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1、第2章 超声成像技术,南昌大学 信息工程学院 生物医学工程教研室 徐晓玲 ,本章内容： 2-1 超声波的基本特性及其在生物组织中的传播 2-2 超声探测的物理基础 2-3 超声诊断成像 2-4 超声多普勒成像 2-5 彩色血流映射成像 2-6 超声诊断成像的最新进展 2-7 超声的生物效应 2-8 超声治疗,概述：1、超声成像有如下的优点: （1）能直观观察人体的一些组织和器官； （2）可实时、动态观测； （3）仪器操作方便和安全； （4）价格较便宜。,2、超声成像技术的发展历史: （1）20世纪初，首次研制了石英晶体超声发生器。 （2）20世纪40年代：开始了超声医学应用的研究。 （3）20
2、世纪50年代：A型B型。 1952年，Wild-脉冲反射法(A型) ； 与此同时，Howry和Bliss-超声切面成像（B型）。 （4）20世纪50年代以后： 切面图像质量的改善。包括如下的问题：扫描速度太慢； 横向分辨率低；对多界面反射检出率低； 图像无灰度等。,（5）近年来超声成像技术的发展主要表现： 数字扫描转换器（DSC）及灰度显示-第一次重大突破； 换能器材料-换能效率高和指向性好； 动态可变孔径技术和动态滤波法-近、远区图像的改善； “实时”技术-第二次重大突破； 配用计算机、黑白监视器、光学录像等； 超声彩色显像、计算机断层扫描、超声全息成像等-第三次重大突破。,3、超声诊断学的
3、发展国内自1958年开始实验超声应用。（1）应用最多的是B型切面显像仪用于检查肝、胃、肠、脾、肾、乳房、子宫、卵巢等器官软组织的各种疾病（特别是肿瘤），已成为一种有效的基本手段。（2）其次是M型诊断仪用于辨别心脏、胎儿等的运动状态和功能异常检测。（3）近年多普勒超声诊断仪正得到广泛的应用特别是对心脏血管疾病的诊断。,3、特性及应用： 特性：具有声波的基本性质-反射、折射、透射、衍射、驻波；频率高、波长短、成束传播，能量集中、指向性好。-具有类似于光线的一些特性，即束射性、明显的衍射性等。应用：产生击碎、凝聚、乳化等效应-超声碎石、减肥；穿透能力强-能对人体组织进行有效探测，是超声诊断和理疗的基
4、础；,2-1-2 超声波的类型及超声场1、超声波的类型（1）按振动方式和传播方式分： 纵波、横波、表面波-在超声诊断中最常用的是纵波。,（2）按发射方式分：连续波和脉冲波。 连续波：等幅正弦波，频率、幅度稳定。 脉冲波：阻尼衰减震荡波。,脉宽：即脉冲持续时间 重复周期(脉冲周期)：两相邻脉冲前沿相隔的时间 重复频率：每秒钟内的脉冲数，通常为502000Hz 静止时间：超声发射停止时间，即两脉冲间隔时间,脉冲波的特征量：,2. 描述超声场的物理量超声场：充满超声的介质空间称为超声场。描述超声场的物理量：声速、声压、声阻抗、声强、声压级和声强级等。,对介质界面上超声的传播特性有重要影响。,回波测距
5、基础,探头对声压信号敏感,表2-1 人体正常组织的密度、声速和特性阻抗,（续前表）,2-1-3 超声波在生物组织中的传播1、 超声在声学界面上的反射和透射,镜面反射，两个边界条件：,垂直入射时：,结论： 1、同种物质中传播不产生反射（无回波） 2、空气与人体组织声阻抗差异大（难以对肺探查） 3、空气与压电材料的声阻抗差异大（使用耦合剂）,2. 软组织对超声波的体散射,（1）超声与生物组织之间的相互关系有两类：吸收过程：声能作用-组织吸收-转化能量；散射过程：声能在作用位置被重新辐射。,（2）生物软组织对超声的散射回波： 镜面反射回波：当散射物的线度比入射超声波波长大得多时发生，振幅较大。-根据
6、回波图识别组织的轮廓（形状）、类型。全方位散射回波：散射物的线度比超声波长小得多时，由散射形成的辐射均匀分布在所有方向上。-应用于多普勒血流速度测量。 内回波：当散射物的线度与入射超声波的波长相近时，散射辐射的分布图形复杂，这种散射信号与镜面反射回波不同，称为内回波，其振幅很小。-根据回波图识别器官及组织内的恶性病变。,（3）一些生物组织界面回波信号的振幅范围：,说明： （1）镜面反射信号振幅变化较大： 软组织-空气界面：回波振幅最大，典型值为10V。以此为标准，标记为0dB。 软组织-骨界面：回波振幅次之，约-20dB。 软组织与软组织之间界面：一般在-40dB -20dB之间。以上镜面反射
7、信号的振幅与投射角密切相关，投射角改变1，振幅平均下降20dB。 （2）内回波信号振幅一般在-40dB -20dB之间，其中： 胎盘内含物回波最强，表明其结构的非均匀性强； 脑组织内回波最小，表明其结构较均匀。在超声医学诊断中，通过接收这种非镜面反射的散射内回波，对观察一些器官和组织的微细结构有重要意义。,-20dB -40dB 100mV1V B型灰度回波图同时反映镜回波和内回波信号,3. 超声在生物组织中的衰减和吸收声能的衰减-超声强度随传播距离的增加而减小超声衰减的原因：声束的扩散及散射等。使超声沿传播方向的能量逐渐减小。介质的吸收。将声能转换成热能等。,综合各种因素，超声在软组织中的平
8、均衰减约为1dB/(cmMHz)。,生物组织中超声吸收系数的影响因素：频率越高，吸收越大。-综合考虑分辨率与穿透深度两种因素 声速越小，吸收越大。-在空气中被强烈吸收。与温度有关。*同种组织，在正常与病理情况下对超声的吸收不同。生物组织中的蛋白质是吸收超声的主要成分。,人体组织的声能衰减系数,半价层指标：组织内部传播的超声波，其强度衰减到初始值一半时所传播的距离，这个距离的大小，就是半价层的数值，单位为cm。,一些生物物质在不同频率下的吸收系数和半价层,2-2 超声探测的物理基础,2-2-1 超声波的发射和接收最普遍的方法-压电法正压电效应： （超声的接收）机械压力压电材料电场分布交变压力交变
9、电场 交变电信号2. 逆压电效应：电致伸缩现象（超声的发射）电场作用压电材料形变交变电场压电材料伸缩机械振动超声波,2-2-2 换能器1、换能器材料超声诊断中应用的压电材料： 自然生产的单晶体：石英、硫酸锂、碘酸锂、铌酸锂、酒石酸钾钠等； 人工烧结的多晶陶瓷材料：铁电体压电材料有钛酸钡、钛酸铅、锆钛酸铅(PZT)等。压电材料的性能参数：压电常数d和g；自由介电常数T (机械自由条件下)：d=gT机电耦合系数K：,Ec-通过逆压电效应转换的机械能 Ee-输入的总电能 Ep-通过正压电效应转换的电能 Em-输入的总机械能,2、 换能器的结构：单元换能器： 主体：a. 压电振子：直径约530mm，厚
10、度由频率决定；b. 保护层：保护压电振子不被磨损和破坏。对声特性阻抗 Z和厚度d都有要求，一般取d=/4；c. 吸收块：吸收所有背向幅射的超声波能量。要求声阻抗与压电振子材料相近且衰减系数很大。环氧树脂+钨粉 、 环氧树脂+薄壁玻璃珠。d. 声隔离：消除振动耦合对超声发射的影响。软木、橡皮、尼龙等材料,壳体：支撑、密封、绝缘、承压、屏蔽以及保护压电元件。,课本上的图例,(2) 多元换能器：一般有20256个阵元。线列阵(直线排列)或方阵等。,压电晶片的切割、刻槽、粘接等加工工艺，对其超声特性影响很大。,Curved Array,Single Elements of the Arrays,Mul
11、ti Element Transducer Curved Array,（3）*超声多普勒换能器：发射和接收相互分开。又分分隔式、重叠式等。适合连续波工作。,*（4）特殊用途的超声探头,（1）腔内探头 （2）手术用探头 （3）穿刺探头 （4）儿科用探头 （5）眼科用探头,3、谐振与频率常数压电振子的工作状态：谐振（厚度为半波长奇数倍时）压电振子的基频-最低的谐振频率（n=0时）频率常数-压电片的厚度和频率的乘积为常数（n=0时）,设计时由工作频率确定晶片厚度。,几种压电材料频率与厚度关系,4、换能器的性能指标谐振频率和反谐振频率； Q值和带宽； 在谐振频率和反谐振频率时的阻抗； 机电转换效率；
12、工作温度范围； 换能器的声场特性；此外，换能器的性能稳定性也是重要参数。,*压电振子谐振特性实验电路：,*几个概念：最大导纳频率/最小阻抗频率fm；最小导纳频率/最大阻抗频率fn；谐振频率fr；反谐振频率fa；次最大导纳频率fm1，fm2，和次最小导纳频率fn1，fn2，；次谐振频率fr1，fr2，和次反谐振频率fa1，fa2，；基频fr与泛频。,几个定义：谐振频率：在压电振子呈最小阻抗时的频率附近，存在一个使压电振子呈纯阻性的频率。反谐振频率：在压电振子呈最大阻抗时的频率附近，存在一个使压电振子呈纯阻性的频率。Q值：机械品质因素。衡量压电振子谐振时产生能量损耗的大小。带宽：压电传感器的通频带
13、（频率响应）。Q值决定其带宽。机电转换效率：机电耦合系数K,Es-谐振时压电元件储存的机械能量 EL-谐振时压电元件机械损耗能量,*Q值与带宽的关系：,影响Q值的因素：换能器与组织夹层存留空气 晶片背材的声阻抗,同步脉冲的重复周期：t 35RCR0-调节衰减振荡的阻尼时间， L0-抵消探头的静电容。发射的脉冲前沿一般约0.3s，能满足超声诊断发射脉冲的要求。,2-2-3 发射电路-产生高频电脉冲激励换能器发射超声脉冲波。,图2.6 闸流管超声发射电路,超声脉冲性能好坏，直接影响诊断的灵敏度和分辨率,*以A型超声诊断仪为例,反射和折射所产生的各层回波带来了人体内部各层组织的幅度信息，利用这些信息
14、及其变换可进行超声诊断：A超，B超，M超等。,2-2-4 接收放大电路-对超声回波信号进行接收放大和信号处理。,1、接收放大器的性能 ：-直接影响诊断仪的灵敏度、分辨率、盲区、动态范围等许多功能。对超声接收放大器的性能要求有：放大器的增益、带宽以及适用的频率范围； 放大器的抗干扰能力和信噪比； 放大器过载后的恢复能力； 放大器的动态范围或线性范围。 放大器的稳定性、寿命等。,2、 A型诊断仪的接收电路（1）接收电路的组成： 1）衰减：近程抑制 2）高频放大3）对数压缩：调节信号动态范围4）灵敏度深度补偿（S.T.C电路）：补偿由于距离（深度）增大而造成的声能损失。5）检波：提取信号幅度信息 6
15、）抑制：滤掉杂散信号、突出信号前后沿，使脏器边界显示较清楚。 7）视放：将视频信号放大到适合显示器的显示要求。,（2）对数放大：用于调节信号的动态范围 动态范围的定义：,Umax、 Umin：输出和输入满足某一规律时最大、最小输入信号幅值。,回声信号,调辉型 终端显示器,幅度不一， 动态范围很大 （100dB 左右）,视觉可辨亮度变化范围仅有dB左右,压缩,如果不压缩，将使强信号图像一片模糊，弱信号图像星星点点，使有诊断价值的信息丢失。,使所显示的图像层次更加丰富，表现力更强。, 对数压缩的意义:,对数放大器,由于反射系数的差别使相邻各反射体的回波大小差异很大，为了均衡这种差异必需用对数压缩技术。,对数压缩后弱信号与强信号动态范围的变化情况：,意义：超声在组织内部传播时必然引起能量的损失。因此从深部来的回波振幅势必比靠近换能器组织的回波振幅小得多，这使仪器难以发现远距离或介质衰减较大的脏器病变。为了兼顾远、近距离的探查能力，获得良好的显示，目前超声诊断设备中一般都有深度补偿电路，用以补偿由于距离增大而造成的声能损失。,（3）灵敏度深度补偿（STC）电路-用以补偿由于距离增大而造成的声能损失。,深度补偿原理：利用一个增益与声能在被查介质的衰减规律相反的放大器，来抵消由声能的衰减所造成的幅值下降。,
