超声原理 2 /GE /2024/9/6主要内容1.超声诊断的物理基础2.超声成像原理3.超声应用 3 /GE /2024/9/6第一部分超声诊断的物理基础 4 /GE /2024/9/6声源、介质• 声源：–能发声的物体称声源–声源振动后产生声波–在超声成像中，探头的晶片高频振动时即产生超声• 介质–气体，固定，液体是传播声音的介质–声音必须在介质中传播，不能在真空中传播–超声成像中，人体脏器，器官都是介质–介质的声学特性，与成像的关系非常密切 5 /GE /2024/9/6超声波与频谱图可听范围：20-20000HZ超声波：>20 000HZ超声成像范围：2-20MHZ–1000HZ=1KHZ–1MHZ=106HZ 6 /GE /2024/9/6医学超声波的应用范围• 3.5-5MHZ应用于成人心脏及腹部成像• 7-10MHZ应用于小器官成像，例如甲状腺，血管• 10-40MHZ应用于血管和皮肤成像 7 /GE /2024/9/6超声波的传播• 超声波的种类：–横波：质点的运动方向垂直于传播方向在固体中波以横波形式传播–纵波：质点的运动方向平行于传播方向在软组织中波以纵波形式传播。
–在超声诊断中，主要应用超声纵波•声速与介质有关–固定>液体>气体空气液体固体 8 /GE /2024/9/6声波在软组织中的速度 在软组织的平均速度是1540米/秒探测1cm深度目标所需时间为13us 9 /GE /2024/9/6超声波的几个重要物理量•波长λ( 一个超声波周期所经历的长度)•频率f (每秒发射的超声波的脉冲数量) C=λ*f f=1/T•振幅A (超声信号的强度)•周期T (完成一个完整的波长所需的时间)TimeWavelengthAmplitudeFrequency 10 /GE /2024/9/6超声诊断的物理基础（1）超声波的回声是反射式超声成像的基础•界面反射–超声在均匀介质中沿直线传播–不同介质界面，会发生反射与折射•镜面反射及反射系数 11 /GE /2024/9/6超声诊断的物理基础（2）声学特性阻抗差异大的界面反射特性 Z1<>Z2 （固体-气体）将会发生近乎全部反射，即强力反射，例如甲状腺（气管黑色）；肺部很难成像；超声耦合剂 12 /GE /2024/9/6超声诊断的物理基础（3）声学特性阻抗差异小的界面反射特性如果Z1和Z2相近，则反射很小。
软组织的特性阻抗非常相近例如：肝-肾界面只有6%的入射波能量反射会肝中，其余94%的能量透入界面送入肾 13 /GE /2024/9/6小结界面反射是超声成像的基础，只要有1‰的声阻抗差异，就会产生反射，所以超生对软组织的分辨力非常高如果不发生反射？反射太强？ 14 /GE /2024/9/6超声波的散射散射：入射声波遇到小界面时产生散射 15 /GE /2024/9/6超声波的折射折射系数•由于超声波在界面两边的声速不同，其声速之比决定折射程度•如果速度相等，则不发生折射•伪像的产生—折射•人体各种软组织的声速都是接近的 16 /GE /2024/9/6超声波的声场特性声场分布•由换能器发出超声后，呈狭窄的圆柱形分布，其直径与晶体大小接近，有明显的方向性，称为超声束主瓣和旁瓣 • 旁瓣会产生伪像—克服旁瓣，增强主瓣 a-主瓣 b,c-旁瓣 17 /GE /2024/9/6超声波的衰减特性• 超声波的衰减与传播距离成正比；与频率的2/3方成正比• 高频衰减大，低频衰减小（穿透力强）• 引起衰减的因素•吸收•散射，折射等减弱 18 /GE /2024/9/6超声的多普勒效应多普勒公示：公式中，C，f0不变，v是变化的多普勒效应是血流成像的基础！ 19 /GE /2024/9/6超声的分辨力分辨力的定义–指超声检查时，能在荧光屏上被分别显示为两个点的最小距离的能力。
轴向分辨力–声束穿过介质中能被分辨为前后两点的最小距离–与超声波的频率成正比–最大分辨力为λ/2侧向分辨力或者横向分辨力–与声束相垂直的线或面上，能在荧光屏上被分别显示为两个点的最小距离的能力–与声束的宽窄有关 20 /GE /2024/9/6超声的穿透力• 穿透力的增加，以分辨力的损失为代价• 频率越高，分辨力越高，穿透力越小• 频率越低，穿透力越强，分辨力越低 21 /GE /2024/9/6超声诊断的优点• 安全、无辐射适用于胎儿诊断• 设备可移动，成本低• 实时成像• 通过扫描角度变化，获得更佳的图像• 多普勒－检测血流量信息 22 /GE /2024/9/6第二部分超声成像原理 23 /GE /2024/9/6超声的模式在监视器上显示的超声图像是二维图像，这与CT和核磁共振所形成的图像相同回波振幅Line 1Line 2Line 3Line 4Line 5Line 6Line 7Line 81. A模式模式：是一种振幅的模式它在显示上形成垂直偏转的曲线图是一种振幅的模式它在显示上形成垂直偏转的曲线图2. B模式模式：是一种亮度的模式其图像由不同亮度的点所组成的：是一种亮度的模式。
其图像由不同亮度的点所组成的直线构成点的亮度代表接收到回声的振幅通过连续扫描，二直线构成点的亮度代表接收到回声的振幅通过连续扫描，二维的剖面图像不断地被更新，这就是实时维的剖面图像不断地被更新，这就是实时B模式探头换能器监视器Line 1 2 3 4 5 6 7 8 24 /GE /2024/9/63. M模式：模式： M模式中的模式中的M表示运动，表示运动，M模式通过模式通过B模式图象来显示一个取样线，然后在以时模式图象来显示一个取样线，然后在以时 间为轴线的波形图上表示其运动状态通常间为轴线的波形图上表示其运动状态通常M模式用于检测心脏及胎儿的心率模式用于检测心脏及胎儿的心率TransducerTransducerTransducerTransducerLine 45 t1Line 45 t2Line 45 t3Line 45 t4t 1 2 3 4 5 6 7...4. D模式（多普勒模式）－（后面详述）模式（多普勒模式）－（后面详述） 26 /GE /2024/9/6图像的形成(con’t.)Sound beamTransducerPulser/receiverSystem CPUDigital ScanConverterMonitorRecordingDevicesVCR / PrinterLaser Camera 27 /GE /2024/9/6探头用于超声的探头也称为换能器，是用来产生和检测超声波的部件，即换能器。
既是发射器，也是接收器它是超声设备最重要的部分• 结构： 详见右图所示 其中：压电陶瓷－发射/接收超声波；声透镜－轴向 聚焦；背衬材料－防止产生超声波反向振动； • 压电效应：是指具有压电特性的材料(陶瓷、石英) 在受到外界压力后，在其受压端面产生电压；在其 端面施加交变电信号时，其端面会产生机械振动， 发出声波• 工作原理： 主机通过电缆在基元上施加电信号，使基元振动，发出超声波，超声波经物体反射作用在基元上，使基元两端产生电信号，通过电缆传送至主机处理、显示 声透镜压电陶瓷(基元)背衬材料衬套电缆物物体体发射反射 28 /GE /2024/9/6探头的种类相控阵探头：3S曲阵探头：3.5C，4C线阵探头：10L腔内探头：经食道探头面阵探头：M7C 29 /GE /2024/9/6超声扫描方式超声设备在医学临床上有多种诊断方式目前主要采用以下的方式：电子扫描方式 探头的许多基元通过电子控制产生扫描波束并且通过延时线对波束进行聚焦 电子扫描方式电子扫描方式机械扫描方式机械扫描方式 特殊方式特殊方式－－线阵线阵－机械扇扫－机械扇扫－斜向扫描－斜向扫描－凸阵（含微型凸阵）－凸阵（含微型凸阵）－径向扫描－径向扫描－梯形扫描－梯形扫描－相控阵－相控阵－扩大扫描－扩大扫描－向量扫描－向量扫描－线阵：用于小器官、血管及术中。
－线阵：用于小器官、血管及术中特点：• 孔径大• 近场视野宽• 旁瓣影响小－凸阵：也称弯曲线阵，与线阵的区别在于－凸阵：也称弯曲线阵，与线阵的区别在于 基元是弯曲的用于腹部和妇产科基元是弯曲的用于腹部和妇产科特点：• 近、远场视野宽 30 /GE /2024/9/63. 机械扫描方式机械扫描方式机械扫描是通过单个或多个基元机械运动（摆动）机械扫描是通过单个或多个基元机械运动（摆动）来产生超声波束的来产生超声波束的－机械扇扫：是超声波束通过基元机械运动来回－机械扇扫：是超声波束通过基元机械运动来回 摆动进行扫描的摆动进行扫描的特点：制作成本低；扫描角度大特点：制作成本低；扫描角度大 噪音大；帧频低；寿命短噪音大；帧频低；寿命短基元－相控阵：－相控阵： 相控阵方式是通过连续变换延时线来得到产生超声波束的不同角度主要用于心脏相控阵方式是通过连续变换延时线来得到产生超声波束的不同角度主要用于心脏延时线扫描超声波束相控阵探头 通过延时线聚焦 31 /GE /2024/9/6 延时线路延时线路脉冲发射脉冲发射/接收接收 处理处理滤波器、对数放大滤波器、对数放大器、时间增益控制器、时间增益控制 D S C数字扫描转换器数字扫描转换器监视器监视器记录设备记录设备录像机 打印机 彩色打印机图象档案管理图象档案管理 存储存储硬盘、磁光盘硬盘、磁光盘主机主机探头探头超声系统 32 /GE /2024/9/6通过窄孔径，在近场聚焦中场通过宽孔径，在远场聚焦对每一深度聚焦动态接收聚焦动态接收聚焦透镜焦点聚焦 发散1. 聚焦聚焦 许多超声设备都有调整聚焦的功能，对感兴趣的许多超声设备都有调整聚焦的功能，对感兴趣的区域进行聚焦，从而使图象分辨率更高，图象更清晰。
区域进行聚焦，从而使图象分辨率更高，图象更清晰超声系统的几种聚焦方式：超声系统的几种聚焦方式：－－只在发射端聚焦（接收端：自动聚焦）：保持较高的帧频－发射和接收端聚焦：可使图象质量更好，但是帧频很低常用的聚焦方式：分段聚焦；动态聚焦；连续动态聚焦常用的聚焦方式：分段聚焦；动态聚焦；连续动态聚焦(CDF））名词解释 33 /GE /2024/9/62. 宽频及变频宽频及变频5MHz5MHz传统探头宽频带探头频带宽度宽频＋变频－－有效地解决探头分宽频＋变频－－有效地解决探头分宽频＋变频－－有效地解决探头分宽频＋变频－－有效地解决探头分辨率与穿透力的矛盾辨率与穿透力的矛盾辨率与穿透力的矛盾辨率与穿透力的矛盾主机带宽探头带宽远场近场5MHz10MHz3. 帧频帧频帧频是指单位时间内帧频是指单位时间内获得图象的帧数获得图象的帧数高帧频可以捕捉细小高帧频可以捕捉细小的信息移动的物体低帧频高帧频宽频是指探头的工作频率范围比较宽宽频是指探头的工作频率范围比较宽宽频带探头是实现变频的基础宽频带探头是实现变频的基础宽频带探头是实现变频的基础宽频带探头是实现变频的基础变频是一种新技术：改变同一个探头的变频是一种新技术：改变同一个探头的频率。
若目标区域在近场，可以选用高频率若目标区域在近场，可以选用高频率；若目标区域在远场，可以切换到频率；若目标区域在远场，可以切换到低频率 34 /GE /2024/9/64. 数字化数字化数字化的标志是数字化处理装置数字化的标志是数字化处理装置前端数字化－全数字化前端数字化－全数字化后端数字化－部分数字化后端数字化－部分数字化 数字化处理 A/D放大、处理显示放大、滤波 数字化处理 A/DΣ•目标目标数字化延时数字化延时数字化叠加数字化叠加数字波束形成器数字波束形成器探头探头处理处理显示显示 35 /GE /2024/9/65. 分辨率分辨率 分辨率是指对两个靠近物体的识别能力，即对图象的区分分辨率是指对两个靠近物体的识别能力，即对图象的区分轴向（纵向）分辨率轴向（纵向）分辨率：是指沿超声波束轴方向上可区分的：是指沿超声波束轴方向上可区分的 两个点目标的最小距离两个点目标的最小距离轴向分辨率由超声波束的波长所决定轴向分辨率由超声波束的波长所决定一般来说，轴向分辨率为波长的一般来说，轴向分辨率为波长的2到到4倍倍??分辨率分辨率几何分辨率几何分辨率灰度分辨率灰度分辨率轴向分辨率轴向分辨率侧向分辨率侧向分辨率 轴向分辨率高低 侧向分辨率高低侧向（横向）分辨率：侧向（横向）分辨率：是指对垂直于超声波束轴方向上可是指对垂直于超声波束轴方向上可 区分的两个点目标的最小距离。
区分的两个点目标的最小距离侧向分辨率取决于超声波束的宽度和波束聚焦情况侧向分辨率取决于超声波束的宽度和波束聚焦情况灰度（对比度）分辨率：灰度（对比度）分辨率：是指对两个相似密度的物体的是指对两个相似密度的物体的 识别能力识别能力灰度分辨率几何分辨率平衡平衡几何分辨率高－－灰度分辨率差几何分辨率高－－灰度分辨率差几何分辨率高－－灰度分辨率差几何分辨率高－－灰度分辨率差 36 /GE /2024/9/6 多普勒技多普勒技术术在超声在超声诊诊断中非常有价断中非常有价值值主要用于主要用于检测检测心心脏脏、血管内血液的流向，、血管内血液的流向，流速及流量流速及流量主要包括以下三种：主要包括以下三种：- 脉冲多普勒脉冲多普勒(PW)- 高脉冲重复高脉冲重复频频率多普勒率多普勒(HPRF) - 连续连续波多普勒波多普勒 (CW). - 单连续单连续波多普勒波多普勒 - 可控可控连续连续波多普勒波多普勒TXMRCVRCV如果接收体向着振如果接收体向着振动动源运源运动动， ，则则接收接收到的到的频频率将高于率将高于发发射射频频率 如果接收体背着振如果接收体背着振动动源运源运动动， ，则则接收接收到的到的频频率将低于率将低于发发射射频频率。
率TXM1. 多普勒效应：多普勒效应：振动源和接收体有相对运动时振动源和接收体有相对运动时,所接收到的回声频率不同于振源所发射所接收到的回声频率不同于振源所发射 的声频率的声频率,其差别与相对运动的速度有关其差别与相对运动的速度有关,这就是多普勒效应这就是多普勒效应多普勒 37 /GE /2024/9/62. 多普勒效应公式：多普勒效应公式：2cos • f C • Δ fV(cm/s)=V 血流V (cm/s): 血流速度血流速度C (cm/s): 声速声速(1530m/s) (度度): 血流与超声波束之间的夹角血流与超声波束之间的夹角 Δ f(Hz): 多普勒频移多普勒频移 f Hz): 超声频率超声频率超声波束血管 角角的调整：的调整：30° 0.86633° 0.839 3.2%cos 误差变化误差变化70° 0.34273° 0.292 17.1%夹角夹角θ的最佳范围：的最佳范围：30－－60° 38 /GE /2024/9/63. 多普勒波的含义多普勒波的含义多普勒波包括以下含义多普勒波包括以下含义(数据数据)－速度－速度－速度范围（宽度）－速度范围（宽度）－血流量大小－血流量大小－血流方向－血流方向一个心跳周期宽的速度范围逆流时间基准线慢慢快快快快迎向迎向背向背向最高峰最高峰收缩舒张舒张结束 39 /GE /2024/9/64.彩色血流成像（彩色多普勒）彩色血流成像（彩色多普勒） 彩色血流成像（彩色血流成像（CFM））是在是在二维声像图上叠加彩色实时血流二维声像图上叠加彩色实时血流显像。
每一个彩色的点表示小区显像每一个彩色的点表示小区域内血液流量的平均值不同的域内血液流量的平均值不同的颜色代表血液流量的速度及检测颜色代表血液流量的速度及检测方式的不同通常，红色表示迎方式的不同通常，红色表示迎向探头的血流方向，蓝色表示离向探头的血流方向，蓝色表示离向探头血流方向向探头血流方向 一个心跳周期宽的速度范围逆流时间基准线慢慢快快快快平均值CFM迎向背向色标色标 。