第3章超声成像设备概述

第3讲医学超声成像技术南方医科大学医学工程系卢广文2019/10/4医学超声仪器原理讲义2主要内容1.超声成像基本原理——超声回波法2.医学超声设备的分类3.超声诊断仪的主要参数超声成像基本原理——超声回波法2019/10/4医学超声仪器原理讲义4超声回波法把几兆赫至几十兆赫的高频声脉冲发射到生物体内，再接收反射波（回波），这种方法称为超声脉冲回波法。脉冲宽度：几微秒脉冲间隔：几百微秒（接收放大器处理回波的时间）脉冲回波法最早较早是应用于雷达和声纳。回波时间t、探测距离L的关系，c为声速cLt22019/10/4医学超声仪器原理讲义52019/10/4医学超声仪器原理讲义6cf连续波（CW）脉冲波脉冲宽度脉冲间隔2019/10/4医学超声仪器原理讲义7超声波传播方向生物体探头时间A模式显示亮度调节B模式显示回波强度扫描方向扫描方向超声回波法示意图2019/10/4医学超声仪器原理讲义8仪器基本框图发射通道：时钟电路（同步脉冲发生器）、发射器（高频脉冲发生器）、换能器（探头）接收通道：接收换能器、射频放大器（RFA）、检波及抑制电路、视频放大器（UFA）探头接收发射时钟显示记录2医学超声设备的分类2019/10/4医学超声仪器原理讲义10A型超声A型超声诊断仪因其回声显示采用幅度调制(AmplitudeModulation)而得名。A型显示是超声诊断仪最基本的一种显示方式，即在阴极射线管(CRT)荧光屏上，以横坐标代表被探测物体的深度，纵坐标代表回波脉冲的幅度，故由探头(换能器)定点发射获得回波所在的位置可测得人体脏器的厚度、病灶在人体组织中的深度以及病灶的大小。根据回波的其他一些特征，如波幅和波密度等，还可在一定程度上对病灶进行定性分析。2019/10/4医学超声仪器原理讲义112019/10/4医学超声仪器原理讲义12由于A型显示的回波图，只能反映局部组织的回波信息，不能获得在临床诊断上需要的解剖图形，且诊断的准确性与操作医师的识图经验关系很大，因此其应用价值已渐见低落，即使在国内，A型超声诊断仪也很少生产和使用了。2019/10/4医学超声仪器原理讲义13M型超声M型超声成像诊断仪适用于对运动脏器，如心脏的探查。由于其显示的影像是由运动回波信号对显示器扫描线实行辉度调制，并按时间顺序展开而获得一维空间多点运动时序（motion-time）图，故称之为M型超声成像诊断仪，其所得的图像也叫做超声心动图。2019/10/4医学超声仪器原理讲义142019/10/4医学超声仪器原理讲义152019/10/4医学超声仪器原理讲义16M型超声诊断仪发射和接收工作原理与A型有些相似，不同的是其显示方式。对于运动脏器，由于各界面反射回波的位置及信号大小是随时间而变化的，如果仍用幅度调制的A型显示方式进行显示，所显示波形会随时间而改变，得不到稳定的波形图。因此，M型超声诊断仪采用辉度调制的方法，使深度方向所有界面反射回波用亮点形式在显示器垂直扫描线上显示出来，随着脏器的运动，垂直扫描线上的各点将发生位置上的变动，定时地采样这些回波并使之按时间先后逐行在屏上显示出来。图中可以看出，由于脏器的运动变化，活动曲线的间隔亦随之发生变化，如果脏器中某一界面是静止的，活动曲线将变为水平直线。2019/10/4医学超声仪器原理讲义172019/10/4医学超声仪器原理讲义18M型超声诊断仪对人体中的运动脏器，如心脏、胎儿胎心、动脉血管等功能的检查具有优势，并可进行多种心功能参数的测量，如心脏瓣膜的运动速度、加速度等。但M型显示仍不能获得解剖图像，它不适用于对静态脏器的诊查。2019/10/4医学超声仪器原理讲义19B型超声为了获得人体组织和脏器解剖影像，继A型超声诊断仪应用于临床之后，B型、P型、BP型、C型和F型超声成像仪又先后问世，由于它们的一个共同特点是实现了对人体组织和脏器的断层显示，通常将这类仪器称为超声断层扫描诊断仪。虽然B型超声成像诊断仪因其成像方式采用辉度调制(BrightnessModulation)而得名，其影像所显示的却是人体组织或脏器的二维超声断层图(或称剖面图)，对于运动脏器，还可实现实时动态显示。2019/10/4医学超声仪器原理讲义20超声波传播方向生物体探头时间A模式显示亮度调节B模式显示回波强度扫描方向扫描方向2019/10/4医学超声仪器原理讲义212019/10/4医学超声仪器原理讲义22C型超声C型扫查，又称C型显示，“特定深度扫查”(constantdepthmode)。与B型扫查一样都是辉度调制的二维切面象显示方式，所不同的是B型扫查所获得的是超声波束扫查平面本身的切面象，即纵向切面象。可惜由于C型扫查的灵敏度较低，显象速度不易提高，使C型扫查技术的发展受到限制。2019/10/4医学超声仪器原理讲义232019/10/4医学超声仪器原理讲义242019/10/4医学超声仪器原理讲义25D型超声D型超声成像诊断仪也即超声多普勒诊断仪，它是利用声学多普勒原理，对运动中的脏器和血液所反射回波的多普勒频移信号进行检测并处理，转换成声音、波形、色彩和辉度等信号，从而显示出人体内部器官的运动状态。超声多普勒诊断仪主要分为3种类型：即连续式超声多普勒(continuouswavedoppler)成像诊断仪脉冲式超声多普勒(pulsedwavedoppler)成像诊断仪实时二维彩色超声多普勒血流成像(colordopplerflowimage)诊断仪。2019/10/4医学超声仪器原理讲义26F型超声F型扫查，又称F型显示。它与C型扫进原理上是相似的。区别仅在于：在扫查一幅图像的过程中，C型扫查平面距探头的深度是不变的，而F型扫查面距探头的深度是一变量，不是一个常量。根据成像需要可作相应变动，从而可获得斜面、曲面的F型图像2019/10/4医学超声仪器原理讲义272019/10/4医学超声仪器原理讲义28P型超声又称P型显示，它可视为一种持殊的B型显示，超声换能器置于圆周的中心，径向旋转扫查线与显示器上的径向扫描线作同步的旋转。主要适用于对肛门、直肠内肿瘤、食道癌及子宫颈癌的检查，亦可用于对尿道、膀胱的检查。P型超声诊断仪所使用的探头称为径向扫描探头，如尿道探头，直肠探头都属于径向扫描探头。扫描时探头置于体腔内，如食道、胃或直肠等。2019/10/4医学超声仪器原理讲义292019/10/4医学超声仪器原理讲义303超声诊断仪的主要参数2019/10/4医学超声仪器原理讲义32主要参数表征超声诊断仪性能的参数，从大的方面可分为三类，这就是：声系统参数图像特性参数电气特性参数在众多的参数中，我们只讨论其中几个主要参数。2019/10/4医学超声仪器原理讲义33声系统参数：1.声输出的强度、总功率等；2.超声场的时频特性，如波型、持续时间、脉冲重复频率、脉冲形状、频率、脉冲带宽等；3.声场分布特性，如换能器类型、波束形状、聚焦特性、景深等。2019/10/4医学超声仪器原理讲义34图像特性参数：1.分辨力；2.位置记录精度；3.深度测量精度；4.帧频；5.存贮器的容量；6.图像处理能力。2019/10/4医学超声仪器原理讲义35电气特性参数：1.灵敏度；2.增益及TGC指标；3.压缩特性及动态范围；4.显示器的动态范围；5.系统的带宽等。几个主要参数2019/10/4医学超声仪器原理讲义37动态范围显示信号的最大水平与最小水平的比称为动态范围(DynamicRange,DR)，DR描述了信号幅度变化的大小，一般用分贝[dB]值表示。minmax10log20UUDR式中：Umax—信号最大值，Umin—信号最小值2019/10/4医学超声仪器原理讲义38生物组织的声界面特性，组织吸收（超声衰减）特性及探测深度决定了信号的动态范围因此动态范围DR通常由两个部分组成：声界面特性（声阻抗差）所确定的信号幅度变化（SDR）超声在组织传播过程中衰减所引起的信号幅度变化，超声传播衰减取决于组织特性（超声衰减系数）与传播距离（L）由此超声回波总动态范围可写为：DR=2L+SDR2019/10/4医学超声仪器原理讲义39对动态范围的影响因素超声在生物组织中传播所产生的全部回波；超声发射功率、接受放大器的等效输入噪声；终端显示装置的动态范围；动态压缩方法时间增益控制——补偿传输衰减幅度增益控制——使有用信号相对压缩2019/10/4医学超声仪器原理讲义40线形范围线性范围，一般指的是仪器中放大器线性范围，它给出放大器输入信号和输出信号之间成线性关系的区域。即Uo=KUi线性关系也用分贝值来表示minmax10log20UUL式中：Umax—信号最大值，Umin—信号最小值，可见线性放大器的线性范围即是动态范围2019/10/4医学超声仪器原理讲义411.00.50[V]输出振幅110105输入振幅102103104增益的最大固定20dB40dB60dB80dB100dB1.00.50[V]输出振幅110105输入振幅102103104大中小用动态范围40dB固定2019/10/4医学超声仪器原理讲义42当输出信号的最大幅度保持不变时，输入信号的线性范围将随着K值的减小而增大。2019/10/4医学超声仪器原理讲义43分辨率分辨力指成像系统能分辨空间尺寸的能力，即能把两点区分开来的最短距离。超声显像仪的分辨力是衡量其质量好坏的最重要的指标，分辨力越高，越能显示出脏器的细小结构。2019/10/4医学超声仪器原理讲义442019/10/4医学超声仪器原理讲义45超声成像的分辨力有横向分辨力和纵向分辨力之分。前者是指垂直于超声脉冲束方向上的分辨力，后者是沿波束轴方向上的分辨力。这两种分辨力的大小差别很大，纵向分辨力总是优于横向分辨力。而且，垂直于波束轴的两个维上的横向分辨力也往往不同。影响横向分辨力和纵向分辨力的因素各不相同，2019/10/4医学超声仪器原理讲义46横向分辨力又称侧向分辨力，它表示区分处于声束轴垂直的平面上的两个物体的能力。超声波束直径尺寸直接影响横向分辨力，波束直径越细，能分辨的尺度越小，横向分辨力越高。2019/10/4医学超声仪器原理讲义47影响横向分辨率的因素显示荧光点尺寸的影响波束直径尺寸的影响动态范围的影响2019/10/4医学超声仪器原理讲义480dB-10dB0振幅[V]距离2019/10/4医学超声仪器原理讲义49扫描扫描波束较窄时波束较宽时2019/10/4医学超声仪器原理讲义50仪器的图像质量主要取决于横向分辨力。横向分辨力好，图像细腻，小结构就能显示清楚。横向分辨力主要由换能器的尺寸、形状、发射频率、聚焦等因素决定。当显示屏光点尺寸较大时，也会影响横向分辨力。此外，随着深度的增加，脉冲频谱中的各种频率成分的衰减情况也不同，这个因素也潜在地影响着横向分辨力。现代化的显像仪横向分辨力可优于2mm。2019/10/4医学超声仪器原理讲义51纵向分辨力又称轴向分辨力或距离分辨力，表示在声束轴线方向上对相邻两回声点的分辨力。纵向分辨力与发射超声频率有关，因为声波的纵向分辨力理论极限为声波的半波长。频率越高，波长越短。纵向分辨力与超声脉冲的持续时间有关，脉冲持续时间越短，即脉冲越窄，纵向分辨力越高。超声脉冲持续时间与发射电脉冲宽度及换能器阻尼有关。2019/10/4医学超声仪器原理讲义52影响纵向分辨率的因素脉冲宽度的影响增益大小的影响2019/10/4医学超声仪器原理讲义532019/10/4医学超声仪器原理讲义542019/10/4医学超声仪器原理讲义55色散吸收对横向、纵向分辨率的影响吸收与频率的关系——频率越高，吸收越强；频谱中心向低频偏移；波束变宽；前沿变坏；2019/10/4医学超声仪器原理讲义56理想的情况下，工作频率越高，分辨率越高；生物组织的平均衰减系数接近1dB/cm·MHz；频率3MHz—深度20cm