医用超声技术的现状_发展趋势与新技术展望
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幅度调制型显示 (A mplit ude) 即 A 型 :即回波信号显示的 是波形幅值的大小或强弱 ; 其水平方向信号的距离代表着探测 深度 ,即回声测距 。辉度调制显示 ( Mo tio n) ,即 M 型 : 亮度显 示 , 回波信号光点的亮度代表强弱 。最主要的特点是慢扫描电 路 ,光点在垂直方向代表探测深度 ,而水平光点代表时间 ,由此 得出一条位移 - 时间曲线 ,又称超声心动描记术 。 4. 2 二维切面成像
L IU J u n - so n g ( Gua ngdo ng Well M e dical Scie nce a n d Tec h nolo gy Co . L t d , Zh u hai Gua n gdo n g 519060 ,Chi na) Abstract : U lt ra so nic me dici ne i s a i nt e r di scipli na r y fiel d co m bi ne d aco ustic s , me dici ne a nd elect ro nic s. T he majo r ap2 p licatio ns owenku.baidu.com ult ra so nic i n me dici ne a re diag no si s a n d t he rap y , a n d it s mai n c ha ract e r i s ti meli ne ss , co nti n uo usne ss a n d
[ 修回日期 ] 2005 - 06 - 30
成标准电视信号 - 显示 。 2. 3 电声能转换 探头内部的压电晶体加高频电脉冲时发生 形变 ,转换成声脉冲 ,称逆压电效应 ; 反过来接受回声脉冲时也 发生形变 , 又产生电脉冲 , 称正压电效应 , 从而实现了电能和 声能的互换 。 2. 4 声束的聚焦 聚焦能使声束变窄 , 发射和接收都要聚焦 , 其形式分透镜聚焦和电子聚焦 。前者为声反射凹面镜 , 是压电 材料做成的 ;后者为声波的相位调正 ,有线阵列和环阵列 。聚焦 宽度的大小是横向分辩力的量度 , 其深度是焦柱的长度 。单焦 点只在焦点附近的图像清晰 ; 多焦点具有不同的焦距 , 可获得 整个图像的清晰 。 2. 5 动态滤波 探头发射的脉冲信号很窄 , 而频谱很宽 , 超声 波在人体传播中 , 高频衰减大于低频衰减 , 从而造成回波中心 频率下移 。采用动态滤波器 ,随着波束扫描 ,自动地改变滤波器 的中心频率和带宽 ,以获得最佳的接收效果 。 2. 6 对数压缩 由于人体组织反射的差异 , 图像反差大 , 从而 造成强 、弱信号两端的信息损失 。为此经放大和动态滤波后的 接收信号要送至对数放大器 ,并压缩信号动态的范围 。 2. 7 信号转换 回波信号是模拟信号 (A nalo g) ,需经 A / D 电 路离散化 ,即量化成数字视频信号 (Di git al) 。而数字图像信号 进行调亮显示 , 又经过 D/ A 变换器 , 转换成模拟的全电视信
超声切面成像 ,属辉度调制型 (B ri g ht ne ss) ,即 B 型 ,又称 超声断层法 ,或灰阶超声成像 ,目前应用最广 。光点显示 ,亮度 随回声信号变化 , 深度扫描为垂直方向 , 位移扫描为水平方向 , 构成切面显示图 。 C 型成像 : 成像画面与超声束垂直 , 与 B 型 扫描面相差 90°。F 型成像 :与 C 型的原理基本相同 ,只不过 C
1 超声的物理特性
1. 1 超声波属机械波 ,具有波长 、频率和速度等物理量 ,超声波
的产生需要有波源和介质 。
1. 2 束射性 超声波能量可以集中成束状 , 且频率越高 , 波长
越短 ,束射性越强 ,指向性越明显 。
1. 3 波动特性 超声在人体组织中传播时 ,遇到不同的声学介
面时就会产生反射 ,声阻抗差越大 ,反射越强 ,介质密度越不均
综合
医疗设备信息
医用超声技术的现状 、发展趋势与新技术展望
刘俊松
(广东威尔医学科技股份有限公司 ,广东 珠海 519060)
[ 摘 要 ]超声医学是声学 、医学和电子技术相结合的理 、工 、医综合学科 。超声在医学上的应用主要有诊断和治疗两大类 。超声
诊断的最重要的特点是适时性 、连续性和重复性 。目前超声主要利用回波技术 ,但超声的物理参数甚多 ,发展潜力巨大 。超声诊断与
rep eati ng. A t p re se nt , ult ra so nic me dici ne p ri ma rily t a ke s use of ec ho t ec h nology , but it ha s ma ny p hy sical p a ra met e r s
20 卷 12 期 ≠ 2005. 12
综合
型超声仪的延迟电路控制的距离选通门的开启时间是个可调 常数 ,而 F 型是随位置变化的函数 。这样成像不是一个平面 ,而 是一个由位置函数决定的曲面 ,可从三维角度去观察 。 4. 3 三维立体成像
静态成像 由不同方位获取的二维图像 , 叠加而成 , 主要 由软件完成 。动态 (实时) 成像 : 将静态三维图像按不同时相顺 序显示 。 4. 4 多普勒成像
Key wor ds : ult ra so nic p hysical c ha ract e r ; ult ra so nic biological c ha ract e r ;wi rele ss ult ra so nic p ro be
超声医学就是利用超声的物理特性和人体组织的声学特
性进行的临床医学的研究 。
超声设备的发展是紧密依托计算机硬件和软件的最新技 术 , 融合声纳与雷达的现代最新科技 , 并努力探索人体组织状 态的新参量 , 了解超声的物理新参数 , 结合临床医学的新探索 , 其发展潜力是无穷的 。 6. 1 超声的物理新参数的技术开发 采用雷达原理的电子相 控阵扫描技术 ; 非线性二次谐波成像技术 ; 可提高纵向 (轴向) 分辨力的高频超声成像技术 ; 具有宽频载波的超宽频带成像技 术 ; 高密度阵元探头技术和多维面阵的探头技术 ; 多通道采集 信号技术 ; 超声 C T ( U S - C T) 衍射断层成像技术 ; U S - C T 按传播方式又可分超声透射成像和超声反射成像技术 ; 利用超 声干涉和衍射原理的全息超声成像技术 ; 其成像系统又可分为 超声液面成像术和断面合成全息成像术 ( SA T) ;超声显微镜技 术 ;探头的动态聚焦和变频功能新技术 。 6. 2 依托计算机硬件和软件开发的超声新技术 电子全程聚 焦技术 ; 三维空间超声技术 ; 三维图像重建技术 ; 用二维阵列式 换能器进行容积式扫描技术 ; 三维立体电影回放图像的四维超 声技术 ;利用多普勒效应原理为基础的彩色技术 。 6. 3 人体组织新参量的超声技术开发 超声剂量学和定量超
匀 ,界面就越多 ,反射也愈多 。这些特点构成了超声对人体器官
可以探测的基础 。
1. 4 衰减特性 超声在介质中传播时 , 声强逐渐减弱 , 振幅减
小 , 这是因为介质对声能的吸收和分散 , 横向传播衰减可用聚
焦克服 。
1. 5 多普勒效应 这种波源 、观察者和介质三者相互运动时频
率变化的现象称为多普勒效应 (Do pple r) 。
即 D 型 (Dopple r) , 又称频移诊断法 , 即接收频率与发射 频 率 之 差 , 又 称 多 普 勒 频 移 。目 前 可 分 为 脉 冲 式 多 普 勒 ( P WD) 、连续式多普勒 ( C WD) 、高脉冲重复频率式多普勒 、多 点选通式多普勒以及彩色多普勒 ( CD F I) 血流显像五种 。 5 超声诊断设备发展趋势 5. 1 外形结构 在保证主要功能的前提下使其小型多功能化 , 如笔记本和掌上 B 超等 。 5. 2 显示技术 经历了黑白 、灰阶 、彩阶和彩色 ;在显像空间技 术有一 D 、二 D 、三 D 到多普勒 ; 时间由慢扫描发展为快扫描 ; 时态由三 D 静态发展为三 D 动态 ; 按物理参数 ,分幅度法和频 移法 ;在聚焦技术上由模拟超声发展为数字超声 。 5. 3 探头技术 形状的演变 ,有长形 、园形 、凸形 、小 R 凸弧阵 到微型导管腔内探头 。根据扫查的方位 , 又分为单平面 、双平 面 、多平面及穿剌式探头 。根据扫描方式分为扇形扫描 、方形扫 描 、凸阵 、相控 。按探测部位有心脏探头 、腹部探头 、阴道探头 、 直肠探头 、食道探头 、尿道探头等 。按功能有穿刺探头 、术中探 头 、高频探头等 。 6 超声医学新技术展望
2 超声影像技术原理
2. 1 超声影像设备由结构 、硬件和软件三大部分组成
2. 2 超声成像的基本过程 发射电路 - 高频脉冲 - 激励探头
- 发射超声波 - 在人体中传播 - 产生回波 - 探头接受 - 产生
电信号 - 经高频放大 - 对数压缩 - 声束聚焦 - 增幅检波 - 形
[ 收稿日期 ] 2005 - 05 - 23
·38 ·
20 卷 12 期 ≠ 2005. 12
© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
医疗设备信息
号 。串行信号 ,经串/ 并电路转换 ,才能写入帧存贮器 ,而读出又 经并/ 串电路恢复为串行信号 ,来完成扫描变换 。 2. 8 灵敏度调试 总增益调节为接受信号放大倍数的调节 。时 间增益补偿 ( T GC) , 以补偿由超声衰减造成的深部组织显示 不清的缺陷 。深度增益补偿 (D GC) 调节 ,即对近场回声强进行 抑制 ,远场回声弱进行补偿 ,使其均匀一致 。 2. 9 像素 A / D 转化后的图像表观为点的集合 , 每个点称像 素 。辉度的量化单位为灰度 ,灰度即像素从白 (亮) 到灰 ,再到黑 (暗) 的过程 。回声的界面以像素表示 , 各界面的回声振幅 (强 度) 以辉度表示 。像素越多 ,空间分辨力越好 ,灰阶级数越多 ,层 次越显著 ,图像对比度分辨力越好 。 2. 10 图像质量 分辨力表示两个目标点的最小间距 , 即距离 (纵向) 与方位 (横向) 分辨力之和 。分辩率则表示单位距离内的 点数 。时间分辨力表征单位时间的成像速度 ; 空间分辨力则由 画面的像素总数决定 。图像线分辨力 ,即帧图是由图像线组成 , 故单位面积内的图像线越多 , 越清晰 。图像的质量取决于总像 素 B 和总灰阶级数 G。 3 超声诊断的生物物理学基础 3. 1 人体组织的声学特性 有声速 、密度 、声阻抗 、声吸收系 数 、衰减系数 、背向散射系数等 ,声衰减系数与声频率成正比 。 人体结构对超声而言是一个复杂的介质 , 各种器官与组织 , 包 括病理组织有它特定的声阻抗和衰减特性 , 利用这些差异的规 律 ,显示细微结构 ,这就是超声图像的构成基础 。 3. 2 超声诊断声学基础 声像图是以明暗不同的灰度来反映 回声之有无和强弱 ,无为暗 (黑影) ,强为亮 (白影) 。无回声为 透声区 ,又分为液性暗区如血液 ; 衰减暗区如肿瘤 ; 实质暗区如 肾实质等 。低回声为实质器官如肝 ;强回声结构致密 ,如血管增 多的肿瘤 ;极强回声是含气器官如肺等 。当脏器有病变时 ,与正 常组织的声学特性不同 , 各种病变组织亦有各自的声学特性及 反射规律 。 4 超声诊断设备的发展现状 4. 1 一维显示
X - C T 、核磁共振 、核素扫描已成为现代医学的四大影像技术 。
[ 关键词 ]超声物理特性 ;超声生物特性 ;无线超声探头
[ 中图分类号 ] R312
[ 文献标识码 ]A
[ 文章编号 ]1007 - 7510 (2005) 12 - 0038 - 02
The situa t ion , devel o pin g tren d an d ne w tec hn ol ogy prospect of ul tra son ic medic ine
a nd great de velopi ng po t e ntial s. No w ult ra so nic diagno si s , to get he r wit h X - C T , N M R a n d n ucli de sca n , ha ve al rea dy
beco me t he fo ur majo r i magi ng t ec h nique s i n mo de r n i mage me dici ne .
L IU J u n - so n g ( Gua ngdo ng Well M e dical Scie nce a n d Tec h nolo gy Co . L t d , Zh u hai Gua n gdo n g 519060 ,Chi na) Abstract : U lt ra so nic me dici ne i s a i nt e r di scipli na r y fiel d co m bi ne d aco ustic s , me dici ne a nd elect ro nic s. T he majo r ap2 p licatio ns owenku.baidu.com ult ra so nic i n me dici ne a re diag no si s a n d t he rap y , a n d it s mai n c ha ract e r i s ti meli ne ss , co nti n uo usne ss a n d
[ 修回日期 ] 2005 - 06 - 30
成标准电视信号 - 显示 。 2. 3 电声能转换 探头内部的压电晶体加高频电脉冲时发生 形变 ,转换成声脉冲 ,称逆压电效应 ; 反过来接受回声脉冲时也 发生形变 , 又产生电脉冲 , 称正压电效应 , 从而实现了电能和 声能的互换 。 2. 4 声束的聚焦 聚焦能使声束变窄 , 发射和接收都要聚焦 , 其形式分透镜聚焦和电子聚焦 。前者为声反射凹面镜 , 是压电 材料做成的 ;后者为声波的相位调正 ,有线阵列和环阵列 。聚焦 宽度的大小是横向分辩力的量度 , 其深度是焦柱的长度 。单焦 点只在焦点附近的图像清晰 ; 多焦点具有不同的焦距 , 可获得 整个图像的清晰 。 2. 5 动态滤波 探头发射的脉冲信号很窄 , 而频谱很宽 , 超声 波在人体传播中 , 高频衰减大于低频衰减 , 从而造成回波中心 频率下移 。采用动态滤波器 ,随着波束扫描 ,自动地改变滤波器 的中心频率和带宽 ,以获得最佳的接收效果 。 2. 6 对数压缩 由于人体组织反射的差异 , 图像反差大 , 从而 造成强 、弱信号两端的信息损失 。为此经放大和动态滤波后的 接收信号要送至对数放大器 ,并压缩信号动态的范围 。 2. 7 信号转换 回波信号是模拟信号 (A nalo g) ,需经 A / D 电 路离散化 ,即量化成数字视频信号 (Di git al) 。而数字图像信号 进行调亮显示 , 又经过 D/ A 变换器 , 转换成模拟的全电视信
超声切面成像 ,属辉度调制型 (B ri g ht ne ss) ,即 B 型 ,又称 超声断层法 ,或灰阶超声成像 ,目前应用最广 。光点显示 ,亮度 随回声信号变化 , 深度扫描为垂直方向 , 位移扫描为水平方向 , 构成切面显示图 。 C 型成像 : 成像画面与超声束垂直 , 与 B 型 扫描面相差 90°。F 型成像 :与 C 型的原理基本相同 ,只不过 C
1 超声的物理特性
1. 1 超声波属机械波 ,具有波长 、频率和速度等物理量 ,超声波
的产生需要有波源和介质 。
1. 2 束射性 超声波能量可以集中成束状 , 且频率越高 , 波长
越短 ,束射性越强 ,指向性越明显 。
1. 3 波动特性 超声在人体组织中传播时 ,遇到不同的声学介
面时就会产生反射 ,声阻抗差越大 ,反射越强 ,介质密度越不均
综合
医疗设备信息
医用超声技术的现状 、发展趋势与新技术展望
刘俊松
(广东威尔医学科技股份有限公司 ,广东 珠海 519060)
[ 摘 要 ]超声医学是声学 、医学和电子技术相结合的理 、工 、医综合学科 。超声在医学上的应用主要有诊断和治疗两大类 。超声
诊断的最重要的特点是适时性 、连续性和重复性 。目前超声主要利用回波技术 ,但超声的物理参数甚多 ,发展潜力巨大 。超声诊断与
rep eati ng. A t p re se nt , ult ra so nic me dici ne p ri ma rily t a ke s use of ec ho t ec h nology , but it ha s ma ny p hy sical p a ra met e r s
20 卷 12 期 ≠ 2005. 12
综合
型超声仪的延迟电路控制的距离选通门的开启时间是个可调 常数 ,而 F 型是随位置变化的函数 。这样成像不是一个平面 ,而 是一个由位置函数决定的曲面 ,可从三维角度去观察 。 4. 3 三维立体成像
静态成像 由不同方位获取的二维图像 , 叠加而成 , 主要 由软件完成 。动态 (实时) 成像 : 将静态三维图像按不同时相顺 序显示 。 4. 4 多普勒成像
Key wor ds : ult ra so nic p hysical c ha ract e r ; ult ra so nic biological c ha ract e r ;wi rele ss ult ra so nic p ro be
超声医学就是利用超声的物理特性和人体组织的声学特
性进行的临床医学的研究 。
超声设备的发展是紧密依托计算机硬件和软件的最新技 术 , 融合声纳与雷达的现代最新科技 , 并努力探索人体组织状 态的新参量 , 了解超声的物理新参数 , 结合临床医学的新探索 , 其发展潜力是无穷的 。 6. 1 超声的物理新参数的技术开发 采用雷达原理的电子相 控阵扫描技术 ; 非线性二次谐波成像技术 ; 可提高纵向 (轴向) 分辨力的高频超声成像技术 ; 具有宽频载波的超宽频带成像技 术 ; 高密度阵元探头技术和多维面阵的探头技术 ; 多通道采集 信号技术 ; 超声 C T ( U S - C T) 衍射断层成像技术 ; U S - C T 按传播方式又可分超声透射成像和超声反射成像技术 ; 利用超 声干涉和衍射原理的全息超声成像技术 ; 其成像系统又可分为 超声液面成像术和断面合成全息成像术 ( SA T) ;超声显微镜技 术 ;探头的动态聚焦和变频功能新技术 。 6. 2 依托计算机硬件和软件开发的超声新技术 电子全程聚 焦技术 ; 三维空间超声技术 ; 三维图像重建技术 ; 用二维阵列式 换能器进行容积式扫描技术 ; 三维立体电影回放图像的四维超 声技术 ;利用多普勒效应原理为基础的彩色技术 。 6. 3 人体组织新参量的超声技术开发 超声剂量学和定量超
匀 ,界面就越多 ,反射也愈多 。这些特点构成了超声对人体器官
可以探测的基础 。
1. 4 衰减特性 超声在介质中传播时 , 声强逐渐减弱 , 振幅减
小 , 这是因为介质对声能的吸收和分散 , 横向传播衰减可用聚
焦克服 。
1. 5 多普勒效应 这种波源 、观察者和介质三者相互运动时频
率变化的现象称为多普勒效应 (Do pple r) 。
即 D 型 (Dopple r) , 又称频移诊断法 , 即接收频率与发射 频 率 之 差 , 又 称 多 普 勒 频 移 。目 前 可 分 为 脉 冲 式 多 普 勒 ( P WD) 、连续式多普勒 ( C WD) 、高脉冲重复频率式多普勒 、多 点选通式多普勒以及彩色多普勒 ( CD F I) 血流显像五种 。 5 超声诊断设备发展趋势 5. 1 外形结构 在保证主要功能的前提下使其小型多功能化 , 如笔记本和掌上 B 超等 。 5. 2 显示技术 经历了黑白 、灰阶 、彩阶和彩色 ;在显像空间技 术有一 D 、二 D 、三 D 到多普勒 ; 时间由慢扫描发展为快扫描 ; 时态由三 D 静态发展为三 D 动态 ; 按物理参数 ,分幅度法和频 移法 ;在聚焦技术上由模拟超声发展为数字超声 。 5. 3 探头技术 形状的演变 ,有长形 、园形 、凸形 、小 R 凸弧阵 到微型导管腔内探头 。根据扫查的方位 , 又分为单平面 、双平 面 、多平面及穿剌式探头 。根据扫描方式分为扇形扫描 、方形扫 描 、凸阵 、相控 。按探测部位有心脏探头 、腹部探头 、阴道探头 、 直肠探头 、食道探头 、尿道探头等 。按功能有穿刺探头 、术中探 头 、高频探头等 。 6 超声医学新技术展望
2 超声影像技术原理
2. 1 超声影像设备由结构 、硬件和软件三大部分组成
2. 2 超声成像的基本过程 发射电路 - 高频脉冲 - 激励探头
- 发射超声波 - 在人体中传播 - 产生回波 - 探头接受 - 产生
电信号 - 经高频放大 - 对数压缩 - 声束聚焦 - 增幅检波 - 形
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© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
医疗设备信息
号 。串行信号 ,经串/ 并电路转换 ,才能写入帧存贮器 ,而读出又 经并/ 串电路恢复为串行信号 ,来完成扫描变换 。 2. 8 灵敏度调试 总增益调节为接受信号放大倍数的调节 。时 间增益补偿 ( T GC) , 以补偿由超声衰减造成的深部组织显示 不清的缺陷 。深度增益补偿 (D GC) 调节 ,即对近场回声强进行 抑制 ,远场回声弱进行补偿 ,使其均匀一致 。 2. 9 像素 A / D 转化后的图像表观为点的集合 , 每个点称像 素 。辉度的量化单位为灰度 ,灰度即像素从白 (亮) 到灰 ,再到黑 (暗) 的过程 。回声的界面以像素表示 , 各界面的回声振幅 (强 度) 以辉度表示 。像素越多 ,空间分辨力越好 ,灰阶级数越多 ,层 次越显著 ,图像对比度分辨力越好 。 2. 10 图像质量 分辨力表示两个目标点的最小间距 , 即距离 (纵向) 与方位 (横向) 分辨力之和 。分辩率则表示单位距离内的 点数 。时间分辨力表征单位时间的成像速度 ; 空间分辨力则由 画面的像素总数决定 。图像线分辨力 ,即帧图是由图像线组成 , 故单位面积内的图像线越多 , 越清晰 。图像的质量取决于总像 素 B 和总灰阶级数 G。 3 超声诊断的生物物理学基础 3. 1 人体组织的声学特性 有声速 、密度 、声阻抗 、声吸收系 数 、衰减系数 、背向散射系数等 ,声衰减系数与声频率成正比 。 人体结构对超声而言是一个复杂的介质 , 各种器官与组织 , 包 括病理组织有它特定的声阻抗和衰减特性 , 利用这些差异的规 律 ,显示细微结构 ,这就是超声图像的构成基础 。 3. 2 超声诊断声学基础 声像图是以明暗不同的灰度来反映 回声之有无和强弱 ,无为暗 (黑影) ,强为亮 (白影) 。无回声为 透声区 ,又分为液性暗区如血液 ; 衰减暗区如肿瘤 ; 实质暗区如 肾实质等 。低回声为实质器官如肝 ;强回声结构致密 ,如血管增 多的肿瘤 ;极强回声是含气器官如肺等 。当脏器有病变时 ,与正 常组织的声学特性不同 , 各种病变组织亦有各自的声学特性及 反射规律 。 4 超声诊断设备的发展现状 4. 1 一维显示
X - C T 、核磁共振 、核素扫描已成为现代医学的四大影像技术 。
[ 关键词 ]超声物理特性 ;超声生物特性 ;无线超声探头
[ 中图分类号 ] R312
[ 文献标识码 ]A
[ 文章编号 ]1007 - 7510 (2005) 12 - 0038 - 02
The situa t ion , devel o pin g tren d an d ne w tec hn ol ogy prospect of ul tra son ic medic ine
a nd great de velopi ng po t e ntial s. No w ult ra so nic diagno si s , to get he r wit h X - C T , N M R a n d n ucli de sca n , ha ve al rea dy
beco me t he fo ur majo r i magi ng t ec h nique s i n mo de r n i mage me dici ne .