超声成像原理

声阻抗与反射
• 介质的声阻抗与介质的密度和声速成正比
Z
c
Leabharlann Baidu
• 组织的声阻抗决定了超声束在两个介质界面上 的反射和入射能量比。 I I
Creflect I r I i
Z 2 Z1
4Z1Z 2
i
r
2
Z 2 Z1 2
2
i c1 Z1 c2 Z2 t It
Ctransmit I t I i
• 运动组织的检查 • 典型应用：心脏检查
D-mode
• 典型应用：血流速度的定量检测
2 f 0 v cos fd c
CW Vs PW
CW 发射连续波 独立的发射和接收阵元 检测回波的频率偏移(多 普勒效应) 无频率混跌 无空间分辨力 PW 发射脉冲波 共用发射和接收阵元
检测不同时刻脉冲回波 的相位偏移 有频率混跌
Z 2 Z1
Creflect Ctransmit 1
声阻抗与折射
• 服从Snell定理
sin i
sin t

c1
c2
• 大部分生物组织声速都非常相近(~1500m/s)， 因此折射现象不严重。 • 超声图像通常接收反射信号成像，因此通常只 有垂直入射的信号才会产生有效回波。
有空间分辨力
CW
发射 接收
V
PW
CD-mode
• 典型应用：血流速度的定性检测（与Dmode相比）以及血流灌注的判断（与Bmode相比） • 超声诊断从形态学过渡到血液动力学， 同时获得人体解剖信息和功能信息
CD-mode原理
• 基础为脉冲多普勒技术 • 检测某采样容积内多普勒信号的平均频 率、频谱宽度和平均功率。 • 流速估计方法
聚焦
• 未聚焦的换能器发射的声波空间分辨率 最好情况下与孔径的尺寸相当，而且远 场分辨率急剧下降 • 聚焦的目的：获得好的横向分辨率 • 聚焦的种类：
– 声透镜 – 曲面探头 – 电子聚焦
常用的超声成像模式
• • • • • A(Amplitude)型 B(Brightness)型 M(Movement)型 D(Doppler)型 CD(Color Doppler)型
• 应用范围：消化系统，心血管系统，妇 产科，外科学，眼科学，神经学，泌尿 科，皮肤病学……
成像基本原理
• 脉冲波
– 压电装置产生的脉冲波发送到人体组织后，超声波 碰到不同深度的组织结构产生反射和散射，部分回 波被压电装置接收。利用不同深度产生的回波的不 同时延，获得不同组织界面的反射、声衰减、运动 目标的相位偏移等有用信息。
B-mode临床应用基础
• 利用超声波在生物组织中的传播特性， 不同的组织与器官具有独特的声像图特 征
– – – – – 液性结构为无回声暗区。 实质性结构为强弱不等的各种回声 均质性实质结构为均匀的低回声或等回声 非均质性结构为混合性回声 钙化或含气性结构则呈极强回声并伴后方声 影
M-mode
医学超声成像原理
目录
• • • • • 什么是超声？ 医学超声诊断系统由哪些主要构成？ 超声波是如何产生的？ 有哪些常用的医学超声成像模式？ 小结
超声的基本特性
• 超声波是一种机械波 • 在生物系统中的超声波通常起作用的只 有纵波（纵波和横波的区别？） • 超声波的频率>20kHz
– 医学诊断超声频率通常在MHz和10MHz量级
部分声学参数值
超声频率选择依据
• 穿透力(声衰减) Vs 分辨率(波长)
– 高频：高分辨率、低穿透力 (浅表器官) – 低频：低分辨率、高穿透力 (腹部深部器官)
• 典型应用：
– 胎儿：1MHz (1.5mm) – 眼睛：10MHz (0.15mm) – 皮肤：20MHz (0.075mm)
医学超声诊断系统的构成
– 自相关法（窄带彩色血流成像系统）
• 正交解调后的音频信号处理
– 互相关法（宽带彩色血流成像系统）
• 射频信号处理
小结
• 对人体无明显的危害（与X-ray,放射性核成像相比） • 快速、相对廉价、轻便（与X-ray, CT, MRI, r照相机相 比） • 实时成像（与其他许多成像方式相比） • 较好的分辨率（优于放射性核成像，劣于CT, MRI）； 根据超声声波波长获得的理论分辨率极限为(0.1~1mm)， 但由于脉冲长度（纵向）和声束宽度（横向）的限制 通常分辨率大于1mm。 • 能够显示大部分组织界面 • 由于强衰减和声阻抗差异，无法显象骨头或者空气区 域 • 利用Doppler效应可以实现组织运动成像和血流成像
• 介质的密度
– 单个微粒的质量越大，受周围微粒振动的干扰引起 运动的加速度越小，从而声波在该介质中传播速度 也越小
c
1

声衰减
• 声强：垂直声束方向上，单位面积内每秒通过 的声能 • 声强衰减的影响因素：吸收、散射、声束扩散、 反射、折射 • 均匀介质内声衰减为指数衰减 • 衰减系数：单位距离内声强衰减的百分比系数
I x I 0 exp x
I Ix
声衰减的对数表示
• 声衰减(dB)=-10log10(Ix/I0)=4.34x • u= 4.34 • 声衰减系数近似与频率成正比
– u=kf – k: dB/(m MHz)
• 与x-ray的区别:x-ray低频衰减大于高频衰 减 • 对脉冲波的影响？
• 探头-超声换能器 • 基本电路部分：通常由主控电路、发射 电路、高频信号放大电路、视频信号放 大和扫描发生器组成 • 显示部分 • 用户控制部分
超声波的产生
• 原理：压电效应与逆压电效应
• 换能器种类：压电陶瓷、高分子复合材料、陶 瓷复合材料
探头
衍射（绕射）现象
• 超声发射波束可以看成探头表面无数点 源产生的无方向性球面声波的相干叠加 • 近场声束维持发射孔径的形状，而在远 场声束发生扩散 • 近场长度与孔径平方和频率成正比
• 连续波
– 较早应用于医学超声诊断，但通常只利用连续波多 普勒技术检测任意大小的运动速度。
声速
声波在组织中的传播速度取决于： • 介质的硬度
– 介质微粒间具有大的吸引力(介质表现的越硬)，微粒 受周围微粒振动的干扰引起运动的加速度也越大， 从而声波在该介质中传播速度也越大 – 介质硬度由可压缩度表示
A-mode
• 根据回波包络峰值确定不同界面的距离 • 应用较少（脑中线测量、眼科）
B-mode
• 通过声束扫描获得不同方位回波的幅度， 对不同方位的回波幅度利用亮度调制获 得两维的图像显示。
B-mode图像分辨率
• 轴向(axial)分辨率：超声束轴线上，能分辨两 点间的最小距离。与波长有关。只有当两点距 离大于波长的1/2时，超声才能分别产生两个回 声。 • 横向(lateral)分辨率：垂直于轴线平面上，能分 辨相邻两点间的最小距离。与超声束直径有关， 只有当超声束直径小于两点距离时，才能把这 两点显示出来。 • 厚度(elevational)分辨率：又称厚度分辨率与侧 向分辨率在一平面上，是相互垂方向轴线上的 分辨力。 • 时间(temporal)分辨率：帧频，显示图象的实时 程度。