医学超声成像技术

4.3.1 超声 波诊 断仪 的类
型
表4-4 临床上常用超声波诊断仪器的类型
信号特点
信息空 间
一维
回 波 幅 度
二维
三维 一维
多
普
勒
二维
三维
谐 波
一维
仪器类型 A（amplitude）
M（motion）
B（brightness）
C（constant）
F（floating）
CC（counterfeit color）
3D (three-dimensional)
D （doppler ）
CW（continuous wave） PW(pulsed wave)
CDFI（color doppler flow image，）
CDTI(color doppler tissue image)
CDE(color doppler energy) DPA(doppler potency aspect) 3D-D(three-dimensional doppler) CHI（color harmonic image） THI（tissue harmonic image）
介质
空气(0℃) 空气(15℃) 石蜡油
(33.5℃) 脂肪
传播速度 (m/s)
332
341
1420
介质
角膜 海水(30℃) 肾脏
1476 肌肉(平均值)
传播速度 (m/s)
1550 1545 1560
1568
玻璃体 房水 生理盐水 人体软组织(平
均值) 脑组织
1532 1532 1534 1540
3. 声 压与 声强
（2）声强。
声强（sound intensity）是表示声 波的客观强弱的物理量，它用每 秒钟通过垂直于声波传播方向的1 平方厘米面积的能量来度量，它 的单位是焦耳／(秒·平方厘米) ［J/(s·cm2 )］。 声强与声源的振 幅有关（声强与振幅的平方成正 比），振幅越大，声强也越大； 振幅越小，声强也越小。
衰减系数 (dB·cm -1 ·MHz -1 )
0.10 0.18 0.63 0.80 0.85 0.94 1.00 1.00 1.30 20.00 41.00
频率范围(MHz)
6～30 10
0.8～7.0 1.7～3.4 0.9～3.4 0.3～3.4 0.3～4.5
1.0 0.8～4.5
1.6 1.0
声阻抗(×10 6 N·s／m3 ) 0.000428 1.513 1.537 1.186 1.656 1.522 1.493 1.648 1.684 1.524 1.410 5.570 1.874
5． 超声 波的 产生
逆压电效应产生超声波
高
频
功
脉 冲
率
压
放
电 晶
发
大
体
生
器
器
图4-2 超声波的产生
仪器 电源
模/数转换
MTI
自相关
CW PW
显示器
速度方向
分散
频谱分 析器
红、蓝、绿信号
DSC DAC
图4-17彩色多普勒血流显像仪结构框图
三维 医学 超声 成像 技术
图4-5 三维医学彩色超声诊断仪实物图
图4-6 三维医学彩色超声诊断仪显示图像
三维 超声 工作 站特 点与 功能
（1）三维超声工作站软件特点 ①三维超声采集难度低。
c υ cos v c u cos v0
（3）超声的生物效应。（机械能的损伤）
4.1.2 声波 的衰
减
声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，
其声强逐渐减弱，这种现象称为声波的衰减 （attenuation of sound wave）。导致声波衰 减的主要原因有以下几种：
扩散衰减是声波在空间传输中由能量分布的 改变造成的衰减。由平方反比定律（inverse square law）可以计算。
换能 器
图4-16 脉冲波多普勒诊断仪结构框图
4.3.2 B型 与D 型超
声诊 断仪
利用实时二维彩色超声多普勒系统，使血流图像和B超图像 同时显示，即B超图像显示血管的位置，多普勒测量血流。 这种B超和多普勒系统的结合，能更精确地定位任一特定的 血管。
探头
发射电路
接收电路
B/M检波
B/M图像
正交检波 取样同步 壁滤波器
5． 超声 波的 产生
利用压电效应可以接收超声波
压 电信 晶号 体放
大 器
显 示 器
示 波 器 或
图4-3 超声波的接收
6． 超声 波的 特性
（1）超声的指向性：直线传播
（2）超声的多普勒效应：当声 源与接收者相对于介质发生相对 运动时，接收者收到的声波频率 与声源发出的声波频率出现不相 同的现象。
④彩色多普勒血流三维成像，用于判断血管的 走行、与周围组织的关系及感兴趣部位的血 流灌注的评价。
⑤兼容性强。软件支持所有Windows操作系统， 支持所有普通超声工作站的所有功能。
四维 医学 超声 成像 技术
图4-8 四维医学彩色超声诊断仪显示图像 图4-7 四维医学彩色超声诊断仪实物
4D医学彩色超声成像技术同其它超声诊断过 程相比，主要是可以实时的观察人体内部器 官的动态运动。
高频发 射电路
同步信号 发生器
反射波接收电路
锯齿波发生器
探头移动 人体
水平声束 扫描放大器
垂直深度 扫描电路
栅极
示 波 管 Y1
X1
X2
Y2
图4-14 B型超声诊断仪结构框图
4.3.2 B型 与D 型超
声诊 断仪
2. D型超声诊断仪 即多普勒超声诊断仪，是利用多普
勒效应原理，对运动的脏器和血流进行 检测的仪器。
血液 肝脏 巩膜 水晶体
1540 头颅骨
1570 1570 1604 1641
3360
3. 声 压与 声强
（1）声压。 对于一无吸收介质的平面波，有 波动时压强的最大值与没有波动 作用时各点压强的差值称为压强 振幅，由式4-2确定：
Pm cv m （4-2）
式4-2表明，声压振幅与介质密度、 质点的振动速度（简称振速）的 最大值及波速c成正比。
I

I0
r02 r2
散射衰减可以看成是声波与众多的散射中心 的多次相互作用的过程，作用的结果是部分 声能转化为热能而散失掉。
吸收衰减
在某种介质中，超声强度的衰减 规律，由式4-6表示：
I I 0e x
表4-3 人体主要组织成分对相应频率超声的衰减系数
人体组织
眼球玻璃体液 血液 脂肪 延髓(顺纤维) 脑组织 肝脏 肾脏 脊髓 肌肉(顺纤维) 颅骨 肺
介质 空气(0℃) 水(37℃) 生理盐水(37℃) 石蜡油(33.5℃) 血液 脑脊水 羊水 肝脏 肌肉(平均值) 软组织(平均值) 脂肪 颅骨 水晶体
密度(g／cm3 ) 0.00129 0.9934 1.002 0.835 1.055 1.000 1.013 1.050 1.074 1.016 0.955 1.658 1.136
②二维序列图像采集适用最新压缩格式，并且 具备升级能力。
③三维超声重建运算速度快，3秒钟即可生成三 维影像。
④三维超声重建采用无损重建法不损失任何数 据。
⑤三维超声影像显示速度快，三维影像显示时 没有停顿感。
⑥预定义了多套伪彩编码，可以精确自定义伪 彩编码并可保存。
⑦软件适用于所有的windows操作系统。 ⑧软件适用于所有的普通超声诊断仪。
发射连续波，不能检测深度、位置，但可测高速血 流
发射脉冲波，能检测深度、位置，但可测的最高速 血流受脉冲重复频率限制
滤去低速的人体组织活动信息，显示切面的血流二 维信息
滤去高速的人体血流运动信息，显示组织的运动信 息
利用多普勒信号幅度，显示低速的人体血流，但无 方向性
显示低速的人体血流及其方向 立体透视图像或立体图像
仪器主要特点
图像显 示方式
超声波束只按一个方向（深度方向）传播，用显示 屏上波形的幅度来反映人体组织介面回波的幅度大 小
幅度调制
超声波束只按一个方向（深度方向）传播，用显示 屏上随时间展开的深度变化曲线的亮度的明暗，来 反映人体组织介面回波的幅度大小
亮度调制
超声波束按一个方向进行一维扫查（直线或弧线）， 并与超声波的传播方向组成二维切面，用光亮的明 暗反映人体组织介面回波的幅度大小
第四章 医学超声成像技术
高等学校计算机基础教育课程“十二五”规划教材 2011.3
1
教学 重点
超声波的物理特性 超声波的成像原理 B型与D型超声诊断仪工作原理
4.1 医学 超声 成像 技术 概述
超声波是机械波，由物体作机械振 动产生，频率在20Hz～20000Hz之 间。用于医学上的超声频率为 2.5MHz～10MHz，常用的是 2.5MHz～5MHz。
（2）低回声。实质器官如肝，内部回声为 分布均匀的点状回声，在发生急性炎症，出 现渗出时，其声阻抗比正常组织小，透过声 强增大，而出现低回声区(灰影)。
（3）强回声。可以是较强回声、强回声和 极强回声。
4.3 医学 超声 成像 设备
常用的医学成像设备有A型超声波诊 断仪、M型超声波诊断仪、B型超声波 诊断仪和彩色多普勒超声波诊断仪。
接收晶
高频放
解
片
大大
调
显
器
低通滤
频谱分
示
波
析
记
发射晶
振荡器
录
片
图4-15 连续波多普勒诊断仪结构框图
4.3.2 B型 与D 型超
声诊 断仪
脉冲重复 频率发生
器
90o 移相
主振 荡器
发射 脉
宽调 节
sin
cos
功 放
采样 距离 调节
采样 体积 调节
VA
乘
低
S/
带
法
通
H
通
VB
高
乘
低
S/Baidu Nhomakorabea
带
放
法
通
H
通
人体组 织
4.2 医学 超声 成像 技术
系统原理：利用超声波在传播路线上遇到介质 的不均匀界面能发生反射的物理特性检测回波 信号，并对其进行接收放大和信号处理，最后 在显示器上显示。 脉冲回波成像系统主要分为三部分： 换能器、信号处理部分、显示和记录部分。
超声成像的物理基础
4.2 医学 超声 成像 技术
L ct 2
超声在介质中传播的速度因介质不
同而异，在固体中最快，液体中次
之，气体中最慢。在人体软组织中
约为1500m·s－1。
（1）按质点振动方向和波传播 方向的关系分类：纵、横
（2）按波阵面的形状分类。
1.声 波的 分类
（3）按发射超声的类型分类： 连续、脉冲
2.声 波的 速度
表4-1 超声波在人体组织器官与有关的介质中的速度
⑨软件适用多数符合微软标准的视频采集卡。
三维 超声 工作 站特 点与 功能
（2）三维超声工作站软件主要功能
①表面重建成像，图像清晰直观，立体感强。
②透明成像，能淡化周围组织结构的灰阶信息， 使之呈透明状态，着重显示感兴趣区域的结 构。
③多平面成像。该方法对三维B超容积数据进 行不同方向的剪切，生成新的平面图。
式中，t 为从发出超声到接受界面反射回波的一 段时间，即渡越时间。依据不同界面的回波时间 ， 可以求出各个界面与换能器之间的距离，这就是 广泛用于脉冲回波测距的理论基础。
4.2.2 超声 成像 的信 息处
理
根据回声强度可判断器官组织
（只有经验丰富的超声科医生才能掌握）
（1）无回声。是超声经过的区域没有反射， 成为无回声的暗区(黑影)。
4． 声阻
抗
声阻抗（acoustic impedance） 是描述弹性介质传播声波的一 个重要物理量。将介质中某点 的声压幅值与质点振动的速度 幅值之比，称为声阻抗。它用 表示：
Zs
Pm vm
c
声阻抗和电学中电阻抗相似，声压相当于电压， 声速相当于电流强度。
4． 声阻
抗
表4-2 人体组织及相关物质的声阻抗
亮度调制
超声波束进行二维（平面）扫查，组成与超声波的 传播方向垂直的平面，平面的深度位置固定（常量） 亮度调制
超声波束进行二维（平面）扫查，组成与超声波的 传播方向垂直的曲面，深度位置不固定（变量）
亮度调制
通过对显示图加上不同颜色，即利用彩阶（伪彩） 来表示回波幅度大小
显示组织器官的立体结构或功能图像
显示二次谐波所传递的信息
显示高频和二次谐波所传递的人体组织信息
彩色编码 亮度调制或彩色编 码 亮度调制
亮度调制
彩色编码
彩色编码
彩色编码 彩色编码 亮度调制或彩色编 码 亮度调制 亮度调制
4.3.2 B型 与D 型超
声诊 断仪
B超能得到人体组织器官和病变的二维断层图像， 并且能对运动器官进行实时动态观察。屏幕上显 示时，强回声的光点明亮，弱回声的光点黑暗。