超声原理

前端数字化－全数字化 后端数字化－部分数字化
数字波束形成器
Σ
•
目标
处理
显示
探头
数字化延时
数字化叠加
g
6. 分辨率
分辨率是指对两个靠近物体的识别能力，即对图象的区分。 轴向（纵向）分辨率：是指沿超声波束轴方向上可区分的 两个点目标的最小距离。 轴向分辨率由超声波束的波长所决定。 一般来说，轴向分辨率为波长的2到4倍。 侧向（横向）分辨率：是指对垂直于超声波束轴方向上可 区分的两个点目标的最小距离。 侧向分辨率取决于超声波束的宽度和波束聚焦情况。 灰度（对比度）分辨率：是指对两个相似密度的物体的 识别能力。 几何分辨率高－－灰度分辨率差
快 迎向 基准线 逆流 慢
色标
时间
背向 快
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总结（SUMMARY）
一、声波的概念、频谱、特性。 二、超声原理（波长、频率、衰减） 三、超声模式（A、B、M、D模式） 四、超声探头（结构、压电效应、工作原理）
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五、超声扫描方式（电子线/凸阵、相控阵，机械扫描） 六、超声系统（系统图、工作原理、部件功能） 七、名词解释（聚焦、变频、帧频、数字化、分辨率） 八、多普勒（多普勒效应、公式、波的含义、彩色血流成像）
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4. D模式（多普勒模式）－（后面详述）
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四、探头
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用于超声的探头也称为换能器，是用来产生和检测超声波的部件，即换能器既是发射器， 也是接收器。它是超声设备最重要的部分。 1. 结构： 详见右图所示。 其中：压电陶瓷－发射/接收超声波；声透镜－轴向 聚焦；背衬材料－防止产生超声波反向振动； 2. 压电效应：是指具有压电特性的材料(陶瓷、石英) 在受到外界压力后，在其受压端面产生电压；在其 端面施加交变电信号时，其端面会产生机械振动， 发出声波。 3. 工作原理： 主机通过电缆在基元上施加电信号，使基元振动， 发出超声波，超声波经物体反射作用在基元上，使基元 两端产生电信号，通过电缆传送至主机处理、显示。
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二、超声原理
1. 基本原理：
超声基本原理与回声原理相同。 2. 超声频率与波长：
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远
探 头
近
λ＝ C / f
λ－超声波波长；C－超声波声速 f －超声波频率。 波长：一个波的长度。 频率：单位时间内的周数（重复次数） 低频 分辨率 穿透力： 更强 高频 更好
衬套 匹配层 声透镜
电缆
背衬材料
压电陶瓷(基元)
发射 反射
物 体
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五、超声扫描方式
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1. 概述：超声设备在医学临床上有多种诊断方式。目前主要采用以下的方式：
电子扫描方式 －线阵 －凸阵（含微型凸阵） －相控阵 机械扫描方式 －机械扇扫 －径向扫描 特殊方式 －斜向扫描 －梯形扫描 －扩大扫描 －向量扫描
基元
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六、超声系统 主机
延时线路 脉冲发射/接收
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监视器
处理
滤波器、对数放大 器、时间增益控制
记录设备
探头
DSC
数字扫描转换器
录像机
打印机
彩色打印机
存储
硬盘、磁光盘
图象档案管理
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七、名词解释
1. 聚焦
许多超声设备都有调整聚焦的功能，对感兴趣的 区域进行聚焦，从而使图象分辨率更高，图象更清晰。
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超声波束

血流
V
血管
V (cm/s): 血流速度 C (cm/s): 声速(1530m/s) (度): 血流与超声波束之间的夹角 Δ f(Hz): 多普勒频移 f 。(Hz): 超声频率 角的调整：
cos
误差变化
30° 0.866 33° 0.839 70° 0.342 73° 0.292
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超
声
基
础
知
识
GEMS－China Ultrasound
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一、声波
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1. 概念：声波是一种机械振动，可以通过介质进行传播。 2. 声音频谱 0Hz 20Hz 次声波 红外线
20KHz
1MHz 超
30MHz
400MHz 声 声学显微镜
1. 多普勒效应：振动源和接收体有相对运动时,所接收到的回声频率不同于振源所发射 的声频率,其差别与相对运动的速度有关,这就是多普勒效应。
TXM
TXM
RCV
如果接收体向着振动源运动，则接收 到的频率将高于发射频率。
RCV
如果接收体背着振动源运动，则接收 到的频率将低于发射频率。
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2. 多普勒效应公式： C •Δf V(cm/s)= 2cos • f。
可听见声音 耳朵
无损探伤
图像诊断
海洋
潜艇
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3. 超声的特性
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• 超声的折射：超声从甲介质进入乙介质时，传播方向发生偏离。
• 超声的反射：超声在遇到两种介质界面时，传播方向在一种介质中发生偏转。 • 传播速度： 超声在水中的传播速度－1530米/秒 超声在空气中传播速度－344米/秒( 20°C ) 4. 超声诊断的优点 • 安全、无辐射。适用于胎儿诊断。 • 设备可移动，成本低。 • 实时成像 • 通过扫描角度变化，获得更佳的图像。 • 多普勒－检测血流量信息。 反射 折射 镜子 三棱镜
换能器
监视器
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3. M模式： M模式中的M表示运动，M模式通过B模式图象来显示一个光标，然后在以时间 为轴线的波形图上表示其运动状态。通常M模式用于检测心脏及胎儿的心率。
2. 电子扫描方式 探头的许多基元通过电子控制产生扫描波束并且通过延时线对波束进行聚焦。 －线阵：用于小器官、血管及术中。 －凸阵：也称弯曲线阵，与线阵的区别在于 基元是弯曲的。用于腹部和妇产科。
特点： • 孔径大 • 近场视野宽 • 旁瓣影响小
特点： • 近、远场视野宽
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灰度分辨率
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轴向分辨率
几何分辨率
分辨率
灰度分辨率
侧向分辨率
轴向分辨率 高 低
平衡
几何分辨率
侧向分辨率
高 低
g
八、多普勒（Doppler）
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多普勒技术在超声诊断中非常有价值。主要用于检测心脏、血管内血液的流向， 流速及流量。 主要包括以下三种：- 脉冲多普勒(PW) - 高脉冲重复频率多普勒(HPRF) - 连续波多普勒 (CW). - 单连续波多普勒 - 可控连续波多普勒
宽频＋变频－－有效地解决探头分 辨率与穿透力的矛盾
远场 5MHz
近场 10MHz 高 帧 频
3. 帧频
帧频是指单位时间内 移 动 获得图象的帧数。 的
物 高帧频可以捕捉细小 体
低 帧 频
的信息。
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4. 数字化
数字化的标志是数字化处理装置。
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数字化 处理 A/D 延时 处理 显示 延时 处理 数字化 处理 A/D
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聚焦 发散
超声系统的几种聚焦方式： －只在发射端聚焦（接收端：自动聚焦）：保持较高的帧频 －发射和接收端聚焦：可使图象质量更好，但是帧频很低 常用的聚焦方式：分段聚焦；动态聚焦；连续动态聚焦(CDF）
透镜
焦点
动态接收聚焦
通过窄孔径， 在近场聚焦
中场
通过宽孔径， 在远场聚焦
对每一深度聚焦
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2. 宽频及变频
宽频是指探头的工作频率范围比较宽。
-3dB
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宽频带探头是实现变频的基础。
变频是一种新技术：改变同一个探头的 频率。若目标区域在近场，可以选用高 频率；若目标区域在远场，可以切换到 低频率。
5MHz 5MHz
传统探头
频带宽度
宽频带探头 主机带宽 探头带宽
3. 超声波的衰减：
超声波的衰减与传播距离成正比；与频率的2/3方成正比。
高频衰减大，低频衰减小（穿透力强）
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三、超声模式
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在监视器上显示的超声图像是二维图像，这与CT和核磁共振所形成的图像相同。 超声图像有以下几种模式： 回波振幅 1. A模式：是一种振幅的模式。它在显示上形成垂直偏转的曲线图。 探头 2. B模式：是一种亮度的模式。其图像由不同亮度的点所组成的 直线构成。点的亮度代表接收到回声的振幅。通过连续扫描，二 维的剖面图像不断地被更新，这就是实时B模式。
彩色血流成像（CFM）是在 二维声像图上叠加彩色实时血流 显像。每一个彩色的点表示小区 域内血液流速的平均值。不同的 颜色代表血液流量的速度及检测 方式的不同。通常，红色表示迎 向探头的血流方向，蓝色表示离 向探头血流方向。
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CFM
平均值
一个心跳周期
宽的速度范围
3.2%
17.1%
夹角θ的最佳范围：30－60°
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3. 多普勒波的含义
多普勒波包括以下含义(数据) －速度 －速度范围（宽度） －血流量大小 －血流方向
基准线 逆流 Βιβλιοθήκη Baidu个心跳周期
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宽的速度范围
快 迎向 时间 慢
背向
快
最高峰
收缩 舒张 舒张结束
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4.彩色血流成像（彩色多普勒）
－相控阵： 相控阵方式是通过连续变换延时线来得到产生超声波束的不同角度。主要用于心脏。
延时线扫描
相控阵探头
通过延时线聚焦
超声波束
3. 机械扫描方式
机械扫描是通过单个或多个基元机械运动（摆动） 来产生超声波束的。 －机械扇扫：是超声波束通过基元机械运动来回 摆动进行扫描的。 特点：制作成本低；扫描角度大。 噪音大；帧频低；寿命短。