超声成像设备概述

《超声成像设备概述》由会员分享，可在线阅读，更多相关《超声成像设备概述（107页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、超声成像设备,医学超声学是一门将声学中的超声（ultrasound）学与医学应用结合起来形成的边缘科学，也是生物医学工程学中重要的组成部分。医学超声影像仪器涉及到微电子技术、计算机技术、信息处理技术、声学技术及材料科学，是多学科边缘交叉的结晶，是理工医相互合作与相互渗透的结果。迄今超声成像与X-CT、ECT及MRI已被公认为当代四大医学成像技术。,医学超声检测特点,超声检测突出特点：对人体无损伤，这也是与线诊断最主要的区别，适合于产科与婴幼儿的检查；能进行动态连续实时观察。在中档以上的超声诊断仪，多留有影像输出接口，使影像易于采用多种形式（录像、打印、计算机存储等）留存及传输与交流；由于它可以

2、采用超声脉冲回声方法进行探查，所以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，这与常规线的诊断特点恰恰可以互相弥补；从信息量的对比上看，超声诊断仪采用的是计算机数字影像处理，目前较线胶片记录的影像信息量和清晰度稍低。,超声成像设备,超声成像设备,超声成像设备,超声成像设备,超声成像设备,超声成像设备,超声成像设备,超声成像设备,超声检查的主要用途,医学超声发展简史,1917年，法国科学家保罗朗之万首次使用由石英晶体制成的超声换能器，并发明了声纳，即声探测与定位技术，被成功地用于探测水下潜艇。20世纪30年代，超声用于医学治疗和工业金属探伤，

3、从而使超声治疗在医学超声中最先获得发展。 1942年，杜希克和费尔斯通首先把工业超声探伤原理用于医学诊断。用连续超声波诊断颅脑疾病。1946年研究应用反射波方法进行医学超声诊断，提出了型超声诊断技术原理。,医学超声发展简史,1958年，开始出现 “ 型超声心动图 ”。 50年代末期，连续波和脉冲波多普勒技术以及超声显微镜问世。在50年代，用脉冲反射法检查疾病获得了很大成功。 1967年，实时型超声成像仪问世，这是型成像技术的重大进步。60年代末，美、日均研制成功压电高分子聚合物换能器。70年代，以B超显示为代表的超声诊断技术发展极为迅速，特别是数字扫描变换器与处理器（DSC与DSP）的出现，把

4、B超显示技术推向了以计算机数字影像处理为主导的功能强、自动化程度高、影像质量好的新水平。,超声诊断设备的发展历史,1959年研制出脉冲多普勒超声（D超）。,1954年发明B超诊断仪，同年产生M超。 实时二维切面 灰阶超声显像仪（B型）的问世是超声技术发展史上第一个里程碑。,1880年发现晶体压电效应。 1917年利用压电原理进行超声探测（超声探头的出现）。 1942年出现首台A型超声检测仪。属于一维超声。,超声诊断设备的发展历史,彩色血流图（CFM）的问世是超声技术发展史上又一个新的里程碑。它标志着超声诊断技术从此跨入了彩超时代。,1989年以后是彩超技术发展的第二阶段改进和提高阶段，在这段时

5、间，彩超的临床应用得到很大的发展，成为超声医学的重要阶段彩色多普勒时代。,1990年以来，进入彩超发展的第三阶段由模拟数字混合处理到全数字化处理的发展阶段即步入数字化时代。,超声诊断设备的发展历史,1996年后，发展进入第四阶段全数字化多功能信息化时代， 形成具有综合图像形成及处理功能的全数字一体化工作站。这就是 “彩超”的新面貌。,1990年3D超声进入研究阶段 1999年3D超声诊断仪进入商品化和临床实用化阶段,医学超声设备的发展趋势,90年代，医学超声影像设备一方面是价格低廉的便携式超声诊断仪大量进入市场，另一方面是向综合化、自动化、定量化和多功能等方向发展。介入超声、全数字化电脑超声成

6、像、三维成像及超声组织定性不断取得进展。 在探头方面，新型材料、新式换能器不断推出，如高频探头、腔体探头、高密度探头相继问世，进一步提高了超声诊断设备的档次与水平。 总之，随着医学进步和超声技术的发展，多种新型的医用超声设备将不断涌现。21世纪必将是医学超声技术蓬勃发展、日新月异的新世纪！,超声成像的物理基础,超声波的传播依赖于做高频机械振动的“波源”和传播机械振动的弹性介质，所以机械振动和弹性介质是超声检测的物理基础。 在超声成像中，探头晶片发射时即产生超声，所以探头晶片就是波源。 声波必须在介质中传播，在固体、液体、气体中均可传播，但在真空中声波是不能传播的。 在超声诊断中，人体脏器、器官

7、都是介质。,超声成像的物理基础,超声波是在弹性介质中传播的机械波。与声波和次声波在弹性介质中的传播类同，区别在于超声波的频率高于20kHz，而声波的频率是在20HZ至20KHZ之间，次声波的频率低于20HZ。 次声波 可闻声波 超声波 20Hz以下 20Hz-20kHz 20kHz以上 超声波与声波除了频率高低有别外，它们在本质上是一致的，都是一种机械振动，都以一定的速度通过介质。,超声成像的物理基础,超声波应用范围 20100KHz 很多动物都用超声波进行交流、导航及追捕它们的猎物。 100 KHz（105Hz） 1MHz（106Hz） 超声波最重要的应用就是声呐（声音导航及测距）。 2.5

8、 MHz 5 MHz 用于心脏、腹部及软组织成像。这些频率能穿透组织可到达20-15cm的深度。 5 10MHZ 用于对小器官的成像，例如：腮腺、甲状腺、颈部血管及眼睛显像，它只需要4-5cm的穿透深度。 10 30MHz 用于皮肤及血管内检查，可以获得高分辨力的图像。 40 100MHz 用于生物显微镜成像，对眼活组织的显微诊断。,超声成像的物理基础,医学诊断常用的超声频率是210MHZ之间，对于浅表器官多采用7MHZ,对于腹部和心脏分别采用3.55MHZ和23MHZ,超声成像的物理基础,描述超声波的基本物理量,声速：单位时间内，超声波在介质中传播的距离称为声速，用符号“c”表示。单位为米/

9、秒（m/s） 声速是由传播介质所决定，不同人体组织器官的声速不同，平均声速为1540米/秒，其中空气最小（350米/秒），骨骼最大（3850米/秒）。 频率：单位时间内质点振动的次数，用符号“f”表示 由探头中压电材料决定，在210兆赫兹范围。,超声成像的物理基础,描述超声波的基本物理量 波长：声波在传播时，同一波线上相邻两个同相位质点之间的距离称为波长，用符号“”表示。 超声波长与声速和频率满足以下关系式：,1、声速与介质的关系 （1）同一介质 不同频率的超声波在同一介质中传播时声速基本相同。所以用不同频率的探头检查肝脏时，声速基本相同。 （2）不同介质 同一频率的超声波在不同介质中传播的声

10、速是不同的。例如：1MHz超声波在0的水中为1500ms；在0的钢材中为6000ms；在人体软组织中平均声速为1540ms。,声速、波长与介质的关系,超声成像的物理基础,人体软组织的声速分布在1500m/s1680m/s之间,利用超声方法对软组织测距存在一定的误差。而骨组织的声速则高于2800m/s、肺组织的声速大约在1200m/s以下。,超声成像的物理基础,2、波长与介质的关系 （1）同一介质 不同频率的超声波，在同一介质内传播时其波长与频率成反比。 1MHz的超声波在人体软组织中传播时，其波长为1.5mm。 3MHz的超声波在人体软组织中传播时，其波长为0.5mm。 5MHz的超声波在人体

11、软组织中传播时，其波长为0.3mm， 所以频率越高的超声波在同一脏器组织中传播其波长愈短。 例如：用高频率的探头检查肝脏其波长也愈短。,2、波长与介质的关系 （2）不同介质 同一频率的超声波，在不同介质内传播，因传播声速不同，则波长也不相同。频率为3MHz的超声波在人体软组织中传播时，其波长为05mm，而在空气中传播，其波长为0.114mm。 所以用同一种探头检查人体不同的组织时，由于声速存在差异，所以波长也是不相同的。,超声波的特点,1、超声可在气体、液体、固体等介质中传播。 2、超声呈直线传播且能量容易会聚。能量的会聚是通 过聚焦来实现的。 3、电声转换容易且能量大。其电声的转换是通过压电

12、 材料来实现的。 4、超声在传播过程中会产生反射、折射、散射、绕 射、 干涉、共振等现象。 5、超声在产生、传播、接收与相互作用，相互影响因 素多，故在超声成像过程中易形成伪像。 6、超声工作安静且危害少。,1.超声的束射性 超声的能量高度集中，在一个较小的立体角内成束状向前传播，即超声波的束射性（声束）。 从声源发出的超声波最近的一段声束几乎平行，这段区域为近场区。 远离此区后，声束向前稍有扩散，为远场区。扩散的声束与平行声束间的夹角叫做扩散角（） 超声波指向性优劣的指标是近场的长度和扩散角。,2-1.超声波的反射,反射 超声波的反射是超声成像的物理基础 当声波从一种介质向另一种介质传播时，

13、如果两者的声阻抗不同，就会在其分界面上产生反射，使一部分能量返回第一种介质。 1.声阻抗(z)=介质密度()声速(c) Z0.1%即可产生反射 2.声阻抗差大，反射强,声阻抗 声阻抗是表示介质声学特性的一个重要物理量。声阻抗（Z）等于介质的密度（）和声速（C）的乘积，声Z= C。 物质的密度一般是固体液体气体，超声在介质中的速度是固体液体气体，故声阻抗值一般也是固体液体气体。 人体正常组织的声阻抗骨骼最大，气体最低。 声像图中各种回声显像均主要由于声阻抗差别造成。,2-1.超声波的反射,人体不同组织声阻抗值,2-1.超声波的反射,分界面两边的声阻抗差将决定入射超声如何在透射和反射之间分配。如果

14、两种介质的声阻抗相同，即 Z1Z2时，称为均匀介质，则不产生反射，如果声阻抗不同，一部分超声波被反射。和光学情况一样，反射角等于入射角。,(反射系数R1 ) R1=,(透射系数r1 ),公式1,声阻抗差异大的界面反射特性 从公式1中得知，如果Z1和Z相差很大时，无论Z1Z (固体气体)或Z1Z (气体固体)将会发生近乎全部反射而没有透射。,2-1.超声波的反射,如在水和空气的界面上，其中： Z水1.492kgm2s， Z气=0.00428kg m2s ， 根据公式1计算，则反射回来的能量比为：R0.99,即99%,此时入射超声能量中有99被反射。,由此可见，超声从液体(或固体)向气体中传播几乎

15、是不可能，反之从气体向液体(或固体)中传播也几乎不可能。为什么说超声在人体诊断中对肺组织是困难的，就是因为肺组织中充满气体的缘故。 按同样的道理，在临床诊断时，要在探头与人体受检部位之间涂上足够的超声耦合剂，以减少空气对声波传送的影响。,2-1.超声波的反射,2-1.超声波的反射,声阻抗差异小的界面反射特性 如果Z1和Z相当接近，则反射很少。人体组织的声阻抗只要有0.1%的差异，超声探头即可检测出反射波，并将其转化为电信号，经处理后在显示器上显示。但由于各种软组织的声阻抗相差不大，界面反射量适中，既保证了界面反射波的显像观察，又保证了声波可以穿透足够的深度，所以超声波对软组织分辨力很高。超声波

16、的反射是超声成像的物理基础。,图中水平横条代表文献中报导的各种组织的声阻抗范围,软组织的特性阻抗都相当接近1.5106kgm-2s-1,因此它们的密度大致都在1000kg/m3左右,声速一般为1500m/s.但肺的密度及声速都低得多,而骨骼的相应值侧高得多。,2-1.超声波的反射,2-1.超声波的反射,界面的回声反射有显著的角度依赖性 入射声束垂直于界面时，回声反射强。 入射声束与界面倾斜时，回声反射减弱甚至消失。 假设垂直时回声反射强度为100%，倾斜6o时，回声强度降低至10%，倾斜12o时，回声强度降低至1%，若倾斜角度 20o ，则几乎检测不到回声反射。,折射 两种介质内声速不同可产生折射现象，从而导致入射声束的偏转。两种介质的声速之比决定其折射程度。其间关系如下：,2-2.超声波的折射,式中i为入射角，j为折射角，C1为入射边介质中超声声速，C2为透射边介质中超声声速。,