15超聲醫(yī)學(xué)成像-2

1、第三章 超聲影像 基礎(chǔ) 超聲波的特性及與物質(zhì)的相互作用 第一節(jié) A型超聲診斷儀基本原理 第二節(jié) B型超聲成像基本原理 第三節(jié) M型超聲診斷儀 第四節(jié) 超聲多普勒診斷儀簡(jiǎn)介 其它: 圖像質(zhì)量指標(biāo) 偽影 超聲波的特性及與物質(zhì)的相互作用 一.超聲波的特性 1 方向性好 因頻率高波長(zhǎng)短,衍射現(xiàn)象不明顯,易定向發(fā)射 2 強(qiáng)度大(或能量密度大) 與頻率有關(guān),穿透性較強(qiáng) 功率:幾百瓦-幾千瓦 聲壓:可達(dá)數(shù)千大氣壓; 高能量超聲治癌.碎石 3 聲阻抗差較大的兩媒質(zhì)界面反射能量大 使用時(shí)在人體表面涂耦合劑的作用? 空氣中的吸收比在液體或固體中大得多(不顯示肺圖像?) 4 穿透能力隨頻率增大而減小? 二.超聲波與

2、物質(zhì)的相互作用 1.機(jī)械作用 媒質(zhì)中粒子做高頻機(jī)械振動(dòng)媒質(zhì)中粒子做高頻機(jī)械振動(dòng),其加速度可達(dá)其加速度可達(dá)g的幾十萬的幾十萬幾百萬倍幾百萬倍,強(qiáng)強(qiáng) 烈的機(jī)械動(dòng)能破壞物質(zhì)的力學(xué)結(jié)構(gòu)烈的機(jī)械動(dòng)能破壞物質(zhì)的力學(xué)結(jié)構(gòu).粉碎細(xì)胞粉碎細(xì)胞.引起組織化學(xué)性質(zhì)改變引起組織化學(xué)性質(zhì)改變. (可用于切割可用于切割,攪拌攪拌,鉆孔鉆孔,清洗清洗,乳化乳化.等等) 2.空化作用 產(chǎn)生在液體中產(chǎn)生在液體中.因縱波引起液體疏密變化因縱波引起液體疏密變化.液體局部被拉斷形成空腔液體局部被拉斷形成空腔, 當(dāng)此處為正聲壓時(shí)當(dāng)此處為正聲壓時(shí),空腔迅速閉合空腔迅速閉合,瞬間產(chǎn)生局部高壓瞬間產(chǎn)生局部高壓,高溫和放電現(xiàn)象高溫和放電現(xiàn)象.

3、 此此 作用用于清洗作用用于清洗,霧化霧化,乳化乳化,促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)等促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)等.空化作用可破壞組織空化作用可破壞組織. 3.熱作用 因媒質(zhì)吸收的部分超聲能量轉(zhuǎn)化為熱量因媒質(zhì)吸收的部分超聲能量轉(zhuǎn)化為熱量,引起媒質(zhì)溫度升高的現(xiàn)象引起媒質(zhì)溫度升高的現(xiàn)象. 4.超聲的生物作用 適當(dāng)能量適當(dāng)能量: *對(duì)生物大分子對(duì)生物大分子;*對(duì)細(xì)胞對(duì)細(xì)胞;*對(duì)人體組織對(duì)人體組織(升溫升溫,增加血管通增加血管通 透性和促進(jìn)血液循環(huán)透性和促進(jìn)血液循環(huán),增強(qiáng)細(xì)胞代謝功能和活力增強(qiáng)細(xì)胞代謝功能和活力,消炎鎮(zhèn)痛消炎鎮(zhèn)痛) 較高能量較高能量:細(xì)胞生長(zhǎng)受到抑制細(xì)胞生長(zhǎng)受到抑制,分子鍵斷裂分子鍵斷裂,生物組織壞死等生物組織壞死等

4、 安全劑量: 聲強(qiáng)值10-40mW/cm2 ,與照射時(shí)間也有關(guān)與照射時(shí)間也有關(guān). 第一節(jié) A型超聲診斷儀基本原理 *A型超聲診斷儀基本原理 1.脈沖回聲法脈沖回聲法 (顯示波形的過程見下頁圖) 脈沖回聲法基本原理是脈沖回聲法基本原理是: 利用電子學(xué)方法在示波器熒光屏上顯示各媒質(zhì)界面的回波(反射波) 脈沖,通過測(cè)量初始脈沖與回波脈沖之間的距離,計(jì)算界面的深度;通過 回波的幅度了解媒質(zhì)的性質(zhì). 2. A型超聲診斷儀基本結(jié)構(gòu)及工作原理型超聲診斷儀基本結(jié)構(gòu)及工作原理 * 基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu): 探頭探頭,高頻信號(hào)發(fā)生器高頻信號(hào)發(fā)生器,同步信號(hào)發(fā)生器同步信號(hào)發(fā)生器, 掃描電路,接收電路,顯示器. 超聲回波基

5、本原理 Xct/2 (c是聲速, t是探頭接收到反 射波的時(shí)間) 回波脈 沖 媒質(zhì) 媒質(zhì) x 初始脈沖 A超腦回波圖 * A超各部分作用及工作原理 1.探頭:發(fā)射和接受回波脈沖 2.高頻信號(hào)發(fā)生器: 作用:產(chǎn)生脈沖式的正弦高頻電壓 高頻正弦波振蕩電路+脈沖控制電路 脈沖頻率50-2000Hz,脈沖寬度1.5-5s,超聲頻率3MHz, 3.掃描電路: 作用:產(chǎn)生適當(dāng)幅度的鋸齒形電壓,加在顯示器水平偏轉(zhuǎn)板上使光 點(diǎn)水平方向掃描,形成時(shí)間基線.(頻率,幅度可調(diào)) 4.同步電路: 作用:同時(shí)產(chǎn)生正負(fù)兩個(gè)脈沖信號(hào),正脈沖觸發(fā)高頻脈沖發(fā)生器;負(fù) 脈沖觸發(fā)掃描電路;使高頻脈沖電路與掃描電路同步. 5. 顯示

6、器 作用:顯示各個(gè)界面的回波脈沖 * A超各部分作用及工作原理 6.接收電路(包括放大,解調(diào),補(bǔ)償和抑制電路) 各部分作用 放大電路: 放大回波信號(hào); 解調(diào)電路: 把回波信號(hào)解調(diào)為一個(gè)顯示脈沖; 補(bǔ)償電路: 補(bǔ)償深部回波增益 , 抑制電路: 抑制干擾信號(hào)和雜波. A超工作原理 3.超聲診斷儀的分辨率 *橫向分辨率 -表示區(qū)分處于與聲束軸線垂直的平面上的兩物點(diǎn)的能力. 橫向分辨率與聲束直徑有關(guān),兩物點(diǎn)距離小于聲束直徑時(shí)才 能被分辨. (一般認(rèn)為橫向分辨率一般認(rèn)為橫向分辨率: 等于聲束的寬度即直徑等于聲束的寬度即直徑d) *縱向分辨率 -表示區(qū)分位于聲束軸線上的兩個(gè)物點(diǎn)的能力, 以剛好被區(qū)別的兩個(gè)

7、物點(diǎn)之間的最小距離來量度. 縱向分辨率與超聲脈沖寬度縱向分辨率與超聲脈沖寬度有關(guān)有關(guān):2y/c .其中y 是兩物點(diǎn)間的距離,c為超聲波傳播速度. 第二節(jié) B型超聲成像基本原理 2.1.基本原理 2.1.1.輝度(Bright)顯示 B型超聲顯像是將脈沖回聲電信號(hào)加在示波管 的控制柵極上,利用改變陽極和柵極之間電壓的方法 改變單位時(shí)間打在熒光屏上的電子數(shù)目,從而改變光 屏上光點(diǎn)的輝(亮)度. 即即B型顯示型顯示. 回聲電信號(hào)強(qiáng)回聲電信號(hào)強(qiáng),光點(diǎn)就亮光點(diǎn)就亮, 回聲電信號(hào)弱回聲電信號(hào)弱,光點(diǎn)就暗光點(diǎn)就暗 2.1.2.圖像形成的基本原理 1.均勻光柵形成均勻光柵形成 矩形光柵: 在示波管垂直偏轉(zhuǎn)板上

8、加掃描電壓(波形?), 水平偏轉(zhuǎn)板上加被調(diào)制的掃描電壓(波形?), 掃描周期T水平=nT垂直. n為掃描線的條數(shù). 若掃描頻率足夠大,n足夠大,且保持柵極電壓不 變,即可得到穩(wěn)定均勻光柵.(相當(dāng)一張作圖的白紙) 扇形光柵: 垂直偏轉(zhuǎn)板加掃描電壓, 水平偏轉(zhuǎn)板所加電壓的形狀? 2.1.2.圖像形成的基本原理 2.超聲束的掃描(或旋轉(zhuǎn)) 超聲探頭沿皮膚表面的往復(fù)直線移動(dòng),即超聲束掃描. 移動(dòng)速度與示波屏上光點(diǎn)掃描速度相適應(yīng),探頭掃描(或旋 轉(zhuǎn))一程所用時(shí)間等于幀周期. 3.B超圖像形成的基本原理 超聲回波電脈沖信號(hào)的幅值隨媒質(zhì)改變,把該信號(hào)轉(zhuǎn)變 為隨探測(cè)深度(對(duì)應(yīng)媒質(zhì)性質(zhì))變化的電壓,按聲束掃描順

9、序 加在顯像管柵極上,調(diào)制光屏上對(duì)應(yīng)掃描線的亮度,若在垂 直,水平偏轉(zhuǎn)板上加相應(yīng)掃描電壓,并使超聲回波電脈沖序 列的周期與垂直掃描周期相等,且兩信號(hào)同步,即可在光屏 上顯示出超聲束掃過的媒質(zhì)斷面的圖像. 2.2 B型超聲顯像儀基本結(jié)構(gòu) 2.2.1.基本組成部分和作用 高頻脈沖電路: 產(chǎn)生大于20KHz的高頻脈沖信號(hào); 同步電路: 產(chǎn)生一對(duì)正負(fù)脈沖信號(hào); 垂直及水平掃描電路: 分別產(chǎn)生垂直掃描信號(hào)和水平掃描信號(hào) 接收電路:對(duì)回波脈沖放大,檢波,深度補(bǔ)償及抑制 顯像管: 顯示斷面圖像 (液晶顯示器) 超聲探頭: 發(fā)出超聲脈沖和接收回波信號(hào) 其它: 探頭控制,尺寸測(cè)量,模/數(shù)轉(zhuǎn)換, 數(shù)/模轉(zhuǎn)換 圖像

10、存儲(chǔ)及輸出, 2.2.2 B超結(jié)構(gòu)框圖 2.3 B型超聲顯像儀的工作原理 由垂直水平掃描電路發(fā)出的信號(hào)分別加在顯 象管的垂直/水平偏轉(zhuǎn)板上,形成均勻光柵. 超高頻脈沖信號(hào)加在探頭上,發(fā)出的脈沖超聲 細(xì)束沿體表直線移動(dòng),同時(shí)探頭接收回波脈沖. 回波電脈沖經(jīng)放大,檢波,深度補(bǔ)償后按順序加 在顯象管的柵極,調(diào)制光屏上深度掃描線上對(duì)應(yīng)點(diǎn) 的亮度,形成自上而下的光點(diǎn)群,同步脈沖使探頭的 發(fā)射深度掃描柵極回波三信號(hào)同步,若掃描線足 夠多,幀頻足夠大,即可在光屏上顯示一幅斷面圖像. B超膽囊腎斷面圖像 2.4 多元線陣電子掃描超聲顯像儀 2.5 B型超聲成像的圖像處理 像素亮度后處理 灰階以及窗口技術(shù) 空間

11、后處理 圖像局部放大, 圖像反轉(zhuǎn) 圖像凍結(jié) 原有圖像信號(hào)循環(huán)輸出, 達(dá)到凍結(jié)顯示作 用 以便仔細(xì)觀察和測(cè)量等 2.6 探測(cè)深度與行數(shù)及幀頻的關(guān)系 超聲波傳播1cm往返所需時(shí)間: 13s R :幀頻 N:掃描線數(shù) h:探測(cè)深度 R h N77103 (s-1)-常數(shù) 若R (穩(wěn)定性提高),則h ,N必須減小; 若h (探測(cè)深度增加),則R ,N必須減小; 若N (橫向分辨率增加),則 h,N必須減小. 膽囊結(jié)石B超圖像 第三節(jié) M型超聲診斷儀 特點(diǎn)特點(diǎn) 單個(gè)壓電晶片, 探頭不動(dòng),輝度顯示.顯示深度方向各個(gè) 動(dòng)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)位移隨時(shí)間的變化曲線.用于心臟檢查 工作原理 垂直偏轉(zhuǎn)板加慢掃描(鋸齒)電壓,水

12、平偏轉(zhuǎn)板加 調(diào)制掃描電壓.回波電脈沖放大檢波后加在顯象管 柵極上調(diào)制水平掃描線的亮度,即可在光屏上看到 深度方向一組動(dòng)點(diǎn)的位移隨時(shí)間的變化圖形. 基本結(jié)構(gòu)? M型超聲心動(dòng)圖片 第四節(jié) 超聲多普勒診斷儀簡(jiǎn)介 一.Doppler效應(yīng) 發(fā)聲體與接收者有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí),接收者接收到的 頻率與發(fā)聲體發(fā)出的頻率不同的現(xiàn)象. 聲速方向與運(yùn)動(dòng)方向同一直線: f=(cv)f0/(c-+u) f0發(fā)射頻率; f為接收頻率. 聲速方向與運(yùn)動(dòng)方向有夾角: f=(cvcos1)f0/(c-ucos 2) C:聲速 u: 發(fā)聲體運(yùn)動(dòng)速度 v: 接收者運(yùn)動(dòng)速度 頻率隨波源與觀測(cè)者運(yùn)動(dòng)而改變的現(xiàn)象叫多普勒效應(yīng)多普勒效應(yīng)。 練習(xí)題

13、: 用多普勒效應(yīng)來測(cè)量心臟壁運(yùn)動(dòng)時(shí),以 5MHz的超聲波直射心臟壁(即入射角為0), 測(cè)出接收與發(fā)出的波頻差為500Hz。已知聲 波在軟組織中的速度為1500ms-1 ,求此時(shí)心 壁的運(yùn)動(dòng)速度。 (答案:心壁的運(yùn)動(dòng)速度為7.510-2ms-1) 二.多普勒頻移公式: fD=2vf0cos/c fD =f-f0 設(shè)法測(cè)出fD,可求出運(yùn)動(dòng)速度V 三.彩色多普勒超聲診斷儀 特點(diǎn): 在B型圖像上疊加血流速度信息,流速快 慢用不同顏色標(biāo)記. 紅色: 血流方向向外; 藍(lán)色:血流方向向內(nèi); 綠色及亮度:表示血流速度分布的分散程度. 黃色:流向朝外速度分散 青色:流向朝內(nèi)速度分散 配湍流聲響 彩色多普勒?qǐng)D像(

14、子宮縱斷面) 圖像質(zhì)量指標(biāo) 空間分辨率(橫向縱向) 對(duì)比度(密度)分辨率 在低對(duì)比度條件下,鑒別軟組織類型和分 清細(xì)微組織結(jié)構(gòu)的能力. (與掃描線數(shù),灰階數(shù),像素?cái)?shù)有關(guān)). 圖像均勻性 提供均勻分布的分辨率和清晰度的能力. 超聲偽影 聲影 出現(xiàn)在界面組織聲阻抗差較大時(shí). 超聲偽影 2. 后方回聲增強(qiáng) 前方臟器或病灶聲衰 減甚小時(shí),后方回聲強(qiáng)于同 深度的周圍組織. 但有一個(gè)前提: 后方必須有足夠的散射 體存在. 例: 囊腫和膽囊等液性結(jié) 構(gòu)易出現(xiàn)后方回 聲增強(qiáng). 超聲偽影 3.混響 聲束垂直入射時(shí),聲束在探頭與界面之間來回反射或散射, 出現(xiàn)等距離多條回波. 易發(fā)生在表淺部位,如:膀胱,腎臟等部位. 4.切片厚度偽影(或稱部分容積效應(yīng)) 聲束寬度較大引起.