第七章超声波成像

三、医学超声设备的发展趋势
• 90年代，医学超声影像设备一方面是价格低廉的便携 式超声诊断仪大量进入市场，另一方面是向综合化、 自动化、定量化和多功能等方向发展。介入超声、全 数字化电脑超声成像、三维成像及超声组织定性不断 取得进展。 • 在探头方面，新型材料、新式换能器不断推出，如高 频探头、腔体探头、高密度探头相继问世，进一步提 高了超声诊断设备的档次与水平。 • 总之，随着医学进步和超声技术的发展，多种新型的 医用超声设备将不断涌现。21世纪必将是医学超声技 术蓬勃发展、日新月异的新世纪！
一．医学超声发展简史
• 1917年，法国科学家保罗· 朗之万首次使用由石 英晶体制成的超声换能器，并发明了声纳，即声 探测与定位技术，被成功地用于探测水下潜艇。 20世纪30年代，超声用于医学治疗和工业金属 探伤，从而使超声治疗在医学超声中最先获得发 展。 • 1942年，杜希克和费尔斯通首先把工业超声探 伤原理用于医学诊断。用连续超声波诊断颅脑疾 病。1946年研究应用反射波方法进行医学超声 诊断，提出了Ａ型超声诊断技术原理。
第一章
概 述
声波的基本性质
10-4 • 次声波 100 • ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ04 • 超声波 108 • 1012 •
( Hz)
可闻声波
特超声波
地震 海啸 核爆炸
语言 音乐 自然界
老鼠 蝙蝠 海豚
分子热振动
第一章 概 述
• 医学超声学是一门将声学中的超声 （ultrasound）学与医学应用结合起来形 成的边缘科学，也是生物医学工程学中重 要的组成部分。医学超声影像仪器涉及到 微电子技术、计算机技术、信息处理技术、 声学技术及材料科学，是多学科边缘交叉 的结晶，是理工医相互合作与相互渗透的 结果。迄今超声成像与X-CT、ECT及MRI已 被公认为当代四大医学成像技术。
接收频率与发射频率之差称多普勒频移或差频fd
。
fd = f- f0
（一）多普勒效应
• 当超声波碰到流向远离探头血液时(发射波与血液 流动方向同向）回波频率会降低；当超声波碰到 流向探头的血液时（发射波与血液流动方向反向） 会使探头接收的回声信号频率升高。
（二）应用多普勒效应测定血流
• 人体内流动血液中的红细胞在探头探查时相对探头 是运动的，它可产生多普勒效应，利用探头接收到 的多普勒频移信号就可测得人体内血流的速度。 • 入射超声频率为f0，反射超声频率为fr，被检查目 标运动速度为v，超声速度为c，目标运动方向与入 射超声声束夹角为θ，则接收器接收到的反射超声 频移fd为： 2 cos fd fr f0 f0 c • 由于c、f0 、θ、是固定不变的（已知的），所以 频移fd只与血流速度v有关，因此只要检测出血流 的频移信号就能测出血流的速度，且频移越大，血 流速度越快，频移越小血流速度越慢。
1、概念：超声波遇 到界面尺寸小于波长 的微粒时，能使微粒 振动而向四周辐射声 能的现象称为散射。 2、产生条件：界面 尺寸小于超声波长。 3、超声散射是形成 人体内部组织结构图 像的另一个声学基础。 它能获得人体内微细 结构的信息，用于医 学诊断。
．
超声散射示意图
三、超声波在介质中的传播特性 • 结论:
式中，z1和z2分别是两种介质的声阻抗，θi为入 射角,θt为折射角。 • 两种介质只要存在声阻抗差就可在界面上引起超 声反射，声阻抗差越大，反射越强，则折射声能 就越弱，反之亦然。
第二章 超声波的物理性质
• • • • • 三、超声波在介质中的传播特性 基本概念： 界面：指两种介质中的交界面。 界面的尺寸大于超声波长称为大界面； 界面的尺寸小于超声波长称为小界面。
第二章 超声波的物理性质
二、超声波的物理量
（五）声阻抗 • 1、声阻抗：指介质的密度(ρ)与超声在介质中传 播的速度(c)的乘积。用Zs表示：Zs = ρ c • 2、声阻抗差：指两种不同介质声阻抗的差值。 通常情况下，反射系数满足以下关系式：
Z 2 Cos1 Z1Cos t R Z 2 Cos1 Z1Cos t
三、超声波在介质中的传播特性 （四）超声波的衍射（绕射）
• 超声波遇到界面的尺寸与超声波长相似的界面时， 超声能绕过该界面继续向前传播的现象称为绕射。 超声在传播时，遇到与超声波波长近似或小于波 长（小界面）的介质时，产生散射与绕射。 绕射是超声绕过障碍物的边缘，继续向前传播。
三、超声波在介质中的传播特性 （五）超声波的散射
压电效应
正压电效应
逆压电效应
压电效应
• 超声波发射是利用压电晶体的逆压电效应（即 应用交变电压使压电晶体产生机械振动，振动 在弹性介质中的传播就形成超声波）； • 超声波接收是利用压电晶体的正压电效应 （即把超声反射波对压电晶体的机械压力转换 为电信号）。
（二）超声探头
• 具有发射超声和接收超声功能的装置称为探头，又称超声 换能器。由主体和壳体两部分组成。 • 1、探头主体： （1）压电晶片：探头的主要元件。 （2）面材：指探头与人体组织的接触端，由环氧树脂制成。 （3）背材（吸声块）：紧靠压电晶片，作用是吸收背向辐 射的声能，使其不再反射回压电晶片，以免影响压电 晶片的正常工作。 （4）声隔离：用橡胶、尼龙、堵塞于压电晶片、背材和壳 体之间，以消除其他结构对压电晶片工作的影响。 • 2、壳体：（1）外壳：指探头外层的保护壳，对探头内部 元件起保护作用。 • （2）电缆：将探头与超声诊断仪主机连为一 体，进行电信号的传输。
第二章 超声波的物理性质
一、超声波的基本概念
（一）超声波的概念 • 1、振动频率在20000Hz以上的机械波称为 超声波。 • 2、振动频率在20Hz～20000Hz的机械波称 为可听声。 • 3、振动频率在20Hz以上的机械波称为次声。
第二章 超声波的物理性质 （二）超声波的特点
1、超声可在气体、液体、固体等介质中传播。 2、超声呈直线传播且能量容易会聚。能量的会聚是通 过聚焦来实现的。 3、电声转换容易且能量大。其电声的转换是通过压电 材料来实现的。 4、超声在传播过程中会产生反射、折射、散射、绕 射、 干涉、共振等现象。 5、超声在产生、传播、接收与相互作用，相互影响因 素多，故在超声成像过程中易形成伪像。 6、超声工作安静且危害少。
多普勒效应 (Doppler effect) fd = │ f r–fo │ = ± 2v · fo Cos θ/ C
fd = ±
fd 为频移,fo 为入射超声频率 V 为血流速度
C 为介质的声速
Cosθ为血流方向与声束探测方向间的角度余弦
第四章 超声探测的物理基础
• 一、超声的发射与接收 （一）压电效应 • 压电材料两端加电压就可出现振动（发射 状态：即逆压电效应），压电材料接受声 振动就能产生电信号（接收状态：即正压 电效应），这种特性称为压电效应。 • 具有压电效应的材料称为压电材料。压电 材料在超声探头内称为压电晶片、压电振 子、压电元件等。
二、超声波的物理量 • （三）波长
超声在一个周期内（或一次全振动）所传播的距离。 用λ表示。各物理量之间的关系：
c f
• 1、超声在轴向上所能检出的病灶必须大于半个波长，故波长 越短其轴向分辨力越强。 • 2、波长越短，频率越高。 • 3、超声频率越高所探测的组织深度就越浅。 • 结论：超声的频率越高其轴向分辨力越强，但其穿透力越弱。
• 利用超声的反射观察脏器的轮廓，利 用超声的散射弄清楚脏器内部的病变。
第三章 超声多普勒现象 （一）多普勒效应
• 当声源与接收器之间出现相对运动时，接收的回 波频率与发射频率会发生改变，当它们相互靠近 时，回波频率会升高，当它们彼此远离时，回波 频率会降低，这种频率的差异称为频移即多普勒 效应。 c c f f0 • cu u • f0为波源的频率，f为接收回波的频率，为波源的 运动速度， 为接收器的运动速度。式中的 u 、 在相互靠近时为正，彼此远离时为负。
第二章 超声波的物理性质 （三）振动与波动
振动是指质点在平衡位置上来回往复的运动； 波动是指振动在介质中的传播（简称为波）。 波分为电磁波和机械波二大类，超声属于机械波; X线属于电磁波。 纵波：质点的振动方向与波传播方向一致的波。 横波：质点的振动方向与波传播方向垂直的波。 在超声诊断中，声波在人体所有软组织中均以纵 波的形式传播，故诊断用超声都为纵波。
第二章 超声波的物理性质
二、超声波的物理量
• （四）声强
• 声强是表示声的客观强弱的物理量,它用每 秒钟通过垂直于声波传播方向的1平方厘米 面积的能量来度量。 • 单位是焦耳／(秒· 平方厘米)［J/(s· cm2)］。 • 声强与声源的振幅有关,振幅越大,声强也 越大;振幅越小,声强也越小。声强随着距 离的增大而逐渐减弱。
一．医学超声发展简史
• 1958年，开始出现 “ Ｍ型超声心动图 ”。 • 50年代末期，连续波和脉冲波多普勒技术以及超 声显微镜问世。在50年代，用脉冲反射法检查疾 病获得了很大成功。 • 1967年，实时Ｂ型超声成像仪问世，这是Ｂ型成 像技术的重大进步。60年代末，美、日均研制成 功压电高分子聚合物换能器。70年代，以B超显 示为代表的超声诊断技术发展极为迅速，特别是 数字扫描变换器与处理器（DSC与DSP）的出现， 把B超显示技术推向了以计算机数字影像处理为 主导的功能强、自动化程度高、影像质量好的新 水平。
Z1
θi θr θt
C1
Z2
C2
超声的入射、反射和折射
三、超声波在介质中的传播特性 （二）超声波的透射
超声透射示意图
Z1
Z2
Z3
概念：超声波通过界 面向深层传播的现象 称为透射。
d
Z1代表第一层介质，Z2代表 第二层介质，Z3代表第三层 介质，d代表第二层介质的 厚度。
三、超声波在介质中的传播特性 （三）超声波的折射
• 1、概念：穿过大界面的透射波发生声束前进方向 的改变称为折射。 • 2、产生条件：（1）两介质存在声阻抗差。 （2）超声在两介质中传播的速度不同。 （3）大界面。 • 3、折射各参数的关系： • （1）入射声能＝反射声能＋折射声能 • （2）入射角等于反射角。 • （3） Sin i c1 Sin t c2
三、超声波在介质中的传播特性 （一）超声波的反射
1、概念：当入射声能遇到声阻 抗不同的两种介质的大界面时， 入射声能部分或全部返回原介质 中传播的现象称为反射。 2、形成条件： 1）两种介质存在声阻抗差。 2）大界面。 3、入射、反射和折射的关系： 入射声能＝反射声能＋折射声能 4、超声反射是形成人体内部组 织结构图像的主要声学基础。它 能获得人体内大结构的信息，用 于医学诊断。
二、医学超声检测特点
• 超声检测突出特点：①对人体无损伤，这也是 与Ｘ线诊断最主要的区别，适合于产科与婴幼 儿的检查；②能进行动态连续实时观察。在中 档以上的超声诊断仪，多留有影像输出接口， 使影像易于采用多种形式（录像、打印、计算 机存储等）留存及传输与交流；③由于它可以 采用超声脉冲回声方法进行探查，所以特别适 用于腹部脏器、心脏、眼科和妇产科的诊断， 而对骨骼或含气体的脏器组织如肺部，则不能 较好地成像，这与常规Ｘ线的诊断特点恰恰可 以互相弥补；④从信息量的对比上看，超声诊 断仪采用的是计算机数字影像处理，目前较Ｘ 线胶片记录的影像信息量和清晰度稍低。
第二章 超声波的物理性质 （四）波长
对于纵波,等于两相邻密集点(或稀疏点)间的距离,如图(a) 所示; 对于横波,则是从一个波峰(或波谷)到相邻波峰(波谷)的距 离,如图(b)所示。
第二章 超声波的物理性质 二、超声波的物理量
（一）声速
• 超声在介质中单位时间传播的距离称为声速。 用C表示，单位m／s。 • 1、不同频率的超声在相同介质中传播其声速相同。 • 2、相同频率的超声在不同介质中传播其声速不同。 • 3、超声在软组织（液体）中传播的速度约为 1500m／s，在骨骼中传播的速度约为4080m／s， 在气体中传播的速度约为330m／s。 • 4、超声诊断仪测量病变的位置和大小就是以超声在人体 中传播的速度为依据的。
第二章 超声波的物理性质
二、超声波的物理量
• （二）周期和频率 1、周期：质点在平衡位置来回往复一次所 需的时间。用T表示，单位是秒（S）。 • 2、频率：质点在1秒钟内完成全振动的次 数。用f表示，单位是赫兹（Hz）。 • 诊断用超声频率范围为：2.5MHz～10 MHz。
第二章 超声波的物理性质