醫(yī)學(xué)超聲成像原理

1、醫(yī)學(xué)超聲成像原理,,3.4 超聲波成像原理,超聲波成像技術(shù)超聲波探測技術(shù)可以分為兩大類，即基于回波掃描的超聲探測技術(shù)和基于多普勒效應(yīng)的超聲探測技術(shù)?；诨夭⊕呙璧某曁綔y技術(shù)主要用于解剖學(xué)范疇的檢測、了解器官的組織形態(tài)學(xué)方面的狀況和變化?；诙嗥绽招?yīng)的超聲探測技術(shù)主要用于了解組織器官的功能狀況和血流動力學(xué)方面的生理病理狀況，如觀測血流狀態(tài)、心臟的運動狀況和血管是否栓塞檢查等方面。,醫(yī)學(xué)超聲波診斷儀,A型超聲波診斷儀M型超聲波診

2、斷儀B型超聲波斷層顯像儀超聲多普勒血流儀、成像儀與彩超 超聲三維成像系統(tǒng)（超聲CT）,Ａ型（超聲示波法）,機理：以波幅變化反映回聲情況特點：一維波形圖，不直觀用途：鑒別液、實性包塊，測距 目前臨床不再使用,顯示特點：探頭不動向人體反射并接收聲波，根據(jù)回波出現(xiàn)的位置，回波幅度的高低、形狀、多少和有無，確定被檢體病變或解剖部位的信息，但特異性不突出，還缺乏解剖學(xué)特征。,,Ｍ型（超聲掃描法）,機理：

3、 以單聲束取樣，獲得活動界面回聲， 再以慢掃描方式展開特點：一維－時間運動曲線圖用途：分析心臟和大血管的運動幅度,M型曲線圖,Ｂ型（超聲顯象法）,機理： 不同的光點反映回聲變化， 用切面顯示正常組織與異常組織 特點：二維斷面圖像，灰階/彩階 實時顯示，直觀用途：及其廣泛,肝臟B超,心臟B超,D型（超聲多普勒法）,機理：利用Doppler原理對心血管內(nèi)血流進行探測分析頻譜多普勒（PW

4、+CW） 以頻譜曲線顯示，檢測血流動力學(xué)參數(shù) 彩色多普勒血流顯像（CDFI） 彩色編碼實時顯示血流方向、速度及血流性質(zhì),二尖瓣血流CDFI,二尖瓣血流－PW,聲束的聚焦,要提高超聲成像系統(tǒng)的靈敏度和分辨力，除了對線陣探頭實施多振元組合發(fā)射外，還需要對超聲進行聚焦，使聲束變細，使強度聚焦收斂，提高聲束的穿透力和回波強度，從而提高靈敏度和分辨力 聲束聚焦分為： 1、聲

5、學(xué)聚焦 2、電子聚焦,超聲波束處理技術(shù),在超聲波發(fā)射和接收時.采用多種波束處理技術(shù)，使主波束變窄，旁瓣變小.現(xiàn)在，先進B超設(shè)備中已采用的具有實際效果的波束處理方法有:(l)使晶體表面凹陷;(2)采用聲學(xué)透鏡聚焦;’(3)可變孔徑;(4)電子聚焦;(5)動態(tài)聚焦;(6)實時動態(tài)聚焦;(7)動態(tài)變跡等.,一．凹面晶體用這種聚焦方式，焦點的聲束比較細，橫向分辨性能好.但是，一旦偏離聚焦

6、范圍，聲束比未聚焦的還粗，因此，采用這種聚焦型探頭，要注意聚焦范圍的深度、一般可分成近距離、中距離和遠路離3個檔次。,與光學(xué)聚焦原理類似，在平面晶體表面附加聲學(xué)透鏡，可使超聲波束匯聚到一點，即焦點.焦點深度，即焦距。由聲學(xué)透鏡曲率半徑、超聲波在聲學(xué)透鏡中的傳播速度和人體中聲速所決定.,聲學(xué)聚焦,１、電子聚焦,對線性換能器陣的各陣之上加上適當(dāng)延時的激勵脈沖，則可在預(yù)定的距離上獲得聚焦波。,二、電子聚焦 所謂電子聚焦，就是控

7、制各振元的相位，使其發(fā)射的超聲束在焦區(qū)得到同相相長加強，達到聚焦的目的，實際上是通過控制延時達到控制相位的。 延時量的計算：分別為L1，L2，L3，焦距F=35cm，陣元間距d=0.5mm，由圖可得 L1=3.5d=3.5×0.5=1.75mm L2=2.5d=1.25mm L3=1.5d=0.75mm,設(shè)聲速c=1540m/s則第

8、1號振元與第2號振元的相差延時量為： Δτ1=ΔS1/c=0.02141/1540×103=13.9ns同理2號振元與3號振元之間的延時量為： Δτ2=ΔS2/c=9.27ns3號與4號振元延時差為： Δτ3=ΔS3/c=4.64ns設(shè)第1號及第8號振元無延時，則2號振元延時時間為： τ1=13.9ns3、6號振元延時時間為： τ1

9、+τ2 τ2=13.9+9.27=23.17ns4、5號振元延時時間為： τ3=Δτ1+Δτ2+Δτ3=27.81ns那么延時量是如何實現(xiàn)的，是通過延遲線來實現(xiàn)的。,,三 聚焦探度和焦點直徑 在聚焦點，聲束寬度最小。在焦點附近一個有限的范圍內(nèi)，聚焦聲束寬度小于同一陣列換能器同時被激勵，即未聚焦時所產(chǎn)生的聲束寬度。離焦點越遠，聚焦聲束寬度越寬，直至大于同一陣列換能器未聚焦聲束寬度。,動態(tài)電子聚焦 為了提高

10、成像系統(tǒng)的分辨力，需要進行聚焦，焦區(qū)以內(nèi)的聲束變細了，確實提高了分辨力，但焦區(qū)以外，聲束不僅沒有變細，反而變得更粗了，焦區(qū)以外的分辨力不僅沒有得到提高，反而變得更差了，因此需要整個穿透深度上都要進行聚焦，使整個深度上的分辨力都得到提高。動態(tài)電子聚焦又分為： 1、等速動態(tài)電子聚焦 2、全深度分段動態(tài)電子聚焦,1、等速動態(tài)電子聚焦 等速動態(tài)電子聚焦是通過計算機控制，以一定的速度改變發(fā)射和接收的

11、延遲時間，使焦點隨發(fā)射波和接收同步移動，使整個深度的所有位置，都有良好的橫向分辨力，顯然這種聚焦最為理想，但由于焦點移動速度快，延時分級細，延時程度高，故電路更復(fù)雜，成本更高。,2、全深度分段動態(tài)電子聚焦： 全深度分段動態(tài)電子聚焦就是將探測深度分成若干 ，只對每個段分別進行聚焦，接收時只取每個焦區(qū)的回波信號，最后將各段焦區(qū)的回波信號迭加合成一行回波信號。 優(yōu)點是：分段數(shù)少，延遲線分段段數(shù)少，操作簡便，成本

12、低。 缺點是：成像速度慢，精度低。 但可以TV方式顯示，以慢入快出的方式對存貯器進行續(xù)寫，并進行各種圖像處理，從而就得穩(wěn)定清晰圖像。,四 可變孔徑技術(shù)變孔徑技術(shù)，在近場采用小孔徑，在遠場采用大孔徑。,掃描方式,一、掃描：換能器在被探查區(qū)域獲取人體信息的運動過程叫掃描。機械掃描與電子掃描,,機械掃描與電子掃描（1）機械掃描： 借電機帶動換能器旋轉(zhuǎn)或擺動，同時位置傳感器連續(xù)地檢測換能器的瞬時取

13、向，并產(chǎn)生位置信號，使顯示器的掃描方向有相應(yīng)的取向。（2）電子掃描： 用電子方法控制多陣元換能器實現(xiàn)掃描，分為線性掃描和相控陣掃描。,,（?。┚€陣掃描 線陣探頭長為10~15cm，寬為1cm左右用電子開關(guān)切換多元換能器振元，使之輪流工作，為了提高系統(tǒng)的分辨力和靈敏度，通常有相應(yīng)的若干個相鄰的小單元同時受到激勵，發(fā)射一束超聲并接收其回波，然后舍去前面一個，納入后面的一個單元，發(fā)射一束超聲波，依次類推，發(fā)射許多平行聲束，

14、掃查目標區(qū)。,,（ⅱ）相控陣：陣元數(shù)較少，長度短，一般1~3cm左右，寬1cm左右。 工作時，同時激勵所有的振元，并適當(dāng)?shù)乜刂萍拥礁髡裨系募钚盘柕南辔唬▽嶋H上是控制延時）來改變超聲的發(fā)射方向，接收時對接收信號出作類似的相控，并形成扇形掃描。,超聲波束的掃描(線陣）,一、組合順序掃描 設(shè)總振元數(shù)為n，振元組中振元數(shù)為m（設(shè)m=4），則激勵順序為：1~4，2~5，3~6，4~7…… 即順序掃描是用電子開關(guān)順序

15、切換方式，將相鄰m個振元構(gòu)成一個組合，發(fā)射一束超聲，使之分時輪流工作。 特點：掃描方法簡單，但聲束間的線距等于振元距，聲束線數(shù)為n-m+1, 較少，不利于提高分辨力。,,,二、組合間隔掃描 組合順序掃描的缺點是：線距較寬，線數(shù)較少，圖像質(zhì)量較差，要提高圖像質(zhì)量，必須減小聲束的線距。1、d/2間隔掃描 設(shè)總振元數(shù)為n，子振元組合分為二組：一組為m，一組為m+1，若m=5，則分組激勵順序為1~5、1~6，2~6

16、、2~7，3~7、3~8……。 特點：其聲束間距為d/2，線數(shù)增加了一倍。,,,三、微角掃描 設(shè)有n個振元，子振元組為m，分組情況類似組合順序掃描，但對子振元組m個振元激勵的相位略有不同，使射出的聲束線與中心線有微小偏角，然后將相位的變化規(guī)律顛倒過來，就得到偏向中心線另一側(cè)的另一條聲束線，這樣總共得到（n-m+1）×2各聲束線，線密度提高了一倍，但由于聲束線有一個微小偏角，而顯示掃描線仍然平行，故圖像存在一定畸

17、變。,,電子相控陣扇形掃查波束的時空控制：該探頭中既沒有開關(guān)控制器也沒有子陣，這是因為相控陣所有陣元對每個時刻的波束都有貢獻，而不像線陣探頭那樣分組、分時輪流工作。分相控發(fā)射和相控接收。,電子相控陣扇形掃查,（1）相控發(fā)射：,（2）相控接收：回波信號 時間相位補償 疊加求和 合成波束 改變時間 改變偏轉(zhuǎn)角度,,,,,,二、超聲診斷儀基本結(jié)構(gòu)框圖,（二）基本結(jié)構(gòu)1、探頭2、主控電路3