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1、精选优质文档-倾情为你奉上 超声多普勒成像原理当声发射源与声接收器有相对运动时，接收器所接收到的声波频率与发射频率有所不同，这一现象称为多普勒效应。超声多普勒法成像就是应用超声波的多普勒效应，从体外得到人体运动脏器的信息，进行处理和显示。现已普遍用于血流、心脏和产科等方面的检查。超声血流测量仪、起声胎心检测仪、超声血管显像仪以及超声血压计、超声血流速度剖面测试仪等多种仪器在临床上广为应用。超声波对血管内流动的红血球接收散射，根据多普勒效应，即反射频率于发射频率之间将产生偏移即多普勒频移fd，由下式给出： fd=2vf0cos/C式中v为红血球的运动速度，C为超声波的速度。由公式可以看出，与血流
2、速度成正比，若检出fd就可求得v。超声多普勒法分连续多普勒和脉冲多普勒。前者的缺点是没有距离分辨能力，在射线方向上的所有多普勒信号总是重叠在一起；后者具有距离分辨能力，能够捡出某特定深度的多普勒信号，可用于清洁箱内部和大血管血流信号的检测。但由于采用脉冲波，受重复频率产生的重叠幻像的影响，测定深部高速血流具有一定的困难。现在的超声多普勒成像装置大多采用与B超相结合的方法，在B超上一边设立多普勒取样，一边捡出血流信息。多普勒波束是与B超超声波束一起发射的。由同一探头接收放大，经延迟线和加法器后，进入混频电路和低通滤波器进行相位检波，然后通过取样状态设定电路和带通滤波器取出特定深度的多普勒信号，并
3、将从心脏壁和血管壁来的运动滞后的低频多普勒信号滤除。取出的多普勒信号一路可以送到扬声器进行监听，一路可以经过A/D转换送到频谱分析器进行快速傅里叶变换(FFT)，通过变换后便可得到多普勒频谱。以横轴表示时间，纵轴表示多普勒频移（速度），各个多普勒频率强度（功率）用辉度显示。由于FFT变换频谱范围宽，可以判断是紊流还是层流。最后，经D/A变换后与B型、M型图像一起显示。彩色多普勒成像装置 彩色多普勒体层成像是用脉冲多普勒法对于一点的血流信息进行实时二维显示。一般取流向探头的血流设为红色，远离探头的血流设为蓝色。其基本原理和脉冲多普勒法一样，所不同的是比脉冲多普勒成像装置多了MTI（移动目标指示装
4、置）计算电路。接收到的多普勒回波信号经过混频电路和低通滤波器进行相位检波后，一路送到处理电路，进行频谱分析，以显示多普勒频谱；一路送到计算机电路，以得到彩色多普勒血流信息。为了滤除心脏壁、血管壁等反射的信号，以有效地检测超声射线方向的多普勒信号，使用了MTI滤波器。经过MTI滤波器的超声多普勒信号，进入自相关处理器进行自相关处理，在分别进行平均速度、分散和乘方运算，便得到彩色多普勒信号。将彩色多普勒信号、多普勒频谱信号以及B型、M型信号一起送入数字扫描转换单元（DSC），然后再进行彩色处理，得到红（R）、绿（G）、蓝（B）三基色数字信号，最后经过数模转换（D/A），在彩色显示器上显示和录像机记
5、录。 成像原理超声诊断仪现在都是利用回波测距的方法工作的。声波在传播途中，遇到介质的不均匀界面时，发生反射与折射现象。产生的反射声波即回波。所谓脉冲回波测距法，是指向声传播介质中发射一个超声脉冲，经目标反射，接收其回波，并检出其中所携带的有关目标的信息，用于确定目标的方位与距离的方法。人体组织和脏器具有不同的声阻抗，在声阻抗突变的界面会产生回波。将超声脉冲波发射到生物体内，再接收来自生物体的反射回波信号，完成对生物体组织的扫查，这种方法称为超声脉冲反射法，或称脉冲回波形扫查技术。由于超声波在人体内的传播速度比X射线要慢很多，在发射完持续时间仅只几微秒的超声波脉冲后，随着超声脉冲波在人体内的传播
6、，大约有七百微秒的时间可以用来接收、放大和处理和微波信号。因此，大多数超声诊断系统都采用超声脉冲反射法检测技术。由于界面两边的声学差异，即声阻抗的变化，通常不是很大，故大部分超声能量声穿过界面继续向前传播，达到第二界面时又产生回波，并仍有大部分超声能量透过该界面继续行进。将回波信号依次接收放大，并在荧光屏上显示在不同时间所接收到的不同幅度脉冲波形或不同亮度的光点，根据脉冲发出至回波到达换能器所用的时间t，可以计算出传播的距离x为: x=Ct/2 根据不同界面上的回波的返回时间，可以求出不同界面与超声探头（换能器）之间的距离。超声回波信号有三种基本显示模式：1. A 型(Amplitude Mo
7、dulation)：幅度调制。横轴表示深度，纵轴表示回波强度，以不同幅度的脉冲波形的形式表示。这是最基本的显示方法。2. B 型(Brightness Modulation)：亮度调制。纵轴表示深度，得到的超声回波信号加到显示器的Z轴上进行灰度调制，以亮度表示回波的强弱。如再配以声束的扫描，使横轴表示声速扫描方向就可以得到超声波体层图像。 3. M 型(Motion Modulation)：运动调制。将回波幅度加到显示器的Z抽上作亮度调制，纵轴表示深度，如同B型。将这样的回波信号在时间上拉开，即横坐标是时间，时基线以慢速沿轴方向移动。 超声波的物理特性 声速 声速与介质的体弹性系数和密度有关。
8、由于介质的弹性系数与温度有关，因此声速也与温度有关。在超声诊断的频段中，人体组织的超声速度与频率无关，而且软组织中的声速都很接近，约为1540m/s。波长、周期和频率 声波在介质中传播时，两个相邻的同相位点之间的距离，如相邻两点稠密部之间的距离（超声波在人体中一般是以纵波方式传播），称为声波的波长，以表示。波向前移动一个波长的距离所需的时间，称为声波的周期，以T表示。介质中任何一给定点在单位时间内通过的波敝，称为声波的频率，以f表示。它们之间的关系为 =C/f=CT式中为声波的传播速度。医学诊断中采用的超声波频率在1-20MHz范围内。声阻抗介质中任意点的密度与该点处声波的传播速度C之积为此介
9、质在该点处的声阻抗，以Z表示，即Z=C。它是表征介质的声学特性的一个重要物理量。声阻抗的变化将影响超声波的传播。声阻抗是采用反射回波法进行超声诊断的物理基础。声压级与声强级 声压级LP是以分贝表示的某个声压P与参考分压P0的比值，即LP=20lg(P/P0)声强级LI是以分贝表示的某个声强I与参考声强I0的比值，即LI=10lg(I/I0)声强是表示声的客观强弱的物理量，它表示通过垂直于传播方向上单位面积的能流率。声强为 I=1/2(C02A2)= p02/(2Z) 声强的单位是mW/cm2或W/m2。 声强与声源的振幅有关，振幅越大，声强也越大。对于平面超声波，他的总功率为强度I和面积S的乘
10、积，即W=IS。 由于超声强度太大会破坏人体正常细胞组织，因其不可逆的生物效应。因此，国际上对诊断用超声强度安全剂量作出规定，一般接受的安全剂量为20mW/cm2。超声波的指向性对于平面园片换能器，在无吸收的介质中其波束形状有两个不同的区域即园柱形区和发散区或称为近场区和远场区。近场区的长度为D2/4，D为晶片直径，为该介质中传播的超声波长。在远场区，发散角由sin=1.22/D给出。可见，减小直径可缩短近场长度和增大，即加宽了波束。增加频率即减小波长时，加长了近场区，减少了发散角，可获得较窄的波束。 声强度沿中心轴距离的分布，近场区声强度有剧烈的起伏变化，存在着许多声强度为极小值的节点。这些
11、节点可引起不希望有的盲点。在远场区声强都变化趋于平稳，单随着距离的增加，声强逐渐减弱。超声波的反射与折射当一束平面超声波入射到两种介质交界面上时，或者声阻抗的不连续处时，会产生反射和折射，并遵从反射和折射定律。I=RSinI/SinT=C1/C2超声波的衰减超声在介质中传播，其能量将随着距离的增加而减小，这种现象称为超声波的衰减。噪声衰减的因素主要有两类。一类是声束本身扩散，使单位面积上的能量下降，或反射，散射的结果，使能量不能再沿着原来的方向传播。在这一类事件中，声波的总能量并没有减少。另一类是，超声传播中，由于介质的吸收，将声能转换成为热能，因而使声能减小。着后一类的机理比较复杂，主要有粘
12、滞吸收；弛豫吸收、相对运动吸收及空化气泡吸收。对于给定的频率的超声波，其强度和压强幅度都随着距离的增大而按指数规律下降，可表示为：I(x)=I0e-2xP(x)=P0e-x式中为衰减系数。是频率的函数。mm = fMHz。为常数。衰减系数在很大程度上依赖于频率。这一点，我们在设计还是临床操作上都具有重大影响意义。实验结果表明，在医学超声频率范围内，人体组织对超声波的吸收系数几乎与超声波频率成正比。 超声换能器超声换能器，又称超声探头，在医学超声仪器中完成电声的转换作用。换能器的性能状况直接关系到医用超声设备的性能，影响成像的质量。使用中，压电换能器在超声诊断仪中占主要地位。压电效应某些材料，当
13、在真两端加一压力时，则在材料的两个电极表面上将出现电荷的积累，这种效应称为正向压压效应。一般说，材料的压电效应是可逆的，即当材料的两端加上一个电场时，则材料将出现形变，称为逆向压电效应，这种现象首先由居里兄弟在1880年发现的。一些晶体如石英等具有压电性，而现在用得较多的是压电陶瓷。压电振子压电振子指被覆有激励电极的压电体，它是构成各种超声探头中的换能器的基本单元。一个压电换能器中可以仅有一个压电振子，也可以有多个，每一个压点振子都是一个可逆的机电换能系统。压电振子本身是一个弹性体，因此肖其固有的谐振频率，当所施加的频率等于其固有频率时，它将产生机械谐振，由于正压电效应而产生最大电信号。另一方
14、面，振子又是压电体，当所施如的电的频率和压电振子固有频率一致时，由于逆压电效应则发生机械谐振，谐振使振幅最大，弹性能量也最大，这时，压电体获得最大形变振动，通过介质产生超声波输出。他说施加的力和电的频率不与振子固有频率一致时，压电振子产生的电信号幅度和变形振动幅度都将变小。使用特性超声探头的使用特性主要有工作频率、频带宽度、灵敏度、分辨率等。工作频率的选择主要决定于临床诊断的要求，人体各部位对超声波的衰减很不相同，即衰减系数随频率升高增加很快。因此，对于衰减大的组织和要求探测深度大时，应选取较低的工作频率，反之，则选取较高的工作频率。一般软组织适合用25MHz频率的超声，对甲状腺的等小器官的探
15、测则要求分辨率好，宜使用5MHz以上的频率，对于眼球的探测可用10MHz或以上的探头。现在有的超声探头可以在单个探头上发射和接收多种频率超声波，以期适应多种用途。也有的探头采用近场使用较高频率的超声以提高分辨率，远场使用较低的频率以期提高探查深度。探头特性对仪器分辨率有更明显影响，就探头本身而言，分辨率的高低主要与以下因素有关：1. 探头中换能器的辐射特性，若辐射特性好，则声速截面尺寸小，扩散角小，指向性好，横向分辨率就高。辐射特性好，声束能量集中，旁辫小，近场区干扰小，也有利于提高分辨率。2. 换能器的辐射面积大，声束的扩散角就小，横向分辨率也将提高。3. 换能器的频率响应好，则距离分辨率高。4. 换能器的机械品质因数低，也有利于纵向分辨率的提高。换能器层间匹配的好坏，也直接影响分辨率，这是因为层间匹配不佳时，超声在探头中来回反射，造成回波的多次叠加，从而使纵向分辩率下降。分类超声探头按诊断部位分类可分为眼科探头、心脏探头、腹部探头、颅脑探头、肛门探头、儿童探头等。按几何形状分类可分为矩形探头、柱形探头、凸形探头、园形探头、环形探头、喇叭形探头等。按波束控制方式分类可分为线扫探
