超声成像医学知识培训专家讲座.pptx
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1、第七章第七章 超声物理超声物理(Ultrasound US)1超声成像医学知识培训第1页l超声波:频率高于0赫声波l超声诊疗:(ultrasound diagnosis)是在当代电子学发展基础上,将雷达技术与超声原理相结合,并应用于临床医学诊疗方法。伴随电子技术发展,尤其是电子计算机技术应用于超声诊疗仪,使超声诊疗水平快速提升,并广泛应用于临床各个领域,包含肝、胆、脾胰、肾、膀胱、前列腺、颅脑、眼、甲状腺、乳腺、肾上腺、卵巢、子宫及产科领域、心脏等脏器及软组织部分疾病诊疗。概述2超声成像医学知识培训第2页超声检验是利用超声物理特征和人体器官组织声学性质上差异,以波形、曲线或图像形式显示和统计,
2、借以进行疾病诊疗检验方法。概述3超声成像医学知识培训第3页概述概述l 40年代初就已探索利用超声检验人体,50年代已研究、使用超声使器官组成超声层面图像,70年代初又发展了实时超声技术,可观察心脏及胎儿活动.4超声成像医学知识培训第4页概述概述 超声诊疗因为设备不似CT或MRI设备那样昂贵,可取得器官任意断面图像,还可观察运动器官活动情况,成像快,诊疗及时,无痛苦与危险,属于非损伤性检验,所以在临床上应用已普及,是医学影像学中主要组成部分。不足之处于于图像对比分辨力和空间分辨力不如CT和MRI高。5超声成像医学知识培训第5页6超声成像医学知识培训第6页7超声成像医学知识培训第7页8超声成像医学
3、知识培训第8页9超声成像医学知识培训第9页关键点关键点l超声基本概念l超声反射与折射l声波在介质中衰减规律l超声场l超声成像基本方法l超声诊疗仪l超声诊疗基础l超声诊疗仪类型l超声图像质量评定l超声多普勒成像原理l彩色多普勒血流成像l超声成像新发展10超声成像医学知识培训第10页第一节第一节 超声波物理基本性质超声波物理基本性质 1、超声波分类:(1)、按振动方式分:横波和纵波。在固体中声振动能够以纵波形式传输,能够以横波形式传输;在气体和液体中,因为介质没有切变弹性,声波只能以纵波形式传输;(2)、按频率高低分:低频超声(12.75MHz);中频(常规用,310MHz);高频超声(1220M
4、Hz);超高频超声(大于20MHz);(3)、按发射方式分:连续波与脉冲波。11超声成像医学知识培训第11页横波和纵波Return12超声成像医学知识培训第12页第一节第一节 超声波物理基本性质超声波物理基本性质 l2 2、声压、声压(sound pressure):超声在介质中传输时,介质密度将作周期性改变,从而引发该处瞬时压强P改变。把压强瞬时值P与无超声传输时压强值P0之差称为声压。声压随介质密度改变也作周期性改变。l连续超声波运动方程能够用余弦形式表示,即质点位移为:l对应声压数学表示式为 13超声成像医学知识培训第13页第一节第一节 超声波物理基本性质超声波物理基本性质 l3、声强(
5、sound intensity,I):声波强度,即在超声传输过程中单位时间内经过单位横截面积周期平均能量。或者说是能量密度与声传输速率乘积,即能流密度。所以,声波传输过程是以声速将声源能量传输出去过程。也能够用声压表示14超声成像医学知识培训第14页第一节第一节 超声波物理基本性质超声波物理基本性质 l4、声阻抗:它定义为声压与声振动速度之比声压与声振动速度之比,等于介质密度与超声在介质中传输速度乘积。声阻抗值普通为固体液体气体。l单位是瑞利(Rayleigh)(10-1kgm-2s-1)。l超声在密度均匀介质中传输,不产生反射和散射。当经过声阻抗不一样介质时,在两种介质交界面上产生反射与折射
6、或散射与绕射。15超声成像医学知识培训第15页介质密度(g/cm3)超声纵波速度(m/s)特征阻抗(105R*)测试频率(MHz)空气0.0012933320.0004292.9水0.993415231.5132.9血液1.05515701.6561.0软组织1.01615001.5241.0肌肉1.07415681.6841.0骨1.65838605.5711.0脂肪0.95514761.4101.0肝1.05015701.6481.0人体组织密度、声速、声阻人体组织密度、声速、声阻16超声成像医学知识培训第16页人体组织能够分成三大类:人体组织能够分成三大类:l低声阻低声阻气体或充气组织,
7、如肺部组织;l中等声阻中等声阻液体和软组织,如肌肉;l高阻抗高阻抗矿物组织,如骨骼。17超声成像医学知识培训第17页 三类组织声阻相差甚大,彼此之间不能传输声波。超声检测主要适合用于超声检测主要适合用于第二类组织第二类组织。在这类组织中,声阻抗相差不大,声速大致相等,又能够利用不一样类组织间声阻抗造成声波反射、散射来识别不一样软组织与器官形态和性质。这是超声成像及读片基本物理依据超声成像及读片基本物理依据。18超声成像医学知识培训第18页l1、超声反射与折射l2、超声散射与绕射l3、声束传输过程中能量守恒l4、声束经过介质薄层透射情况l5、耦合剂阻值第二节第二节 声波在介质中传输特征声波在介质
8、中传输特征 19超声成像医学知识培训第19页1、超声反射与折射、超声反射与折射(1)l反射、折射(透射):凡超声束所遇界面直径大于超声波波长(称大界面)且介质声阻抗在界面处发生突变时,产生反射与折射。l成角入射,反射角等于入射角,反射声束与入射声束方向相反。20超声成像医学知识培训第20页1、超声反射与折射、超声反射与折射(1)l垂直入射时,产生垂直反射与透射。反射声强取决于两介质声阻差异及入射角大小。垂直入射时,反射声强最大。反射声能愈强则折射或透射声能愈弱。l进入第二介质超声继续往前传输,遇不一样声阻抗介质时,再产生反射,依次类推,被检测物体密度越不均匀,界面越多,则产生反射也愈多。21超
9、声成像医学知识培训第21页1、超声反射与折射、超声反射与折射(2)l反射、折射发生时,界面两边声强、声压等物理量会发生改变,但超声在界面上超声在界面上声压连续,声压连续,法向速度也连续法向速度也连续。l所谓声压连续系指在界面两侧声压相等;l法向速度连续是指质点振动速度在垂直界面分量相等。l这两个连续条件是研究声波传输特征基本依据。22超声成像医学知识培训第22页1、超声反射与折射、超声反射与折射(3)23超声成像医学知识培训第23页1、超声反射与折射、超声反射与折射(4)l声压反射系数声压反射系数rp:反射声压和入射声压之比 l假定声波为纵波,其质点振动速度与声传输方向相同,依据声压连续和法向
10、速度连续并要求方向是向下为正,有 24超声成像医学知识培训第24页1、超声反射与折射、超声反射与折射(5)l当Z2Z1时,(比如声波从空气进入水中)rp1,即声波几乎全反射而不能透射。l当Z1Z2时,rp-1,这相当于产生全反射,且反射波与入射波位相突变,即半波损失。l假如Z1Z2,rp0,这时声波全部透射到第二种介质中。l假如Z1Z2,则反射系数rp0,反射波与入射波处于反相状态。25超声成像医学知识培训第25页1、超声反射与折射、超声反射与折射(6)l声强反射系数声强反射系数rI:反射声强与入射声强之比。26超声成像医学知识培训第26页1、超声反射与折射、超声反射与折射(7)l全反射:全反
11、射:声波由声阻较小介质进入声阻较大介质时,出现完全不能透射现象。l超声折射定律与光波折射定律相同,可用下式表示:l全反射临界角(折射角等于90度)l当C1C2时,入射角逐步增大,折射角也随之增大,设入射角到达b值时,折射角增大至90”;则入射角大干b值,超声就在介质分界面上全反射,b角称为全反射临界角.27超声成像医学知识培训第27页1、超声反射与折射、超声反射与折射(7)l在实际应用中,探头探测角度普通不超出24。这么既可确保信号强度损失不大,也能防止产生折射伪像,全反射现象也不易发生。28超声成像医学知识培训第28页1、超声反射与折射(、超声反射与折射(8)l声压透射系数tp 29超声成像
12、医学知识培训第29页1、超声反射与折射(、超声反射与折射(9)30超声成像医学知识培训第30页2、超声散射与绕射、超声散射与绕射(1)l超声在传输时,碰到与超声波波长近似或小于波长(小界面)介质时,产生散射与绕射。l散射为小介质向四面发散超声,又成为新声源。比如血液中红细胞,软组织中微细结构,肺部小气泡等可产生散射。l若障碍物直径小于超声波长1/2,超声绕过障碍物继续向前传输,称为绕射,在障碍物表面产生少许反射。31超声成像医学知识培训第31页2、超声散射与绕射(、超声散射与绕射(2)散射绕射32超声成像医学知识培训第32页声波碰到障碍物时发生现象声波碰到障碍物时发生现象 l声影声影(acou
13、stic shadowing)(acoustic shadowing)因为障碍物线度较大,声波不能完全经过障碍物,在障碍物之后,存在声波不能到达空间,称之为声影。声影在图像上声影在图像上表现为暗区,是探测不到盲区表现为暗区,是探测不到盲区。l波长相仿病灶探测不到波长相仿病灶探测不到 此时声波会完全绕过病灶,不形成显著反射回波,所以在图像上不会出不会出现病灶外轮廓图形,仅可存在反向散射现病灶外轮廓图形,仅可存在反向散射,由此能够判定病灶性质。如脂肪肝、男性肝脏、女性肝脏等。33超声成像医学知识培训第33页3、声束传输过程中能量守恒、声束传输过程中能量守恒 l强度不一定守恒:强度不一定守恒:超声在
14、入射到一个界面上时,不满足入射强度等于反射和透射强度之和简单关不满足入射强度等于反射和透射强度之和简单关系系,即强度不一定守恒。强度不一定守恒。l超声入射到一个界面上时,超声入射到一个界面上时,声通量是守恒声通量是守恒。l声通量声强(声通量声强(I)面积(面积(S)34超声成像医学知识培训第34页5、耦合剂、耦合剂(coupling gel)l耦合剂:用来代替空气,有利于声能经过物质。常采取液体或半液体状材料,比如石蜡和油类物质。超声经过情况相当于声束垂直经过介质薄层。超声经过情况相当于声束垂直经过介质薄层。l探头、耦合剂、被检体声阻抗值大小以及相互之探头、耦合剂、被检体声阻抗值大小以及相互之
15、间匹配程度决定超声透射效率。间匹配程度决定超声透射效率。35超声成像医学知识培训第35页第三节第三节 声波在介质中衰减规律声波在介质中衰减规律 l声波衰减(attenuation of sound wave):声波在介质中传输时,伴随传输距离增加,其声强逐步减弱现象。造成声波衰减主要原因有以下几个:l1扩散衰减:声波在空间传输中由能量分布改变造成衰减。如反射、折射、波阵面表面扩大造成单位截面积经过声能降低。造成单位截面积经过声能降低。36超声成像医学知识培训第36页声波衰减声波衰减l2散射衰减:声波与众多散射中心屡次相互作用,使部分声能转化为热能而散失掉。l3吸收衰减:本质是声能转变为其它形式
16、能量,包含热能及其它形式机械能等等。吸收机制有:粘滞吸收、热传导和热辐射吸收,驰豫吸收。37超声成像医学知识培训第37页吸收衰减规律吸收衰减规律 人体组织衰减与其组织中所含成份相关。通常含液者衰减甚低;实质性组织中随其含蛋白质百分数增高而衰减增大;蛋白质中又以胶原蛋白衰减最大;钙化体衰减更大,密质骨较钙化体更高。38超声成像医学知识培训第38页第四节第四节 超声多普勒成像超声多普勒成像l1、多普勒效应l2、多普勒超声信号采集和处理l3、基本工作过程l4、工作类型39超声成像医学知识培训第39页超声多普勒成像原理超声多普勒成像原理 超声多普勒技术超声多普勒技术(ultrosonic dopple
17、r technique)是研究和应用超声波由运动物是研究和应用超声波由运动物体反射或散射所产生多普勒效应一个技术体反射或散射所产生多普勒效应一个技术。它在医学临床诊疗中用于心脏、血管、血它在医学临床诊疗中用于心脏、血管、血流和胎儿心率诊疗流和胎儿心率诊疗,对应仪器有超声血流对应仪器有超声血流测量仪测量仪,超声胎心检测仪、超声血管显像超声胎心检测仪、超声血管显像仪以及超声血压计等仪以及超声血压计等。40超声成像医学知识培训第40页超声多普勒成像原理超声多普勒成像原理 当超声源与反射或散射目标之间存当超声源与反射或散射目标之间存在相对运动时在相对运动时,接收到回波信号将产生多接收到回波信号将产生多
18、普勒频移普勒频移,频移程度与相对运动速度幅值频移程度与相对运动速度幅值和方向相关和方向相关。在医用超声多普勒技术中在医用超声多普勒技术中,发射和接收换能器固定发射和接收换能器固定,由人体内运动目由人体内运动目标产生多普勒频移标产生多普勒频移,由此可确定运动速度由此可确定运动速度大小及方向及其在断层上分布大小及方向及其在断层上分布。41超声成像医学知识培训第41页一一.多普勒效应多普勒效应多普勒原理:多普勒原理:当声发射源与声接收器有相对运动当声发射源与声接收器有相对运动时时,或者在更复杂情况下或者在更复杂情况下,当声发射源、声接收器当声发射源、声接收器和传输介质有相对运动时和传输介质有相对运动
19、时,接收器所接收到声频接收器所接收到声频率与发射频率有所不一样率与发射频率有所不一样,这一现象称为多普勒这一现象称为多普勒效应效应.声源与接收器相对运动速度越大声源与接收器相对运动速度越大,频率改变频率改变量也越大量也越大.多普勒效应不是声波或超声波中所独有现象多普勒效应不是声波或超声波中所独有现象,全全部波动现象都含有多普勒效应部波动现象都含有多普勒效应.42超声成像医学知识培训第42页多普勒效应多普勒效应 如图所表示声源和接收器固定,在稳态介质中,入射声波频率、声速、波长分别是f0、c和i,(i)是入射波与运动目标速度矢量夹角。反射波与速度矢量夹角为r。因为声源与运动目标相对运动,从运动目
20、标上观察到入射声波速度为 43超声成像医学知识培训第43页l1、超声探头l2、超声场特征l3、声束聚焦第五节第五节 超声场超声场44超声成像医学知识培训第44页1、超声探头、超声探头 l尽管换能器形状不一样,但都是片状压都是片状压电材料电材料,而且其厚度为所用超声波半波而且其厚度为所用超声波半波长长。l超声探头材料选择,主要依据用途决定,是发射(transmission,T),还是接收(reception,R)。45超声成像医学知识培训第45页1、超声探头、超声探头l假如用作发射超声波发射超声波,应尽可能选择发射系数d大材料,如PZT-4PZT-4(锆钛酸铅)(锆钛酸铅)等。假如用作接收超声波
21、,应尽可能选择接收系数g大材料,如硫酸锂、PZT7A等。假如同时用来作发射和接收,应选择d与g乘积较大材料,普通采取PZT4型。而PZTPZT5A5A型惯用作脉冲超声波发射和接收型惯用作脉冲超声波发射和接收。l晶片薄厚决定着超声频率高低,晶片愈薄,频率晶片愈薄,频率愈高愈高。46超声成像医学知识培训第46页2 2、超声场特征(、超声场特征(1 1)l超声场:超声场:超声在介质内传输过程中,显著受到超声振动影响区域。l超声场含有以下特点:假如超声换能器超声换能器直径显著大于超声波波长直径显著大于超声波波长,则所发射超声波能量集中成束状向前传输,这现象称为超声束射性束射性(或称指向性)。47超声成
22、像医学知识培训第47页2 2、超声场特征(、超声场特征(1 1)l近场区近场区:换能器近侧超声波束宽度与声源直径相近似,平行而不扩散,近似平面波,该区域称近场区。近场区内声强分布不均匀。l远场区远场区:近场区以外声波以某一角度扩散,称远场区。48超声成像医学知识培训第48页2 2、超声场特征(、超声场特征(2 2)lL0=r2f/Cr2/,sin=1.22/D。式中L0为近场距离,r为换能器半径,f为频率,C为声速、为半扩散角、D为换能器直径,为超声波波长。近场距离声源直径 半扩散角 49超声成像医学知识培训第49页3、声束聚焦(、声束聚焦(1)l目标目标:使用声聚焦探头,能够减小声束宽度,提
23、升横向分辨力。l声透镜聚焦声透镜聚焦:超声束能够像光束一样,用透镜使之聚焦。因为在透镜材料(固体)中声速大于透镜外液体或人体织织中声速,所以用凹透镜实现聚焦。透镜材料声速传声介质声速凹面镜曲率半径 焦距 50超声成像医学知识培训第50页3、声束聚焦(、声束聚焦(2)l声反射镜聚焦声反射镜聚焦:射入平行声束经反射镜后,反射到抛物面,然后由抛物面聚焦在其焦点上。l曲面换能器曲面换能器:直接把压电晶片本身制成凹面形 51超声成像医学知识培训第51页血流信息获取血流信息获取血管血管VC探头探头V=血流速度血流速度 C=声速声速 cos=血流与探头血流与探头间夹角间夹角52超声成像医学知识培训第52页多
24、普勒效应多普勒效应声源与接收体之间相对运动引发声波频率发生改变现象,频率改变称为频移fdfd=f-f0=Vcosf0/c f0 为入射超声频率 f 为回声频率 V 为物体运动速度 C 为声速 cos为运动方向与声束方向间夹角 53超声成像医学知识培训第53页多普勒效应示意图多普勒效应示意图声源声源目标目标54超声成像医学知识培训第54页多普勒效应示例多普勒效应示例55超声成像医学知识培训第55页多普勒效应多普勒效应l当火车朝向你开来时,声音不停变强:离你而去时,声音逐步变弱。这种声音改变称为多普勒效应。l多普勒就是利用这种效应,在生物体内将探头发射超声后接收到红血球散射信息转换为血流图或频谱曲
25、线进行超声诊疗。56超声成像医学知识培训第56页血流信息获取血流信息获取l自探头向血管发射声束,此时血管内流动血流速度为VO。但假如探头与血流之间存在一夹角时,所得血流速度VO低于实际血流速度。为取得真实血流速度,必须进行COS校正,即仪器所得血流速度为校正后血流速度VCOS.57超声成像医学知识培训第57页血流信息获取血流信息获取lV=Velocity(血流速度)lC=Sound Speed(声速)lfd=Doppler Shift(频移数)lFo=Reference Frequency(探头频率)l利用上面公式可获取实际血流速度。l声速与血管平行时,可获取真实血流速度,当二者夹角达90度时
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