第七章-超声成像设备

上海健康医学院李哲旭牡丹江医学院朱险峰医学影像设备学第七章超声成像设备重点难点医用超声探头基本结构与工作原理B超的基本结构与工作原理超声多普勒成像技术三维超声成像技术超声谐波成像技术超声弹性成像技术第一节概述目录一、发展简史二、分类三、医用超声成像技术第一节概述一、发展简史20纪初，物理学家朗之万（langevin）首次研制成了石英晶体超声发生器。1946年，出现A型超声反射法探测疾病。1955年，出现M型超声诊断方法。20世纪60年代中期，开始研究机械式或电子的快速实时成像法。20世纪80年代，彩色多普勒超声用于临床20世纪90年代以来，全数字化技术、三维超声成像技术等技术的出现和不断发展，第一节概述二、分类（一）A型：是利用超声波的反射特性来获得人体组织内的有关信息，从而诊断疾病的。当超声波束在人体组织中传播遇到不同声阻抗的两层邻近介质界面时，在该界面上就产生反射回声，每遇到一个界面，产生一个回声，该回声在示波器的屏幕上以波的形式显示。A型成像显示图第一节概述A超基本结构与工作原理A超基本结构与工作原理图第一节概述（二）B型：借助于换能器或波束的动态扫描，获得多组回波信息，并把回波信息调制成灰阶显示，形成断面图像，因此也称断面显像仪。B超显示图第一节概述（三）M型：M型超声诊断仪是一种单轴测量距离随着时间变化的曲线，用于显示心脏各层的运动回波曲线。图像垂直方向代表人体深度，水平方向代表时间。M超显示图第一节概述三、医学超声成像技术近10年以来,随着临床医学的发展和科学技术的进步,超声影像技术在成像方法、探头、信号检测与处理方法及临床应用软件等方面都取得了长足的进步,使图像质量和分辨率越来越高。各类超声图第一节概述（一）换能器技术的发展---高密集、小曲率、高频率。（二）计算机平台技术---电脑化超声诊断仪。（三）宽频带成像技术---全面采集回波中隐含的丰富信息。（四）超声造影成像技术---突出感兴趣区域的图像。超声探头与工作站第二节B超基本结构与工作原理目录一、医用超声探头二、模拟B超三、全数字B超第二节B超基本结构与工作原理（一）换能原理（二）基本结构（三）超声场（四）组合扫描（五）声束的聚焦一、医用超声探头（一）换能原理---压电效应1880年法国科学家居里兄弟发现。---正压电效应：施力产生电。---负压电效应：加电产生力（振动）。－+++－－－+++－－－+++－－第二节B超基本结构与工作原理压电效应示意图外壳压电晶体保护面板电极垫衬吸声材料声学绝缘层电极引线（二）基本结构1.柱形单振元探头主要用于A超、M超。第二节B超基本结构与工作原理柱形单振元探头示意图第二节B超基本结构与工作原理（二）基本结构2.机械扇扫探头早期用于B超。机械扇扫探头示意图二极管开关控制器外壳阻尼垫衬多元换能器声透镜（二）基本结构3.电子线阵探头现代常用。第二节B超基本结构与工作原理电子线阵探头示意图电极引线垫衬压电振子匹配层声透镜第二节B超基本结构与工作原理电子线阵探头前端示意图（二）基本结构4.凸形探头凸形探头的结构原理与线阵探头相同，只是振元排列成凸形。但相同振元结构凸形探头的视野要比线阵探头大。第二节B超基本结构与工作原理凸形探头外观图第二节B超基本结构与工作原理（二）基本结构5.相控阵探头相控阵探头示意图第二节B超基本结构与工作原理（二）基本结构6.矩阵探头矩阵探头是近几年出现的多平面超声探头，主要应用于实时三维超声成像。矩形探头外观及振元排列示意图（三）超声场---超声能量作用的弹性介质空间1.单晶圆形声源的超声场---活塞往复运动第二节B超基本结构与工作原理圆晶片超声场指向性与轴向声场分布图第二节B超基本结构与工作原理2.矩形声源的超声场单个与多个矩形换能器超声场示意图（四）组合扫描1.组合顺序扫描用电子开关顺序切换方式，将相邻m个振元构成一个组合，接入发射/接收电路的振子，使之分时组合轮流工作，产生合成超声波束发射并接收。第二节B超基本结构与工作原理组合顺序扫描示意图（四）组合扫描2.组合间隔扫描---d/2扫描---d/4扫描第二节B超基本结构与工作原理组合间隔扫描示意图（五）声束的聚焦---聚焦是诊断和治疗的需要，在诊断中聚焦可以提高横向分辨力，在治疗中往往将超声波能量集中在肿瘤上或体内结石上。1.声学聚焦第二节B超基本结构与工作原理声学聚焦示意图2.电子聚焦电子聚焦实质是对各振元采用延时激励，即使每一激励脉冲，经不同的延时后到达各振元，使得这些振元发射的声场在某个既定的区域内，因相位相同产生相长干涉，而在另一区域内产生相消干涉，使各阵元发射的超声波在焦点处会聚，换能器辐射的波阵面等效一个凹面发射源。第二节B超基本结构与工作原理电子聚焦示意图3.动态电子聚焦aim：在整个探测深度范围内，波束都能有良好的会聚。method：发射波在动态触发脉冲的控制下形成动态聚焦。第二节B超基本结构与工作原理动态电子聚焦示意图第二节B超基本结构与工作原理（一）发射单元（二）接收单元（三）信号处理与图像形成单元（四）系统控制单元二、模拟B超第二节B超基本结构与工作原理（一）发射单元；（二）接收单元；（三）信号处理与图像形成单元；（四）系统控制单元二、模拟B超B超结构框图第二节B超基本结构与工作原理（一）发射单元---发射单元是指把控制单元给出的触发逻辑信号（DP）调制成探头振元所需的激励脉冲信号的单元电路。发射单元框图第二节B超基本结构与工作原理（二）接收单元---接收单元是指探头接收到反射超声波，将其转换成电信号输送开始到回波信号合成为止的单元电路。接收单元框图第二节B超基本结构与工作原理（三）信号处理与图像形成单元---信号处理与图像形成单元是指回波信号合成后进行一系列处理，最后形成全电视信号的单元电路。信号处理与图像形成单元框图第二节B超基本结构与工作原理（四）系统控制单元它主要由中央处理器CPU、程序存储器ROM、工作存储器RAM、读/写控制电路、取样时钟发生器、DP脉冲发生器、数据输出接口电路、收/发控制（ROM）产生电路、电视同步信号产生（ROM）电路、字符、标志形成电路、键盘电路等组成。CPU在ROM程序和相应硬件的支持下，以及在系统时钟和屏幕显示时钟的控制下，发出各种控制信号，并接受键盘命令，从而完成超声的发射、接收以及DSC处理的各种任务。第二节B超基本结构与工作原理（一）全数字B超的关键技术（二）全数字B超分析三、全数字B超第二节B超基本结构与工作原理（一）全数字B超的关键技术1.数字波束形成数字波束形成关键是波束合成，波束合成简单地说就是延时求和。（1）控制采样脉冲方式控制采样脉冲方式数字波束合成框图第二节B超基本结构与工作原理（一）全数字B超的关键技术1.数字波束形成（2）基于双口RAM方式基于双口RAM方式数字波束合成框图第二节B超基本结构与工作原理（一）全数字B超的关键技术2.数字信号处理---全数字B超数字信号处理的核心内容是检波，用以完成这个任务的电路称为检波器。（1）绝对值包络检波器绝对值包络检波器框图第二节B超基本结构与工作原理（一）全数字B超的关键技术（2）正交包络检波器正交包络检波器框图第二节B超基本结构与工作原理（二）全数字B超分析DP-9900型B超系统结构框图第二节B超基本结构与工作原理（二）全数字B超分析DP-9900型B超系统各板与母版连接图第三节超声多普勒成像目录一、超声多普勒技术二、多普勒频移信号的显示三、超声多普勒成像系统第三节超声多普勒成像一、超声多普勒技术（一）多普勒效应当声源、接收器、介质之间存在相对运动时，接收器收到超声频率和超声源的频率之间产生的差异，这种现象称为多普勒效应，其变化的频差称多普勒频移。多普勒效应示意图第三节超声多普勒成像一、超声多普勒技术（二）多普勒技术的医学应用应用多普勒效应测定血流速度的基本原理应用多普勒效应测定血流速度的基本原理示意图第三节超声多普勒成像二、多普勒信号的显示（一）振幅显示振幅显示图第三节超声多普勒成像二、多普勒信号的显示（二）频谱显示频谱显示图第三节超声多普勒成像二、多普勒信号的显示（三）彩色显示彩色显示原则图第三节超声多普勒成像三、超声多普勒成像系统1.连续波多普勒成像系统连续波多普勒成像系统框图第三节超声多普勒成像三、超声多普勒成像系统2.脉冲多普勒成像系统脉冲多普勒成像系统框图第三节超声多普勒成像三、超声多普勒成像系统3.彩色多普勒血流成像系统彩色多普勒血流成像系统框图第四节超声成像新技术目录一、三维成像技术二、谐波成像技术三、介入性成像技术四、组织弹性成像技术第四节超声成像新技术一、三维成像技术（一）三维超声技术的发展三维超声的发展可分为三个阶段。1．自由臂三维其成像方式是利用二维探头对目标进行一个面一个面的扫查，获得多个二维图像信息，再将二维图像信息重建为三维立体影像。2．容积三维成像它的成像原理和自由臂三维的成像原理一样，区别在于设计了专门的容积探头，提高了成像速度，可以瞬间重建，所以也有准实时三维的叫法。3．实时三维成像（四维）其成像原理是通过探头发出呈矩阵排列的扫描线，一次采集得到容积的成像信息，进而形成三维影像。第四节超声成像新技术一、三维成像技术（二）三维超声成像原理三维超声成像过程包含下面几个步骤：数据采集、三维重建、三维影像可视化和三维影像操作。（三）三维超声影像优势1．图像显示直观2．精确测量结构参数、心室容积、心内膜面积等3．准确定位病变组织4．缩短数据采集时间随着成像技术的发展和临床应用研究的深入，三维超声成像的空间分辨率和时间分辨力得到提高，普遍应用于临床是必然的趋势。第四节超声成像新技术二、谐波成像技术超声波在人体传播过程中，表现出明显的非线性。回波信号受到人体组织的非线性调制后产生基波的二次三次等高次谐波，其中二次谐波幅值最强，用回波的二次等高次谐波成像的方法叫做谐波成像。第四节超声成像新技术二、谐波成像技术谐波非线性变化示意图第四节超声成像新技术二、谐波成像技术谐波与基波能量关系图第四节超声成像新技术二、谐波成像技术（一）组织谐波成像组织谐波成像是利用宽频探头，接收组织对发射波非线性调制而产生的高频基波信号及谐波信号，采用滤波技术，去除基波信号，仅利用谐波来进行成像，在信号处理过程中常采用实时平均处理，增强较深组织的回声信号，改善图像质量，提高信噪比。第四节超声成像新技术二、谐波成像技术（一）组织谐波成像组织谐波成像是利用宽频探头，接收组织对发射波非线性调制而产生的高频基波信号及谐波信号，采用滤波技术，去除基波信号，仅利用谐波来进行成像，在信号处理过程中常采用实时平均处理，增强较深组织的回声信号，改善图像质量，提高信噪比。（二）对比谐波成像对比谐波成像是指用超声造影剂的谐波成像。第四节超声成像新技术三、介入性成像技术介入性超声成像是在超声显像基础上，应用超声显像仪通过侵入性方法达到诊断和治疗的目的。可在实时超声引导下完成各种穿刺活检、X线造影、抽吸、插管、局部注射药物等。第四节超声成像新技术四、组织弹性成像技术组织弹性成像技术（TissueElastography）是以弹性这一个物理特征作为成像因素而形成的影像（一）超声弹性成像研究1.超声弹性成像2.弹性图与声像图的区别（二）超声弹性成像的方法1.施以动态应力2.施以静态应力第四节超声成像新技术四、组织弹性成像技术（三）弹性成像的相关技术1.压迫性弹性成像2.间歇性弹性成像3.振动性弹性成像（四）超声弹性成像技术应用1.乳腺癌的检测2.肝脏病变的超声弹性成像3.前列腺病变的超声弹性成像4.热治疗时的监测5.对血管内动脉粥样硬化斑块的性质判断