成像理论

• 图8-10b所示，当晶体受到一定外力压缩作用 时，硅离子和氧原子间的相对位置发生变化， 这种离子间相对位置的改变使分子间的电场 发生不平衡，在晶体的上面出现负电荷，晶 体下面出现正电荷，这就产生了正压电效应
• 图8-10c所示，当晶体在拉力作用下，晶体两侧 会出现与压缩时相反极性的电荷。
• 图8-10d和图8-10e表示了石英的逆压电效应，其 本质是被束缚在晶体中的电荷与外电场相互作用 产生形变，引起晶体的压缩或拉伸。
• 具有压电效应的晶体称压电晶体，亦称换能器 （transducer）。 • 正压电效应：对晶体两端施加压力或拉力时， 晶体的两侧表面会出现异名电荷产生电场分布 效应。 • 逆压电效应：当晶体的两端施加一交变电场时， 晶体厚度有所改变，即晶体沿着电轴方向出现 压缩或拉伸
• 压电晶体：自然生长的单晶体（石英、电气 石）；人工培养的单晶体（硫酸锂、铌酸锂、 酒石酸钾钠） • 图8-10表示SiO2结晶形成的石英晶体的压电效 应原理。 • 图8-10a表示晶体在无外力时，两侧不带电荷
• （3）背材（阻尼吸声块）：作用是吸收背向 辐射的声能，最好使背向辐射的超声全部透进 吸声块中并衰减掉，不再反射回压电元件。 • 背材由耐磨的环氧树脂薄膜、钨粉、二氧化钼、 铁氧体、橡胶粉组成。 • （4）声隔离：通常在压电晶片、吸声块和壳 体之间加软木、橡皮、尼龙等材料进行声隔离， 消除金属制成的壳体与晶片之间产生的振动耦 合对超声能量辐射的影响。
• 为了能分清回波个 数和发射的先后次 序，超声回波使用 脉冲波束，即每发 射一个脉冲接收几 个回波，这种成像 方法称为脉冲回波 法。
• 脉冲回波测距，就是测定发射脉冲与回波之间的 时间间隔t，算出反射界面与探头之间的距离。 由于声脉冲通过同一路径一往一返，这时距离S 即为：
• c受频率的影响很小，通常忽略不计，生物组织 取其平均值为1540m/s。
• 实际上，Dmin比理论计算值大数倍。如果病 灶处于Dmin内，则反射信号在脉冲尚未发射 完就已返回探头，已无法接受而漏掉，所以， Dmin以内ude距离称为“盲区” • 为了缩短盲区，只有缩短脉冲宽度τ，但这样 又可能使发射超声能量减少，影响灵敏度。 • 通常在适当缩短τ的同时，提高超声频率，使 能量不至于减少，即缩短盲区，又不影响灵敏 度。
• 1、点声源的超声场 对于单个振子，当它的 尺寸极小时，可以将它看成是一个点声源。根 据惠更斯—菲涅尔原理，它所产生的超声场是 没有指向性的球面波 图8-13 • 2、两个点声源的超声场 两个点声源所产生 的超声场是由两个点声源子波叠加的结果，其 超声场呈一定的指向性分布而形成声束，称为 超声的指向性。
• 接受超声时，利用正压电效应将从人体组织返 回的超声接收，并转化为电信号，由接收电路 进行信息处理 • 实际工作中大多采用间歇脉冲工作方式，因此， 同一探头可以分别完成发生和接收功能。 • 分类—单晶片与多晶片
• 单晶片探头是最基本 的结构：主体和壳体 组成 • 1、探头主体 发射和 接收超声的功能部分， 由压电晶体、面材及 背材构成。性能主要 取决于晶片材料、晶 片直径与厚度、面材 前保护层的耦合、背 材的阻尼吸收等
• ②从穿透深度的角度来看，工作频率越高， 则衰减成正比地增加，必然使探测深度减 小。若要求较大的穿透深度，就必须选用 较低的工作频率。 • 工作中应在工作深度与频率之间取合理的 折衷。 • 探测距离较大的不宜采用较高频率。如： 肝脏、妊娠子宫等超声探测2-3.5MHz
• 要求深度不大的可以用较高频率提高分辨 力。如眼球、乳腺等探查一般选7-10MHz。 • 另外，探测组织的距离不大，但衰减很快， 即半衰距非常小或者超声穿透的界面较多, 如颅脑、肺等，也不宜选用较高频率，一 般1-2MHz
• 如果r»λ ,则可把λ ²忽略，则
• （1）近场特性：圆晶片辐射场中，超声能量 基本上集中在半径为0.96r的圆柱声束中，直 到最后一个极大声强处。由（8-27）式可知， D越大，λ 越小，L越大。近场区是一个花瓣区， 由于干涉和衍射是声压和声强起伏很大，不能 用于超声诊断的死区，希望越短越好。
• 图中，θ通常称为主瓣的半扩散角。 • 超声传播方向上声能量密度最大的轴线称为声 轴，其周围-3dB（-50%）范围内的声场分布区 称为声束，声束横截面的直径称为束宽。 • 当超声振源的线径远大于波长时，超声波就集 中成一束，并以θ角扩散，所形成的超声场根据 声程将其分为近场和远场。图8-16
• 近场:靠近振源的超声场，其瞬间声压和质点振 速不同相，称为近场（菲涅尔区） • 远场：距振源一定距离后的超声场，其瞬间声 压和质点振速同相，称为远场（夫琅禾费区） • 根据理论推导，近远场交界面离探头表面的声 程L： • r是圆形晶片的半径
• 4、脉冲波的超声场 • 三种波形：单尖脉冲、具有几个周期的窄脉冲、 方波调制脉冲 图8-17 • 对脉冲波的超声场用傅立叶变换进行分析，即 将脉冲超声波分解为多个正弦（或余弦）波的 叠加，从而通过分析各个频率的正弦波的声场 分析脉冲波声场，即:
• 可见，脉冲超声波可以分解成一系列谐波分量， 其最大能量发射的频率称为中心频率f0, f0=1/τ。 脉冲持续时间τ越短，中心频率f0越高。一个脉 冲的声能往往集中于中心频率附近，其总声压 P将是n次谐波对应声压平方和的平方根，即：
• 上式表明，脉冲超声波的频率响应正是综 合了各谐波分量频率响应特性的结果。另 外，求宽频带脉冲超声波的近场长度和半 扩散角时，应先求出各个谐波的近场长度 和半扩散角，然后求其合成结果。
二、超声脉冲回波成像原理
• 医学诊断中超声脉冲回波成像：利用超声波在传 播路径上遇到不均匀介质界面发生反射的物理特 性。 • 向人体内发射超声波脉冲，当超声遇到人体组织 和脏器界面时即有反射回波，检测这些回波信号 并对其进行接收放大和信号处理，最后在显示器 上出现。
• （2）远场特性：远场声源和声强比较平稳， 可以用作超声诊断ห้องสมุดไป่ตู้在远场区中，当声程x>5L 时，声压P将随着距离x的增加而明显减弱。在 2L处，声强变为原来的1/2，而声束半径增大 为1.35r，半扩散角θ可由下式计算：
• 一般要求半扩散角在3.5º 以下。为减少远场扩 散，常常对声束进行聚焦
• 上述讨论是连续波的讨论。 • 超声治疗主要利用大功率的连续超声波 • 医学诊断中常用脉冲超声波。脉冲超声波易于 发射和接收，同时脉冲波的检测可以基本避免 发射信号和反射信号的影响，提高了检测的灵 敏度。
• （1）面材（保护层）：作用是防止压电元件与 人体组织经常直接接触导致磨损、碰坏或氧化 等。探头与人体组织接触的端面加有保护层。 选用衰减小、高耐磨、柔顺性好的材料，其声 阻抗应接近人体组织的声阻抗。 通常将保护层 兼作为声阻抗匹配层，其厚度为λ/4
• （2）压电晶片（压电振子）：是探头的关键元 件，决定探头电能与声能的互换能力。 • 材料：多采用锆钛酸铅，近年新材料聚氟乙烯用 来制成薄膜探头 • 晶片几何形状和尺寸根据临床需要来确定 • 晶片厚度与工作频率相关，晶片越薄，频率越高。 频率在1～10MHz时，一般单晶片圆形探头压电 体的直径8~12mm左右，两面有涂银薄层，焊接 导线作为电极。
• 连续波—脉冲波 • 基本原理：超声脉冲回波法，就是把几兆 赫至几十兆赫的高频超声脉冲发射到生物 体内再接收来自生物体内的反射波（回 波）。 • 超声脉冲回波法，通过检测回波脉冲就可 以获得有关超声脉冲在介质内反射界面的 位置信息和方位信息。
• （一）基本原理 • 人体组织和脏器具有不同的声速和声阻抗，因 而在界面上会反射超声波（又称回波）。 • 这些分界面两边介质的声学差异不大，所以大 部分超声将穿过界面继续前进。当遇到第二个 界面时，又将产生回波，并仍有很大部分超声 能量穿过第二个界面继续前进；这样可以产生 第三个、第四个回波。超声在组织中衰减，因 此接收回波个数有限。
• 2．脉冲重复频率 • 脉冲重复频率Fp：每秒超生脉冲发射的次数， 它由电激励的频率所决定，即： Fp=1/T • T表示脉冲间隔时间，即脉冲发射周期，也是 声波往返可利用的最大时间。 • 脉冲重复频率Fp 决定了仪器的最大探测距离。 Dmax=cT/2
• 3．脉冲宽度 • 脉冲宽度τ指超声波脉冲的持续时间。最小探测 深度与脉冲宽度的关系密切。 • 探头即发射脉冲又能接受脉冲，只有当探头在发 射脉冲停止以后，处于静止的期间，才能接收。 • 当反射波回到探头的时间大于脉冲宽度，发射脉 冲与反射脉冲才可能被分别接收到。 • 最小探测深度：
• 运用这个原理，将探头的扫描运动与显示器上光 点的扫描运动巧妙配合，把回波信号作为光点的 亮度调制信号，即用亮点来显示反射回波的界面， 这样就构成不同的扫查与显示形式，从而制成相 应各种形式的医用超声诊断仪器。 • A-MODE，B-MODE，M-MODE，D-MODE
• （二）成像参数 • 参数分类：声系统参数、图像特性参数、电气 特性参数 • 1．超声频率 • 指超声成像系统的工作频率。 • 两个方面作最佳选择： • ①从分辨力的角度来看，增高超声波频率，可 以改善分辨力。频率越高，波长越短，则波束 的指向性越好（近场距离大，而发散角小）， 横向和纵向分辨力都能提高。
医学影像成像理论
制作：窦汝海
第二节 超声探测的物理基础
一、超声的发射与接收
• 产生超声波的具体方法很多，在医学超声诊断中 大多采用压电晶片的超声换能方法来产生超声波 • （一）压电效应 • 1880年法国物理学家居里兄弟发现。 • 压电效应（piezoelectric effect）：机械能与电 能相互转换的物理现象。
• 其指向性函数为：
• 式中，d表示两个点声源之间的距离，λ表示点 声源辐射声波的波长。 • 当d=λ时其指向性图案如图8-14所示，可见， 此时点声源S1，S2在能量集中的主瓣旁边还出 现了一些副瓣
• 3、圆形单晶片振源的超声场 圆形晶片处于发 射状态时，就像一个往复振动的活塞，因此常 称为圆形活塞振源，简称圆活塞或圆探头，它 是医学超声诊断中常用的也是最基本的探头。 • 设定：①圆形晶面声源由无限多个点声源组成 ②圆形晶面各点为同相位、同速率的振动③声 场中任一点M的声压是晶面所有点声源辐射到M 点叠加的结果，其指向性如图8—15所示
• 在医学诊断中： • 超声波发射是利用压电晶体的逆压电效应， 即应用交变电压使压电晶体产生机械振动， 振动频率与所加交变电场的振动频率一样， 振动在弹性介质中的传播就形成声波； • 超声波接收是利用压电晶体的正压电效应， 即把超声反射波对压电晶体的机械压力转换 为电信号。
• （二）超声探头 • 在医学超声中，能实现电能与声能相互转换的 装置称为换能器，又称探头（probe）。其作用 是产生和接收超声。 • 使用最多的是压电式超声换能器，利用逆压电 效应将电能转化为晶体振动的机械能，使晶体 振动而产生超声波，发射至需要检测的人体组 织内。
• 2、壳体 起支撑、密封、绝缘、承压、屏蔽以 及保护压电元件的作用，也是探头与仪器的电 气信号连接的插接部件。
• （三）超声场能量的空间分布 • 不同的超声源、不同的传播条件将形成不同的 超声能量分布。 • 超声场：在医学超声诊断中，将超声源能量作 用的弹性介质空间称为超声场，用以描述波动 状态。 • 理论上，一般根据医学物理学中的惠更斯—菲 涅尔原理为理论基础进行超声场的理论分析
• 超声仪器中广泛应用压电陶瓷材料，如钛酸钡、 钛酸铅、锆钛酸铅等多晶体结构。 • 多晶体压电陶瓷的压电效应产生机制与单晶体 石英有所不同，多晶体压电陶瓷由于其内部结 构存在许多自发极化方向一致的小区域分子集 团，类似于铁磁体的磁畴，或称电畴。经过人 工对这种材料外加强极化电场处理后，使压电 陶瓷中杂乱无章的电畴基本上转到与极化电场 一致的方向；当极化电场除去后，电畴基本保 持不变，而且成为很强的剩余极化。图8-11 • 处理后的材料再施加较小的交变电场时，这些 电畴将发生转动，其长度将沿外电场方向发生 交替变化。