生物医学工程专业医学成像3.ppt
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1、医学成像系统医学成像系统张汇泉张汇泉生物医学工程教研室生物医学工程教研室重点要求重点要求n超声波的基本物理特性超声波的基本物理特性n超声成像原理超声成像原理n超声诊断仪器的类型及原理超声诊断仪器的类型及原理n与超声成像系统相关的一些关键技术与超声成像系统相关的一些关键技术n多普勒超声的成像原理多普勒超声的成像原理第二章第二章 超声成像系统超声成像系统2.1超声的基本概念超声的基本概念一、超声的物理特性一、超声的物理特性1。定义:弹性媒质中传输的一种机械波,频。定义:弹性媒质中传输的一种机械波,频率范围为率范围为HZ的高频声波的高频声波;用于人体测量的超声波频率通常为1MHz20MHz2。产生条
2、件:。产生条件:(1)声源)声源(2)弹性媒质)弹性媒质3。特性及应用。特性及应用(1)特性:频率高、波长短、成束传播,能)特性:频率高、波长短、成束传播,能量集中于束内,指向性好,具有类似光线的量集中于束内,指向性好,具有类似光线的特性特性(2)应用:)应用:A。产生击碎、凝聚、乳化等效应。产生击碎、凝聚、乳化等效应B。穿透力强。穿透力强二、类型二、类型(一)按传播形式:纵波、横波(一)按传播形式:纵波、横波(二)按发射形式:(二)按发射形式:1。连续波。连续波2。脉冲波。脉冲波Q:超声波是以纵波的形式在弹性介质中传播的机械振动。正确与否?试说明原因?A:超声波和声波的物理特性在本质上是一致
3、的,两者都是由介质中的质点受到机械力的作用而发生周期性振动产生的。根据质点振动方式与声波传播方式的关系,声波可分为两种基本形式,一是纵波,介质中的质点受到拉应力和压应力的作用振动,它可以在固液气体中传播。二是横波,弹性介质中质点受到剪切力的作用而振动,在固体中传播。三、超声波参量三、超声波参量(一)声速(一)声速(P89)声波在单位时间内传播的距离声波在单位时间内传播的距离取决于媒质的密度及类型取决于媒质的密度及类型不同温度下的水中声速2。周期。周期波动移动一个波长距离所需要的时间,波动移动一个波长距离所需要的时间,等于质点振动周期等于质点振动周期3。频率。频率单位时间内通过媒质中任何固定点的
4、波数。单位时间内通过媒质中任何固定点的波数。4。波长。波长周期周期T内传播的距离内传播的距离5。振幅。振幅等于质点振动的振幅,质点从平衡位置等于质点振动的振幅,质点从平衡位置到最大位移的距离到最大位移的距离6。强度。强度单位时间通过一特定面积传播的能量大小。单位时间通过一特定面积传播的能量大小。或者说:单位时间内垂直通过单位面积的声能或者说:单位时间内垂直通过单位面积的声能2.2描述超声场的物理量描述超声场的物理量一、超声场一、超声场充满超声的媒质空间称为超声场。充满超声的媒质空间称为超声场。描述超声场的物理量:声压、声阻抗、声功率、描述超声场的物理量:声压、声阻抗、声功率、声压级和声强级。声
5、压级和声强级。二、声压二、声压定义:声波在弹性媒质中传播导致媒质压强的周定义:声波在弹性媒质中传播导致媒质压强的周期性变化,这种变化就是声压。期性变化,这种变化就是声压。表达式表达式单位单位三、声强和声功率三、声强和声功率声功率:单位时间内沿声波传播方向经某一波声功率:单位时间内沿声波传播方向经某一波阵面所传递的能量。阵面所传递的能量。声强:声波传播方向垂直的单位面积上,在单声强:声波传播方向垂直的单位面积上,在单位时间内通过的平均声能。位时间内通过的平均声能。四、声阻抗四、声阻抗表征声传播过程中媒质性质的一个量:表征声传播过程中媒质性质的一个量:声压与体积速度的复数比。声压与体积速度的复数比
6、。五、声压级和声强级五、声压级和声强级声强度比值的对数声强度比值的对数2.3超声与物质的相互作用超声与物质的相互作用一、反射与折射和透射(一、反射与折射和透射(P90)当一束平面波入射至具有不同声阻抗的当一束平面波入射至具有不同声阻抗的两个介质界面时,就会产生反射、折射和透两个介质界面时,就会产生反射、折射和透视。(遵守光的反射和折射定律)视。(遵守光的反射和折射定律)声学成像系统,通常利用超声波的衰减声学成像系统,通常利用超声波的衰减和反射作为信号产生图像灰阶对比。和反射作为信号产生图像灰阶对比。医学超声系统,大都利用生物组织的反医学超声系统,大都利用生物组织的反射特性为基础,根据反射程度的
7、大小、反射射特性为基础,根据反射程度的大小、反射回波信号的频率及相位等信号进行成像和测回波信号的频率及相位等信号进行成像和测量。量。二、超声的衰减二、超声的衰减当超声脉冲通过物质运动时,它不断失当超声脉冲通过物质运动时,它不断失去能量,一般都称之为衰减。去能量,一般都称之为衰减。超声波在生物组织内的衰减是一个很复超声波在生物组织内的衰减是一个很复杂的物理过程,其衰减系数在很大程度上依杂的物理过程,其衰减系数在很大程度上依赖于频率。赖于频率。(一)导致衰减的主要原因(一)导致衰减的主要原因1。超声传播过程中的反射、折射、扩散等现。超声传播过程中的反射、折射、扩散等现象,使声能分散而衰减象,使声能
8、分散而衰减2。散射衰减。散射衰减3。吸收衰减。吸收衰减(二)衰减规律(二)衰减规律试验结果表明,在医学超声频率试验结果表明,在医学超声频率115MHZ范围内,人体组织对超声波的吸范围内,人体组织对超声波的吸收系数几乎成正比。收系数几乎成正比。对体内深部组织成像采用低频,而对体对体内深部组织成像采用低频,而对体表组织成像采用高频。表组织成像采用高频。(三)半价层(三)半价层1。定义。定义组织内部传播声波,其强度衰减到初始组织内部传播声波,其强度衰减到初始值一半的时候,传播距离的大小值一半的时候,传播距离的大小2.4超声探测的物理基础超声探测的物理基础一、超声波的发生与接收一、超声波的发生与接收(
9、一)压电效应(一)压电效应对某些各向异性的物体加以压力作用就对某些各向异性的物体加以压力作用就能产生电场分布,这种效应即压电效应。能产生电场分布,这种效应即压电效应。(二)逆压电效应(二)逆压电效应压电材料在电场作用下发生形变,导致压电材料在电场作用下发生形变,导致压电材料的伸缩即逆压电效应。压电材料的伸缩即逆压电效应。综上所述,超声诊断中的发射是指把电综上所述,超声诊断中的发射是指把电能变为声能,利用的是压电材料的逆压电效能变为声能,利用的是压电材料的逆压电效应(电致伸缩),接收是指把超声能变为电应(电致伸缩),接收是指把超声能变为电能。能。因此,具有压电效应的压电材料又称为因此,具有压电效
10、应的压电材料又称为电声转换元件或超声换能器。电声转换元件或超声换能器。二、换能器压电材料的选择二、换能器压电材料的选择由用途决定由用途决定用作发射:发射系数大的材料用作发射:发射系数大的材料用作接收:接收系数大的材料用作接收:接收系数大的材料同时用作发射和接收:发射、接收系数乘积大同时用作发射和接收:发射、接收系数乘积大的材料的材料三、超声脉冲反射法三、超声脉冲反射法把高频超声脉冲发射到生物体内,在接把高频超声脉冲发射到生物体内,在接收来自生物体内的反射波(回波),这种方收来自生物体内的反射波(回波),这种方法称为超声脉冲反射法或回波法。法称为超声脉冲反射法或回波法。根据发射脉冲和回波脉冲时间
11、间隔根据发射脉冲和回波脉冲时间间隔t,可算出反射界面与换能器间距离可算出反射界面与换能器间距离S,假定媒,假定媒质中声速为质中声速为C,则,则S=ct/2,即显示屏上的扫,即显示屏上的扫描时间可反映界面所处深度。描时间可反映界面所处深度。四、超声换能器的辐射声场四、超声换能器的辐射声场超声辐射场指超声能量的分布空间,即超声辐射场指超声能量的分布空间,即超声换能器所发射的声波到达的区域,接受超声换能器所发射的声波到达的区域,接受超声治疗与检测的区域均属超声场的部分。超声治疗与检测的区域均属超声场的部分。各种换能器辐射的超声场取决于换能器各种换能器辐射的超声场取决于换能器本身的特性、尺寸、形状等。
12、同时,超声波本身的特性、尺寸、形状等。同时,超声波在传播途径中与人体组织相互作用的结果,在传播途径中与人体组织相互作用的结果,亦影响超声场的分布。亦影响超声场的分布。PS:超声波的方向性超声波的方向性以常见的平面圆形换能器为例以常见的平面圆形换能器为例2.5超声多普勒超声多普勒什么是多普勒效应什么是多普勒效应?声源和接收者在弹性媒质中做相对运动声源和接收者在弹性媒质中做相对运动时,所接收到的声波频率都要发生变化,这时,所接收到的声波频率都要发生变化,这种由于声源和接收者相对运动而使接收频率种由于声源和接收者相对运动而使接收频率的现象,即多普勒效应。的现象,即多普勒效应。一、超声多普勒效应的基本
13、原理一、超声多普勒效应的基本原理(一)声源(发射器)(一)声源(发射器)T和接收者和接收者R在两者连在两者连线上运动线上运动1、VT=VR=0,T,R相对媒质均静止此时f=c/0=c/(c/f0)=f0即在单位时间内通过R的波长数等于接收的波长数,接收的等于f等于声源发射的f2、VT=0,VR0,声源静止,R以VR相对媒质运动(1)R靠近Tf=(c+VR)/0=(c+VR)/(c/f0)=(1+VR/c)f0显然,ff0,频率增加(2)同理,R以VR远离T,则f=(c-VR)/0=(c-VR)/(c/f0)=(1-VR/c)f0综合上述,f-f0=(VR/c)f0=fDfD即多普勒频移,“+”
14、表示T向R运动,“-”表示T离R运动3、VT0,VR=0(1)当T向R运动f=c/=c/(c-VT)f0f0即,R接收的频率大于声源T的频率(2)当T远离R运动f=c/=c/(c+VT)f0f0综合上述,D=(VT/c)0“+”表示T远离R运动,“-”表示T向R运动4、VT0,VR0综合2、3可得f=(cVR)/(c-+VT)f0(二)(二)T,R不在两者连线上运动不在两者连线上运动1、VT=0(1)R向T运动(2)R离T运动同理得综合二者,“+”表示R向T运动,“-”表示R离开T运动2、VR=0(1)T向R靠近(2)T远离R综合,得“+”表示T远离R运动(3)当)当T,R同时不在两者连线上运
15、动时同时不在两者连线上运动时综合(综合(1)()(2)得)得2.6超声成像超声成像一、概述一、概述用于医学诊断目的的大多数超声图象是用于医学诊断目的的大多数超声图象是由来自人体内部结构界面上的反射或回波所由来自人体内部结构界面上的反射或回波所形成的。反射脉冲或回波被换能器检测,换形成的。反射脉冲或回波被换能器检测,换能器将反射脉冲转换为电脉冲,然后经放大能器将反射脉冲转换为电脉冲,然后经放大并以适当的图象形式显示出来。并以适当的图象形式显示出来。二、回波脉冲振幅二、回波脉冲振幅换能器接收的振幅比离开它的时候小很换能器接收的振幅比离开它的时候小很多,可用两个原因说明:多,可用两个原因说明:1。衰
16、减。衰减2。界面反射、折射。界面反射、折射三、振幅显示(三、振幅显示(A型,型,AmplitudeModulation)(一)显示特性(一)显示特性1。振幅相对变化。振幅相对变化2。传播时间(距离)。传播时间(距离)(二)显示目的(二)显示目的表明各组织界面的位置及相对反射本领表明各组织界面的位置及相对反射本领2.7常用超声诊断仪原理常用超声诊断仪原理一、分类一、分类(一)按信息获取方式(一)按信息获取方式反射法超声诊断仪、透射法超声诊断仪、反射法超声诊断仪、透射法超声诊断仪、多普勒法超声诊断仪多普勒法超声诊断仪(二)按信息显示的(二)按信息显示的成像方式成像方式A型、型、B型、型、M型型(三
17、)按超声波束的扫描方式(三)按超声波束的扫描方式低速(手动扫描)、高速(机械线性、低速(手动扫描)、高速(机械线性、机械扇形、电子线性、电子扇形、相控阵扫机械扇形、电子线性、电子扇形、相控阵扫描等)描等)二、超声诊断的基础二、超声诊断的基础(一)反射法超声仪器(一)反射法超声仪器人体组织是不同声阻抗媒质的组合体人体组织是不同声阻抗媒质的组合体(二)多普勒超声诊断仪(二)多普勒超声诊断仪超声传播的多普勒效应超声传播的多普勒效应三、回波法探测的物理依据三、回波法探测的物理依据(一)脉冲反射波与媒质的特征声阻抗密切相(一)脉冲反射波与媒质的特征声阻抗密切相关,正常组织与病变组织特征声阻抗不同,关,正
18、常组织与病变组织特征声阻抗不同,这就可能这就可能从不同界面进行声反射,提供识别从不同界面进行声反射,提供识别病灶在空间占据范围的可能性。病灶在空间占据范围的可能性。(二)在可能传播超声的媒质中,(二)在可能传播超声的媒质中,存在声阻抗存在声阻抗突变处,可直接产生能够探测的回波。突变处,可直接产生能够探测的回波。(三)超声诊断仪直接获得的是(三)超声诊断仪直接获得的是声压信号声压信号(声(声振幅),超声探头对此信号极为灵敏,故由振幅),超声探头对此信号极为灵敏,故由此而产生的此而产生的图象信噪比很高图象信噪比很高,这是相对,这是相对X线线成像的优点之一。成像的优点之一。四、工作模式四、工作模式(
19、一)(一)A型超声型超声 A型(型(amplitudemode)超声诊断即超声诊断即超声示波诊断,亦即幅度调制型超声。它是超声示波诊断,亦即幅度调制型超声。它是利用超声波的反射特性来获得人体组织内的利用超声波的反射特性来获得人体组织内的有关信息,从而诊断疾病的。临床上常用此有关信息,从而诊断疾病的。临床上常用此法测量组织界面的距离、脏器的径线,探测法测量组织界面的距离、脏器的径线,探测肝、胆、脾、肾、子宫等脏器的大小和病变肝、胆、脾、肾、子宫等脏器的大小和病变范围,也用于眼科及颅脑疾病的探查。范围,也用于眼科及颅脑疾病的探查。A型超声原理型超声原理 现时,现时,A型超声的许多诊断项目已逐渐被型
20、超声的许多诊断项目已逐渐被B型超声所取代。然而它对于脑中线的探测、型超声所取代。然而它对于脑中线的探测、眼轴的测量、浆膜腔积液的诊断、肝脓肿的眼轴的测量、浆膜腔积液的诊断、肝脓肿的诊断以及穿刺引流定位等,由于其简便易行、诊断以及穿刺引流定位等,由于其简便易行、价廉,仍有不可忽视的实用价值。价廉,仍有不可忽视的实用价值。(二)(二)M型(型(motionmode)超声是辉度调制型中超声是辉度调制型中的一个特殊类型,主要用于心脏及大血管检查,的一个特殊类型,主要用于心脏及大血管检查,早期将之称为早期将之称为M型超声心动图(型超声心动图(M-ultrasoundcardiogram&echocard
21、iogram)。)。它是在辉度它是在辉度调制型中加入慢扫描锯齿波,使光点自左向右缓调制型中加入慢扫描锯齿波,使光点自左向右缓慢扫描。其纵坐标为扫描时间线,即超声的传播慢扫描。其纵坐标为扫描时间线,即超声的传播时间及被测结构的深度、位置;横坐标为光点慢时间及被测结构的深度、位置;横坐标为光点慢扫描时间。由于探头位置固定,心脏有规律地收扫描时间。由于探头位置固定,心脏有规律地收缩和舒张,心脏各层组织和探头间的距离便发生缩和舒张,心脏各层组织和探头间的距离便发生节律性的改变。节律性的改变。M型超声诊断仪原理与成像型超声诊断仪原理与成像 随着水平方向的慢扫描,便把心脏各随着水平方向的慢扫描,便把心脏各
22、层组织展开成曲线。所以它所描记的是声层组织展开成曲线。所以它所描记的是声束所经心脏各层组织结构的运动轨迹。根束所经心脏各层组织结构的运动轨迹。根据瓣膜的形态、厚度、反射强弱、活动速据瓣膜的形态、厚度、反射强弱、活动速度等改变,它可确诊二尖瓣狭窄、瓣膜赘度等改变,它可确诊二尖瓣狭窄、瓣膜赘生物、腱索断裂、心肌肥厚等病变。对心生物、腱索断裂、心肌肥厚等病变。对心房粘液瘤、附壁血栓及心包积液等诊断较房粘液瘤、附壁血栓及心包积液等诊断较准确。对先天性心脏病、瓣膜脱垂等可提准确。对先天性心脏病、瓣膜脱垂等可提供重要的诊断资料。与心电图及心机械图供重要的诊断资料。与心电图及心机械图配合则可测定多项心功能指
23、标。配合则可测定多项心功能指标。A、B、M型超声扫描的相关图形图像型超声扫描的相关图形图像在信号处理过程中,接收到的回波信在信号处理过程中,接收到的回波信号经检波后的视频信号可直接进行调辉显示,号经检波后的视频信号可直接进行调辉显示,也有经信号处理后,再送进行调辉显示的。也有经信号处理后,再送进行调辉显示的。前者由于有较大的带宽和动态范围,能显示前者由于有较大的带宽和动态范围,能显示更多的信息,因而图形层次比较丰富,但波更多的信息,因而图形层次比较丰富,但波形的连续性较差,伪信号也较多。后者由于形的连续性较差,伪信号也较多。后者由于经信号处理,提高了波形的连续性。经信号处理,提高了波形的连续性
24、。一般有一般有2种信号的处理方法:种信号的处理方法:(1)微分处理,即检波输出的信号,经微分取微分处理,即检波输出的信号,经微分取出相应界面的前沿信号,放大后进行调辉,出相应界面的前沿信号,放大后进行调辉,这样可得到光点较细的连续曲线,图像具有这样可得到光点较细的连续曲线,图像具有一定的层次感。一定的层次感。(2)微分放大后,经电路成形,输出一个统一微分放大后,经电路成形,输出一个统一幅度和宽度的脉冲进行调辉,可得到一亮度幅度和宽度的脉冲进行调辉,可得到一亮度均匀而又有好的连续性的回波曲线图。但没均匀而又有好的连续性的回波曲线图。但没有动态范围,不易区分界面的反射程度,这有动态范围,不易区分界
25、面的反射程度,这种方法只有亮暗种方法只有亮暗2种状态显示。种状态显示。(三)(三)B型(型(brightnessmodulation )超声,为辉)超声,为辉度调制型,其原理与度调制型,其原理与A型相型相同,其不同点有三:同,其不同点有三:它将它将回声脉冲电信号放大后送到回声脉冲电信号放大后送到显示器的阴极,使显示的亮显示器的阴极,使显示的亮度随信号的大小而变化;度随信号的大小而变化;B型超声发射的声束必经型超声发射的声束必经扫描,加在显示器垂直方向扫描,加在显示器垂直方向的时基扫描与声束同步,以的时基扫描与声束同步,以构成一幅二维切面声像图;构成一幅二维切面声像图;医生根据声像图所得之人医生
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