医学影像工作原理与图像获取方式

医学影像工作原理及图像获取方式

2.2医学超声影像工作原理

超声是指高于人耳听觉范围的声波，通常是指频率高于20 kHz的高频振动机检波，应用于医学诊断的超声频率一般在1MHz至几十MHz之间。自1958年商用超声成像产品问世以来，超声医学设备以其实时性、对人体无损伤、无痛苦、显示方法多样，尤其对人体软组织的探测和心血管脏器的血流动力学观察有其独到之处而成为在医学中应用最为广泛的成像设备之一。

超声在医学中的重要作用在于它不但可以穿透人体，而且可以与身体组织相互作用。超声波穿过人体时要经过折射和反射，这可发生在超声波经过的任何交界面上，其作用就如同光束经过一个非均匀物质一样。超声波的波长很短，从而易于窄脉冲波束的实现，因此超声换能器可以做得小而紧凑。

超声在临床应用中主要分为诊断与治疗两个方面：超声诊断采用的是较高频率（多在2MHz以上）与较低声强的超声波，高频可提高对组织的分辨率，用以获得清晰、细致的声像图，而低声强则可降低对组织损伤的副作用。超声治疗采用的是较低频率（通常<1MHz）与较高声强的超声波，低频超声增大对组织的穿透率，而高声强（特别是聚焦后）超声可对组织产生生物效应，用于选择性破坏局灶性病变。

2.2.1超声设备与种类

超声诊断主要应用超声良好的指向性和与光相似的反射、散射、衰减及多普勒(Doppler)效应等物理特性，采用不同的扫查方法，将超声发射到人体内，并在组织中传播，当正常组织或病理组织的声阻抗有一定差异时，它们组成的界面就会发生反射和散射，再将此回波信号接收，加以检波等处理后，显示为波形、曲线或图像等。由于各种组织的界面形态、组织器官的运动状况和对超声的吸收程度等不同，其回波有一定的共性和某些特性，结合生理、病理解剖知识与临床医学，观察、分析、总结这些不同的规律，可对患病的部位、性质或功能障碍程度做出概括性以至肯定性的判断。

超声诊断仪由主机和探头构成，均包括发射、扫查、接收、信号处理和显示等五个部分。超声诊断仪的种类很多，而且互有交叉，按照显示回波方式和空间的不同，主要包括以下几种：

1．A型(Amplitude Mode)超声

A型超声是最早出现的一维超声诊断技术，它将声束传播位置上的组织按距离分布的回波信息在显示器上以幅度调制的形式显示，并从回波的幅度大小、形状及位置进行诊断，回波强则波幅高，回波弱则波幅低。常用A型法测量界面距离、脏器径值以及鉴别病变的物理性质，它是现代各种超声成像的物理基础。

2．B型(Brightness Mode)超声

B超是把组织的一个断层面上的超声回波信息以二维分布形式显示出来，组织内的散射、反射回波信息以辉度调制方式显示，回波强则光点亮，回波弱则光点暗。光点随探头的移动或晶片的交替轮换而移动扫查，由于扫查连续，可以由点、线而扫描出脏器的解剖切面，它是二维空间显示，又称二维超声。

按其成像速度的不同，可分为慢速成像和快速成像，慢速成像只能显示脏器的静态解剖图像，由于每帧图像线数甚多，图像清晰，扫查的空间范围较大。快速成像能显示脏器的活动状态，也称为实时(ReaITime)显像诊断法，但所显示的面积较小，每幅图像线数与每秒显示的帧数相互约制，互为反比。按照扫描方式的不同，又可分为电子线性扫描、电子凸阵扫描、机械扇形扫描和相控阵扫描等。

3．M(Motion Mode)型超声

M超是在辉度调制型中加入侵扫描锯齿波，使回声光点从左向右自行移动扫描，故它是B型超声的一种特殊的显示方式。常以此法探测心脏，可获得心脏结构与运动变化、血流时空信息及其周邻关系等定量结果，也称作M型心动图。

4．D(Doppler)型超声

D型超声采用多普勒效应原理设计，也称多普勒超声。利用多功能彩色多普勒可获得头部、颈部、心脏、腹部、胎儿等的二维图像；利用多普勒超声听诊能够早期听取胎心、胎动及进行胎心的监测等；彩色多普勒超声CDFI(Color Doppler Flow Imaging)，可显示血流的向背方向（颜色的深浅代表血流的快慢），使用伪彩色编码技术标明动脉图中血流的方向和速度，从而能够显示血管的模拟三维图像。现在，超声频谱多普勒探测血流的研究工作已取得很大的成就，彩色多普勒的出现，使之更趋完美。

5．三维超声

计算机技术的发展已使三维超声成像成为现实。三维超声成像需要特殊的探头和软件以收集并产生图像，构成立体图像的方法有数种，目前面市的仪器多为在二维图像的基础上利用计算机进行三维重建，尚未达到实时三维图像。三维图像使得容积测量更为精确，诊断更为精细、准确，医生可以很容易地诊断出组织的异常。

在产科成像中，三维扫描可以了解胎儿的发育状况，尤其是在先天疾病的诊断方面，如先天性脊柱、嘴唇、手指、脚趾和耳朵等缺陷及先天性胎儿心脏畸形的诊断(如图2.1)。6．超声显微镜

与光学显微镜、电子显微镜的原理类似，利用特高频超声也可显示组织器官的细微结构。目前应用的超声显微镜有100MHz、450MHz等，检测深度仅数毫米，可检测表浅组织结构细胞分子水平的动态变化。

虽然超声仪器多种多样，但应用领域各有不同。在国内目前用于前列腺诊断的是二维B 型超声诊断仪，我们在课题中用到的图像就是从B超采集下来的图像，下面我们对B型超声诊断仪做进一步的介绍。

2.2.2 B超及其成像原理

B超成像的基本原理是：向人体发射一组超声波,按一定的方向进行扫描。根据监测其回声的延迟时间,强弱就可以判断脏器的距离及性质。经过电子电路和计算机的处理, 形成了我们今天的B超图像。B超的关键部件就是我们所说的超声探头(probe),其内部有一组超声换能器,是由一组具有压电效应的特殊晶体制成。这种压电晶体具有特殊的性质,就是在晶体特定方向上加上电压,晶体会发生形变,反过来当晶体发生形变时,对应方向上就会产生电压,实现了电信号与超声波的转换[9]。图2.2是B超的一般成像原理图。

B超的工作过程为：当探头获得激励脉冲后发射超声波（同时探头受聚焦延迟电路控制,实现声波的声学聚焦），然后经过一段时间延迟后再由探头接受反射回的回声信号,探头接收回来的回声信号经过滤波,对数放大等信号处理。然后由DSC电路进行数字变换形成数字信号,在CPU控制下进一步进行图像处理, 再同图表形成电路和测量电路一起合成视频信号送给显示器形成我们所熟悉的B超图像,也称二维黑白医学图像。我们下面的研究工作就是针对B超图像进行的。

彩超并不是看到了人体组织真正的颜色,而是在黑白B超图像基础上加上以多普勒效应原理为基础的伪彩色而形成的。那么何谓多普勒效应呢,当我们站在火车站台上听到从远处开来的火车汽笛叫声会比远离我们的火车汽笛叫声音调要高,也就是说对于静止的观测者来说,向着观测者运动物体发出的声波频率会升高,相反频率会降低,这就是著名的多普勒效应。现代医用超声就是利用了这一效应,当超声波碰到流向远离探头液体时回声频率会降低,流向探头的液体会使探头接收的回声信号频率升高。利用计算机伪彩色技术加以描述,使我们能判定医学图像中流动液体的方向及流速的大小和性质,并将此叠加在二维黑白医学图像上,形