北航10系-1-超声测量基础

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1、医 学 超 声 测 量 与 仪 器第七章、生物医学超声测量与成像生物与医学工程学院医 学 超 声 测 量 与 仪 器现代三大医学成像技术医学成像技术 X-CT MRI ULTRASOUND 生物医学工程学重要的分支之一 。医 学 超 声 测 量 与 仪 器什么是超声波？频率低于20赫兹的机械波称为次声波。AudibleInfrasoundUltrasound20 Hz20 kHz大多数医学超声设备所用的频率在0.5-15MHz之间。 超声波波长短，决定了其具有一些重要特性。可听声波，频率在20-20000赫兹之间。频率高于20000赫兹称为超声波。医 学 超 声 测 量 与 仪 器超声成像 u

2、ltrasonograghy定义： 利用超声波的物理特性和人体组织器官的声学特性相互作用而产生的信息，经处理后形成图形和曲线，借此进行疾病诊断的一种物理检查方法。医 学 超 声 测 量 与 仪 器超声波成像的特点和优点特点：对软组织的分辨能力强信息的显示有多种方法特别适用于腹部脏器、心脏、眼科和 妇产科的诊断，而对骨骼或含气体的 脏器组织如肺部，则不能较好地成像优点： 无损伤、无痛苦、无辐射实时、快捷、准确、方便医 学 超 声 测 量 与 仪 器生物医学超声测量与成像 本章内容 l绪论 (医学超声基础、组成、发展、仪器分类等）l医学超声测量仪器（A、B、D、M等型号超声仪器原理）l超声的物理基

3、础(超声波的物理基础与基本物理量)l超声波的产生与接收（压电效应、超声换能器构成及声场特性）l生物组织的医学超声测量(超声参量(声速、声衰减、声特征阻抗等参量)的测量方法)l现代超声成像技术(着重介绍B超成像技术)医 学 超 声 测 量 与 仪 器第1节 绪论1. 医学超声理论基础 2. 医学超声的组成 3. 医学超声的发展 4. 医学超声测量仪器的分类 5. 医学超声测量过程 6. 生物组织的医学超声成像医 学 超 声 测 量 与 仪 器1、医学超声的理论基础 医学超声是一门将声学中的超声学与医学 应用结合起来形成的边缘学科。8理论基础：振动与波动理论1-绪论医 学 超 声 测 量 与 仪

4、器2、医学超声的组成医学超声物理 研究超声波在 生物组织中的 传播特性和规 律医学超声医学超声工程 应用生物组织中超 声传播的规律，设 计用于医学诊断和 治疗的超声设备医学超声 诊断医学超声 治疗绪论医 学 超 声 测 量 与 仪 器医学超声诊断超 声透 射 transmission反 射 reflection折 射 refraction衍 射 difration散 射 scattering衰 减 attenuation吸 收 absorptionHUMANBODYULTRASOUND对应设备：医院中的普通B超/D超等等绪论医 学 超 声 测 量 与 仪 器医学超声治疗超 声U L T R A

5、 S O U N DHUMANBODY热机制 力学机制空化机制对应设备：超声刀绪论医 学 超 声 测 量 与 仪 器3、医学超声的发展80年代以后5070年代40年代2030年代显微、弹性成像、生物效应M超、全息、多普勒超等B超A超法国科学家朗之万绪论医 学 超 声 测 量 与 仪 器4、超声测量仪器的分类 医学超声的包含有相当丰富。根据原理、任务和设备 体系，可划分成很多类。绪论1.按用途可分为诊断超声和治疗超声两大类。2.按波形分有连续波超声和脉冲波超声设备。3.按物理特性分有回波式和透射式超声诊断仪。4.按医学超声设备的体系分类A型、M型、型、C型、D型和F型、超声CT、超声外 科设备、

6、超声全息诊断设备、超声显微镜、超声治 疗设备。医 学 超 声 测 量 与 仪 器A、B型仪器主要给出了探查区域内有关解剖结构和组织 特性的信息； M型仪器和多普勒(D型)超声仪器反映体内运动界面和血 液流动的动态变化。3D 三维超声l 目前医院最常用的设备主要包括：A型、B型、M型 和D型 (多普勒) 超声诊断仪， l 另外还有C型、F型、三维超声也开始有利用。绪论医 学 超 声 测 量 与 仪 器5、医学超声成像过程1. 通过超声探头（换能器）产生 压力波型（超声） 2. 声波在组织中传播 3. 接收换能器“听” 反射波 4. 利用算法进行回波处理并成像绪论医 学 超 声 测 量 与 仪 器

7、6、生物组织的医学超声特性 超声成像主要运用了超声传播特性与人体组织 之间某些关系： 人体不同组织中传播速度 不同组织中声衰减系数， 不同组织界面间的反射率， 非线性参量等等。后面的学习中我们会从理论角度详细介绍上述 关系。绪论医 学 超 声 测 量 与 仪 器第2节常用医学超声测量仪器医 学 超 声 测 量 与 仪 器1、A型超声(Amplitude modulation mode）超声即幅度调制型超声l A超利用超声波的反射特性，获得人体组织内 有关信息，进行疾病诊断。1.1 诊断疾病方式医 学 超 声 测 量 与 仪 器1.2 A型超声诊断诊断原理超声波-人体组织中传播-不同声阻抗界面

8、反射回声-波形显示。 界面介质的声阻抗差大-回波幅高；反之则低医 学 超 声 测 量 与 仪 器1. 根据回声波幅的高低、多 少、形状等对组织状态作 为判断。1.3 A型超声特点2. 临床上目前主要用此法测量组织界面的距离、 脏器的直径，眼科及颅脑疾病的探查。3. 同时A型超声是实验室常用的研究方法。医 学 超 声 测 量 与 仪 器我们实验室的A型超声测量系统医 学 超 声 测 量 与 仪 器1.4 A型超声局限性 回波图只能体现局部组织信息，无法反映 解剖形态。医 学 超 声 测 量 与 仪 器2、 M型超声波诊断仪M型超声-(Motion mode)超声, 带时间分辨特点的辉度型超声。利

9、用超声波的反射特性，获得人体组织内 有关信息，进行疾病诊断。2.1 诊断疾病方式医 学 超 声 测 量 与 仪 器2.2 M型超声诊断诊断原理l首先把超声回波幅度大小转换为辉度(辉度调制型)， 然后根据辉度随时间的变化对组织状态作为判断。医 学 超 声 测 量 与 仪 器2.3 M型的临床应用主要用于心脏及大血管检查，早期将之称为M型超 声心动图。目前主要用于心脏疾病的诊断，尤其用 于观察心脏瓣膜的活动情况医 学 超 声 测 量 与 仪 器3、B型超声诊断仪B型超声- (Brightness modulated Mode). 因其成像方式采用辉度调制而得名。主要利用超声波的反射特性，获得人体的

10、 解剖结构与组织内信息，进行疾病诊断。3.1 诊断疾病方式医 学 超 声 测 量 与 仪 器a. 幅度调制改为辉度 调制;b. 探头声束必须扫查 ;c. 得到的是人体切面 声像图 l在A型之上建立的一种成像方式3.2 B型超声原理医 学 超 声 测 量 与 仪 器 超 目前使用最广泛的超声诊断仪，由于能得到人 体内部脏器和病变的断层面，对脏器进行实时 动态观察，非常直观。B超仪器心脏B超图像医 学 超 声 测 量 与 仪 器3.3 B型超声的特点1.B超图像与人体的解剖结构相似，能直观地显示脏 器的大小、形态、内部结构，并可区分组织内成 分(固态、液态、气态) 。2.B超成像速度快，能够观察心

11、脏的运动功能、胎心 搏动，以及胃肠蠕动等。3.超声根据组织间声阻抗不同成像，对软组织的分 辨力是X射线的100倍以上。医 学 超 声 测 量 与 仪 器4、D型超声D型超声 （ Doppler ）超声多普勒超声。4.1 诊断方式多普勒效应：某一频率的波的波源与接收 系统产生相对运动时，所接收到的波的频率 会发生变化（即频移）。医 学 超 声 测 量 与 仪 器4.2 测量原理l 人体运动结构（心脏瓣膜）或散射子（血液红细胞）反射回 来的超声波发生多普勒频移。 l 检测目标的运动速度信息，分析显示人体内部器官运动状态 。医 学 超 声 测 量 与 仪 器4.3 D型超声在医学诊断中的应用 超声多

12、普勒应用临床以来，应用价值愈加明显，以运动器官为主要研究对象的心血管科，成为不可或缺的诊断工具。医 学 超 声 测 量 与 仪 器数字B超成像原理与设备结构图关于数 字超声 设备各 部分的 原理与 实现方 法，我们在 后面的 内容中 加以介 绍。医 学 超 声 测 量 与 仪 器第3节超声的物理基础医 学 超 声 测 量 与 仪 器3.1 超声波的一般概念 机械振动与机械波 l 机械振动：物体沿着直线和曲线在某一平衡位置附 近作往复周期性的运动。 l 机械波：振动的传播过程称为波动。机械振动在弹 性介质中的传播过程称为机械波。 u产生机械波必须具备以下两个条件： 1. 要有作机械振动的波源。

13、2. 要有能传播机械振动的弹性介质。u超声波是一种机械波超声的物理基础医 学 超 声 测 量 与 仪 器生物组织中的超声特性 人体结构对超声而言是一个复杂的介质 ，各种器官与组织、包括病理组织，随 组织的类型和形状不同，生物组织的超 声特性存在差异。 声反射、折射、透射、散射；以及声强 、声阻抗、声速和声衰减等特性在确定 医学超声探测与成像技术的有用性方面 起了至关重要的作用 。36医 学 超 声 测 量 与 仪 器3.2 描述超声波的传播特性l传播特性：波的透射、反射与散射叠加、干涉、绕射等障碍物的尺寸小于或近似等于超 声波长时，发生散射。散射是使超声 扫描成像得以实现的最基本现象。由 于散

14、射波携带了被测介质的结构信息 ，散射波的分析和屏幕显示就反映了 组织的结构状况。超声的物理基础医 学 超 声 测 量 与 仪 器3.2.1 超声波的反射和折射(透射)l 当波传播到两种介质的分界面时，一部分反射形成反射波，另一部分进入介质形成折射波。38医 学 超 声 测 量 与 仪 器反射和折射(透射)超声的反射和折射声符合 反射定律(i = r) 和 折射定律(斯涅儿定律)： 声在入射介质中的传播速 度与折射介质中的传播速 度之比，也就是 入射角和折射角的正弦之 比为一常数n n=医 学 超 声 测 量 与 仪 器3.2.2 散 射 当超声波遇到的障碍物的尺寸小于和近 似等于波长时，则要发

15、生散射。 散射是使超声扫描成像得以实现的最基 本现象。 正是由于散射波携带了被测介质的结构 信息，对散射波的分析和屏幕显示就反 映了组织的结构状况。40医 学 超 声 测 量 与 仪 器 在研究散射时，散射截面S是一个重要的 概念。它定义为由障碍物所产生的总反 射功率与入射强度之比。41 一般有以下三种情况： 医 学 超 声 测 量 与 仪 器设障碍物的尺寸D和波长的大小 当D时，散射截面S=1，只反射无散射。选 用诊断用超声波时，为了提高图像分辨率，常 视所要探查的对象加以选用比探查对象小得多 的波长，绕射不显著，分辨率高。 当D时，由散射形成的辐射范围分布在所 有方向上，入射波绕着设置障碍

16、物被衍射，绕 射现象明显。 当D与相当时，既反射又绕射，散射的辐射 分布复杂。 42医 学 超 声 测 量 与 仪 器镜面反射和散射43医 学 超 声 测 量 与 仪 器散射波的强度 在发生散射时，散射波的强度与障碍物的大小有 关，随障碍物直径与波长的比值增大而加强。 单一障碍物散射对于入射波能量消耗不致妨碍超 声检测； 但有许多的散射中心时，入射波的能量将由此渐 渐地被大量甚至全部散射殆尽。 散射是引起超声衰减的重要因素之一。 44医 学 超 声 测 量 与 仪 器3.3 描述超声波的物理量l声速C、波长、周期T、频率f、C=/T=fl声压 l声强 l声阻抗 l声衰减超声的物理基础l下面主要介绍几个与人体组织超声测量与成像 最相关的几个物理量。医 学 超 声 测 量 与 仪 器3.3.1 组织中的声速超声波从声源通过介质向周围传播，介质可 以是固体、气