医学超声原理与技术

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对阵列换能器,采用组合发射和接收。 为什么?(从发射能量和声束特性两方面考虑)
超声探头的激励
从线性系统理论的角度,换能器是一个变换系统,其频响特性为其探头的 频率特性,因此,激励信号的频谱应该与探头相匹配。
采用脉冲进行激励,有双极性和单极性两种方式; 单极性的脉冲宽度W = T/2; 双极性的脉冲宽度Wh = T/4; Wl=T/4 激励电压:激励电压与发射功率相关,同时也要考虑其安全性,其峰峰值 一般在100V~150V之间。下图为双极性设计
• 超声波的衰减
– 衰减的原因主要有吸收、散射、声束扩散;
• 介质对超声波的吸收:超声的机械能转变为热能传 导,或被组织的粘滞性吸收
• 能量被许多散射体如蛋白质分子散射掉 • 声束扩散使超声在介质中前进方向上的能量减小。 • 声衰减表现为回声减少或消失,以至出现声影。很
强的反射界面后方回声减少或消失,但反射与衰减
超声成像研究进展
• 医学超声基础理论研究、新型压电材料和 超声传感器、计算机处理、超声成像技术 与信息传输技术相结合的产物。
– 20实际70年代以B型超声显像技术为特征; – 80年代以彩色Doppler血流成像技术为特征; – 90年代则以超声体成像为特征。
• 新技术的发展特点体现在宽频带化,数字 化,多功能化,多维化以及信息化等几个 方面。
第二单元 超声成像声学基础
• 超声波的定义及表示方法 • 超声的物理量 • 超声场 • 超声波物理特性 • 超声的传播与衰减 • 超声波的多普勒效应
超声波的定义及表示方法
描述超声波的物理量
• 声压、声强与声阻抗率
声压,指在某一瞬时压强相对于无声波时的压强变化(改变量)
声强指声波传播的能流密度,即在单位时间内通过垂直于传播方向 上单位面积的声音能量
的传播时间(探测深度),纵坐标表示脉冲回波幅度 (Amplitutede),故称为A型显示,简称A超。临床运用测 量人体器官位置,尺寸、组织的声学特性、诊断疾病
超声设备分类(下)
• M型超声诊断设备-M超-超声心动图仪:在荧光屏上得到组织器 官(心脏)许多曲线-构成超声心动图。反映不同介面不时间反射 超声波的强弱。是亮度调制型设备。临床主要用于研究心血管疾病、 可与心电图、心音图、脉搏结合考虑分析,测量心血管的部分大小、 厚度,瓣膜的运动。
常用探头
机械扇扫超声探头
机械扇形扫描超声探头配用于扇扫式B型超声诊 断仪,它是依靠机械传动方式带动传感器往复摇摆 或连续旋转来实现扇形扫描。
对于但阵元的探头,其阵元的尺寸较大, 声束特性好,声辐射能量强。
电子阵列探头
阵列探头内部由换能器阵列构成,每个换能器 按照一定的尺寸进行设计和排列,其排列方式可以 是线性,凸形等。
• 暂态特性
超声诊断仪的换能器大多工作于脉冲状态,换能器对脉冲的响应速率称为暂 态特性,这也是一项重要指标。换能器的暂态特性与其频率特性是有关系的,简 言之,换能器的频谱越宽,它的暂态特性也越好,可允许的超声脉冲的宽度越窄。 在这里,所描述的脉冲宽度是指断续发射出超声的时间长度,单位是秒(s),它与 频率(超声波每秒振动的次数)是不同的。
• 1921年 声纳 • 1942年 奥地利科学家 A超,探测头颅 • 1952年 美国科学家 B超 1954年B超临床 • 1956年 日本科学家 多普勒超声 探测心脏 • 1967年 电子探头 1968年 TGC • 1968年 研究计算机用于B超设备,DSC数字扫描 • 1973年C超,1978年F超 • 1983年彩色学流图(CFM),1990年3D扫描研制 • 1991年数字化超声成像系统不步入新的发展阶段 • CDTI CDE DPA CHI THI
(低速)显像仪 CDTI(高速) CDE(彩色、幅度,大小)低速血 流的彩色多普勒能谱图,DPA(大小,方向)CHI,THI 超声全息诊断设备 • 超声显微镜 • 超声CT 超声外科设备 超声治疗设备
超声设备发展历程
• 1880年,法国科学家 皮尔和Jacques.居里 压电效应 。1917年法国 科学家保罗-郎之万 发现逆压电效应。
• 反射、折射、散射
反射:超声波的反射特性是医疗超声成像的基础。超声波通过声阻 抗不同的两种介质时,在媒介面上将产生反射,声阻抗差别越大,反射 的超声强度越大。
折射:超声波的折射发生在声波入射角不为零的情况下,超声的折 射定律与光波的折射定律相同。
散射:超声波在介质传播时,如果在介质中含有大量杂乱微小粒子 时(如人体组织中的颗粒结构等),而且粒子的线度与波长可以相比, 则超声波遇到这些排列不规则的粒子后,将使其成为新的波源向四周发 射波动。这一现象也即为波的散射。显然,散射体的线度比波长越小, 散射的影响越小。散射体越大,散射越大,使沿原来方向进行的声强减 弱。
。 备侧向分辨力的指标
• 能量高、穿透性强
声波的能量正比于频率,医用超声波的频率较高,因此能量较大, 并且集中于一个狭窄的圆柱区域内,这使它很容易穿透人体的软组织。
• 叠加特性
当两列声波在同一媒介中传播时,如它们在空间某处相遇,将彼此 叠加。相遇处质点震动为各个波所引起的分振动的合成,在任一时刻质 点的位移是各个波在该点所引起的分位移矢量和。两列波相遇后,仍然 保持原有特性(频率、波长、振幅、振动方向等)不变,按照自己原来 的传播方向继续前进。利用波传播的叠加原理,可以通过发射多束声波 进行叠加,增强超声波的能量,提高穿透力。
超声成像的研究内容
超声成像的声学基础:
超声场是怎样的?如何产生超声波?超声波在人体中的传播情况?
超声波束的控制
超声波是发散的,怎样让其具有方向性,能够定位组织器官的位置。
超声回波信号的处理
如何从超声回波信号中提取组织信息并转换为图像显示?
超声图像处理
重建三维图像,图像增强,特定的图像处理。
压电晶片的前面贴以匹配层。除可保护压电材料外,还使压电材料 与人体皮肤之间的声阻差相近。
压电换能器的特性
• 频率特性
压电换能器的晶体本身是一个弹性体,因此有其固有的谐振频率,当所施力 的频率等于其固有频率时,它将产生机械谐振,由于正压电效应而产生最大电信 号。另一方面,当所施加电的频率和压电晶体固有频率一致时,由于逆压电效应 则应发生机械谐振,谐振时振幅最大,弹性能量也最大,这时,压电晶体获得最 大形变振动,通过介质产生超声波输出。
• B型超声诊断设备:B超-切面显像仪。静止目标B型超声显像仪; 实时B型超声显像仪,数字扫描B型超声成像设备,代计算机的B型 超声成像设备四种。
• C超与F型超声成像设备:横断面成像,曲面成像。 • D超:脉冲回波D型超声诊断仪,连续波D型超声诊断仪。 • 彩超=B+D+M,多功Baidu Nhomakorabea超声成像设备。彩色显示。CDFI 彩色血流
是A两个A概oe念x。
–Ao 为衰声减源系处超数声波振幅; A 为距离声源 x 处的超声波振幅; 为传输介
质的衰减系数。衰减系数 的量纲为 cm1,其单位常用 dB/cm 或 neper/cm(每 厘米奈格)表示。
超声多普勒效应
• 当声波发射源与声接收器有相对运动时, 或者在更复杂情况下,当声波发射源、声 接收器和传播声波的介质有相对运动时, 接收器所接收到的声波频率与发射频率有 所不同,这就是多普勒效应。
第三单元 数字B超原理与结构
B型超声诊断仪的工作原理大概可以描述为: 超声诊断仪由超声换能器将激励电信号转换成 某一频率的超声信号,超声信号穿透进入人体 组织,在人体组织中传播,当人体组织中声阻 抗率不同时,将发生超声反射,由超声波的反 射特性可知,相邻声阻抗相差越大,则反射的 回波信号越强,因此,回波信号的强弱承载了 人体组织的信息。回波信号反射到超声换能器, 由超声换能器将回波信号转换为电信号,电信 号的高低则代表了回波的强弱,转换的电信号 再经过映射为灰阶图像,此时的灰阶图像就记 载了人体组织的特征。
标称频率 阵元数 阵元间距 高程聚焦 纵高曲率 可视范围 透镜厚度 垂直孔径 芯线电容 芯线电阻 电感 线长
3.5 MHz 80 0.78 mm ±0.001mm 90 mm ±3mm 60 mm ±0.1mm 59.6° 1.0mm 13.9mm 110pF/m 50 Ω NC 200cm±10mm
– 扫描声束的形状、大小(粗细)及声束本身的 能量分布,随所用探头的形状、大小、阵元数 及其排列、工作频率(超声波长)、有无聚焦 以及聚焦的方式不同而有很大的不同
– 声束还受人体组织不同程度吸收衰减、反射、 折射和散射等影响即超声与人体组之间相互作 用的影响
超声波物理特性
• 束射特性
超声波的频率较高,波长较短,发射超声波的能量集中于一个较狭 窄的圆柱区域,超声波的这一特性有助于多超声束的聚焦,达到诊断设
换能特性
换能器的换能特性包括两个方面:电能-机械能-超声能,超声能-机械能 -电能。前者属于发射过程,后者属于接收过程。能量间转换必然产生损失(产 生了无益的能耗),以转换效率来表征换能器这一性能:
电机转换效率=输出的机械功率/输入的电功率 机声转换效率=辐射的超声功率/输入的机械功率 因此:电声转换效率=辐射的超声功率/输入的电功率
声阻抗率定义为:Zs=p/v 式中,p为声场中某点声压,v为该位置媒质质点振动速度。显然, 在相同声压作用下,对于声阻抗率大的媒质,其媒质质点振速小,而对 于声阻抗率小的媒质,其媒质质点振速就大。因此,声阻抗率的意义可 理解为声场中某位置媒质的限速能力。
超声场
• 超声场: 超声场是指发射超声在介质中传 播时其能量所达到的空间。超声场简称声 场,又可称为声束。
• 超声探头的使用参数
– 换能器的频率
– 阵元数
– 超声探头频率响线曲线
Central Frequency Number of Elements Pitch Elevation Focus Longitudinal Radius Field of View Thickness(Lens Cover) Elevation Aperture Coax Capacitance Coax Impedance Inductance Cable length
• 超声探头的结构
压电晶体:作为超声换能器的核心元件,当受电脉冲激励时产生振 动,产生超声波,反之,当超声波作用于晶片,晶片振动形变转换为相 应的电信号,换能器的灵敏度和带宽取决于压电晶片,压电晶片的振动 频率即为换能器的工作频率,为得到较高的效率,晶片在共振状态下工 作。
压电晶片的背面填充吸声材料。作用:产生短促的超声脉冲信号, 以提高纵向分辨力。
医学超声原理与技术
第一单元 绪 论
• 医学超声:超声物理学、超声工程学,与医学超声诊断与治 疗。
• 超声物理:振动和波是理论基础,研究超声波在生物组织中 的传播特性和规律。
• 超声工程学:电子技术、计算机技术为基础,依靠超声物理的 结论。设计研制医学诊断设备和治疗设备。
• 超声诊断:主要是根据超声波在生物组织中传播规律、组织 特性、组织几何尺寸的差异使超声波的透射、反射、散射、 绕射及干涉等传播规律和波动现象也不同,从而使接收信号 的幅度、频率、相位、时间等参量发生不同的改变,通过对 这些参量的测量、成像来识别组织的差异、判别组织的病变 特征。
• 超声治疗:主要利用生物体吸收超声波的特性、也即利用超 声波的生物效能和机理,达到治疗的目的。
超声成像设备分类(上)
• 一、按超声波型分类 • 连续波超声设备 • 脉冲波超声设备 • 二、按利用物理特性分类 • 回波式超声诊断仪 • 透射式超声诊断仪 • 三、按设备的结构分 • A超:是一种最基本的显示,示波器上横坐标表示超声波
• 利用运动红细胞对入射超声产生的频移或 差频,可进行血流信号的检测。
超声波的产生和接收
• 超声探头
超声诊断仪中,超声的产生和接收是通过超声探头来实现的。由于 探头是进行电信号与声信号的转换部件,所以也称作超声换能器,是超 声诊断仪中不可缺少的部分,它将仪器中发射的高频电信号,通过探头 里晶体的振动,转变为超声波,发射进人体组织内;对于反射回来的超 声波,在超声探头的晶体上,再将超声波转变为高频电信号,再经过一 系列的处理最后由显示屏显示出来。
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