医学成像系统(1)

(
)
1
2
⎤⎫ −z ⎬ ⎥⎭ ⎦
D=2a
z
Iz I0
z max
近场 远场
D = 4λ
2
z max
声束的发散
θ
D
换能器
z max
D = 4λ
2
c sin θ = 1.22 f0 D
动态孔径：近场用小孔径；远场用大孔径
波束形成器
阵列换能器之一
线阵探头
换能器 阵元
阵列换能器之二
凸阵探头
R
阵列换能器之三
轴向分辨率
侧向分辨率
脉冲窄
波束细
轴向分辨率
电激励信号
PRF
声压
τ
Q τ = 2 f0
A
B
轴向分辨率
τc
d
2 A B A
Q τ = 2 f0
B
1
2
3
1
2d
A
B
2
3
4
1
AR = d min τc = 2 Qλ = 4
改善轴向分辨率的方法
AR = d min τc = 2 Qλ = 4
1、 降低Q 2、 提高频率
多普勒血流测量
f0 + f D
f0
2v cos θ fD = f0 c
皮肤
v
θ
血管
超声多普勒回波信号的频谱
P( f )
− f0
f0
f
声谱图
S( f )
f
f
S( f )
t
(a) (b)
t
彩色血流图仪
血流 测量 探头
流速剖面 形成
B型 成像
新技术与前沿动态
（6） 彩色血流 图成像
系统框图
谱分析
人体组织 Z t = 1.6 × 10 5 g/cm 2 /s
% T = 0 .61 × 0 .61 = 37 %
换能器结构
凸阵探头 线阵探头 相控阵探头
声场特性
θ
主瓣与旁瓣
c θ = sin (1.22 ) f0 D
−1
换能器
D
换能器声场（近场与远场）
Iz 2 ⎧⎛ π ⎞ ⎡ 2 2 = sin ⎨⎜ ⎟ a + z ⎣ I0 ⎝ λ ⎠⎢ ⎩
0.69 0.08 0.08 0.10 0.09 0.03 0.03 0.01 0.05 0.9991 0.89
新技术与前沿动态
（6） 彩色血流 图成像
系统框图
谱分析
f
（5） 声谱图多普 勒血流测量
t
（2） 换能器与 波束形成
血流 测量
流速剖面 形成
探头
B型 成像
（1） 超声成像的 物理基础 （3） 数字扫描 变换器 （4） 信号与图 像处理
Q=
中心频率 带宽
高Q值 --- 连续波 低Q值 --- 脉冲波
超声换能器与发射脉冲
t 换能器
激励电脉冲
采样体积
λ1
有效激励的条件：
l=
l
λ1
2
或
c f1 = 2l
例：分别计算“有”和“没有”匹配层情况下传人 人体组织的能量比率。（了解匹配层的作用）
反射率
晶体与匹配层之间：
2
⎛ Zc − Zt ⎞ %R = ⎜ ⎜ Z + Z ⎟ ×100 ⎟ ⎝ c t⎠ = 81%
第三部分：血流测量
（5） 声谱图多普勒血流测量 （6） 彩色血流图成像
第四部分 新技术与前沿动态
（1）
超声成像的 物理基础
超声成像系统的构成
z
R
换能器 接收电路 发射电路 显示器
T
人体组织对超声波的衰减系数
介质名称 血液 肝 肾 肌肉 软组织 颅骨 肺 空气 水
− − dB / ( cm 1 . MHz 1 ) 平均衰减系数（
（2）
换能器
与
波束形成
换能器与波束形成
波 束 形 成 器
探头
信号与 图像处理
换能器
本节要点
1、换能器 2、声场特性 3、波束形成器
新技术
数字式波束形成器
超声探头
（一）单晶片机械扇形扫描探头 （二）电子阵列探头 • 线阵 • 凸阵 • 相控阵 • 二维面阵
换能器结构 (Transducer)
c λ= f
侧向分辨率
换能器 超声束
改善侧向分辨率的方法
• 声透镜聚焦 • 一维电子聚焦 • 动态孔径 • 环阵技术 • 动态频率扫描 • 变迹技术 • 数字式波束形成器
声透镜聚焦
换能器 超声束 声透镜
一维电子聚焦
换能器 阵元
动态孔径
换能器 阵元
超声探头从一维 到二维结构的演变
超声探头从一维 到二维结构的演变
0.18 0.94 1.0 1.05～1.75 1.35～1.68 20 40 10 0.002
超声波在人体中的传播速度
组织名称 脂肪 脑 肝 肾 脾 血液 肌肉 软组织（平均值） 颅骨 水 空气 平均速度（m/s) 1450 1541 1549 1561 1566 1570 1585 1520 4080 1480 330
地电极 (ground electrode) “火”电极 (“hot” electrode) 外壳 (housing and insulator) 背衬材料 (backing material) 压电晶体 (crystal) 匹配层1 匹配层2 (matching layers) 声透镜 (lens)
不同组织界面的反射率
界面两边的组织 脑—颅骨 脂肪 —骨 脂肪 —血 脂肪 —肾 脂肪—肌肉 脂肪 —肝 肌肉 —血 肌肉 —肾 肌肉 —肝 软组织 —水（均值） 软组织 —空气 软组织 —PZT5晶体 反射率 0.66
提示： （1）合适的探查区域 （2）超声耦合剂的作用 （3）探头设计中匹配层 的作用
超声成像系统
( 2005年秋季 )
概论
结构成像
诊断 仪器
血流测量 组织定征
医学 超声 仪器
治疗 仪器
超声温热疗法 高强度超声聚能治疗 超声碎石 超声手术刀
超声诊断仪器
的
临床应用价值
影像诊断设备
X线机 功 能 • 透视 • 拍片 X－CT 断层 结构 成像 • 断层 摄影 • 电离 辐射 • 非 实时 磁共振 • 断层 结构 • 代谢 功能 • 断层 摄影 • 设备 昂贵 • 非 实时 同位素 超声成像 结构形态 血流测量 组织定征 • 无创、无电离辐射 • 断层成像 • 实时、动态 • 形态、功能与定征 • 设备价格便宜
水 空气
超声波的反射与折射
θi θr
Z1 ,c1
θt
Z2 ,c2
反射系数的计算公式
θi
θr
Z 1 , c1
θt
Z 2 , c2
反射率 透射率
⎛ Z1 − Z 2 ⎞ %R = ⎜ ⎟ ⎝ Z1 + Z 2 ⎠
2
%T = 1 − % R
Z＝ρ ⋅ c
声阻抗
密度
声速
不同组织界面的反Fra Baidu bibliotek率
界面两边的组织 脑—颅骨 脂肪 —骨 脂肪 —血 脂肪 —肾 脂肪—肌肉 脂肪 —肝 肌肉 —血 肌肉 —肾 肌肉 —肝 软组织 —水（均值） 软组织 —空气 软组织 —PZT5晶体 反射率 0.66 0.69 0.08 0.08 0.10 0.09 0.03 0.03 0.01 0.05 0.9991 0.89
0.18 0.94 1.0 1.05～1.75 1.35～1.68 20 40 10 0.002
人体组织对超声波的衰减系数
介质名称 血液 肝 肾 肌肉 软组织 颅骨 肺 空气 水
提示：
− − dB / ( cm 1 . MHz 1 ) 平均衰减系数（
（1）dB: 衰减补偿 （2）cm-1: 浅部－高频探查 深部－低频探查 （动态频率跟踪） （3）MHz-1 非线性失真 （4）合适的探查部位
f
（5） 声谱图多普 勒血流测量
t
（2） 换能器与 波束形成
血流 测量
流速剖面 形成
探头
B型 成像
（1） 超声成像的 物理基础 （3） 数字扫描 变换器 （4） 信号与图 像处理
医学超声仪器
第一部分：概论
（1） 超声成像的物理基础
第二部分：结构成像（B型成像）
（2） 换能器与波束形成 （3） 数字扫描变换器 （4） 信号与图像处理
人体组织 透射率 人体组织
反射率 透射率
%R1 = 39%
% T 1 = 61 %
匹配层与人体组织之间: 反射率
% T = 1 − 81 % = 19 %
%R2 = 39%
匹配层
Z m = Zc ⋅ Zt = 6.9 ×105 g / cm 2 / s
晶体
透射率
% T 2 = 61 %
总透射率：
Z c = 30 × 105 g/cm 2 /s
超声波在人体中的传播速度
组织名称 脂肪 脑 肝 肾 平均速度（m/s) 1450
提示：
1541 1549 1561 1566 1570 1585 1520 4080 1480 330
（1）1540m/s: 脾 超声在人体软组织中 血液 的平均速度。 肌肉 用来决定探查深度。 软组织（平均值） （2）传播速度的差异: 颅骨 超声CT
代谢 功能
• 设备 简单 特 • 电离 辐射 点 • 影像 重叠
• 断层 摄影 • 分辨 力低 • 放射 性药物
超声成像
的
基本模式
工作方式：A型
换能器
回波信号
t
工作方式：M型
探头
皮肤
时间
深度
工作方式：B型
发射电路 接收电路 同步信号 发生器
换能器
被探查物体
显示器
工作方式：C型
换能器
C型平面
波束方向 合成波阵面
相控阵阵探头
方向 波束
波阵 合成 面
1
2
3
n
1
2
3
n
发射脉冲 发射脉冲
(a )
(b )
波束 方向
合成 波阵 面
波束 方向
合成波 阵面
焦点
1
2
3
n
1
2
3
n
发射脉冲
发射脉冲
(c )
(d )
超声成像系统中
的
空间分辨率问题
空间分辨率：轴向分辨率与侧向分辨率
t 激励电脉冲 换能器 采样体积
环阵技术
超声波束
换能器
θ
孔径变迹
主瓣
主 瓣 旁瓣 旁 瓣 Fourier Transform 换能器 矩形 窗函数
θ
D
θ
孔径变迹
主瓣
旁瓣
θ
Fourier Transform 换能器 窗函数
D
再 见