超声波原理(医疗超声基础)简述

回声类型
肝 胆汁
胆囊壁
超声波的散射
遇界面远小于波长的微小粒子或者粗糙的 界面，超声波将产生散射，人体内的散射源 为红细胞和脏器内的细微结构。
超声波的绕射
目标大小约为1～ 2λ或稍小，超声波将 绕过该靶目标继续前进，很少发生反射。
超声波的吸收与衰减
声衰减定义： 是指声能随着传播距离而减弱的现象 衰减量=频率×深度 频率高，衰减重 原因：吸收损耗、声束扩散、反射和折射
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超声影像发展
50年代 70年代 A型、M型超声仪 灰阶实时超声（B型） 双功能超声仪（ B型+频谱） 80年代 彩色多普勒超声仪 （ B型+ 彩色+频谱） 90年代 新技术 （超声造影、谐波成像、 超高频探头、三维超声等）
常见超声成像模式
• A型 ：信号显示为振幅高低不同的波型 • M型：以灰阶亮度显示界面回声的强弱，同时在 时间轴上展开以显示这些光点的运动轨迹， 反映一维（线）上组织结构和运动信息 • B型 ：显示辉度不同的点状回声，而组成图象 • D型：多普勒成像，彩色血流成像
彩色多普勒血流
• 机理：多普勒原理，在二维图像基础上叠 加彩色血流的信息。 • 特点：可以检测血流、脏器血液灌注、鉴 别诊断等
• 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…… • 优势：应用广泛，无创伤，操作简便，费 用低，实时显像……
什么是超声波
1570
3360 332
1.656
5.570 0.000428
超声波的分辨力与穿透力
频率高，分辨好，穿透差 频率低，分辨低，穿透强 对应的临床应用：
检测浅表器官，采用高频探头 检测深部脏器，采用低频探头
多普勒效应
声源与接收体之间的相对运动引起声波频率
发生改变的现象，频率的变化称为频移fd
fd = f`- f0 = Vcosθ f0/c
f0 为入射超声频率 f` 为回声频率 V 为物体的运动速度 C 为声速 cosθ 为运动方向与声束方向间的夹角
超声诊断仪组成
• 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
探头-超声换能器
• 超声诊断仪的探头里安装着具有压电效 应性质的晶体片。能将电能转变为声能， 又能将声能转变为电能。 • 医用超声诊断仪探头有多种形式，基本 结构一致。根据需要功能不同，超声频 率，外形不同
DI
I
B型超声的分辨力
• 轴向分辨力：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。 • 侧向分辨力：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。 • 横向分辨力：又称厚度分辨率与侧向分辨力在一平 面上，是相互垂方向轴线上的分辨力。 • 时间分辨力：帧频，显示图象的实时程度。
来自百度文库
A＝amplitude
振幅
A型超声实例
距离
A型超声示意图
Ｍ型（超声扫描法）
机理：以单声束取样，获得活动界面回声
特点：一维－时间运动曲线图
用途：分析心脏和大血管的运动幅度
M型曲线图
Ｂ型超声显象
机理：
不同的光点反映回声变化，
用切面显示正常组织与异常组织
特点：二维断面图像，实时显示，直观
• As round-trip increases, reflector’s distance increases as well • For c = 1540 m/s = 1.54 mm/ms:
130 ms 39 ms 13 ms
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
cm
B型成像
发射 脉冲 探 头 发射/ 接收 放大
Ｂ超性能的衡量
• 软件功能
功能完善，界面简洁直观，操作简便。
• 可支持探头类型，数量，以及穿刺功能
支持探头类型和数量多，且方便探头之间的切换。
• 发射／接收通道数
通道数量越多，图像分辨率越高。
• 电影回放功能及回放帧数
方便在冻结之后回放到最适合临床诊断的图像。
• TGC(时间增益控制)调节段数
TGC调节段数越多，对整场的声能平衡效果就越突出。
人体组织器官的声阻抗
组织器官
大脑
密 度 g/cm3
1.038
声 速 m/s
1540
声阻抗（×105 瑞 利）
1.588
脂肪
软组织 肌肉 肝脏
0.955
1.016 1.074 1.050
1476
1500 1568 1570
1.410
1.590 1.648 1.648
血液
颅骨 肺及肠腔气体
1.055
1.658 0.00129
反射
1.声阻抗(z)=介质密度(ρ)×声速(c) △Z＞0.1%即可产生反射 2.声阻抗差大，反射强
折射
两种介质内声速不同可产生 折射现象 结果：导致入射声束的偏转
人体组织的声学特征
无回声 （无反射型）—胆汁、尿液、血液 低回声 （少反射型）—肝、脾 强回声 （多反射型）—血管壁、结石 极强回声（全反射型）—肺、胃肠道
• 探测深度
• 超声波是声波，一种机械波 • 超声的频率、声速和波长 ：c=f·λ • 频率超出了人耳听觉的上限20，000Hz
• 医用频率1—20MHz(常用2.5 —5MHz)
• 人体软组织平均声速为：1540m/s
声波的传播
pressure
time
Period
声音与听觉
超声的物理特性
⒈ ⒉ ⒊ ⒋ ⒌ 指向性 反射、折射、散射和绕射 吸收与衰减 分辨力与穿透力 多普勒效应
– The small distance between two points that can be imaged
• Signal to noise ratio (SNR)
– S/sI, (S = measured signal s noise standard deviation) – Similarly CNR = DI/sI
+++++++++++++++++
- - - - - - - - - - - - -
正压
负压
正压电效应示意图
Contrast, resolution, SNR
• Contrast
– Ability of distinguish an object from background (DI/I)
• Resolution
AD 采集
相位 相加
动态 滤波
B型 成像
DSC
对数 压缩
包络 检测
B型超声波临床应用价值
• 检测器官的大小、形状、物理特性及某些功能状 态；
• 检测心血管的结构、功能与血流动力学状态；
• 鉴定占位病灶的物理特性及部分病理特性；
• 检测有无积液存在，并初步估计积液量； • 随访药物或手术治疗后各种病变的动态变化； • 应用介入性超声进行辅助诊断或某些治疗。
常用探头
线阵型
扇型
凸弧型
超声扫查方式示意图
主机
+++++++++++++++++
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+ -
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发 射 超 声
+
逆压电效应示意图
接收超声
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B超应用的临床领域
•产科 •妇科 •消化科 •泌尿科 •心血管 •胸科 •普外科 •眼科 •口腔 •骨科
确定是否妊娠、胎位、胎儿发育情况及有无畸形。
检查子宫和卵巢病变。
检查肝、胆、胰腺、脾脏病变。 检查肾、输尿管、膀胱、前列腺病变。 检查心脏和外周血管病变。 检查胸壁病变及胸腔积液诊断、穿刺定位。 检查甲状腺、乳腺、睾丸、附睾病变。 测定眼轴，检查眶内及眼球病变。 检查涎腺病变。 诊断骨及关节病变。
超声的三个基本物理参数
频率( f): 声波每秒振动次数，Hz。 波长(λ): 声波在一个振动周期内所通过的距离， mm 声速(C): 声波在介质中每秒传播的距离，m/s
Ｃ=f ×λ
人体软组织声速平均为1540m/s
λ
C（m/s）
1 f T
频率越高，周期越短
c f
频率越高，波长越短。
超声波的反射和折射