9超声成像.pptx

生物医学工程基础生物医学工程基础 常向荣 第二章第二章 医用超声诊断医用超声诊断超声治癌qHIFU超声治癌(HIFU)(HIFU)低功率超声诱导微泡试剂致肿瘤血管栓塞疗法q超声空化超声空化q产生空化效生空化效应需用高需用高强度超声度超声辐射，在有效射，在有效杀灭靶靶组织的同的同时也造成周也造成周围组织损伤，而无法，而无法将其引入血管栓塞治将其引入血管栓塞治疗。q研究表明，在研究表明，在组织中含有微泡中含有微泡试剂时，低，低剂量量超声即可超声即可产生生过去高功率去高功率单纯超声才能超声才能诱导的的声孔效声孔效应，可，可应用于加用于加强血栓的消融。血栓的消融。q东南大学附属中大医院的南大学附属中大医院的临床床实验表明表明仅用低用低功率的超声功率的超声辐射，即可使微泡射，即可使微泡产生空化生空化,破碎破碎微血管管壁和部分周微血管管壁和部分周围组织,激活内源或外源激活内源或外源 性凝血性凝血,诱发大面大面积毛毛细血管血栓形成血管血栓形成,阻断作阻断作用区域的直接血液供用区域的直接血液供给途径；途径；低声强刺激骨伤愈合低声强刺激骨伤愈合低声强刺激骨伤愈合低声强刺激骨伤愈合超声美容超声美容q超声波超声波对人体人体细胞的胞的微按摩、温微按摩、温热效效应。q改改变细胞膜的通透性胞膜的通透性q改善血液循改善血液循环q增增强药物透入物透入q3-4MHz CWq0.25-0.5W/cm2超声减肥q1992年年q超声去脂法巧妙地除去体内多余脂肪超超声去脂法巧妙地除去体内多余脂肪超声去脂的原理是利用探声去脂的原理是利用探头插入脂肪插入脂肪组织内，利用超声波的物理及化学特性，内，利用超声波的物理及化学特性，选择性地破坏脂肪性地破坏脂肪细胞，而胞，而对其中的血管、其中的血管、淋巴管及神淋巴管及神经组织不会造成任何不会造成任何损伤，然后通然后通过隐蔽的蔽的0.51.0厘米的皮肤小切厘米的皮肤小切口将破碎的液体脂肪析出体外。口将破碎的液体脂肪析出体外。超声减肥q1.皮下注射特制溶液皮下注射特制溶液.q2.超声作用超声作用(20-40KHz)超声减肥超声减肥3.3.排出油脂排出油脂超声减肥超声介入应用与解决方案超声诊断与介入治疗一体化技术超声诊断与介入治疗一体化技术q培育培育试管管婴儿儿q介入治介入治疗前列腺前列腺诊断与介入治断与介入治疗射射频消融消融肾囊囊肿的的诊断与穿刺治断与穿刺治疗肝肝脏的穿刺与活的穿刺与活检内内窥成像成像q神神经外科外科应用：超声导引抽汲卵子培育试管婴儿应用：超声导引抽汲卵子培育试管婴儿应用实例：超声引导前列腺种子植入治疗前应用实例：超声引导前列腺种子植入治疗前列腺癌列腺癌腹腔镜超声应用示例腹腔镜超声应用示例内窥成像应用的解决方案内窥成像应用的解决方案+正常肝包膜呈细线样回声，完整，光滑；右侧膈面呈圆顶形，肝下缘比较锐利。如果声学图像上肝脏外形显得特别饱满，局部隆起，或肝脏经线测量明显超过正常范围，应考虑肝肿大或有局部病变等正常肝脏实质呈中等水平比较均匀的点状回声正常肝脏实质呈中等水平比较均匀的点状回声弥散回声异常可见于脂肪肝，慢性肝炎，肝硬化等弥散回声异常可见于脂肪肝，慢性肝炎，肝硬化等局部性回声异常，见于囊肿、脓肿、血肿、肿瘤、局灶性增生等局部性回声异常，见于囊肿、脓肿、血肿、肿瘤、局灶性增生等人体组织的声学特征人体组织的声学特征无回声无回声 （无反射型）（无反射型）胆汁、尿液、血液胆汁、尿液、血液低回声低回声 （少反射型）（少反射型）肝、脾肝、脾强回声回声 （多反射型）（多反射型）血管壁、血管壁、结石石极极强回声（全反射型）回声（全反射型）肺、胃肺、胃肠道道回声类型回声类型肝肝胆汁胆汁胆囊壁胆囊壁2.2.2 声速声速超过人耳听阈上限的声波，即大于超过人耳听阈上限的声波，即大于20KHz的称为超声波的称为超声波（Ultrasonic wave)临床常用的超声波频率临床常用的超声波频率:210MHz声阻抗声阻抗：介质传播超声波能力的物理量，：介质传播超声波能力的物理量，是超声波检测的对象是超声波检测的对象介质 密度 超声传播速度 声阻抗 (g/cm3)(m/s)(kg/m2.s)空气 0.00129 332 42.9水 0.9934 1523 15130血液 1.055 1570 13530软组织 1.016 1500 15240肌肉 1.074 1568 16840肝 1.050 1570 14100骨 1.658 3860 55710在人体不同介质中传播时的声速和声阻抗2.2.2 声速声速q声速声速C表示超声波在某种介表示超声波在某种介质中的中的传播速度，播速度，即即单位位时间内内传播的距离，播的距离，单位位为米米/秒，它秒，它与介与介质的的弹性（性（K）和密度（）和密度（）有关，即）有关，即 ，而与超声波的而与超声波的频率无关率无关。声速在决定声阻。声速在决定声阻抗以及回声抗以及回声测距精度上是重要因素。超声在距精度上是重要因素。超声在人体不同正常人体不同正常组织中中传播的有关密度、声速播的有关密度、声速和声学特性阻抗如下表所示和声学特性阻抗如下表所示声学阻抗声学阻抗q声学特性阻抗声学特性阻抗 表征超声波在不同介表征超声波在不同介质中中传播播时的特征，用的特征，用Z表示，表示，单位位kg/(m2.s)，qz等于介等于介质的密度和超声在其中的密度和超声在其中传播速度播速度c的乘的乘积，即，即Zccq人体人体组织的的 密度密度 声速声速 声学特性阻抗声学特性阻抗组织的声学特性包括：组织的声学特性包括：声速、特性阻抗、衰减系数、声速、特性阻抗、衰减系数、背向散射系数背向散射系数2.2.3 超声在人体组织中的传播特性超声在人体组织中的传播特性 反射（Reflection）与折射（Refraction）发生：不同的声阻抗分界面（只要有生：不同的声阻抗分界面（只要有10/00的声阻抗差）的声阻抗差）界面厚度界面厚度远大于波大于波长超声诊断仪：利用人体组织对超声波的反射作超声诊断仪：利用人体组织对超声波的反射作 用，从声反射波种提取医学诊断信息用，从声反射波种提取医学诊断信息注意注意：超声不适于检查肺、骨等于周围软组织：超声不适于检查肺、骨等于周围软组织 声阻抗差别大的脏器声阻抗差别大的脏器 也不适于检查无声阻抗差的脏器也不适于检查无声阻抗差的脏器超声波的传播特性超声波的传播特性绕射（绕射（Diffraction)当障碍物的直径略小于波长时，超声波绕过该障碍物继当障碍物的直径略小于波长时，超声波绕过该障碍物继续前进，如图所示。续前进，如图所示。所以，波长越小，能发现的障碍物越小，分辨力越高。波长小，频率高，对组织的穿透能力差 折射（折射（Refraction）1 超声波的传播特性超声波的传播特性散射（散射（scattering）当障碍物的直径远小于波长时，将有一部分能量被当障碍物的直径远小于波长时，将有一部分能量被散射，散射源作为一个新的发射源向各个方向发射超声波。散射，散射源作为一个新的发射源向各个方向发射超声波。红细胞是血流中主要的散射体，红细胞是血流中主要的散射体，红细胞的背向散射是彩色血流红细胞的背向散射是彩色血流多普勒探测的基础多普勒探测的基础。声学频谱范围及应用声学频谱范围及应用q应用于治用于治疗和清洗的和清洗的频率范率范围在在202000KHz高高强度超声聚焦治度超声聚焦治疗仪采用采用1MHz 左右的左右的频率率q用于用于临床床诊断的超声治断的超声治疗频率范率范围：160MHz1.3.53.55MHz5MHz的频率用于成人心脏及腹部成像。这些频率通的频率用于成人心脏及腹部成像。这些频率通常能穿透组织常能穿透组织202015cm15cm的深度。的深度。2.2.7 710MHz10MHz用于小器官的成像，如甲状腺、乳腺、眼睛用于小器官的成像，如甲状腺、乳腺、眼睛显像，通常达显像，通常达5 54cm4cm的穿运深度。的穿运深度。3.3.在在101040 MHz40 MHz的高频范围内已应用于皮肤成像及血管的高频范围内已应用于皮肤成像及血管成像系统。成像系统。4.4.在在404060 MHz60 MHz的频率范围内，则用于生物显微镜成像，的频率范围内，则用于生物显微镜成像，对眼睛活组织表面下显微镜诊断结果，可显示用其他非侵对眼睛活组织表面下显微镜诊断结果，可显示用其他非侵入的方法无法获得的信息。入的方法无法获得的信息。5.5.超过超过100 MHz100 MHz的频率范围称为超高频。同样有各种应的频率范围称为超高频。同样有各种应用价值，但目前没有在临床上应用。用价值，但目前没有在临床上应用。超声波的分辨力和穿透力超声波的分辨力和穿透力（一）分辨力（一）分辨力能在能在荧光屏上被光屏上被显示示为两个点两个点的最小的最小间距的能力距的能力1.轴向分辨力向分辨力前后两点的距离前后两点的距离由衍射定理可知决定，最大理由衍射定理可知决定，最大理论分辨力分辨力为/2/2，例如，例如，3MHz3MHz的超声波在人体的超声波在人体软组织中的波中的波长为0.5mm0.5mm，则最最大理大理论分辨力分辨力为0.25mm0.25mm注意，由于注意，由于显示器分辨力的限示器分辨力的限制，制，实际分辨力是理分辨力是理论分辨分辨力的力的1/51/51/81/8。2.侧向分辨力侧向分辨力q与声束与声束 相垂直的直相垂直的直线上，能在上，能在荧光屏上被分光屏上被分别显示的两点示的两点间的距的距离离q与声束与声束宽度有关度有关声束直径小于亮点的距离声束直径小于亮点的距离时，两点可以分，两点可以分别显示出来示出来声束的直径大于两点之声束的直径大于两点之间的距离的距离时，则两个物体在两个物体在荧光屏上光屏上变为一一点点侧向分辨力差的超声向分辨力差的超声设备，使得不在同一条直，使得不在同一条直线上的周上的周围结构同构同时显示出来，使示出来，使单层结构构变为多多层结构，构，对观察察诊断断图像增加了一些像增加了一些困困难侧向分辨力与向分辨力与带你子聚焦有关你子聚焦有关分辨率分辨率q分辨率与分辨力的关系，不同文献与分辨率与分辨力的关系，不同文献与书籍的提法不同籍的提法不同与分辨力的定与分辨力的定义基本一致基本一致定定义一：能分辨最小距离的倒数一：能分辨最小距离的倒数定定义二：声二：声场内一个点目内一个点目标在在显示器上所呈示器上所呈现图像尺寸的倒数像尺寸的倒数（二）分辨力的测量（二）分辨力的测量q通常采用生物模通常采用生物模块来来测量超声波的量超声波的轴向向和和侧向分辨力向分辨力（三）穿透力（三）穿透力q分辨力和穿透力相矛盾分辨力和穿透力相矛盾q假定衰减系数假定衰减系数为0.5dB/(cm.MHz）则不同不同频率下的衰减情况率下的衰减情况为：探测频率的选择探测频率的选择衰减系数的不同衰减系数的不同探探测深度的不同深度的不同分辨率的要求分辨率的要求q腹部心腹部心脏和神和神经研究学中：研究学中：24MHz波长：波长：0.80.4mm，最大穿透深度为，最大穿透深度为200100mmq探探测血管和血管和细小部分：小部分：35MHz波长波长0.50.3mm，穿透深度：，穿透深度：10050mmq眼科探眼科探查：820MHz波长波长0.20.1mm，穿透深度，穿透深度4020mmq颅骨骨对超声衰减大：超声衰减大：11.2MHz3、超声的生物效应、超声的生物效应q 一定一定强度的超声（度的超声（辐照照强度和度和辐照照时间）在）在生物体系中生物体系中传播播时，通，通过他他们之之间的相互作的相互作用机制致使生物体系的功能和用机制致使生物体系的功能和结构构发生生变化化1.空化作用空化作用 在在强超声超声传播播时，会出，会出现一种一种类似似雾状的气泡，此种状的气泡，此种现象称象称为超声空化作用超声空化作用研究表明：只要液体中含有直径研究表明：只要液体中含有直径为几微米的几微米的稳定气泡，定气泡，在声在声强0.3W/cm2，即会，即会产生空化反生空化反应稳定空化定空化结果使振果使振荡周周围液体液体产生湍流和相生湍流和相应的粘滞的粘滞应力，从而力，从而使附近存在的生物使附近存在的生物细胞收到胞收到扰动乃至乃至损伤。即使不含即使不含稳定气泡的液体，在声定气泡的液体，在声强大于大于0.7W/cm2时即可即可发生瞬生瞬态空化空化热作用热作用q 生物生物组织在超声机械能作用下，由于黏滞吸收，在超声机械能作用下，由于黏滞吸收，将一部分超声能将一部分超声能转化成化成热能，使生物能，使生物组织的温的温度升高度升高当超声辐射达到治疗剂量的强度时，热作用明显，并能使热量深入当超声辐射达到治疗剂量的强度时，热作用明显，并能使热量深入人体组织器官，甚至还会随着学业传导热能，在用超声进行治疗中，人体组织器官，甚至还会随着学业传导热能，在用超声进行治疗中，频率为频率为800KHz、剂量为、剂量为4W/cm2的照射的照射20s后，会在组织器官后，会在组织器官0.20.3cm的深处产生热作用，从而起到治疗效果，高强度聚焦超声的深处产生热作用，从而起到治疗效果，高强度聚焦超声（HIFU）在临床中用于对癌症的治疗，其聚焦部位组织内温度瞬间）在临床中用于对癌症的治疗，其聚焦部位组织内温度瞬间上升到上升到65度以上，可使靶向病变组织瞬间凝固坏死，达到切除病变度以上，可使靶向病变组织瞬间凝固坏死，达到切除病变组织的目的组织的目的化学作用化学作用q主要是氧化和主要是氧化和还原作用，由超声所形成原作用，由超声所形成的乳的乳浊液是一种特殊的化学作用，在高液是一种特殊的化学作用，在高剂量超声情况下，因超声的化学作用量超声情况下，因超声的化学作用还会破坏有机会破坏有机结构的蛋白构的蛋白质，然而，然而诊断断剂量的超声不会引起化学作用量的超声不会引起化学作用超声诊断的安全因素超声诊断的安全因素q主要参数主要参数空空间峰峰值时间平均声平均声强Ispta空空间峰峰值脉冲平均声脉冲平均声强Isppa真真实声束声声束声强Iohq规定：定：美国医用超声学会美国医用超声学会1987年年12月月发表声明，低于表声明，低于MHz频段的超声波，只要非聚焦超声波段的超声波，只要非聚焦超声波Ispta100 mW/cm2，就不会，就不会对人人类活体活体组织产生明生明显的生物的生物效效应国国际电工委工委员会会57IEC1192也作出也作出规定，用于定，用于诊断的超声波声断的超声波声强为：Ioh20mW/cm2Isptac0c2介质中各点的传播速度不同导致声波传播过程中介质中各点的传播速度不同导致声波传播过程中形态上发生轻微的变化：波峰变尖，这就意味着形态上发生轻微的变化：波峰变尖，这就意味着谐波频率的产生，代表较高的谐波频率。谐波频率的产生，代表较高的谐波频率。二次谐波的接收二次谐波的接收q二次二次谐波接收是提取波接收是提取2f0的的谐波信号波信号q在在实际操作中，基波操作中，基波频率的高率的高频成分，成分，与与谐波波频率的低率的低频成分往往有重叠，若成分往往有重叠，若分离不当，将有基波信息干涉分离不当，将有基波信息干涉图像像三、谐波成像的相关问题三、谐波成像的相关问题q谐波成像与波成像与图像像质量量消除近程消除近程伪像干像干扰表层腹壁或接近腹壁的反射和散射会产生超声伪像，但这些伪像表层腹壁或接近腹壁的反射和散射会产生超声伪像，但这些伪像基波反射强，当采用谐波成像时，近程的伪像大部分被消除基波反射强，当采用谐波成像时，近程的伪像大部分被消除基波声束旁瓣会产生明显的伪像，而二次谐波声束能量与中心声基波声束旁瓣会产生明显的伪像，而二次谐波声束能量与中心声束的能量相比成反比例降低，即使接收到的二次谐波信号强度放束的能量相比成反比例降低，即使接收到的二次谐波信号强度放大到与基波相当时，二次谐波的旁瓣仍然比基波低很多，在二次大到与基波相当时，二次谐波的旁瓣仍然比基波低很多，在二次谐波成像时，能明显地消除声束旁瓣伪像并使主瓣变细谐波成像时，能明显地消除声束旁瓣伪像并使主瓣变细超声旁瓣引起的伪像超声旁瓣引起的伪像在膀胱纵断声图像上，骶骨胛、肠管气体常引起旁瓣伪像，在膀胱纵断声图像上，骶骨胛、肠管气体常引起旁瓣伪像，充盈的胆囊，膀胱和囊肿的后壁，常见模糊的低回声，有充盈的胆囊，膀胱和囊肿的后壁，常见模糊的低回声，有时很像腔内的时很像腔内的“沉积物沉积物”，均属旁瓣伪像，均属旁瓣伪像二次谐波成像的类型二次谐波成像的类型谐波成像的临床应用谐波成像的临床应用q主要作用：提高回波信号的信噪比，主要作用：提高回波信号的信噪比，q谐波成像通波成像通过改善改善组织的的对比分辨力、空比分辨力、空间分分辨力、消除近程辨力、消除近程伪像来提高像来提高图像的清晰度像的清晰度q主要用在：主要用在：心血管和腹部方面的疾病心血管和腹部方面的疾病诊断断增强心肌和心内膜显示增强心肌和心内膜显示增强对细微病变的分辨力，了解心内血流状态增强对细微病变的分辨力，了解心内血流状态清晰显示血栓的轮廓及腹腔内深部血管的病变边界清晰显示血栓的轮廓及腹腔内深部血管的病变边界增强心腔内超声造影剂回声信息增强心腔内超声造影剂回声信息清晰显示腹部、肝、肾、胰腺局限性占位性病变清晰显示腹部、肝、肾、胰腺局限性占位性病变清晰显示腹部含液性脏器病变及囊性病变的内部回声清晰显示腹部含液性脏器病变及囊性病变的内部回声对评估估现象困象困难的病人病的病人病变区域及区域及边界及混合性界及混合性肿物的判断有明物的判断有明显的改善，但的改善，但谐波波对显像良好的病人像良好的病人可能使可能使图像像质量退化量退化一一 超声造影原理超声造影原理q为什么需要超声造影什么需要超声造影血液中血液中红细胞的散射回声低，是胞的散射回声低，是软组织的的1/100001/1000倍，因此血液常表倍，因此血液常表现为“无无回声回声”在二在二维超声成像超声成像时心腔内膜心腔内膜边界通常容易界通常容易识别，但由于探，但由于探头与与胸腔之胸腔之间存在混响，使血流内出存在混响，使血流内出现虚假回声虚假回声等。等。为了使血液在心腔内（尤其是小血管内）易了使血液在心腔内（尤其是小血管内）易于于显示，有必要使用超声造影示，有必要使用超声造影剂，增，增强血液血液回声回声强度度超声造影的原理超声造影的原理q超声波的反射、散射超声波的反射、散射 超声波在人体内超声波在人体内传播播获得回声信息，其得回声信息，其强弱程度取决于：弱程度取决于：组织对超声波的吸收。超声波的吸收。反射反射强度。度。散射散射强度。散射是反射的一种特殊度。散射是反射的一种特殊类型。超声波在型。超声波在介介质中中传播播时，如遇上小于波，如遇上小于波长的界面就将的界面就将发生散生散射，而散射的射，而散射的强度又与下列因素有关：度又与下列因素有关：散射体的密度，散射体的密度，散射体的组成成分，其决定声阻抗差。散射体的组成成分，其决定声阻抗差。散射体的大小。散射体的大小。散射体的可压缩性，即弹性。散射体的可压缩性，即弹性。超声频率。但就散射体而言，前两个因素是决定散射强弱超声频率。但就散射体而言，前两个因素是决定散射强弱的主要因素。的主要因素。