超聲波成像專題知識講座培訓課件

超聲波成像專題知識講座超聲成像

ultrasonograghy,USG

定義：

利用超聲波的物理特性和人體組織器官的聲學特性相互作用而產(chǎn)生的信息，經(jīng)處理后形成圖形和曲線，借此進行疾病診斷的一種物理檢查方法。2超聲波成像專題知識講座超聲波的特點和優(yōu)點USG特點：對軟組織的分辨能力強信息的顯示有多種方法USG優(yōu)點：

無損傷、無痛苦、無輻射實時、快捷、準確、方便3超聲波成像專題知識講座超聲發(fā)展概況40年代探索階段50年代A型、M型超聲儀70年代灰階實時超聲（B型）雙功能超聲儀（B型+頻譜）80年代彩色多普勒超聲儀（B型+彩色+頻譜）90年代新技術（超聲造影、諧波成像、超高頻探頭、三維超聲等）4超聲波成像專題知識講座第一章醫(yī)學超聲學基礎第一節(jié)超聲波的定義及特性一、自然界中的波分為：1、電磁波2、機械波二、超聲波為機械波的一種次聲波：f<20Hz可聞聲波：20Hz<f<20kHz超聲波：f>20kHz醫(yī)學超聲：200kHz<f<40MHz診斷超聲：1MHz<f<10MHz5超聲波成像專題知識講座6超聲波成像專題知識講座第二節(jié)超聲波的產(chǎn)生

振動是聲學的基礎，只有聲源的振動，才能產(chǎn)生超聲波，聲源的振動在彈性介質(zhì)中傳播出去，就形成了超聲波。7超聲波成像專題知識講座超聲波的特性１．超聲波方向性好２．超聲波能量高３．超聲波的傳播特性４．超聲波的傳播能力8超聲波成像專題知識講座

第三節(jié)超聲波的分類一、按質(zhì)點的振動方向和波的傳播方向分類：橫波和縱波。1、橫波：質(zhì)點的振動方向和波的傳播方向垂直的波；2、縱波：質(zhì)點的振動方向和波的傳播方向一致的波；9超聲波成像專題知識講座10超聲波成像專題知識講座第四節(jié)超聲的特征量頻率和波長；聲速；聲壓；聲阻抗：Z=rc聲強：單位面積通過的聲能量。11超聲波成像專題知識講座一、聲速：聲波在介質(zhì)中單位時間內(nèi)傳播的距離。聲速一般不隨頻率而變，即無頻散現(xiàn)象。一般來說，C固>C液>C氣。人體軟組織聲速為1540m/s二、波長，周期和頻率1、波長：聲波在介質(zhì)中傳播時兩個相鄰同相位點之間距離；2、周期：波向前移動一個波長所用的時間；3、頻率：單位時間內(nèi)通過的波數(shù)；三者之間的關系：λ=CT=c/f波長決定了極限分辨率，而頻率決定了探測深度。12超聲波成像專題知識講座13超聲波成像專題知識講座三、聲阻抗：聲場中某一位置的聲壓與該處質(zhì)點振動速度之比，即P/v=Z，只與介質(zhì)的聲學特性有關，又叫特征阻抗。對于平面波有：Z=ρc四、聲壓和聲強：單位面積上介質(zhì)受到的壓力稱為聲壓。對于平面波：聲壓：P=ρcv=ZV聲強：I=P2/ρc聲功率：W=Iss為面積14超聲波成像專題知識講座超聲的傳播特性⒈指向性⒉反射、折射、散射和繞射⒊吸收與衰減⒋分辨力與穿透力⒌多普勒效應15超聲波成像專題知識講座聲波在介質(zhì)中傳播時,遇到不同聲阻抗的分界面,會產(chǎn)生反射和折射,反射波的強度由反射系數(shù)決定：反射聲波的強度與入射聲波的強度之比，用air表示；透射波的強度由透射系數(shù)決定：透射聲波的強度與入射聲波的強度之比，用ait表示。16超聲波成像專題知識講座17超聲波成像專題知識講座按聲速和聲阻抗的不同，人體組織可分為三類：1、氣體和充氣的肺2、液體和軟組織3、骨骼和礦物化后的組織由于這三類材料存在較大的阻抗差別，聲波很難從一類材料傳到另一類材料區(qū)域中去，在液體和軟組織中，聲速和阻抗變化不大，使得聲反射量適中，既保證了界面回波的顯像觀察，亦保證了聲波可穿透足夠的深度，而且接收回波的時延與目標深度成近似正比的關系，這是B超診斷成像的物理基礎。18超聲波成像專題知識講座19超聲波成像專題知識講座20超聲波成像專題知識講座三、散射和繞射

反射和折射的前提條件是：反射界面對于入射波波長來說是無限大的，即d>>λ。1、若d與λ接近，則發(fā)生繞射，超聲波僅繞過障礙物的邊緣前進，2、若d<<λ，則發(fā)生散射，障礙物又成為新的波源，并向四周發(fā)射超聲波。21超聲波成像專題知識講座第六節(jié)超聲在生物組織中的衰減

一、超聲波的衰減：超聲在介質(zhì)中傳播時，其聲強隨著距離的增加而減弱的現(xiàn)象。主要包括：聲束本身的擴散和介質(zhì)的吸收（粘滯、弛豫、分子相對運動、空化吸收等）。22超聲波成像專題知識講座⒊超聲波的吸收與衰減聲衰減定義：是指聲能隨著傳播距離而減弱的現(xiàn)象衰減量=頻率×深度頻率高，衰減重原因：吸收損耗、聲束擴散、反射和折射23超聲波成像專題知識講座⒋超聲波的分辨力與穿透力頻率高，分辨好，穿透差頻率低，分辨低，穿透強對應的臨床應用：檢測淺表器官，采用高頻探頭檢測深部臟器，采用低頻探頭24超聲波成像專題知識講座⒌多普勒效應聲源與接收體之間的相對運動引起聲波頻率發(fā)生改變的現(xiàn)象，頻率的變化稱為頻移fdfd=f`-f0=Vcosθf0/c

f0

為入射超聲頻率

f`

為回聲頻率

V

為物體的運動速度

C

為聲速

cosθ為運動方向與聲束方向間的夾角

25超聲波成像專題知識講座多普勒效應示意圖聲源目標26超聲波成像專題知識講座

多普勒效應示例27超聲波成像專題知識講座血流信息獲取

V=血流速度C=聲速

cosθ=血流與探頭間夾角血管VC探頭θ28超聲波成像專題知識講座cosθ＜900，血流迎向探頭，fd為正值稱為正性頻移cosθ＞900，血流遠離探頭，fd為負值稱為負性頻移夾角對fd值的影響29超聲波成像專題知識講座超聲成像的基本原理聲阻抗特性聲衰減特性多普勒效應30超聲波成像專題知識講座人體組織的聲學特征無回聲（無反射型）—膽汁、尿液、血液低回聲（少反射型）—肝、脾強回聲（多反射型）—血管壁、結(jié)石極強回聲（全反射型）—肺、胃腸道31超聲波成像專題知識講座第二節(jié)醫(yī)用超聲換能器

功能電能量←→超聲能量相互轉(zhuǎn)換

重要性整臺超聲儀器性能的關鍵

材料性能種類１.壓電換能器——超聲診斷儀主要用之２.磁致伸縮換能器——超聲治療儀用之32超聲波成像專題知識講座超聲診斷儀換能器探頭33超聲波成像專題知識講座超聲診斷儀換能器探頭34超聲波成像專題知識講座第一節(jié)壓電換能器一、壓電效應1.正向壓電效應材料兩端加壓力→兩電極產(chǎn)生電場壓力→形變→晶格電偶極矩變化→電荷積累→電場

2.逆向壓電效應材料兩端加電壓→材料產(chǎn)生形變電壓→電場→晶格電偶極受力→應力→形變材料正、逆向壓電效應可逆++++++------++++++------35超聲波成像專題知識講座壓電效應示意圖36超聲波成像專題知識講座二、醫(yī)用壓電材料1.壓電材料:具有壓電效應特性的材料。2.壓電材料的種類（1）壓電單晶體石英、酒石酸鉀鈉、磷酸二氫銨、鈮酸鉀、硫酸鋰等（2）壓電多晶體鈦酸鋇、偏鈮酸鉛、鋯鈦酸鉛、鈮鎂-鋯-鈦酸鉛等（3）壓電高分子聚合物聚偏二氟乙烯等（4）復合壓電材料聚偏二氟乙烯+鋯鈦酸鉛復合（PVDF+PZT）等37超聲波成像專題知識講座

超聲診斷中常根據(jù)不同的受檢對象和部位選擇不同的探頭，如2MHz、2.5MHz、5MHz、10MHz等，探頭的發(fā)射頻率是由什么決定的呢？３．探頭的發(fā)射頻率38超聲波成像專題知識講座

當一交變電壓加至壓電材料上時，壓電晶片表面產(chǎn)生相應的振動，并向與之接觸的介質(zhì)中輻射超聲能量。除非特性阻抗相等，一般總有部分超聲能量被壓電晶片前后表面反射，在壓電體內(nèi)傳向?qū)γ妗Ｒ驗榍昂蟊砻嬲駝臃聪?，當L=λ/2時，壓電體內(nèi)傳播時間

t=L/c=(λ/2)/c=(cT/2)/c=T/2即：到達對面時，與相移180o的對面振動疊加，達到同頻同相疊加，輻射超聲最強，即為諧振情況。對應頻率

f=c/λ=c/2L稱基本諧振頻率，或基頻。39超聲波成像專題知識講座０T/2０TTttT/2L收縮膨脹收縮表面位移c,f前向后向壓電體超聲超聲3T/2

一般地，基頻或更高頻率在壓電體內(nèi)傳播從一個表面到達對面所用時間為：

t=L／c=(2n-1)T2n-1／2(n=1,2,…)即：L=(2n-1)λ2n-1／2

或：f2n-1=1／T2n-1=(2n-1)c／2L時，都能達到諧振。

f1—基頻，f3，f5，f7…—高次諧振頻率，

f1L＝c／2——材料的頻率常數(shù)40超聲波成像專題知識講座結(jié)論

探頭的發(fā)射頻率是由晶體的厚度決定的。41超聲波成像專題知識講座第二節(jié)換能器的超聲場超聲場彈性介質(zhì)中充滿超聲能量的空間，或超聲傳播時超聲能量在介質(zhì)中的空間分布。平面圓片換能器活塞振動的穩(wěn)態(tài)超聲場活塞振動——平面振動穩(wěn)態(tài)超聲場——不考慮建立過程的穩(wěn)定超聲場

r,θ——極坐標

z——聲軸方向

a——圓片半徑B(r,θ)zθra42超聲波成像專題知識講座

軸向上聲場分布圖44超聲波成像專題知識講座

（3）近場距離(r0)式中，D=2a——壓電體直徑，如a>>λ，則聲學上稱：①r<r0——近場區(qū)②r>r0——遠場區(qū)

（4）軸向聲強分布特點①近場區(qū)：聲強軸向起伏分布，但平均強度不變②遠場區(qū)：聲強軸向單調(diào)衰減，I∝1／r245超聲波成像專題知識講座二、徑向聲場分布（r=定值,θ可變）

（1）徑向近場分布近場衍射現(xiàn)象：聲束截平面上聲強分布為許多最大強度和最小強度的同心圓環(huán)，環(huán)的數(shù)量隨著距離的增加而減少。聲能幾乎不擴散，聲束寬度接近相等（等于D）。

（2）徑向遠場分布波束如圖2－6所示。遠場聲強呈多個瓣形，主瓣最強(>98%)，旁瓣多但較弱。46超聲波成像專題知識講座

（3）主瓣角θ

θ又稱半發(fā)射角或擴散角，表示聲束集中程度

Sinθ≈0.61λ／a一般θ角很小，sinθ≈θ，故有

θ≈0.61λ／a=0.61c／fa

可見：f↑→θ↓，和a↑→θ↓

（4）徑向聲場簡化圖如圖2－5(a)，聲束成錐形發(fā)散，半發(fā)散角為θ近場中零值點，可能引起盲點。遠場中旁瓣，會造成顯示位置、距離測量等失真。需采取措施改善。

47超聲波成像專題知識講座第三節(jié)探頭的結(jié)構(gòu)及其作用超聲探頭——超聲檢測用換能器各種超聲診斷儀，探頭基本結(jié)構(gòu)大致相同，以Ａ型為例。一、探頭的基本結(jié)構(gòu)①壓電晶片

②吸聲背塊③匹配層④電極、導線⑤聲隔離層⑥保護層⑦外殼48超聲波成像專題知識講座１.壓電晶片

（1）晶片形狀：圓片形、矩形、球殼圓片形、圓筒形49超聲波成像專題知識講座

（2）作用發(fā)射、接收超聲，即：電－聲、聲－電轉(zhuǎn)換

（3）要求①可加工性②銀層牢固③各部分性能一致性④性能穩(wěn)定性和可靠性

（4）特性①晶片厚度確定發(fā)射超聲的頻率②晶片形狀確定聲束的形狀和聲場分布50超聲波成像專題知識講座2．吸聲背塊

（1）作用①吸收晶體背向輻射的超聲，減少或消除晶體兩端之間超聲的多次反射造成的干擾②增大晶片阻尼，使發(fā)射脈沖窄，從而提高分辨率

（2）要求①與壓電晶體的聲阻抗相等，以全部吸收背向輻射②對超聲的吸收力強，很快衰減，不再反射

（3）組成環(huán)氧樹脂+鎢粉+橡膠粉

空氣背襯，幾乎全反射，效率最高，用于超聲治療儀。51超聲波成像專題知識講座3．匹配層

（1）作用①使晶體輻射的超聲有效進入人體，實現(xiàn)對人體組織的檢查。換能器和人體之間聲阻抗匹配，條件：

②增加換能器的帶寬③隔開晶體和人體，保護晶體，免受機械、化學損壞；保