医学超声测量研究综述(1)

超声学基础
2、阻抗差异大的界面反射特性
物理基础
当Z1 和Z ２ 相差很大时，无论Z1》Z ２ (固体 气体)或Z1《Z ２ (气体 固体)将会发生近乎全部反射而没有透射。如在水和 空 气 的 界 面 上 ， 其 中 ： Z 水 ＝ 1.492kg ／ m2 ／ s(kgm-2s-1) ， Z气=0.00428(kg m-2s-1)，则反射回来的能量比为： 1.492-0.00428 R=（ ）= 0.99 即：99% 1.492+0.00428 由此可见，超声从液体(或固体)向气体中传播几乎是不可能，反 之从气体向液体(或固体)中传播也几乎不可能。为什么说超声在人 体诊断中对肺组织是困难的，就是因为肺组织中充满气体的缘故
超声学基础
物理基础
<三>、超声波的三个基本物理量 C=λ ×f
声速 声波在某种介质中的传播速度。它与介质的弹性（K）和 密度（ρ）有关, 即 C= k ，
p
而与超声的频率无关。声速在决定声阻抗以及回声测距精度上 是重要因素。超声在人体软组织中平均速度为1540m/s,探测1cm 深度目标所需时间为 13.4μs.
纤维组织和软骨则能吸收大量能量；骨质的吸收更大。 即：骨（或钙化）>肌腱（或软骨）>肝脏>脂肪>血液>尿液（或胆汁）
液体内含蛋白成分的声衰越大， 组织中含胶原蛋白和钙质越多，声衰减越大，
超声学基础
物理基础
人体不同组织的声衰减比较
声衰程度 极低 甚低 低 中等 高 极高
尿液 不同组织 胆汁 血液 和 囊液 体液 胸腹水 声影 — — 后方回声增强 + +/—
由于生物组织大多数属软组织，因此，在超声作用下，其细微结构多少会发生形变。 在较大强度超声的作用下，如超声治疗所用的1W/cm2以上的剂量，则生物组织会由 于超声空化作用而产生不能复原的破坏性形变，以至使细胞坏死和整个生物组织坏死， 这种强度剂量在超声治疗中，用以粉碎结石、血栓。在外科手术中，用更强的超声来作 为非侵入性手术刀。但作为超声诊断，一般是禁止使用这种剂量的。
超声学基础
<四>、超声波的折射
<五>超声波的声场特性
物理基础
当两种介质的声速相差甚大时，由于折射引起被测目标的变形，即产生伪象。
近场区是一个复瓣区。形成许多大小不一的超声组成的“花瓣”， 如图所示。只有其中心区利于诊断。副瓣在超声扫描时将产生伪象。
超声学基础
<六>超声波的衰减特性
物理基础
衰减的主要影响是逐步减弱由深处反射回声的振幅，使它们更难以检测。 生物组织的衰减系数不只决定组织的厚度，而且也决定于超声的频率， 生物组织的衰减系数与频率成正比，所以频率高的超声波在人体组织中 衰减愈大，只适用浅部器官的检查。 从临床实验得知，正常组织与病变组织对超声的反应不同，癌组织对超声吸收较 大，炎症组织次之。血液和眼前房液的吸收最小；肌肉组织的吸收有所增加；
3、新技术：超声内窥镜、超声CT、三维超声、 四维超声、血管内超声、手提式彩色超声
超声测量技术的发展历程
彩色多普能量成像 组织多普勒成像
. . .
多普勒成像
高强度聚焦超声导管治疗技术 超声治疗技术
超声靶向药物治疗技术
超声测量技术的运用
超声医学在经历了半个多世纪的发展以后，已经成为临床医学 不可或缺的重要组成部分。超声医学高兴技术和新方法层出不穷， 不断为临床疾病提供精确的诊断和治疗，提供全新的技术方法保障。 超声医学已经不在局限于单纯的疾病诊断，开始实现与各种药物或 非药物治疗技术手段的结合，在疾病治疗的引导、监控、评价和直 接治疗等方面发挥越来越重要的作用。目前超声测量技术的语言主 要在一下几个方面：
超声学基础
3、阻抗差异小的界面反射特性
物理基础
如果Z1和Z２相当接近，则反射很少。但只要有1‰的声阻抗差， 就会产生反射波，所以超声波对软组织分辨力很高。 界面反射是超声波诊断的基础。
<三>反（背）向散射是超声成像的重要信息来源
在大小与超声波波长可比或比之更小的脏器或组织内部的微小 结构上进行的超声波的散射对形成软组织的超声图像起了重要的促 进作用，可以认为超声波的这种反向散射形式构成了超声图像中的 决定性的信息，是超声成像法研究内部结构的重要依据。 所以超声成像的回声来源是：超声波的背向散射及镜面反射。
<二>、超声波的应用范围
2.5 MHz到5 MHz的频率用于心脏、腹部及软组织成像。这些 频率能穿透组织可到达20-15cm的深度。 5-10MHZ的频率的超声波可以用于小器官的成像，例如：腮腺、 甲状腺、颈部血管及眼睛显像，它只需要4-5cm的穿透深度。 10-30MHz 用于皮肤及血管内检查，可以获得高分辩力的图像。 40-100MHz 用于生物显微镜成像，对眼活组织表面下的显微诊断
超声测量技术的特点
优点
1）超声波的频率范围和声强范围较广，医学上可根据需要选择。
2）超声波为一种机械波，在低声强时，无电离辐射，对组织无损伤，安全； 而高强聚焦时，又足以破坏病变组织，达到治疗目的。
3）采用超声脉冲回声检测法具有很高的检测灵敏度，获得油桶的诊断信息的动态 范围可在100dB以上，从而为检测、识别微小病变提供可能。回声诊断技术已 能与计算机技术和图像处理技术相结合，容易取得各种数据。 4）超声诊断为一种非侵入性方式，又能安全地解决许多软组织疾病的诊断， 已为临川医生和病人所普遍接受。 5）超声诊断技术可选用诊断参数的多样性及其在工程上实现的灵活性， 为超声诊断技术的研究和应用展示出广阔的发展远景。
超声学基础
生物效应
(2) 热作用： 生物组织在超声机械能的作用下，由于沾滞吸收，将一部分超声能 转化为热能，使生物组织的温度上升。 当超声辐射达到治疗剂量的强度时，热作用明显，并能使热量深入人体组织器官， 甚至还会随着血液传导热能。在用超声进行治疗中得知，频率为800KHz、剂量为 4w/cm2的超声照射20s后，会在组织器官0.2~3cm的深处产生热作用，而起到治疗效果。 (HIFU) (3) 化学作用: 超声的空化作用和热作用与化学作用是有机联系的；化学作用是氧 化和还原作用。 在高剂量超声情况下，因超声的化学作用还会破坏有机结构的蛋白 质.
5）除极少数诊断设备外，均依赖于操作者的手法和经验，难以进行技术的标准化。
超声测量技术的发展历程
A型超声 一维回波图像 现在已经淘汰
采用辉度调制 运动脏器功能的检查具有优势，可进行多种心功能参数的测量
M型超声
1、显示实时切面图像，真实性强，直Baidu Nhomakorabea性好， 容易掌握 B型超声
2、能直观地显示脏器的大小、形态、内部结构， 并可将实质性、液性或含气性组织区分开来。
超声学基础
<四>、声速、波长与介质的关系
物理基础
1、声速与介质的关系 （1）、同一介质 不同频率的探头在同一介质中传播时声速基本相同。 （2）、不同介质 同一频率的超声波在不同介质中传播的声速是不同的。 2、波长与介质的关系 （1）、同一介质 不同频率的超声波，在同介质内传播，波长与频率成反比。 （2）、不同介质 同一频率的超声波，在不同介质内传播，因传播声速不同， 则波长也不相同。
肝肾 脂肪 肌肉 心腔 脑 — — — —
肌腱 骨 软骨 钙化 瘢痕 肺(含气) +/— — + —
超声学基础
生物效应
一．空化作用： 所谓空化作用就是指在液体中产生强超声时，会出现一种类似雾状的 气泡，此种现象称超声空化作用。这种现象类似日常生活中所遇到的轮船推进器 在产生推动力的同时会溅出气泡那样。这种空化作用使超声具有强烈的破坏作用。
超声测量的发展方向
微创介入技术、基因诊断和治疗技术及组织工程技术是未来医学 发展的前沿方向。所以医学高新技术均需要在精确的时空定位和丰 富的病理生理信息的环境中才能够实现其应有的诊断和治疗价值。 精确可靠的人体解剖和病理生理信息可视化技术是实现医学高新技 术目的的根本保证。超声医学技术具有在体实时动态高分辨率地提 供直观的整体和局部组织器官解剖和功能诊断信息的无与伦比优势。 超声多维参数、虚拟显示技术、微创介入超声诊断高新技术的交叉 融合已近成为未来超声医学技术发展的前沿方向。
医学超声测量技术研究综述
学校 ：四川大学 学院：材料科学与工程 专业：生物医学工程 姓名：周荣省 指导老师：邹远文
超声学基础
超声的物理基础
超声的生物效应
内容
超声测量技术的特点
超声测量技术的发展历程 超声测量技术的应用
超声测量的发展方向
超声学基础
物理基础
一、超声波的基本物理量
<一>、声源、介质
在超声成像中，探头晶片发射时即产生超声，所以探头 晶片就是声源。人体脏器、器官都是介质。介质的声学特性 与成像的关系非常密切。超声频率高于20000Hz。
3、妇产科超声技术
超声全容积三维显像技术 腔内超声（Endoscope Ultrasound）技术
4、超声治疗技术
高强度聚焦超声导管治疗技术 超声靶向药物治疗技术
超声测量技术的运用
5、浅表器官和小血管超声技术
（1）超声超宽视野（Panaroma Ultrasound Imaging）技术 （2）超高频超声（Super High-frequency Ultrasound）技术 （3）超声弹性成像（Ultrasonic Elastography）技术 （4）血管功能超声显像（E-tracking,and Wave Intensity,WI）技术 （5）自动动脉内膜中层厚度（Intima-medium thickness,IMT）检测 分析技术 （6）灰阶血流成像（B-flow）技术
超声学基础
<一>超声波对组织作用的信息变化
物理基础
超声波入射人体组织后，超声波的能量将发生衰减，其损失 包括吸收和反射。
<二>超声波的反射是超声成像的基础
分界面两边的特性阻抗差将决定入射超声如何在透射和反 射之间分配。
1、介质的特性阻抗
介质特性阻抗 Z 等于它的密度ρ 和超声在其中的速度 C 的乘积，即：Z=ρ × C 声阻抗值一般是固体＞液体＞气体。
6）诊断和治疗技术容易掌握，设备小巧，一般不需要屏蔽，对机房的要求较低。
超声测量技术的特点
缺点
1）超声诊断回声技术中，可选用超声频率不够高，故分辨率较低。 2）超声在人体中进行时，在不同的声界面之间产生方向的不断改变（折射）， 可使图像歪曲失真。 3）超声的一些物理特性，导致产生图像的伪装， 4）在气体及骨骼下方，超声几乎无法透入。
1、心血管超声技术
全方位M型超声心动图、曲线M型超声心动图、高帧频二维灰阶超 声心动图、多向双选通门脉冲波多普勒超声心动图、三维超声组织 斑点跟踪显像技术、心腔内超声心动图、实时三维超声心动图等等
超声测量技术的运用
2、腹部器官超声技术
超声造影（Ultrasonic Contrast Imaging）技术 超声三维导航（Ultrasonic Three-Dimensional Navigation）技术 医学图像融合及导航（Imaging Fusion and Navigation）技术 腹腔镜和内镜超声（Endoscope an Laparoscope Ultrasonic）技术