超聲影像學(xué)超聲成像的物理原理

1、第二章 超聲成像物理原理 第1頁教學(xué)目標1. 掌握超聲定義、特征及產(chǎn)生機制2. 掌握超聲傳輸中頻率、聲速、波長三者之間關(guān)系3. 熟悉生物組織對入射聲束作用 4. 熟悉入射超聲對生物組織作用 5.了解超聲診療安全性及注意事項 第2頁波：分橫波和縱波，聲波是縱波；橫波：波傳輸方向和振動方向垂直；縱波：波傳輸方向和振動方向垂直；第3頁第一節(jié) 超聲成像物理基礎(chǔ)一、定義 1.超聲 是一個機械波，其頻率在20千赫茲以上。 2.醫(yī)學(xué)診療用超聲 頻率在2.510兆赫茲范圍超聲。 3.超聲特征 傳導(dǎo)性：超聲波可在氣體、液體、固體等介質(zhì)中傳輸； 放向性：超聲波能夠朝一個方向傳遞很強能量； 超聲波在傳輸過程中會產(chǎn)生

2、反射、折射、散射、繞射、干涉等現(xiàn)象； 超聲波在液體介質(zhì)中傳輸時，會在界面產(chǎn)生沖擊（超聲潔牙）和空化現(xiàn)象。 第4頁第一節(jié) 超聲成像物理基礎(chǔ) 超聲波是機械波，縱波，能在介質(zhì)中傳導(dǎo)。第5頁第一節(jié) 超聲成像物理基礎(chǔ)二、超聲產(chǎn)生與接收 1.壓電效應(yīng) 是電能與聲能相互轉(zhuǎn)換過程。 2.超聲產(chǎn)生：逆壓電效應(yīng) 電場作用到特定材料兩端引發(fā)振動，在周圍介質(zhì)中傳輸形成超聲，是逆壓電效應(yīng)過程。 3.超聲接收：正壓電效應(yīng) 聲場作用到特定材料兩端產(chǎn)生電位差，經(jīng)過接收器轉(zhuǎn)換成電信號，是正壓電效應(yīng)過程。 第6頁第一節(jié) 超聲成像物理基礎(chǔ)壓電效應(yīng)與逆壓電效應(yīng)示意圖第7頁第一節(jié) 超聲成像物理基礎(chǔ) 4.壓電材料 能夠產(chǎn)生壓電效應(yīng)材料。

3、 無機材料：壓電陶瓷組成 主要包含鈦酸鋇、鈦酸鉛、鋯鈦酸鉛等。 有機材料 主要由聚偏氟乙烯（PVDF）組成，材料聲阻抗與人體靠近。 混合材料 由壓電陶瓷和有機壓電材料混合組成，機電耦合系數(shù)大，適宜制作寬帶換能器。第8頁第一節(jié) 超聲成像物理基礎(chǔ) 5.換能器 （探頭） 結(jié)構(gòu) 面材、壓電材料、背材 ，關(guān)鍵是壓電材料。 種類 體表檢驗用探頭； 手術(shù)用探頭； 體腔檢驗用探頭。 第9頁第一節(jié) 超聲成像物理基礎(chǔ)探頭第10頁第一節(jié) 超聲成像物理基礎(chǔ)探頭第11頁第一節(jié) 超聲成像物理基礎(chǔ)探頭第12頁第一節(jié) 超聲成像物理基礎(chǔ)柱形單振元探頭結(jié)構(gòu)剖面第13頁第一節(jié) 超聲成像物理基礎(chǔ)相控陣探頭結(jié)構(gòu)示意第14頁第一節(jié) 超聲

4、成像物理基礎(chǔ)電子線陣探頭剖面示意 第15頁第一節(jié) 超聲成像物理基礎(chǔ)三、超聲傳輸 1.聲速 （c）：超聲在介質(zhì)中傳輸速度。 由傳輸介質(zhì)決定，與介質(zhì)密度及彈性系數(shù)相關(guān)。與密度成正比。不一樣人體組織器官聲速不一樣，平均聲速為1540米/秒，其中空氣最?。?50米/秒），骨骼最大（3850米/秒）。 2.超聲頻率 （f）：聲源在單位時間內(nèi)振動次數(shù)。 由探頭中壓電材料決定，在2.510兆赫茲范圍。 3.超聲波長 （）：一個完整波波長。 超聲波長與聲速和頻率滿足關(guān)系式：第16頁第一節(jié) 超聲成像物理基礎(chǔ)四、超聲聲束空間分布：聲場 1.聲束 在一個有限立體角內(nèi)傳輸超聲 。 2.聲軸 聲束中心線。 3.近程區(qū)：

5、近場 靠近探頭區(qū)域，聲束等寬 4.遠程區(qū)：遠場 遠離探頭區(qū)域，聲束發(fā)散第17頁第一節(jié) 超聲成像物理基礎(chǔ) 超聲聲束空間分布示意圖遠程區(qū)近程區(qū)*-*軸向分辨力橫向分辨力*-*第18頁第二節(jié) 超聲與生物組織間相互作用（六）分辨力 評價聲像圖質(zhì)量主要技術(shù)指標 空間分辨力： 縱向分辨力：調(diào)整脈沖寬度提升； 橫向分辨力：增加換能器直接和采取聲透鏡方式提升； 側(cè)向分辨力（厚度分辨力）：電子聚焦方法提升。 對比度分辨力：灰階或亮度。取決于信噪比和像素大小。采取低噪音高增益放大電路等提升。 第19頁第二節(jié) 超聲與生物組織間相互作用一、生物組織對入射超聲作用 （一）兩個基本概念 聲阻抗（聲特征阻抗，特征聲阻抗）

6、介質(zhì)密度()與聲速(c)乘積，不一樣組織聲特征阻抗不一樣。z=c 界面 兩種含有不一樣聲阻抗介質(zhì)接觸面； 大界面：界面尺寸大于超聲波長； 小界面：界面尺寸小于超聲波長； 人體有各種組織，各種組織都是介質(zhì)，介質(zhì)組成不一樣，就有不一樣聲阻抗，因為有介質(zhì)不一樣聲阻抗才能產(chǎn)生界面，有界面才能反射，才能收到回聲信息，才能形成聲像圖。第20頁第二節(jié) 超聲與生物組織間相互作用 （二）反射與折射 反射：入射聲束與大界面作用，一部分超聲能量會返回到原來介質(zhì)中 三個條件：同一平面、位于法線兩側(cè)、入射角與反射角相等 界面反射信號是聲像圖主要組成部分 折射：入射聲束與大界面作用時，一部分進入另一面介質(zhì) 三個條件：同一

7、平面、位于法線兩側(cè)、入射角與折射角滿足以下條件：入射角和折射角正弦之比為一常數(shù)， 等于界面兩側(cè)介質(zhì)聲速比；sin I 注意：第二種介質(zhì)聲速大于第一個時，則折射角大于入射角，假如折射角大于90時，入射聲能全部返回，稱全反射。 全反射對聲像圖影響：折射聲影，側(cè)后聲影，全反射在胃腸及肺探測時，難區(qū)分臟器聲像圖。第21頁 反射與折射示意圖第二節(jié) 超聲與生物組織間相互作用第22頁第二節(jié) 超聲與生物組織間相互作用散射第23頁第二節(jié) 超聲與生物組織間相互作用 （三）散射 入射聲束與小界面作用 散射回聲強度低 （四）繞射 入射聲束與界面（界面尺寸與超聲波長大小相當(dāng)）作用 繞射使入射聲束發(fā)生方向偏轉(zhuǎn)第24頁第二

8、節(jié) 超聲與生物組織間相互作用 （五）衰減 超聲在介質(zhì)中傳輸其強度隨傳輸距離增加而逐步減弱現(xiàn)象。 主要原因：反射、散射、吸收、擴散 不一樣組織，吸收系數(shù)不一樣，衰減程度不一樣蛋白質(zhì)衰減比水大，含水多組織衰減??； 相同組織，入射深度越大，衰減越大； 相同組織，入射超聲頻率越高，衰減越大； 儀器調(diào)整時，能夠調(diào)整“深度增益賠償?！保┒嗥绽招?yīng)第25頁第二節(jié) 超聲與生物組織間相互作用第26頁第二節(jié) 超聲與生物組織間相互作用二、入射超聲對生物組織作用 超聲生物效應(yīng) 當(dāng)一定劑量超聲波在生物體內(nèi)傳輸時，經(jīng)過超聲與生物組織相互作用，能夠引發(fā)生物體功效、結(jié)構(gòu)或狀態(tài)改變 1.熱機制 超聲聲能轉(zhuǎn)換成生物組織熱能

9、2.機械機制 超聲聲能轉(zhuǎn)換成生物組織機械能 3.空化機制 超聲聲能使生物組織中氣泡活性改變第27頁第二節(jié) 超聲與生物組織間相互作用損傷主要由機械機制為主： 低聲強長時間作用以熱機械為主 高聲強短輻射作用以空化機制為主 聲強表示以多用空間峰值時間平 均聲強作為標準。第28頁第二節(jié) 超聲與生物組織間相互作用三、超聲診療安全性及注意事項 1.超聲強度計算方式 空間平均時間平均聲強； 空間峰值時間平均聲強； 為多個國家和組織采取 空間平均時間峰值聲強； 空間峰值時間峰值聲強。 2.安全聲強（美國FDA，我國超聲標準化委員會推薦） 空間峰值時間平均聲強：小于100毫瓦/平方厘米第29頁第二節(jié) 超聲與生物

10、組織間相互作用 3.超聲探測安全性（世界衛(wèi)生組織提議） (1) 只有在醫(yī)學(xué)上含有明確理由時，才對人體使用診療超聲； (2) 以商業(yè)顯示和取得試驗圖像為目標時，不應(yīng)把超聲用于輻照人體，尤其是輻照孕婦； (3) 在確保取得良好圖像質(zhì)量和取得必要診療信息前提下，應(yīng)使超聲診療設(shè)備輸出強度盡可能小。 第30頁第二節(jié) 超聲與生物組織間相互作用 4.超聲探測應(yīng)遵照標準在明確診療目標情況下，應(yīng)主動使用超聲診療技術(shù)。在超聲診療過程中，必須堅持最小劑量標準。即在確保取得必要診療信息前提下，應(yīng)采取最小超聲強度和最短輻照時間。拒絕一切與診療無關(guān)胎兒超聲顯像。對早孕胚胎不做或少做超聲探測，對3個月以上胎兒定時超聲探測時

11、，應(yīng)控制在35分鐘之內(nèi)完成。第31頁第二節(jié) 超聲與生物組織間相互作用 5.超聲探測注意事項成人超聲探測 顱腦檢驗時 每一固定切面連續(xù)檢驗時間控制在2分鐘以內(nèi)； 眼球檢驗時 每一固定切面連續(xù)檢驗時間不應(yīng)超出半分鐘； 卵巢、睪丸檢驗時 每一固定切面連續(xù)檢驗時間不應(yīng)超出1分鐘。第32頁第二節(jié) 超聲與生物組織間相互作用產(chǎn)科超聲探測 對不足3個月早孕孕婦 盡可能不用超聲進行常規(guī)檢驗； 對于有習(xí)慣性流產(chǎn)或已經(jīng)有先兆流產(chǎn)癥狀者 3個月內(nèi)不提議做超聲探測。必須要進行超聲探測時，應(yīng)控制每一固定切面檢驗連續(xù)時間在1分鐘以內(nèi)； 對3個月以上胎兒 在腦、心、眼、脊髓等臟器檢驗時，每一固定切面連續(xù)時間不應(yīng)超出2分鐘，其它臟器可適當(dāng)延長檢驗時間。檢驗時應(yīng)不停移動探頭。