超声基础

图像的形成
• 图像由显示线组成 • 每个显示线和探头的阵子数相关 • 每幅图像中的显示线越多,线密度越高,
图像越细腻,但需要更高的处理能力
帧频
• 帧频是每秒可以显示的图像的帧数
– 单位 FPS或 Hz – 与深度,线密度,聚焦度有关
实时成像
• 帧频刷新大于人眼可以分辨的速度 • 对于快速运动的结构要求高帧频显示
号,主要作用为去除噪音
频谱多普勒成像
• 多普勒效应
fd
=
2vcosθ c
f0
பைடு நூலகம்
• 脉冲多普勒
– 脉冲宽度:1-3µs；脉冲间隔:200-900 µs – 距离分辨率很好
• 连续多普勒
– 发射连续不断的声波信号 – 速度分辨率很高
彩色多普勒成像
• 彩色多普勒
– 在黑白的二维图像上叠加彩色信息 – 自相关技术得到所有红细胞的平均速度 – 彩色编码技术 – 彩色显示器 – 红色：迎向探头；蓝色：背离探头 – 绿色：血流的湍流程度 – 血流速度与彩色的亮度成正比 – 用于医学诊断二十余年
Phase
Amplitude
A/D
010111010110101011010
Frequency
超声诊断仪器的构成
超声是一种声波
什么是声波?
• 声波是能量通过介质传播的一种机械振动的过程
什么是超声波?
• 频率超过人听力范围的波为超声波
– 大于20,000 Hz (hertz)
• 诊断用超声
– 波长小于空气粒子的波, 其使用 人体组织为传播媒介, 通过分析 波在人体内传播时的回波信号 来协助诊断
• 探头的基本组成
– 压电晶片 – 吸声背块 – 匹配层 – 导线
不同类型的探头
• 线阵探头
– 对等间隔排列的多个阵元同时施加脉冲激励 – 叠加声束的传播方向和探头表面垂直
• 凸阵探头 --排列和发射处于线阵和相控阵探头之间
• 相控阵探头
– 对等间隔排列的多个阵元施加脉冲时间不同 – 叠加声束的传播方向按一定规律自动改变方向
与二维成像同时应用的成像模式
• 多普勒成像 • M-型 • 谐波成像模式(处理特殊信号而
得到的二维图像)
与二维成像同时应用的成像模式
• 频谱多普勒用来定量检测血流组织(或人体内流动 的组织)
• 彩色多普勒或能量多普勒用来观察血流(或人体内 流动的组织)
• M-型是应用一种曲线测量心脏结构的运动 • 谐波模式为接收回波信号中二倍于发射频率的信
• 因此, 理想状态下,探头频率越高图像分辨 率越好
频率和穿透力
• 频率越高, 在人体内的穿透能力越低 • 频率越低,穿透能力越好
这就是超声成像过程中的挑战!
因此-
• 高频探头分辨率好,但穿透力差(e.g. CL15-7)
• 频率低的探头穿透力好但分辨率稍 差 (e.g.C5-2)
频带宽
• 频带宽为探头发射频率的范围
•可以产生伪像
–胆石后的声影 –囊性结构后方的回波增强 –曲线性结构后方的声影
分辨率
系统分辨的能力
– 空间分辨率
• 轴向/侧向分辨率
– 对比分辨率 – 时间分辨率
分辨率的类型
• 轴向分辨率
– 沿声波发射方向能被分辨出的两点之间的最小距离 – 波长和脉冲长度影响轴向分辨率
分辨率的类型
• 侧向分辨率
不同类型的探头
• 相控阵探头：(Phase probe)
主要应用于心脏, 经颅检查. 。要求穿透力要好。 多以P加频带宽为序号. 如 P4-2
不同类型的探头
• 凸阵探头: (Curve probe)
主要主要应用于腹部,妇 产科检查. 多以C加频带宽为序号， 如C5-2
不同类型的探头
• 线阵探头: (Linear probe) 主要应用于表浅或小器官 检查。
发射信号 接收信号
Transducer
Transducer
近场伪像
Shallow fat layers
声场
Distorted sound beam
Shallow fat layers
Clean image
谐波处理后
谐波的优势
• 谐波是在人体组织内产生的一组新的超 声波,所以其包含了最纯净的组织信号
能量多普勒成像
• 能量多普勒（能量图）
– 1993年 – 多普勒信号的能量曲线
• 多普勒信号幅度的平方 • AUC：取样容积内的RBC多普勒散射能量的总和 • 入射角可改变曲线形态，但AUC不变
– 彩色编码技术 – 在黑白的二维图像上叠加彩色信息
能量多普勒成像
• 能量多普勒
– 优势
• DR提高10－15dB • S/N增加，敏感性增加 • 相对角度非依赖性
• 不适于：
– 含气性脏器 – 骨骼
• 新的技术使超声应用领域不断扩大
超声的临床应用领域
• 器官的形态学 • 器官的血流动力学 • 器官的组织和细胞病理学 • 病变的早期诊断 • 病变的疗效观察 • 病变的预后 • 术中的监测 • 介入性治疗
谐波的产生
• 基波在人体内传播时, 因组织的弹性而发 生了相位及波长的改变, 畸变为另外完全 不同的多组新波, 我们称其为谐波.
强度(Intensity)
• 声波内任意点在指定时间的能量 • 也可以为声波的高度所代表
动态范围(Dynamic Range)
• 最大回波信号强度与最小回波信号强度 之比
– 最小 = 血液的红细胞 – 最大 = 空气 与组织的界面
动态范围的单位
• 分贝
强度改变
1 2 4 100 1,000,000 1,000,000,000,000
5MHz
7.5 MHz 12 MHz
频带宽
• 宽频探头即应用全部发射频率成像的探头 • 窄频探头在成像过程中只使用部分发射频
率成像
超声系统的组成
HDI
数字化声束形成器
探头
信号采集
RF Sig. Proc. Module
Cineloop® Memory
Echo Detect. Module
Scan Convert Module
– 宽频带
• 接收信号
– 组织信息
• 声束聚焦
– 应用时间延迟
• 声束偏转
– 相控阵发射 – 彩色声束 – 多普勒声束
• 数字化声束
– 计算机处理和显示
声束形成器
晶片
时间延迟环路 信号复合环路
声束形成器
• 时间延迟环路完成声束聚焦和偏转
脉冲波超声
• 脉冲回波模式
– 探头发射脉动的超声波 – 这些超声波在人体内不同的组织和器官内传播 – 反射波信号为探头接收并被主机处理 – 代表了反射信号的图像形成在监视器上
• 而将二倍于基波频率的协波称为二次谐 波
组织谐波的产生
声压
波形
深度
正在传播的波
声压大的部分传播的快 声压低的部分传播的慢
传播后畸变的波
f0 2f0 3f0
产生折反
传播的信号 接收的信号
Transducer
Transducer
折返噪音
Rib
声场
Rib
Rib
...disappear
谐波处理后
Rib
– 垂直于声束发射方向上能分辨出的两点之间的最小 距离
– 声束的宽度影响侧向分辨率
分辨率的类型
• 对比分辨率
– 能分辨出不同声波强度差别的能力 – 依赖于动态范围,压缩模式和质子类型
分辨率类型
• 时间分辨率
– 分辨快速运动时序的能力 – 由帧频决定
频率和分辨率
• 频率影像图像质量
– 频率越高, 波长越短 – 波长越短, 轴向分辨率越好
– 适用于
• 检测低速血流 • 连续显示迂曲的细小血管分布 • 器官和肿瘤的血供
能量多普勒成像
• 能量多普勒
– 劣势
• 对组织运动过于敏感，闪烁明显 • 无定量手段
– 临床应用
• 肾脏 • 妇产科 • 胎儿和幼儿 • 小器官，软组织，肿瘤，肌肉的血供
超声的临床应用领域
• 适用于：
– 软组织 – 实质性或液性脏器
dB 数
0 3 6 20 60 120
超声成像的原理 ----组织之间的界面反射
• 反射 • 吸收 • 散射
衰 减(声波在传播过程中沿传播方向的能量逐
渐损失的过程)
Specular
Rayleigh
衰减与反射
• 可以产生伪像
– 胆石后的声影 – 囊性结构后方的回波增强 – 曲线性结构后方的声影
衰减与反射
• 谐波为单程传播, 避免了很多基波双路传 播处理过程中的各种噪音
• 谐波产生于一定的组织深度,避免了很多 表浅组织产生的噪音如肋骨,肺气,脂肪等
多以L加频带宽为序 号，如L12-5。也可用 探头宽加频率如L1038
声束形成器
• 声束形成器是超声的能量来源 • 给探头晶片指令发射不同的声波, 并且接收探
头接收到的声波信号 • 是形成图像的主要部件
HDI Digital Broadband
Beamformer
Scanhead
声束形成器
• 发射信号
部分回波信号的图像显示
• 强回声 = 白色光点组成
– 膈肌,胆囊, 骨骼
• 弱回声 = 灰色光点组成
– 大部分固体组织或器官或较浓稠的 液体
• 无回声 = 黑色光点组成
– 囊腔内的液体, 膀胱, 血液
二维图像/灰阶图像
• 只利用反射回波信号来形成图像的技术 • 主要显示结构及其改变 • 多以黑白灰来显示不同强度的回波信号
如何描述超声
• 速度 • 频率 • 波长 • 振幅 • 强度 • 周期
频率 (ƒ)
• 每秒钟振动的次数: 单位 - Hz • 红色代表一个周期(介质粒子完成一次震
动所需要的时间)
Time
波长()
• 声波震荡一个周期所传播的距离为波长
Distance
Distance
振幅(Amplitude)
• 声波传播过程中质子震动的最远距离 • 即为波的振动高度
Doppler Module
M-mode Module
Color Flow Module
Video Output Module
Control Bus
信号处理
显示
Video Bus
System CPU
Control
Display
探头
• 探头/ 换能器
– 发射：电能转换成声能----- 逆压电效应 – 接收：声能转换成电能----- 正压电效应