1、第3讲 医学超声成像技术,南方医科大学 医学工程系 卢广文,2018/9/15,医学超声仪器原理讲义,2,主要内容,超声成像基本原理超声回波法 医学超声设备的分类 超声诊断仪的主要参数,超声成像基本原理 超声回波法,2018/9/15,医学超声仪器原理讲义,4,超声回波法,把几兆赫至几十兆赫的高频声脉冲发射到生物体内，再接收反射波（回波），这种方法称为超声脉冲回波法。 脉冲宽度：几微秒 脉冲间隔：几百微秒（接收放大器处理回波的时间） 脉冲回波法最早较早是应用于雷达和声纳。 回波时间 t、探测距离 L 的关系，c 为声速,2018/9/15,医学超声仪器原理讲义,5,2018/9/15,医学超声
2、仪器原理讲义,6,2018/9/15,医学超声仪器原理讲义,7,超声回波法示意图,2018/9/15,医学超声仪器原理讲义,8,仪器基本框图,发射通道：时钟电路（同步脉冲发生器）、发射器（高频脉冲发生器）、换能器（探头） 接收通道：接收换能器、射频放大器（RFA）、检波及抑制电路、视频放大器（UFA）,2 医学超声设备的分类,2018/9/15,医学超声仪器原理讲义,10,A型超声,A型超声诊断仪因其回声显示采用幅度调制(Amplitude Modulation)而得名。 A型显示是超声诊断仪最基本的一种显示方式，即在阴极射线管(CRT)荧光屏上，以横坐标代表被探测物体的深度，纵坐标代表回波脉
3、冲的幅度，故由探头(换能器)定点发射获得回波所在的位置可测得人体脏器的厚度、病灶在人体组织中的深度以及病灶的大小。 根据回波的其他一些特征，如波幅和波密度等，还可在一定程度上对病灶进行定性分析。,2018/9/15,医学超声仪器原理讲义,11,2018/9/15,医学超声仪器原理讲义,12,由于A型显示的回波图，只能反映局部组织的回波信息，不能获得在临床诊断上需要的解剖图形，且诊断的准确性与操作医师的识图经验关系很大，因此其应用价值已渐见低落，即使在国内，A型超声诊断仪也很少生产和使用了。,2018/9/15,医学超声仪器原理讲义,13,M型超声,M型超声成像诊断仪适用于对运动脏器，如心脏的探
4、查。由于其显示的影像是由运动回波信号对显示器扫描线实行辉度调制，并按时间顺序展开而获得一维空间多点运动时序（motion-time）图，故称之为M型超声成像诊断仪，其所得的图像也叫做超声心动图。,2018/9/15,医学超声仪器原理讲义,14,2018/9/15,医学超声仪器原理讲义,15,2018/9/15,医学超声仪器原理讲义,16,M型超声诊断仪发射和接收工作原理与A型有些相似，不同的是其显示方式。对于运动脏器，由于各界面反射回波的位置及信号大小是随时间而变化的，如果仍用幅度调制的A型显示方式进行显示，所显示波形会随时间而改变，得不到稳定的波形图。 因此，M型超声诊断仪采用辉度调制的方法
5、，使深度方向所有界面反射回波用亮点形式在显示器垂直扫描线上显示出来，随着脏器的运动，垂直扫描线上的各点将发生位置上的变动，定时地采样这些回波并使之按时间先后逐行在屏上显示出来。 图中可以看出，由于脏器的运动变化，活动曲线的间隔亦随之发生变化，如果脏器中某一界面是静止的，活动曲线将变为水平直线。,2018/9/15,医学超声仪器原理讲义,17,2018/9/15,医学超声仪器原理讲义,18,M型超声诊断仪对人体中的运动脏器，如心脏、胎儿胎心、动脉血管等功能的检查具有优势，并可进行多种心功能参数的测量，如心脏瓣膜的运动速度、加速度等。但M型显示仍不能获得解剖图像，它不适用于对静态脏器的诊查。,20
6、18/9/15,医学超声仪器原理讲义,19,B型超声,为了获得人体组织和脏器解剖影像，继A型超声诊断仪应用于临床之后，B型、P型、BP型、C型和F型超声成像仪又先后问世，由于它们的一个共同特点是实现了对人体组织和脏器的断层显示，通常将这类仪器称为超声断层扫描诊断仪。 虽然B型超声成像诊断仪因其成像方式采用辉度调制(Brightness Modulation)而得名，其影像所显示的却是人体组织或脏器的二维超声断层图(或称剖面图)，对于运动脏器，还可实现实时动态显示。,2018/9/15,医学超声仪器原理讲义,20,2018/9/15,医学超声仪器原理讲义,21,2018/9/15,医学超声仪器原
7、理讲义,22,C型超声,C 型扫查，又称C型显示，“特定深度扫查”(constant depth mode)。 与B型扫查一样都是辉度调制的二维切面象显示方式，所不同的是 B 型扫查所获得的是超声波束扫查平面本身的切面象，即纵向切面象。 可惜由于 C 型扫查的灵敏度较低，显象速度不易提高，使 C 型扫查技术的发展受到限制。,2018/9/15,医学超声仪器原理讲义,23,2018/9/15,医学超声仪器原理讲义,24,2018/9/15,医学超声仪器原理讲义,25,D型超声,D型超声成像诊断仪也即超声多普勒诊断仪，它是利用声学多普勒原理，对运动中的脏器和血液所反射回波的多普勒频移信号进行检测并
8、处理，转换成声音、波形、色彩和辉度等信号，从而显示出人体内部器官的运动状态。 超声多普勒诊断仪主要分为3种类型： 即连续式超声多普勒(continuous wave doppler)成像诊断仪 脉冲式超声多普勒(pulsed wave doppler)成像诊断仪 实时二维彩色超声多普勒血流成像(color doppler flow image)诊断仪。,2018/9/15,医学超声仪器原理讲义,26,F型超声,F型扫查，又称F型显示。它与C型扫进原理上是相似的。 区别仅在于：在扫查一幅图像的过程中， C 型扫查平面距探头的深度是不变的，而 F 型扫查面距探头的深度是一变量，不是一个常量。 根据
9、成像需要可作相应变动，从而可获得斜面、曲面的 F 型图像,2018/9/15,医学超声仪器原理讲义,27,2018/9/15,医学超声仪器原理讲义,28,P型超声,又称 P 型显示，它可视为一种持殊的 B 型显示，超声换能器置于圆周的中心，径向旋转扫查线与显示器上的径向扫描线作同步的旋转。主要适用于对肛门、直肠内肿瘤、食道癌及子宫颈癌的检查，亦可用于对尿道、膀胱的检查。 P 型超声诊断仪所使用的探头称为径向扫描探头，如尿道探头，直肠探头都属于径向扫描探头。扫描时探头置于体腔内，如食道、胃或直肠等。,2018/9/15,医学超声仪器原理讲义,29,2018/9/15,医学超声仪器原理讲义,30,
10、3 超声诊断仪的主要参数,2018/9/15,医学超声仪器原理讲义,32,主要参数,表征超声诊断仪性能的参数，从大的方面可分为三类，这就是： 声系统参数 图像特性参数 电气特性参数 在众多的参数中，我们只讨论其中几个主要参数。,2018/9/15,医学超声仪器原理讲义,33,声系统参数：,声输出的强度、总功率等； 超声场的时频特性，如波型、持续时间、脉冲重复频率、脉冲形状、频率、脉冲带宽等； 声场分布特性，如换能器类型、波束形状、聚焦特性、景深等。,2018/9/15,医学超声仪器原理讲义,34,图像特性参数：,分辨力； 位置记录精度； 深度测量精度； 帧频； 存贮器的容量； 图像处理能力。,
11、2018/9/15,医学超声仪器原理讲义,35,电气特性参数：,灵敏度； 增益及TGC指标； 压缩特性及动态范围； 显示器的动态范围； 系统的带宽等。,几个主要参数,2018/9/15,医学超声仪器原理讲义,37,动态范围,显示信号的最大水平与最小水平的比称为动态范围(Dynamic Range, DR)， DR描述了信号幅度变化的大小，一般用分贝dB值表示。,式中：Umax信号最大值，Umin 信号最小值,2018/9/15,医学超声仪器原理讲义,38,生物组织的声界面特性，组织吸收（超声衰减）特性及探测深度决定了信号的动态范围 因此动态范围DR通常由两个部分组成： 声界面特性（声阻抗差）所
12、确定的信号幅度变化（SDR） 超声在组织传播过程中衰减所引起的信号幅度变化，超声传播衰减取决于组织特性（超声衰减系数）与传播距离（L） 由此超声回波总动态范围可写为： DR = 2L + SDR,2018/9/15,医学超声仪器原理讲义,39,对动态范围的影响因素 超声在生物组织中传播所产生的全部回波； 超声发射功率、接受放大器的等效输入噪声； 终端显示装置的动态范围； 动态压缩方法 时间增益控制补偿传输衰减 幅度增益控制使有用信号相对压缩,2018/9/15,医学超声仪器原理讲义,40,线形范围,线性范围，一般指的是仪器中放大器线性范围，它给出放大器输入信号和输出信号之间成线性关系的区域。即
13、 Uo = KUi 线性关系也用分贝值来表示,式中：Umax信号最大值，Umin 信号最小值，可见线性放大器的线性范围即是动态范围,2018/9/15,医学超声仪器原理讲义,41,2018/9/15,医学超声仪器原理讲义,42,当输出信号的最大幅度保持不变时，输入信号的线性范围将随着 K 值的减小而增大。,2018/9/15,医学超声仪器原理讲义,43,分辨率,分辨力指成像系统能分辨空间尺寸的能力，即能把两点区分开来的最短距离。 超声显像仪的分辨力是衡量其质量好坏的最重要的指标，分辨力越高，越能显示出脏器的细小结构。,2018/9/15,医学超声仪器原理讲义,44,2018/9/15,医学超声
14、仪器原理讲义,45,超声成像的分辨力有横向分辨力和纵向分辨力之分。 前者是指垂直于超声脉冲束方向上的分辨力，后者是沿波束轴方向上的分辨力。 这两种分辨力的大小差别很大，纵向分辨力总是优于横向分辨力。而且，垂直于波束轴的两个维上的横向分辨力也往往不同。 影响横向分辨力和纵向分辨力的因素各不相同，,2018/9/15,医学超声仪器原理讲义,46,横向分辨力 又称侧向分辨力，它表示区分处于声束轴垂直的平面上的两个物体的能力。 超声波束直径尺寸直接影响横向分辨力，波束直径越细，能分辨的尺度越小，横向分辨力越高。,2018/9/15,医学超声仪器原理讲义,47,影响横向分辨率的因素 显示荧光点尺寸的影响
15、 波束直径尺寸的影响 动态范围的影响,2018/9/15,医学超声仪器原理讲义,48,2018/9/15,医学超声仪器原理讲义,49,2018/9/15,医学超声仪器原理讲义,50,仪器的图像质量主要取决于横向分辨力。横向分辨力好，图像细腻，小结构就能显示清楚。 横向分辨力主要由换能器的尺寸、形状、发射频率、聚焦等因素决定。 当显示屏光点尺寸较大时，也会影响横向分辨力。 此外，随着深度的增加，脉冲频谱中的各种频率成分的衰减情况也不同，这个因素也潜在地影响着横向分辨力。 现代化的显像仪横向分辨力可优于2mm。,2018/9/15,医学超声仪器原理讲义,51,纵向分辨力 又称轴向分辨力或距离分辨力
16、，表示在声束轴线方向上对相邻两回声点的分辨力。 纵向分辨力与发射超声频率有关，因为声波的纵向分辨力理论极限为声波的半波长。频率越高，波长越短。 纵向分辨力与超声脉冲的持续时间有关，脉冲持续时间越短，即脉冲越窄，纵向分辨力越高。 超声脉冲持续时间与发射电脉冲宽度及换能器阻尼有关。,2018/9/15,医学超声仪器原理讲义,52,影响纵向分辨率的因素 脉冲宽度的影响 增益大小的影响,2018/9/15,医学超声仪器原理讲义,53,2018/9/15,医学超声仪器原理讲义,54,2018/9/15,医学超声仪器原理讲义,55,色散吸收对横向、纵向分辨率的影响 吸收与频率的关系频率越高，吸收越强； 频
17、谱中心向低频偏移； 波束变宽； 前沿变坏；,2018/9/15,医学超声仪器原理讲义,56,理想的情况下，工作频率越高，分辨率越高； 生物组织的平均衰减系数接近1dB/cmMHz； 频率3MHz深度20 cm衰减60dB，94% 频率10MHz深度20 cm衰减200dB，99.5% 在大多数情况下，最佳工作频率就是超声波穿透深度不超过200个波长时就能达到被探测脏器的那个频率； 例如：频率为3MHz时，波长是0.51mm它能够形成102mm深处组织的良好图像。,2018/9/15,医学超声仪器原理讲义,57,带宽,2018/9/15,医学超声仪器原理讲义,58,工作频率,超声诊断仪的工作频率
18、，根据两个方面因素作最佳的选择。 首先，从分辨力的角度说，增高频率，可以改善分辨力。频率越高，波长越短，则波束的指向性越好（近场距离大，而发散角小），横向和纵向分辨力都能提高。 其次，从穿透深度的角度来看，工作频率越高，则衰减成正比地增加，必然使探测深度减小。若要求较大的穿透深度，就得取较低的工作频率。,2018/9/15,医学超声仪器原理讲义,59,因此，在设计中不得不在工作深度与频率之间取合理的折衷。 比如眼科应用中，所要求深度小，可以用高频率以提高分辨力，一般用10MHz。而要穿透较大深度（如腹腔）时，则只能取较低工作频率。 通用B型超声诊断仪的工作频率一般在3.5MHz，有些诊断仪配有
19、多种不同频率的探头以满足不同检查深度的需要。,2018/9/15,医学超声仪器原理讲义,60,常用超声诊断仪的超声频率；,2018/9/15,医学超声仪器原理讲义,61,作用距离（穿透深度）,指仪器发射的超声波束可以穿透并能显示出回声图像的被测介质深度。 超声医学成像系统的作用距离，通常要满足处于相当深度上的各种器官的成像需要，如腹部成像就需要有20cm的工作距离，而用于眼球的深度为10cm。 影响作用距离的主要因素是脉冲信号在传播途中的衰减，这是由于组织的吸收、反射、折射、散射等原因引起的。,2018/9/15,医学超声仪器原理讲义,62,要提高仪器的探测深度，有三个方面的途径。 降低工作频
20、率。但降低工作频率，则分辨力也随之降低，这是一个限制。 提高接收机的灵敏度和扩大动态范围，使能接收较远距离的微弱的反射信号，但这要受到换能器噪声的限制，信噪比极限对诊断超声的最大穿透深度上的限制为300个波长左右。 加大发射功率，使远距离的微小声阻抗差也能产生较强反射，从而使更远距离的病灶也能被探测到，但要考虑安全剂量的限制。 考虑到各方面的指标，应合理选取作用距离。,2018/9/15,医学超声仪器原理讲义,63,脉冲重复频率,指脉冲工作方式超声仪器每秒钟重复发射超声脉冲的次数，即探头激励脉冲的频率。,2018/9/15,医学超声仪器原理讲义,64,重复频率主要取决于所需探测的最大深度以及扫
21、描的回扫时间。 设最大深度 L=20cm，超声速度 c=1540/s，则探测最大深度所需时间为 2L/c，最大重复频率为：,2018/9/15,医学超声仪器原理讲义,65,重复频率过高，会造成多重界面的重复反射而互相干扰，使回波图形混乱和模糊。 通常选用频率在502000Hz之间。M型超声多采用1000次/s，脉冲持续时间1.5 微秒。 断层显像仪为了提高帧频，选用3000Hz,2018/9/15,医学超声仪器原理讲义,66,帧频,成像系统每秒钟可以成像的帧数称为帧频。 动画显示：画面帧频必须达到一定的数目 电视 - 30帧/秒 电影 - 24帧/秒 通常帧频 10帧/秒，为实时成像系统；帧频
22、 10帧/秒，为静止成像系统。,2018/9/15,医学超声仪器原理讲义,67,超声波在生物体内往复的时间 如果把诊断的深度定为15cm的话，则 0.15 (m) 2/1540 (m/s)=1/5133 s(每秒可接收5133次超声波发送/接收信号)，假设生物体内声波的速度为 1540 m/s 如果每秒钟发出5133束超声波束的话，则 每一幅图像均可从100束超声波得到：5133/100=51帧/秒，因此，速度比电视和电影要快。,2018/9/15,医学超声仪器原理讲义,68,超声在人体组织中传播的速度，平均为1540m/s。声波到达1cm的距离在返回发出点，需要时间13s。 设要求穿透深度L
23、 cm，则形成一条声线需13 L s，再设每幅像需要有 N 条线，则形成一幅像需13N L s，故帧频 F 即每幅像所需时间的倒数为,帧频、线数和穿透深度三者的乘积是一个常数,2018/9/15,医学超声仪器原理讲义,69,像质指一幅图像中所含有线的数量多少，帧频F(Hz)，探测深度 L(cm)，线数N的关系。,2018/9/15,医学超声仪器原理讲义,70,对比度区别两种相邻介质结构的能力，和介质的声特性阻抗有关； 信噪比 S/N随机噪声、相关噪声 灵敏度对微小信号的放大能力,医学超声设备的分类,医学超声影像设备根据其原理、任务和设备体系等，可以划分为很多类型。,2018/9/15,医学超声
24、仪器原理讲义,72,以获取信息的空间分类,(1) 一维信息设备 如型、型、型。 (2) 二维信息设备 如扇形扫查型、线性扫查型、凸阵扫查型等。 (3) 三维信息设备 即立体超声设备。,2018/9/15,医学超声仪器原理讲义,73,按超声波形分类,(1) 连续波超声设备 如连续波超声多谱勒血流仪。 (2) 脉冲波超声设备 如型、型、型超声诊断仪。,2018/9/15,医学超声仪器原理讲义,74,按利用的物理特性分类,(1) 回波式超声诊断仪 如型、型、型、型等。 (2) 透射式超声诊断仪 如超声显微镜及超声全息成像系统。,2018/9/15,医学超声仪器原理讲义,75,按医学超声设备体系分类,(1) A型超声诊断仪 (2) M型超声诊断仪 (3) B型超声诊断仪,
