超聲基礎(chǔ)原理1課件

第一章超聲的基本概念第一節(jié)超聲物理基本概念聲波與超聲波聲波是機(jī)械振動(dòng)在彈性介質(zhì)內(nèi)的傳播，是機(jī)械波。介質(zhì)和振源。如水波，聲波。電磁振動(dòng)通過變化的電磁場在空間中(在介質(zhì)中或真空中)傳播形成電磁波。如無線電波，光波等。這兩類波動(dòng)本質(zhì)不同，但具有相同的波動(dòng)特性，如產(chǎn)生反射，折射，衍射和干涉等現(xiàn)象，都具有能量的傳播。聲波按其頻率分類:<16Hz次聲波，低于人耳聽覺低限;頻率16-20000Hz之間為可聽聲。>20000Hz為超聲波。高于人耳聽覺。診斷用超聲波的頻率在1MHz-80MHz之間。常用2-20MHz。波長(λ)∶聲波在一個(gè)周期內(nèi)，振動(dòng)所傳播的距離。單位是毫米(mm)。與頻率呈反比關(guān)系。聲速為1540m/s，1MHz的超聲波波長約為1.5mm，3MHz的波長約為0.5mm，7MHz的波長約為0.2mm。波長定性地給出了超聲成像的分辨能力。為提高超聲診斷的水平，通長我們盡可能采用波長小也就是頻率高的超聲波。聲速(c)∶聲波在介質(zhì)中傳播，單位時(shí)間內(nèi)所傳播的距離，單位是米/秒(m/s)。人體軟組織的平均聲速為1540m/s，和水的聲速相近。不同的軟組織的聲速雖然不相同，但它們的差別不大。軟組織的聲速與其成分(如多種蛋白質(zhì)，脂肪和水的含量)有密切的關(guān)系。一般的說，聲速隨水分和脂肪含量增加而減低。F=c/λ反射、透射、折射、散射和繞射

超聲波是一種波動(dòng)，在彈性介質(zhì)中傳播和其他波動(dòng)類似，也有波的疊加、干涉、反射、折射、透射、散射、衍射以及吸收、衰減、頻散等特性。一反射、透射與折射∶聲波從一種介質(zhì)向另一種介質(zhì)傳播時(shí)，由于聲阻抗Z不同(密度ρ，聲速C不同)在二種介質(zhì)之間形成一個(gè)聲學(xué)界面，如果該界面尺寸大于超聲波波長，則一部分超聲波能量返回到第一介質(zhì)。另有一部分能量穿過界面進(jìn)入第二介質(zhì)并繼續(xù)向前傳播，稱為透射。當(dāng)兩種介質(zhì)的聲速不同時(shí)，就會(huì)偏離入射聲束的方向而傳播，稱折射。由此，我們可以解釋一些醫(yī)學(xué)超聲中的常見現(xiàn)象∶①由于反射和折射產(chǎn)生的各層回波攜帶了人體組織的信息，但回波并非獨(dú)立的生理參數(shù)或物理參數(shù)，只是反映界面兩側(cè)組織的聲阻抗的差異。②空氣與壓電材料之間的聲阻抗的差異很大，散射:超聲波在介質(zhì)中傳播，如果介質(zhì)中含有大量雜亂的微小粒子，超聲波激勵(lì)這些小粒子成為新的波源，再向四周發(fā)射超聲波。超聲波在介質(zhì)中傳播，如遇到的物體其直徑小于λ/2時(shí)，則繞過物體繼續(xù)向前傳播，這種現(xiàn)象稱為繞射(也稱衍射)。超聲波波長愈短、頻率愈高、能發(fā)現(xiàn)障礙物的能力愈強(qiáng)。逆壓電效應(yīng)在壓電材料表面沿著電軸方向加上電壓，由于電場作用，引起材料內(nèi)部正負(fù)電荷中心位移，這一極化位移使材料內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，從而導(dǎo)致宏觀上的幾何形變，這種將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的效應(yīng)叫逆壓電效應(yīng)。超聲波發(fā)射換能器采用了逆壓電效應(yīng)，將電壓轉(zhuǎn)變?yōu)槁晧?，并向人體發(fā)射。壓電效應(yīng)是可逆的，壓電材料既具有正壓電效應(yīng)，又具有逆壓電效應(yīng)。醫(yī)學(xué)超聲設(shè)備中，常采用同一壓電換能器作為發(fā)射和接收探頭，但發(fā)射與接收必須分時(shí)工作。多普勒效應(yīng)在超聲場中，由于目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)或振源的運(yùn)動(dòng)，接收信號(hào)的頻率發(fā)生改變，頻率移動(dòng)的大小正比與運(yùn)動(dòng)的速度，這就是多普勒原理，例如血流的運(yùn)動(dòng)，使散射回波發(fā)生頻移，體外檢測頻移的大小，就可知血流的運(yùn)動(dòng)速度。吸收和衰減衰減∶超聲波在介質(zhì)中傳播，聲能隨傳播距離的增加而減小，這種現(xiàn)象稱為超聲的衰減。吸收∶1.粘滯吸收∶超聲在介質(zhì)中傳播時(shí)，介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)沿其平衡位置來回振動(dòng)，由于介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)之間的彈性摩擦使一部分聲能變成熱能。2.熱傳導(dǎo)吸收∶通過介質(zhì)的熱傳導(dǎo)，把一部分熱能向空中輻射。粘滯吸收和熱傳導(dǎo)吸收都使超聲的能量變小，導(dǎo)致聲能衰減。衰減是指總聲的損失，而吸收則是聲能轉(zhuǎn)變成熱能這一部分能量的損失。耦合介質(zhì)探頭和檢測對象之間，使超聲波傳遞良好的介質(zhì)，耦合介質(zhì)的阻抗與人體和探頭的阻抗相匹配。對探頭及人體無損傷。透聲性好固性和液性可互換。側(cè)壁聲影在圓形病灶中，如果第二介質(zhì)聲速大于第一介質(zhì)的聲速，入射聲束發(fā)生折射或全反射，造成其側(cè)壁或邊緣下方組織無聲束照射而產(chǎn)生聲影。換能器發(fā)射和接收聲波發(fā)射聲波∶是將電能轉(zhuǎn)換成聲能。接收聲能∶是將聲能轉(zhuǎn)換成電能。它是超聲診斷儀的主要部分組成∶晶片、吸收背塊、匹配層及導(dǎo)線。EMISSION分辨力超聲所能分辨出兩點(diǎn)之間的最短距離的能力。分為縱向分辨力和橫向分辨力縱向分辨力∶分辨出位于聲束軸線上兩個(gè)物體之間的距離的能力。橫向分辨力∶分辨位于聲束軸線垂直的平面上兩點(diǎn)之間的能力。聚焦在超聲場內(nèi)，將聲束中的超聲能量會(huì)聚成一點(diǎn)的方法稱為聚焦。減小聲束，提高橫向分辨力幾何(機(jī)械)聚焦和電子聚焦動(dòng)態(tài)聚焦讓聲束在整個(gè)深度范圍內(nèi)均得以聚焦的方法，稱為動(dòng)態(tài)聚焦。一般為三點(diǎn)或四點(diǎn)動(dòng)態(tài)聚焦，取得的焦點(diǎn)越多，成像速度越慢。距離選通脈沖多普勒具有距離選通，即沿超聲束的不同深度對某一區(qū)域的多普勒信號(hào)進(jìn)行定位測量。壁濾波器應(yīng)用高通濾波器，濾掉由心房壁、心室壁、血管壁和瓣膜運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的低頻信號(hào)。只保留血流運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的高頻信號(hào)。相反即形成的為組織多普勒。增益將超聲波信號(hào)進(jìn)行對數(shù)放大處理。處理分兩種∶1.時(shí)間增益控制∶又稱距離增益控制，對回波的放大隨時(shí)間而改變，一般采用近場抑制，遠(yuǎn)場增強(qiáng)以使整個(gè)圖像清晰均勻顯示。2.自動(dòng)增益控制∶從電路上自動(dòng)地降低強(qiáng)信號(hào)的放大倍數(shù)，提高小信號(hào)的放大倍數(shù)的控制裝置。它能使強(qiáng)弱不等的回聲信號(hào)均勻一致的顯示出來。抑制去除比限幅電壓低的弱信號(hào)和噪音，以去除干擾，提高圖像清晰度?；译A(grey-scale)按不同的分貝(dB)以相應(yīng)的亮度顯示在監(jiān)視器上，稱為灰階。目前最大的灰階范圍是256級(jí)。人肉眼可辨的最大灰階為16級(jí)。模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換把超聲模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并送入數(shù)字掃描換能器處理運(yùn)算的過程。幀率在單位時(shí)間內(nèi)成像的幅數(shù)。凸陣一種多陣元探頭，其陣元排列成凸弧形。對比分辨力是指區(qū)別不同組織的能力或超聲在顯示組織結(jié)構(gòu)質(zhì)地上微細(xì)變化的能力。偽彩顯示它是將超聲信號(hào)的幅度或黑白圖像的各個(gè)灰階值，按照一種線性或非線性函數(shù)關(guān)系，進(jìn)行彩色編碼，相對應(yīng)成不同的彩色。彩色并不反應(yīng)目標(biāo)的真實(shí)顏色。但可加強(qiáng)對比度，提高檢查者的視覺敏感性。實(shí)時(shí)頻譜利用數(shù)學(xué)方法對多普勒信號(hào)的頻率、振幅及其隨時(shí)間而變化的過程進(jìn)行實(shí)時(shí)分析的一種技術(shù)?？焖俑焕锶~轉(zhuǎn)換一種將富里葉轉(zhuǎn)換簡化的新的計(jì)算方法。由于這種計(jì)算方法，才使各種頻移信號(hào)得以實(shí)時(shí)處理，才能進(jìn)行計(jì)算。多普勒增益用于調(diào)整頻譜分析電路中輸入信號(hào)的強(qiáng)弱。原則是將頻譜和彩色血流圖顯示清楚。阻抗匹配探頭探頭與人體接觸的材料是采用與人體組織聲阻抗差很小的復(fù)合材料。從而減少了組織界面和探頭之間的混響偽差，同時(shí)又不損失對遠(yuǎn)場的穿透力。第三節(jié)超聲圖像基本概念依據(jù)不同組織的不同回聲以及各種病變的特征聲像圖表現(xiàn)來命名的名稱。無回聲無回聲區(qū)∶病灶或正常組織內(nèi)不產(chǎn)生回聲的區(qū)域。如膽囊內(nèi)的囊液、血液、膀胱內(nèi)的尿液、眼球、各種實(shí)性器官的囊腫。低回聲也稱弱回聲，為較低的點(diǎn)狀或團(tuán)塊回聲。多見腫瘤和其它病變組織。等回聲病灶的回聲強(qiáng)度與其周圍正常組織的回聲強(qiáng)度相等或近似。中等回聲中等強(qiáng)度的點(diǎn)狀或團(tuán)塊狀回聲。強(qiáng)回聲反射回波多，超聲圖像明顯增強(qiáng)。人體不同組織回聲強(qiáng)度順序腎中央?yún)^(qū)(腎竇)>胰腺>肝、脾實(shí)質(zhì)>腎皮質(zhì)>腎髓質(zhì)>血液>膽汁和尿液。點(diǎn)狀回聲反射體尺寸較小，超聲圖像上表現(xiàn)為點(diǎn)狀。濃密回聲密集而明亮的點(diǎn)狀回聲。實(shí)性回聲在圖像上的某一區(qū)域，無后壁和后壁增強(qiáng)效應(yīng)，可肯定為實(shí)質(zhì)的回聲。聲影由于障礙物的反射或折射，聲波被反射，聲波無法達(dá)到被照射的區(qū)域，形成此區(qū)域的失照射，形成聲影。靶環(huán)征某些腫瘤病灶，在其中心強(qiáng)回聲區(qū)的周圍形成低回聲的同心圓環(huán)，稱為靶環(huán)征。多見于肝轉(zhuǎn)移癌及胃腸道腫瘤。假腎征中間部為強(qiáng)回聲的氣體，周圍為胃腸壁的低回聲，整個(gè)形態(tài)類似腎臟的圖形稱為假腎征。常見于正常胃和腸道腫瘤。駝峰征當(dāng)肝臟腫瘤從肝表面向外呈圓形隆起時(shí)，形成類似駝峰樣形態(tài)。暈圈在實(shí)質(zhì)性臟器的腫瘤邊緣形成一圈弱回聲的透聲環(huán)，稱為暈圈。結(jié)石滾動(dòng)征膽囊結(jié)石，囊內(nèi)結(jié)石可隨體位改變而移動(dòng)。雙筒槍征又稱平行管征。肝管或膽總管擴(kuò)張時(shí)，聲像圖上形成與門靜脈平行且直徑相近或更粗的管道圖像，形似雙筒槍。反向靶征中心為低回聲，周圍繞以強(qiáng)回聲的同心圓形團(tuán)塊回聲。多見于肝轉(zhuǎn)移癌。宮腔分離征在粘膜下子宮肌瘤時(shí)，因其位于宮內(nèi)，導(dǎo)致宮腔回聲分離?？沾皡^(qū)在多普勒頻譜圖上，頻帶與基線之間的無回聲信號(hào)區(qū)。層流紅細(xì)胞以相當(dāng)一致的方向和速度流動(dòng)，速度分布剖面呈中央在前，兩側(cè)靠后的拋物線狀。彩色多普勒血流圖呈單一色彩，中央鮮亮，兩側(cè)依次變暗。湍流紅細(xì)胞運(yùn)動(dòng)的方向和速度不一致。其多普勒頻移大小不均，方向不一。頻譜呈寬帶形。彩色多普勒血流圖呈多色混雜狀。紊流頻譜形態(tài)不規(guī)則，單向主頻譜充填、有低幅負(fù)向頻譜。多見于二尖瓣狹窄及各瓣口關(guān)閉不全。射流頻譜呈完整的單向波形，有明確的主頻譜且部分充填，流速多>100cm/s。多見于壓力高的動(dòng)脈向壓力低的區(qū)域流動(dòng)。渦流血流經(jīng)過嚴(yán)重狹窄后進(jìn)入擴(kuò)張的血管腔或心腔，形成許多小漩渦、離散的紊亂血流。頻譜無規(guī)則、呈雙向、無明確主峰。彩色多普勒顯示五彩鑲嵌的血流。此種血流多見于室間隔缺損、瓣口返流及明顯的動(dòng)脈狹窄。A/B比值A(chǔ)值為收縮期最高峰流速，B為舒張期最低流速。其值的臨床意義是評(píng)價(jià)血流阻力情況，常用于產(chǎn)科。阻力指數(shù)(ResistanceIndex)RI=Vmax-Vmin/Vmax評(píng)價(jià)血流阻力的指標(biāo)之一。搏動(dòng)指數(shù)(PulsatilityIndex)PI=A-B/MM為平均血流速度。受頻譜質(zhì)量的影響。阻抗指數(shù)ImI=AxM/B2不常用。漩流血流進(jìn)入大的空腔時(shí)，其主血流朝前，抵達(dá)腔壁后折返，在主血流的側(cè)方形成一反向血流，兩股血流方向相反，各占一定范圍，形成較大的漩渦，即所謂漩流。彩色多普勒上顯示出紅、藍(lán)兩條邊界分明的血流束。超聲診斷儀的分類A-型∶AmplitudemodelB-型∶BrightnessmodelM-型∶MotionmodelD-型∶Doppler血流測量C-型∶三維成像技術(shù)Amplitudemodel顯示回波信號(hào)的幅度，包含一維信息。從回波的分布，寬度及幅度的大小，探頭安放的位置，可測定病灶的深度和大小，在某種程度上可推測病灶的物理性質(zhì)(囊性、實(shí)性等)。目前各大小醫(yī)院已淘汰。B-型超聲診斷技術(shù)工作流程∶探頭→回波接收電路→數(shù)字掃描變換器→圖像后處理→顯示器。表現(xiàn)形式∶將組織的回波以調(diào)制的二維亮度(亮點(diǎn)的位置和亮度)顯示，表現(xiàn)為人體某一斷面的解剖和病理信息。顯示器的y-軸代表傳入人體的時(shí)間(即深度)，其亮度(即灰度)由對應(yīng)空間點(diǎn)上的回波幅度調(diào)制；X-軸表示聲束對人體掃查的方向。實(shí)際上超聲束猶如一把刀，把人體無損地切成一個(gè)個(gè)斷面，以二維灰階分布圖顯示在屏幕上。二維聲像圖具有良好的解剖形態(tài)，圖像上光點(diǎn)的亮度(即回波大小)與組織密度成正比X-軸代表方向、y-軸代表深度衡