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1、第九章 超声波成像技术,【医学影像系统】,超声成像系统,B型超声诊断仪的结构框图,B型超声波诊断仪,超声扫描声束的形成,B型超声的声束扫描方式及扫描线的形成两种扫描方式：机械扫描和电子扫描机械扫描：摆动式和转子式电子扫描：线阵电子扫描和相控阵电子扫描,各种声束扫描换能器探头,时间增益控制,超声波诊断仪接收的是各个组织界面上的发射信号，各界面的声阻抗差不同造成发射信号幅度相差很大。信号不断被组织反射、散射再加上扩散和吸收的损失，强度衰减很快，使得在整个纵向扫描过程中接收信号强度变化起伏很大。随着扫描距离的增加，信号幅度不是单调下降的，而是有些区域信号强，有些区域信号弱。为了在整个画面上能获取合适
2、的对比度，能显示各部分的细节，要求在不同深度（距离）上有不同的增益，以进行衰减补偿。,波束形成器,经时间增益控制动态压缩后的多路信号被送入波束形成器。最简单的波束形成器是求和放大器。波束形成器产生的波束是逐渐扩张的。随着纵向扫描距离的增加，分辨力将逐渐下降 。需要对接收声波聚焦。方法：采取延时技术和动态加权束控、动态聚焦。,回波信号的加权束控技术形成波束,动态计算聚焦技术,扇形扫描B型超声诊断仪,扇形扫描超声诊断仪分为机械扇形扫描和相控阵扇形扫描两大类。其主要特点是探头尺寸较小，可以置于胸部肋骨之间，特别适用于胸腔的诊断成象。也可以用于腹部或其他部位，其缺点是近场视野较小。,换能器与波束形成技
3、术,换能器的性能及工作模式将直接影响超声图像的分辨力换能器发射的超声脉冲实际上是一个拖着尾巴的持续一定时间的信号，并非理想的脉冲由于换能器固有的尺寸影响，使声束也具有相应尺寸声束从整体上看，类似于一颗“子弹”。在超声成像系统中，子弹的大小称为采样体积。采样体积的长度将决定系统的轴向分辨力，宽度将决定系统的侧向分辨力。,超声成像系统的采样体积,换能器波束的聚焦,机械聚焦：凹形换能器、声透镜相控阵电聚焦：环阵技术、动态聚焦、动态加权束控、动态孔径,声束的发散情况,声束的聚焦,声透镜。可实现声聚焦，使声束变细，特别是焦点附近的声束特性可明显改善。可提高系统的侧向分辨力。但是焦距不可变，且聚焦范围小。
4、一维电子聚焦。人为改变各个换能器单元的电激励时间差（即相位），可以获得较好的声束聚焦特性，其焦点位置可由电激励信号调节，获得全程聚焦效果，即“动态聚焦”。,硅橡胶材料制作声透镜及聚焦特性,一维电子相控阵聚焦原理,一维动态聚焦的缺陷,只能解决沿换能器阵元排列方向上的聚焦。不能实现真正意义上的超声聚焦。环阵技术可实现二维聚焦。使超声能量聚焦在细长的区域内。提高了回波的信噪比，改善了图像质量。同时，由于能量的集中提高了声束的穿透能力，可获得较好的轴向分辨力。,环阵技术原理示意图,动态孔径,小孔径换能器在近场的声束较细，但远场发散严重。大孔径换能器在近场声束较粗，但在远场发散相对较小，优于小孔径换能器
5、。根据探测部位的不同，采用不同的换能器孔径，就可以实现较好的成像效果。即“动态孔径”技术。动态孔径可以采用激励圆环阵换能器的部分或全部阵元的方式实现。,动态孔径技术原理,动态频率扫描,提高超声波的频率可以改善成像的轴向分辨力，但超声波在人体组织中的衰减随其频率增高而加强，过高的频率导致超声波的探测距离缩短。动态频率扫描可以采用电子学方法，根据不同的探测距离选用适当的发射频率，从而获得最佳成像效果。,数字扫描变换器digital scan converter,DSC,扫描格式变换扫描速度变换由图像存储器和相应的坐标变换电路组成线阵扫描的DSC原理比较简单。线阵探头中的阵元按顺序发射和接收超声波。
6、扫描线对应图像存储器的列地址，每条扫描线上的采样点对应图像存储器的行地址，采样值按列依次写入图像存储器的行地址，显示时按行依次从行存储器中读出数据。,具有DSC功能的B型超声系统,扇形扫描的DSC方式,特点：其回波信号呈极坐标形式，信号样本点与显示象素点的位置不是一一对应。需要进行坐标变换和数据插补。,回波信号采样点与显示象素点之间的位置关系,坐标变换,方法：大图像存储器方案坐标变换电路完成从极坐标（R,）到直角坐标（x,y）的变换，回波数据按照给出的（x,y）地址写入一个与显示象素一一对应的图像存储器中，然后在视频同步信号的控制下逐行读取图像存储器，经过数据插补后，将数据送往监视器显示。缺点
7、：占用存储器大、图像后处理灵活性差、数据插补精度不高。,超声多普勒成像系统,工作原理：多普勒效应基本过程：发射固定频率的脉冲或连续超声波；提取频率已经变化的回波信号（差频回声，差频回声强度）；将回波信号与发射信号比较，提取两者的频率差值及正负值。主要类型：频谱多普勒和彩色多普勒血流成像。,多普勒系统的结构框图,超声多普勒成像工作原理信号处理过程,多普勒频移信号的解调：由于接收换能器接收到的回波信号除了有运动目标的多普勒频移信号之外，还有静止目标或慢速运动目标等产生的杂波信号，所以需要从复杂的回彼信号中提取多普勒频移信号，完成这一任务称为多普勒频移解调。,多普勒频移信号的解调,由于血流的速度远小
8、于发射波声速，故要求解调器能检测出频率为发射频率百分之一以下的多普勒频移信号。另外由于在回波中杂波分量的幅度通常比有用的多普勒频移信号大得多，所以，还要求解调器检出被杂波所掩盖的多普勒频移信号。完成这一任务的方法很多，如非定向解调中有相干解调和非相干解调；定向解调中有单边带滤波法、外差法和正交相位解调法等。,多普勒频移信号的分析处理,超声脉冲波进入人体后，将产生一系列复杂的频移信号，被接收器接收、解调（提取）后，还必须经过分析处理，主要是频谱分析，即把组成复杂振动的各个简谐振动的频率和振幅找出来，列成频谱。对多普勒频移信号的处理方法主要有时域处理和频域处理两种类型。,多普勒频移信号的显示,多普
9、勒频移信号的输出与显示主要是频谱显示，其他还有如主频显示、均值显示、标准显示、能量指数显示等。频谱显示型即频谱图。其中： 1）频移时间：以横坐标的数值表示，代表血流持续的时间，单位为秒； 2）频移幅度：以纵坐标的数值表示，代表血流速度的大小，单位为m/s或kHz；,频谱图,3）频移方向：以频谱中间的零位基线加以区分。基线以上的频移信号为正值，表示血流方向朝向探头；基线以下的频移信号为负值，表示血流方向背离探头；4）频谱强度：以频谱的亮度表示，反映取样容积或探查声束内具有相同流速的红细胞相对数量的多少。速度相同的红细胞数量越多，后散射的信号强度越大，频谱的灰阶则越深；5）频谱离散度：以频谱在垂直
10、距离上的宽度表示，代表某一瞬间取样体积或探测声束内红细胞速度分布范围的大小。,超声频谱图,连续多普勒超声仪,工作原理连续波正弦振荡电路产生与发射换能器谐振频率相同的频率信号，激励换能器产生超声束。活动目标反射和散射的回波信号接收后经高频放大器进行放大，然后通过解调器提取多普勒频移信号，再经低通滤波获取纯的多普勒信号。,连续波多普勒系统工作框图,连续多普勒信息的表达,音频多普勒超声：通过声音的音调等信息表达血流的速度和性质。单一曲线法：通过慢速扫描示波器以曲线的方式显示血流的平均速度和最大速度及随时间的变化情况。定向：可显示血流速度和流向。显像：结合超声成像技术，可测定血流速度和流向，同时显示活
11、动血管或器官图像。,脉冲多普勒显像仪,工作原理主振荡器产生频率为F0的正弦波振荡信号，在脉冲重复频率发生器控制下，通过发射控制门将连续的正弦波信号调制成一定宽度的矩形脉冲调制波，其重复周期为Tp。由放大后的脉冲调制波激励换能器发射超声波束。分时接收不同的回波信号并按照连续波的解调处理方法，可以获得不同深度距离的血管内的血流信息，实现对血管的定位。,脉冲多普勒技术原理框图,彩色多普勒血流成像仪,Color flow mapping,CFM或color doppler flow image,CDFI特点：利用自相关技术得到血流的速度信息，然后通过彩色的编码技术将血流的速度信息叠加在B型图像的相应位
12、置，从而使血流和组织分别以彩色和黑白同时显示出来，非常直观。,彩色多普勒血流成像仪,实质：由B型超声成像系统和一个自相关的速度测量系统、一个两维的彩色流速成像系统组成。,彩色超声血流成像系统框图,彩色多普勒血流成像,工作原理振荡器产生相差为/2的两个正交信号分别与多普勒血流信号相乘，其乘机经A/D变换成数字信号，滤波处理，由自相关器做自相关检验。检测结果送入速度计算器和方差计算器求出平均速度，连同傅立叶变换后的频谱信息及B型图像信息经数字扫描变换器处理。最后由彩色处理器对血流资料编码，由彩色显示器显示相关信息。,其它超声成像技术,P型超声诊断仪彩色多普勒能量图多普勒组织成像超声谐频回波成像三维
13、超声成像超声CT,超声图像质量的评价,超声探测的分辨能力 空间分辨力 细节分辨力 对比分辨力 时间分辨力超声诊断图像的伪影,空间分辨力,纵向分辨力：是指在声束轴线上对前后相邻两点的分辨能力，也称轴向分辨力。横向分辨力：表示分辨与声束轴线垂直的横向平面上左右两个点的能力。由声束的直径决定。侧向分辨力：指可分辨与声束垂直且与扫描平面平行的直线上两点的最小距离。侧向分辨力等于声束的侧向宽度。,作 业,简述超声波产生的物理原理，并解释为什么在医学超声成像中只能应用纵波的原因。阐明扇形B型超声波成像的基本过程，主要结构和功能单元及其作用。在超声仪器的设计过程中，采用了哪些技术来实现对声束的聚焦及其它改善成像质量的方法。查阅文献并简单介绍超声波在临床诊断和治疗领域的应用概况。,
