数字声束形成器和信号处理技术等。
因此具有良好的信噪比,较强的空间分辨力,在消除近场伪像和旁瓣干扰、增强组织对比度、提高深部组织回声信息量等方面具有显著的特点。
1.1 NT H I有良好的信噪比:二次谐波能量与组织和探头的直线距离有关,能量较高的基波产生很强的二次谐波能量,而弱的基波几乎不产生谐波频率能量,声波只有在传播几厘米后才会产生足以成像的二次谐波能量。
由于谐波是声波在组织内传播时逐渐产生,近场区谐波成分微弱,但随着在组织中传播距离的增加,谐波能量可产生积累。
F I成像时的大部分伪像来源于浅层胸、腹壁或肺、胃肠道等含气组织的干扰,而这些伪像包含有较少的或很弱的谐波能量,因此选择二次谐波成像能有效消除近场伪像,降低了近场区的噪声干扰,提高信噪比和分辨率。
同时也扩大了图像图像调查报告的显示范围,为临床提供了广泛的组织信息,尤其是肥胖病人、老年人及气体较多的患者,谐波成像的图像质量明显优于基波成像。
1.2 能有效消除旁瓣干扰,提高远场图像质量:近场伪像中旁瓣伪像是传统基波成像不可避免和难以解决的一大难题,采用二次谐波成像时,由于主声束的二次谐波强度高于旁瓣,旁瓣的能量比主波低的多,产生的二次谐波很低,所以谐波图像调查报告中杂波减少。
最新超声谐波成像
消除了基波和奇次谐波成分，使得偶次谐波 的幅度变为原来的两倍
包络检波
扫描变换
非线性参数B/A
物态方程：描述了声压和流体密度的关系 绝热过程下，物态方程可以展开为：
定义两个参量
物态方程泰勒展开式一阶项与二阶项之比 会影响声速
Technique Finite Amplitude Distortion-Based Inhomogeneous Pulse Echo Ultrasonic Imaging
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A novel pulse echo imaging scheme in which the image is formed using the finite amplitude distortion components of the received pulse is considered here. Alternatively, this could be described as image formation using the nonlinearly-generated higher harmonics.
基波能量与谐波能量的非线性改变
谐波频率能量的高低与基波频率能量有关，弱的基波频率几乎不产生谐波频率 能量，而强的基波产生较大的谐波能量
组织谐波成像
二次谐波成分的幅度
表征非线性程度的项 f为频率, 为介质密度 Z为深度，p为声压，c为声速
组织谐波成像
消除近场伪像干扰 有效遏制超声侧瓣回声对图像的影响 提高远场成像质量
压缩区也就是声压为正的区域 稀疏区也就是声压为负的区域 压缩区与稀疏区的交界点处
非线性现象的表现
超声谐波成像
a
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组织谐波成像
消除近场伪像干扰 有效遏制超声侧瓣回声对图像的影响 提高远场成像质量
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高分辨率和高对比度
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组织谐波成像系统架构
a
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谐波提取
谐波频段滤波
发射的基波信号的频带控制得比较 窄，便于滤波
发射的基波信号的频带比较宽，与 基波发生重叠
基波信号的频带宽度、发射脉冲的持续时间、 轴向分辨率之间的矛盾
a
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定义两个参量
物态方程泰勒展开式一阶项与二阶项之比
会影响声速
a
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Technique Finite Amplitude Distortion-Based Inhomogeneous Pulse Echo Ultrasonic Imaging
A novel pulse echo imaging scheme in which the image is formed using the finite amplitude distortion components of the received pulse is considered here. Alternatively, this could be described as image formation using the nonlinearly-generated higher harmonics.
在70年代推导出一个描述非线性超声场的波动方程即KZK方程，随后大量的实验和理 论以及数值计算结果充分证明了它的正确性。
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谐波产生的物理基础
超声在人体组织内传播过程产生的非线性，以及组织界面入射/反射关系的非线性 谐波产生（2f,3f,1.5f……）
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医学超声谐波成像技术研究进展
第36卷 第5期2004年5月 哈 尔 滨 工 业 大 学 学 报JOURNA L OF H ARBI N I NSTIT UTE OF TECH NO LOGYV ol 136N o 15M ay ,2004医学超声谐波成像技术研究进展刘贵栋,沈 毅,王 艳(哈尔滨工业大学航天学院,黑龙江哈尔滨,150001,E 2mail :gtomasd @ )摘 要:对目前所采用的谐波成像技术作了简要的叙述,并探讨了应用前景.由于在组织和造影剂成像中利用了谐波频率,明显地改善了超声图像质量.超声中的谐波是由组织和造影剂产生.造影谐波来源于所注入的造影剂对超声的反射,与组织的反射无关.当不使用造影剂时,谐波是由非线性传播产生的.组织和造影剂的谐波成像在图像分辨力和对比度之间的折衷使得非线性信号大打折扣.关键词:医学超声;对比谐波成像;组织谐波成像;脉冲反相谐波成像中图分类号:R312文献标识码:A文章编号:0367-6234(2004)05-0599-04The technical progress of medical ultrasonic harmonic imagingLI U G ui 2dong ,SHE N Y i ,W ANG Y an(S ch ool o f As tr onautics ,H arbin Ins titute o f T echn ology ,H arbin 150001,China ,E 2m ail :g tom asd @ )Abstract :Medical ultras ound scanners are widely used in hospitals all over the w orld for diagnostic purposes.While many technological im provements have been achieved over the years that resulted in better images ,a large number of patients are still difficult to image due to inhom ogeneous skin layers and limited penetration.In recent years ,harm on 2ic frenquency is adopted in tissue imaging and contrast agents imaging ,which im proves the image quality.Harm onics in ultras ound are generated by tissue or by contrast agents.C ontrast 2agent harm onics are generated by reflections from the injected contrast agent and not from reflections from tissue.When no contrast is em ployed ,harm onics are generated by tissue itself as a result of nonlinear propagation.Harm onic imaging of tissues or contrast agent forces an inherent com promise between image res olution and contrast that limits its sensitivity to nonlinear signals.This paper describes the technical progress of harm onic imaging briefly.Its clinical application prospect has been discussed al 2s o.K ey w ords :medical ultras ound ;contast harm onic imaging ;tT issue harm onic imaging ;pulse inversion harm onic imaging收稿日期:2003-05-29.基金项目:跨世纪优秀人才培养计划资助项目;高等学校骨干教师资助计划资助项目;哈尔滨工业大学校基金资助项目(HIT.2002.11).作者简介:刘贵栋(1976-),男,博士研究生;沈 毅(1965-),男,博士,教授,博士生导师. 医学超声在医学诊断中起着十分重要的作用.但是,医学超声所包含的诊断技术,无论是B 型成像还是血流检测,都沿用了线性声学的规律.但是线性是相对的、局部的,非线性是绝对的、全面的.实际上医学超声中存在着非线性现象[1].过去它处于次要地位而被忽略,但是,随着人们对超声研究的深入,研究医学超声中非线性现象将有助于人们进一步提高现有的诊断水平.近年来产生的谐波成像技术就是非线性声学在超声诊断中的一项卓有成效的新技术.传统的超声影像设备是接收和发射频率相同的回波信号成像,称为基波成像(funda 2mental imaging ).实际上回波信号受到人体组织的非线性调制后产生基波的二次三次等高次谐波,其中二次谐波幅值最强,为此利用人体回声的二次等高次谐波构成人体器官的图像,可提高图像清晰分辨率.这种用回波的二次等高次谐波成像的方法叫做谐波成像(harm onic imaging).当前应用较广的有对比谐波成像,组织谐波成像[2,3].国外的SIE ME NS、G E、ME DIS ON、PHI LIPS等公司都已经有了应用谐波成像技术的产品,而且把此项功能作为超声诊断设备的主要功能之一.因此,开展谐波成像技术的研究对提高国内超声成像设备的诊断水平具有现实意义.1 对比谐波成像 对比谐波成像(contrast harm onic imaging),或称造影谐波成像是指用超声造影剂UC A(ultra2 s ound contrast agent)的谐波成像方法[4,5].UC A在医学领域的研究始于1968年.早期的UC A是含有自由气泡的液体,、不稳定、不适于软组织造影.90年代,UC A的研究工作取得很大进展.含有包膜的液体、自由气泡、含悬浮颗粒的胶状体、乳剂、水溶液相继研究成功.目前正在使用和研究的约有10余种,常用的主要有3种:Lev ovist、Albunex和Optis on.文献[6]对超声造影剂的进展、特点、制备技术和评价方法进行了综述.UC A注入血管可改变组织的超声特性,其最基本性质就是增强组织的回波能力,可在B型超声成像中提高图像的清晰度和对比度.直径<10μm的气泡明显增强散射信号,具有丰富的二次谐波,能够有效地抑制不含造影剂的组织(背景噪音)回声.利用谐波成像和谐波D oppler技术可测量体内微小血管血流与组织灌注,能抑制不含UC A的组织运动在基波上产生的杂波信号,大大提高信噪比.在血流D oppler测量中,利用UC A作用下的谐波D oppler效应是项新技术.文献[7]报道了谐波D oppler产生的机理、频移公式,测量条件、校正方法等研究内容,指出了谐波D oppler的主要优点是扩展了测量低速血流的速度下限,减少背景噪声.二次谐波得到了广泛的研究和应用,然而二次谐波成像主要的问题是组织中谐波的产生和积累.UC A和组织之间的差异通常用二者散射功率(或强度)的比值(contrast-to-tissue,CTR)来表示.理论和实验都证明了当超声波照射到含微气泡的液体时会产生二分之一基波频率的信息,(次谐波(subharm onic)),即发射频率为f0的超声波,而接收频率为f0/2的回波信号.以UC A的后散射强度和组织的后散射强度的比值来比较次谐波和二次谐波,则次谐波的比值高于二次谐波的比值,而且在一定的范围内次谐波的比值随声压增加而增加,二次谐波比值随声压增加而减少[8].为此,利用次谐波成像似乎更能突出血流和组织之间的对比度.此外,因为次谐波频率低于二次谐波频率(两者相差4倍),它在组织中的衰减就小.当然,次谐波成像也存在着缺点,主要是空间分辨力欠佳.对于次谐波成像的研究刚刚起步,寻找最适于次谐波成像的造影剂,设计新型探头和对成像方法的研究对于能否发挥出次谐波成像的优势至关重要.文献[9]的研究表明二次谐波及以上频率的CTR随着谐波频率的阶次的增加而增加.文中采用三次、四次、五次等高次谐波(super harm onics)成像,同时提出一种新型相控阵探头,该探头含有两种类型的阵元,阵元交错排列,阵元总数为96.两组阵元分别工作在不同的频率,48个阵元工作在218MH z中心频率上,带宽为80%;其余48个工作在900kH z中心频率,带宽为50%.实验表明,利用该双频率探头,高次谐波的CTR相对于二次谐波成像提高40dB.由于高次谐波成像中采用了较低的能量,所以易受背景噪声的影响,信噪比的降低是不可避免的缺点.以往的造影谐波技术,为了避开基波段背景噪声,提高信噪比,利用数字化滤波器,检出造影剂的二次谐波信息进行成像.但是这种方法,经过一段时期的临床应用,暴露了一些潜在的缺点:造影剂用量较多,检查成本较高;采集的信息量较少,敏感性和特异性差;对各类造影剂的兼容性差;多普勒血流信号过度敏感,造成彩色怒放现象(color blooming).为了解决上述问题,推出了脉冲反相技术,但这种方法忽略了基波频段的有用的回波信号.与此同时,造影剂经过静脉注射,沿途经过了血液稀释,组织吸附及气泡自行破裂,到达靶目标时,浓度仅为起始浓度的5%,故提高造影剂回波信号的利用率对于提高造影的敏感性是必要的.造影剂的三频段成像技术是目前最先进的造影剂成像技术[10].这一技术不仅提取了造影剂二次谐波信息(2f0),还同时提取了次谐波信息f0/2和基波信息(f0),对三频段信息进行融合处理,所得到的图像清晰细致,尤其善于捕捉细节信息.对于造影状态下的二维图像及血流灌注的细节检查而言,该技术展现在医生面前的将是一幅清晰细致的造影剂分布图像,无异于给广大医务工作者带来了一双明察秋毫的慧眼,带来了前所未有的诊断信心.UC A的作用在于人为地扩大非线性现象.其谐波信号强,所需发射声强可相对降低,对于超声・6・哈 尔 滨 工 业 大 学 学 报 第36卷 安全性而言是有利的.但注入UC A是一种微损伤行为.2 组织谐波成像 临床上大约有20%～30%的病人,由于肥胖、肋间隙狭窄、胃肠气体干扰、腹壁较厚或疾病等原因,而被超声称为显像困难病人.对于此类病人需进一步的诊断研究或较低频率的超声检查以增加穿透力.组织谐波成像能够解决该问题.利用宽频探头,接收组织对发射波非线性调制而产生的高频信号及组织细胞的谐波信号,并对信号进行实时平均处理,增强较深组织的回声信号,改善图像质量,提高信噪比[11,12].由有限振幅失真现象而来的组织谐波成像已经被证实具有较好的影像解析度,这主要是因为由非线性传播所产生的谐波信号和由线性传播而来的同频率的信号相比较,谐波信号可以在成像时提供较低的旁瓣强度,而且不管声波传播经过的是均匀的介质或是由不同组织构成的不均匀介质,都可以观察到同样的现象.而在超声波图像中,低旁瓣代表的就是高对比解析度,因此组织谐波图像比基波图像有着更好的对比,可以在诊断上给医生提供更明确的诊断信息.另外,组织谐波成像不同于造影谐波成像,其谐波频率绝大部分产生于组织的传播过程中,而不是组织的反射.在改善图像质量中,最关键的因素为:谐波能量随着传播距离的增长而增加.在探头表面,超声脉冲仅由基波频率组成.而一旦在组织中传播,能量将在二次谐波频率处产生,经过一段距离后,将有足够的能量由基波转换而产生明显的二次谐波频率.由于超声中大部分伪像(arti2 facts)来源于腹壁或接近于腹壁的反射和散射信号,这些信号中含有极少的谐波能量,如果利用谐波成像,近场伪像的大部分将被消除.谐波成像的另一个关键是基波频率能量和谐波频率能量的非线性关系.弱的基波频率几乎不产生谐波频率能量.超声中的大部分伪像由异常的传播途径而来,其能量肯定弱于中心成像声束.然而,组织在超声照射下的非线性现象是微弱的,它的检测依赖于接收系统的灵敏度和处理的先进性.显然加大声强会提高组织中的谐波分量,但是要以满足超声安全性为前提.从工程技术的角度来看,组织谐波成像系统更具先进性和复杂性,但是实现的难度较大.即使在最佳的环境条件下,来自组织的谐波频率能量也远远小于基波频率能量.因此,对仪器的设计需要解决3个主要问题.首先,仪器必须有超宽大的动态范围.谐波成像时,会损失10～20dB的信号强度,为保持信噪比,必须设定非常宽的动态范围以接收这种相当弱的信号而成像.其次,发射源必须在谐波频率上发射极小的能量.第三,在成像过程中,必须有一锐利的滤波器,仅使谐波频率通过至解调器.另一个技术难点是单纯组织谐波信号的提取问题.虽然只有组织非线性而产生的谐波信号才具有比较优异的成像品质,不过利用超声波探头所接收回来的回波信号并不都是由组织的非线性特性而来,系统本身也可能产生谐波信号,而且系统所产生的谐波信号和由组织所产生的谐波信号是互相独立的.换句话说,在距离探头一定距离之后所探测的谐波信号事实上是由两种来源不同的谐波混合而成的,其中之一是有限振幅失真而来的,另外一部分则是在声波传播之前就存在于超声波成像系统中,将这种谐波信号的来源称之为谐波溢漏(harm onic leakage).文献[13]借助波束品质研究了组织谐波影像在谐波溢漏现象下影像品质的恶化情形.当谐波溢漏现象发生时,系统所发射出去的信号就已经有了谐波成分,因此,如何有效抑制谐波溢漏就显得尤为重要.K rishnan和O,D onnell所提出的alternate phasing方法可以改善在对比谐波影像上的对比能力[14].不过由于在组织谐波影像中,谐波波束是由基波波束经由非线性传播而来的,因此基波波束的品质(例如主瓣的宽度和旁瓣的高低)会决定谐波波束的品质,而alternate phasing方法会对基波波束有不良的影响,故运用到组织谐波成像上仍然有许多问题.研究发现,脉冲反相法可以有效消除谐波溢漏,产生最低的旁瓣,但是会使得帧频降低,产生运动伪像[15].因此,发展一套能有效在组织谐波成像上使用的抑制谐波溢漏方法是亟待研究的课题.目前,国内对组织谐波成像研究仅限于临床应用研究,研究工作者也仅限于医生,尚缺少对该项技术在理论和实验方面的深入研究.国外已经开展了组织谐波成像模型的理论研究,取得了一些成果.Y adong Li研究了用于产生谐波B型超声图像的计算模型[16].他所提出的计算机模型考虑到了超声成像的几乎所有方面,包括介质的特性,探头的形状,频率,带宽,以及信号处理.对于显像困难的病人,谐波成像较基波成像在心内膜边界显示、室壁血栓、心包腔肿物、腹部肿物的边界及混合性肿物性质的判定等方面发挥了很大的优势,但是对于显像良好的病人,可能使・16・第5期刘贵栋,等:医学超声谐波成像技术研究进展图像质量退化,主要原因是一定数量动态范围的消耗.3 结 语近5年来,人们对谐波成像技术进行了诸多理论和实验研究,做出了一些成果.谐波成像已经得到证实是临床上一种有效的超声成像技术.谐波成像作为一种附加的成像功能,具有更强的信号穿透能力,明显减少杂波和图像阴霾,并提供增强的对比分辨率.最重要的是这些优点可以通过多种类型的换能器和频率获得,而无需增强超声能量.最新的全息造影谐波成像技术能够在高频和低频成像,使得包括那些显像困难的病人在内的所有病人均可以得到更加清晰的图像.今后,谐波成像技术将作为一种获取高质量图像并且价值不断增加的工具继续活跃在临床造影的前台,从而提高诊断的准确性.正如专家所讲,超声可能从来不能完全代替其他的成像方式,但是这些最新的创新技术使得超声成为一种更加有效且经济的诊断选择.参考文献:[1]DUCK F A.N onlinear acoustics in diagnostic ultras ound[J ].Ultras ound in Med &Biol ,2002,28(1):1-18.[2]BURNS P N ,SI MPS ON D H ,AVERKI OU A.N onlinearImaging[J ].Ultras ound in Med &Biol ,2000,26(1):19-22.[3]TRANQUART F ,G 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tis 2sues[A ].1997IEEE Ultras onics Sym posium[C ].T oronto :[s.n.],1997.1561-1566.[12]丛淑珍,王连生.组织谐波成像技术及其临床应用价值[J ].世界医疗器械,1999,5(5):68-76.[13]SHE N C C ,LI P C.Harm onic leakage and image qualitydegradation in tissue harm onic imaging[J ].IEEE T ransac 2tions on Ultras onics ,ferroelectrics ,and frequency control ,2001,48(3):728-736.[14]K RISH NAN S ,DONNE LL M O.T ransmit aperture process 2ing for non 2linear contrast agent imaging [J ].Ultras onic Imaging ,1996,18(2):77-105.[15]SHE N C C ,LI P C.M otion artifacts of pulse inversion 2based tissue harm onic imaging [J ].IEEE T ransactions on Ultras onics ,ferroelectrics ,and frequency control ,2002,49(9):1203-1211.[16]Y ADONGL ,JAMES A.Z agzebski.C om puter m odel for har 2m onic ultras ound imaging[J ].IEEE T ransactions on Ultra 2s onics ,ferroelectrics ,and frequency control ,2000,47(5):1259-1272.(编辑 杨 波)热烈祝贺“试验卫星一号”“纳星一号”升空 北京时间4月18日23时59分,我国在西昌卫星发射中心用“长征”二号丙运载火箭,成功地将“试验卫星一号”和搭载的“纳星一号”科学实验小卫星送入太空,这标志着我国小卫星研制技术取得了重要突破.“试验卫星一号”是我国第一颗传输型立体测绘小卫星,重204kg ,由哈尔滨工业大学联合中国航天科技集团公司所属的中国空间技术研究院、中国科学院长春光机所和西安测绘研究所共同研制,主要用于国土资源摄影测量、地理环境监测和测图科学试验.卫星经在轨测试后,将交由中国科学院卫星遥感地面站使用.(摘自2004年4月19日光明日报)・206・哈 尔 滨 工 业 大 学 学 报 第36卷 。
彩色多普勒组织成像法及谐波成像_修改
谐波成像组织谐波成像(THI)
2.3 组织谐波成像(THI)
下面我们具体分析一下组织谐波成像技术是如何提高成像质量的。
组织谐波成像改善图像质量的技术基础为:①近场处谐波能量很少，不 易产生伪像。常规超声图像的大部分伪像来源于胸壁和腹壁的反射和散 射，这些伪像含有极少的谐波频率，因此近场伪像被消除②有利于消除 旁瓣伪像。基波频率能量和谐波频率能量呈非线性关系，能量较高的基 波产生相当大的谐波能量，而弱的基波几乎不产生谐波频率能量。因旁 瓣能量比主波低得多，产生的二次谐波很低，不足以形成图像，因此消 除了旁瓣的干扰③谐波波长较短，可以提高轴向分辨力。频带较窄，提 供较佳的侧向分辨力。频率比基波高1倍，所以其检测低速血流速度的 阈值为基波的1/2，即对低速血流的检测更灵敏④组织谐波成像一般使用 穿透力高的低基波频率，且由于谐波非线性效应，在某一深度范围，谐 波的能量明显增强，有力地提高该深度范围的声噪比，明显提高了超声 图像的质量
总目录
1 2 3
结构图
彩色多普勒成像法 谐波成像技术
总结
4
结构图
1 彩色多普勒血流图
2 彩色多普勒能量图
彩色多普勒成像
3 多普勒组织成像 1 谐波成像的分型 2 组织成像的原理 3 组织谐波成像（THI）
组织追踪成像 应变率和应变率成像
谐波成像技术
1、彩色多普勒成像
1.1 彩色多普勒血流图 • 它是基本于多普勒效应,用于实现对血流参 数的测量。1983年第一台具有CFM功能的超 声诊断仪面世,标志着超声诊断从形态学向 血液动力学的过渡,从人体脏器解剖信息的 获取向功能信息的获得的过渡。 “彩超”就是彩色多普勒血流成像系 统的简称。它是一种能同时显示B型图像和 利用多普勒技术得出的血流方向、流速及 流速分散数据的超声扫描系统。在实现上 述血流参数的测量中,经历了从连续多普勒 （Continul Wave Doppler CWD ）血流测量 到脉冲多普勒（Polse Wave Doppler PWD ） 血流测量、再到彩色多普勒血流图的过程。 应该说,到目前为止,CFM已成为中高档超声 诊断仪不可或缺的功能。 CFM这种血流测量技术,因为它要检测 回波信号的频移,而它的测量精度受到声波 方向和血流方向的夹角θ的影响,且对低速 血流的测量较困难,因而在其后又出现了其 它的彩色多普勒成像方式。
简述超声组织谐波影像特点
简述超声组织谐波影像特点
超声组织谐波影像是一种无创伤、安全、便捷的医学影像技术，可以在不干扰患者正常生活情况下进行检查。
它是将高频超声信号发射到被检测物体，然后根据被检测物体上反射出来的超声信号绘制图像，从而实现对组织结构和功能的诊断。
超声组织谐波影像的特点有以下几点：
一、显示更加真实：超声组织谐波影像具有更高的分辨率，比其他超声影像技术有更好的显示效果，可以更加清晰地显示出组织结构和功能，使医生在进行检查时更加准确。
二、快速实时显示：超声组织谐波影像可以快速实时显示图像，可以直接看到病变组织的表现，使医生能够更加精准的诊断患者的病情。
三、安全性强：超声组织谐波影像是一种无创伤的检查方法，不会对患者的身体造成任何伤害，可以保证患者的安全。
四、成本低：超声组织谐波影像的成本比其他影像技术要低得多，因此它受到越来越多人的欢迎。
五、应用广泛：超声组织谐波影像可以应用于多种身体组织和部位，可以检查甲状腺、乳腺、肝脏、肾脏、心脏等，可以发现早期病变，为临床治疗提供参考。
超声组织谐波影像是一种无创伤、安全、显示更加真实、可以快速实时显示图像、成本低、应用广泛的影像技术，是当前发展最为迅速的影像技术之一。
它的发展将为临床提供大量有价值的信息，为临床治疗提供参考，更好的改善患者的生活质量。
医学超声谐波成像的研究的开题报告
医学超声谐波成像的研究的开题报告一、研究背景和研究目的医学超声谐波成像是一项非常重要的医疗技术，它可以通过声学波来成像检测人体内部的器官结构、血流情况及病理变化，非侵入性、无辐射，因此被医学领域广泛应用。
本研究旨在深入了解医学超声谐波成像技术的发展历程，以及其原理、特点及应用，为进一步探索其诊断、治疗和研究价值提供科学依据。
二、研究内容和方法1. 研究内容（1）医学超声谐波成像的起源及发展历程。
（2）医学超声谐波成像的原理和特点。
（3）医学超声谐波成像在临床应用中的表现及临床应用前景。
2. 研究方法（1）文献资料法：收集有关医学超声谐波成像的文献、专利、期刊和相关的介绍资料等，作为研究的主要资料来源。
（2）实验研究法：根据医学超声谐波成像的原理和特点，开展实验性研究，通过实验验证医学超声谐波成像的有效性。
（3）问卷调查法：通过对医学工作者、患者和相关企业的问卷调查，了解医学超声谐波成像在临床应用中的表现及其应用前景。
三、预期成果及意义本研究将进一步深化对医学超声谐波成像的认识，探索其在临床应用中的优势和潜力，对其诊断、治疗和研究价值提供科学依据，有助于改善医疗卫生服务、提高人民身体健康水平。
四、工作计划1. 搜集相关文献资料，了解医学超声谐波成像的发展历程和现状。
预计用时：1个月。
2. 开展医学超声谐波成像的实验研究，了解其原理和特点，实际掌握其成像方法及仪器使用情况。
预计用时：3个月。
3. 进行问卷调查，了解医学超声谐波成像在临床应用中的表现及其应用前景。
预计用时：1个月。
4. 结合文献资料、实验研究和问卷调查的结果，撰写并完成研究报告。
预计用时：1个月。
五、研究预算本研究的预算主要用于购买医学超声谐波成像仪器和实验所需材料。
预计总预算为5万。
具体预算如下：1. 医学超声谐波成像仪器购买费用：3万元。
2. 实验所需材料费用：2万元。
总预算：5万元。
六、参考文献1. 程希夫.医学超声谐振成像技术在肿瘤研究与诊断中的应用.中国肿瘤.2016；25（1）:21-27.2. 刘道群. 一种新型的三维医学超声成像技术研发. 电子与软件工程. 2013；9（01）：69-70.3. 欧阳丽丽.医学超声成像技术在疾病诊断中的应用及进展.医疗电子技术.2015；21（9）：143-145.。
彩超的原理和应用简介
彩超的原理和应用简介一、彩超的原理彩超（Color Doppler ultrasound）是一种利用超声波技术进行成像和血流检测的医学检查方法。
它是通过超声波的传播和反射原理，结合多普勒效应，用于观察和诊断人体内部组织和器官的一种非侵入性检查手段。
1. 超声波成像原理超声波是一种高频声波，其频率高于人类能听到的声音频率。
在彩超检查中，超声波通过探头发射到人体内部，部分超声波被组织反射回来后，传回探头并被转化为电信号。
然后，这些电信号被转化为图像显示在监视器上。
2. 多普勒效应原理多普勒效应是描述当波源和观察者相对运动时，观测到的频率发生变化的现象。
在彩超检查中，通过探头接收到的反射信号，将会受到运动红细胞的频率变化影响。
通过对这种频率变化进行分析，可以获取血流速度和血流状态等信息。
二、彩超的应用彩超作为一种无创的检查手段，在临床医学中有着广泛的应用。
下面列举了彩超的主要应用领域。
1. 妇产科•孕妇彩超：用于监测妊娠过程中胎儿的发育情况，包括胎龄、胎儿位置和胎儿器官发育等。
•产科彩超：用于孕期检查，以及助产过程中对胎儿和产道状态的监测。
•妇科彩超：用于检查盆腔器官，包括子宫、卵巢和输卵管等，帮助诊断妇科疾病。
2. 心脏病学彩超在心脏病学中有着重要的应用，主要包括以下方面：•心脏彩超：通过超声波成像技术，可以观察心脏的结构、功能和心脏病变等情况，如心脏肥厚、房颤和心脏瓣膜病等。
•动脉彩超：通过彩超检查可以评估动脉血流速度和血流状态，帮助诊断动脉疾病，如动脉粥样硬化或动脉瘤等。
3. 肝脏病学彩超在肝脏病学中的应用主要体现在以下几个方面：•肝脏彩超：通过彩超成像技术可以观察肝脏的大小、形态和内部结构等，帮助诊断肝脏病变，如肝硬化和肝脏肿瘤等。
•肝脏血流动力学：通过多普勒技术可以评估肝脏血流速度和血流状态，对肝脏病变的诊断和治疗起到重要的辅助作用。
4. 规模化筛查彩超具有无创、非放射性的特点，因此适用于大规模的人群筛查。
三次谐波显微成像技术原理
三次谐波显微成像技术原理
三次谐波显微成像技术是一种用于生物医学和生物物理研究的
高分辨率显微成像技术。
它利用非线性光学效应来观察样品的细微
结构和生物分子的分布。
其原理如下：
首先，三次谐波显微成像技术利用激光脉冲来激发样品中的非
线性极化。
在普通显微镜中，光子与样品发生线性相互作用，而在
三次谐波显微镜中，光子与样品发生非线性相互作用。
这种非线性
相互作用导致样品中产生三次谐波信号，其频率是激发光频率的三倍。
这种三次谐波信号对应于样品中存在的非中心对称分子或结构。
其次，三次谐波显微成像技术利用三次谐波信号来形成图像。
通过收集样品产生的三次谐波信号，并利用适当的光学系统来聚焦
和检测这些信号，可以获得样品的高对比度、高分辨率的图像。
由
于三次谐波信号仅来自非中心对称分子或结构，因此该技术能够提
供关于样品中特定生物分子的信息，例如脂质分布、蛋白质聚集等。
最后，三次谐波显微成像技术具有优秀的成像深度和较低的光
伤害。
由于三次谐波信号主要来自样品的表面，因此该技术对于厚
度较大的样品也具有较好的成像能力。
此外，由于激发光的波长通
常较长，因此该技术对生物样品的光伤害较小，适合长时间观察活体样品。
总的来说，三次谐波显微成像技术通过利用样品的非线性光学特性，实现了对生物分子和结构的高分辨率成像，具有广泛的应用前景。
关于医学超声中的谐波和次谐波.
关于医学超声中的谐波和次谐波医学超声在医学诊断中起着十分重要的作用。
但是医学超声所包含的诊断技术，无论是B型成像还是血流检测，一般都沿用了线性声学的规律。
从低廉的普及型仪器到昂贵的高档设备，都作为线性系统进入应用领域。
这种医学超声中的线性现象以往占了主导地位，形成超声诊断的主流。
但是线性是相对的、局部的，非线性是绝对的、全面的，甚至有人提出世界是非线性的。
实际上医学超声中存在着非线性现象。
过去它处于次要地位而被忽略，但是随着人们对事物本质研究的深入，以往被忽略的非线性现象都在某种场合显示其重要性，研究医学超声中非线性现象有助于人们进一步提高现有的诊断水平。
近年来产生的谐波技术［1-6］就是非线性声学在超声诊断中的一项有应用成效的新技术。
谐波原理一、传播过程中的非线性换能器发射频率为f的声波，在人体组织(介质)中以纵波形式传播，即形成组织的压缩和稀疏。
线性声学认为波在均匀介质中传播速度各处相等(C)。
当计入非线性效应时，声波在均匀介质中x点的传播速度C(x)不再都是常数C0。
在波的压缩区， C(x)>C，在波的稀疏区， C(x)<C。
因此，用简谐波形激励换能器所产生的声波，由于传播过程中各点的传播速度不同而导致了波形畸变，即变为非简谐波形。
波形的畸变意味着谐波的产生。
根据非线性声学，传播过程中产生的谐波，随着传播距离增大而增加，即产生集合(build-up)。
但是，衰减却也随着传播距离增大而增大。
两者综合的结果，使换能器接收到。
表浅组织的谐波回波较小(表皮的谐波为零)。
集合作用使谐波回波随距离而逐渐增加。
某一深度到达极值，后以衰减作用为主，谐波回波随距离而逐渐增小。
二、入射/反射关系的非线性线性声学认为反射波的强度与入射波的强度呈正比，但是计及非线性效应，反射波的强度不与入射波呈正比。
这就导致在回波信号中除了有基波外还有谐波成份。
UCA(ultrasound contrast agent)国人将UCA俗称为超声造影剂，正式译名应为超声增强剂。
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彩色多普勒超声诊断仪成像技术
二维灰阶成像 频谱多普勒系统（PW、CW……） 彩色多普勒血流成像（CDFI、CDE、CCD、TDI） 谐波成像（自然组织谐波、造影剂谐波） 三维成像功能单元
谐波
根据法国数学家傅立叶(M．Fourier)分析原理证明： 任何重复的波形都可以分解为含有基波频率和一系列 为基波倍数的谐波的正弦波分量。 谐波是正弦波，每个谐波都具有不同的频率，幅度 和相角。 谐波频率是基波频率的整倍数。
②基波声束旁瓣会产生明显的旁瓣伪像，而二次谐波声束旁瓣能 量与中心声束能量相比呈反比例降低，即使二次谐波信号强度放大与基波 的信号强度相当时，二次谐波的旁瓣仍比基波旁瓣低很多。在二次谐波成 像时，就能明显地消除声束旁瓣伪像并使主瓣变细。
基波二次谐波声束轮廓示意图
2)消除近场混响 声束在表浅组织内表层与肋骨之间产生混响, 对图像显示常 出现模糊雾状改变。因此时尚未形成明显的谐波能量，这些 混响是由基波频率的能量形成，当声束穿过表浅层进入组织 后，谐波信号能量明显。在接收时，消除基波后，二次谐波 成像使紊乱和模糊影像被消除，得到了更为清晰的图像。
2)基波与谐波冲击UCA微气泡产生反射与散射的增强 信号，即U只接取2f0的谐波信号，但它是二种效果的综合。
即：
①频率为2f0的入射谐波和微气泡对此反射的二次谐 波。频率为f0 的入射基波和微气泡界面对比的非线性反射产 生的2f0的谐波。对于自然组织谐波成像，它包括：声速非线 性而产生的谐波即2f0；
9/ GE / June 7, 2004
3).基波能量与谐波能量的非线性改变
谐波频率能量的高低与基波频率能量有关，弱的基波 频率几乎不产生谐波频率能量，而强的基波产生较大的谐波 能量。
这种非线性改变对于基波能量弱的旁瓣产生的谐波，则 极少会使谐波成像产生旁瓣伪像影响。
基波能量与谐波能量关系示意图
反射时:在超声造影成像时声波冲击造影剂微泡，微 泡可能在2倍或更高倍数的声波频率上振动，作为新
的声源而发射2f0的谐波反回到探头。接收造影剂的这
种二次谐波就能很好地显示造影剂回声信号。
这种非线性现象主要表现有三个方面：
1) .声波速度的非线性改变——谐波的产生
介质的压缩与疏松 脉冲波传播过程中产生谐波示意图
2) .谐波能量的非线性改变：
超波在弹性介质中传播时，不仅产生谐波频率，而且谐波频率能 量随传播距离而呈非线性改变。在近场表浅处，超声波仅由基波频率组 成。但传播后，能量会在二次谐波频率处产生。
谐波能量变化示意图
其基波强度随传播距离而减少，但谐波强度呈非线性改变。在表 浅处谐波能量较低，采用谐波成像，可克服来原于腹壁和接近腹壁的反 射和散射的基波伪象，而传播数厘米后，谐波能量明显增加，产生具有 一定强度的谐波频率。
二次谐波的接收
二次谐波接收是提取2f0的谐波回声信号，包括自
然组织与造影剂的谐波信号。
谐波信号的接收示意图
提取纯净谐波
锐利滤波 反向脉冲 编码谐波
谐波成像可以明显改变超声图像质量
1)减少近场伪像干扰
①表层腹壁或接近腹壁的反射和散射会产生超声伪像，但这些伪 像基波能量强，而谐波能量极少，当采用谐波成像时，则近场的伪像将大 部分被消除。
②基波与非线性界面反射而产生频率为2f0的谐波信
号。两种谐波信号在谐波成像系统中被接收处理及显示。
谐波成像的应用选择
谐波成像主要视被检测目标的回波信号的信噪比——比较被测 目标回声信号的基波与谐波的信噪比，谐波的信噪比大于基波 的信噪声比，采用谐波成像会使图像更为清晰。
主要临床应用为：
增强心肌和心内膜显示 增强细微病变分辨力，了解心内血流状态 清晰显示血栓轮廓及腹腔深部血管病变边界 增强心腔内造影剂回声 清晰显示腹部占位病变 清晰显示腹部含液脏器病变及囊性病变内的回声
谐波产生的物理基础
随着非线性学论理的发展，对超声波在人体组织传 播的研究表明：超声波与人体组织（介质）作用，其 传播、反射（和散射）时都具有非线性效应。这种非
线性效应使发射的基波频率f0会出现nf0频率的谐波
(n=1, 2, 3…)。
传播时:发射超声波的中心频率为f0，其能量比较高， 在弹性介质中非线性传播时，不仅含有f0的基波，而 且有2 f0的谐波。
二次谐波成像 (second harmonic imaging,SHI)
超声波在生物组织及人体脏器内传播时，不仅有从探 头发射的基础频率的超声波（基波）传播，并且有此 基波频率的谐波传播，当谐波频率为基波频率的2倍时， 称为2次谐波，谐波频率越高其能量下降越迅速。
超声成像时，只检测二次谐波作为成像信息，其它频 率信息被滤去或不接收，这种成像方式称为二次谐波 成像。
谢谢！
18 / GE / June 7, 2004
自然组织谐波成像不需要注入造影剂，而需要高灵敏度的接 收系统。包括探头的灵敏度和大的动态范围及信号处理技术 （提高信/噪比及接收微弱谐波信号的能力）。
超声造影剂（utrasound contrast agent，UCA）谐波成像
包括：
1)声速非线性而产生的谐波成分，它是声波在组织中 传播而产生的；