電子醫(yī)療儀器超聲成像技術(shù)

1、1 / 75,振動頻率>20,000Hz的聲波——超聲波醫(yī)用頻率2.5—13MHz(常用2.5 —5MHz),第八章 超聲成像技術(shù)第一節(jié)　概述,2 / 75,超聲成像ultrasonograghy, USG,定義： 利用超聲波的物理特性和人體組織器官的聲學(xué)特性相互作用而產(chǎn)生的信息，經(jīng)處理后形成圖形和曲線，借此進行疾病診斷的一種物理檢查方法。,3 / 75,超聲波的特點和優(yōu)點,USG特點： 對軟組

2、織的分辨能力強 信息的顯示有多種方法USG優(yōu)點： 無損傷、無痛苦、無輻射 實時、快捷、準(zhǔn)確、方便,4 / 75,超聲發(fā)展概況,40年代 探索階段50年代 A型、M型超聲儀70年代 灰階實時超聲（B型） 雙功能超聲儀（ B型+頻譜）80年代 彩色多普勒超聲儀 （ B型+ 彩色+頻譜）90年代 新技術(shù) （超聲造影、諧波成像、

3、 超高頻探頭、三維超聲等）,5 / 75,第二節(jié)　M型超聲成像,M型超聲診斷儀采用輝度調(diào)制的方法，使深度方向所有界面反射回波，用亮點形式在顯示器垂直掃描線上顯示出來，隨著臟器的運動，垂直掃描線上的各點將發(fā)生位置上的變動，定時地采樣這些回波并使之按時間先后逐行在屏上顯示出來。,6 / 75,,,7 / 75,,M型超聲對心臟運動結(jié)構(gòu)的探查具有獨特的優(yōu)勢，通常對心臟的M型掃查所得到的顯示圖稱超聲心動圖。,8 / 75,,為提

4、取更多的診斷倍息，M型掃查心動圖常與心臟其它參數(shù)，如心電圖、心音圖、心尖博動圖和超聲多普勒頻譜圖同步進行聯(lián)合顯示。為更有目的地選擇M型掃查部位，M型掃查常與B型掃查聯(lián)合，即通過B型切面圖像上的選擇線，進行有選擇的M型掃查，從而可避免M型掃查的盲目性。,9 / 75,,,10 / 75,第三節(jié)　多普勒超聲成像,一、多普勒效應(yīng)1842年奧地利物理學(xué)家多普勒（Doppler）發(fā)現(xiàn)并研究了聲波的“頻移”現(xiàn)象，后被命名為“多普勒效應(yīng)”。 此效

5、應(yīng)是指波源將某一頻率的波以一種固定的傳播速度向外輻射時,如果波源與接收系統(tǒng)產(chǎn)生相對運動，則所接收到的波的頻率會發(fā)生變化（即頻移）。,11 / 75,一列火車快速駛遠時，它的汽笛聲聽來會沉悶很多，因為聲波相對于我們的頻率變低、波長變長了，這就是多普勒效應(yīng)。,12 / 75,,多普勒效應(yīng)并非僅僅存在于聲波傳遞中，任何以波動形式行進的能量傳遞過程，均可產(chǎn)生多普勒效應(yīng)，如無線電波、高能X射線(或γ射線)、可見光線以及其他電磁輻射等。人類之所以

6、最先在聲波范疇內(nèi)發(fā)現(xiàn)多普勒效應(yīng)，是由于聲波本身屬于人耳的可聞波動，且聲波在空氣中的傳播速度不高（340m/s）,聲源與人耳的相對運動速度使聲頻率變化落在人耳的敏銳辨別區(qū)內(nèi)。,13 / 75,,天文學(xué)家埃德溫·哈勃發(fā)現(xiàn)：不同距離的星系發(fā)出的光，顏色上稍稍有些差別。遠星系的光要比近星系紅一些，即波長要長一些，這種現(xiàn)象被稱為“哈勃紅移”。它說明，各星系正以很高的速度彼此飛離?，F(xiàn)代天文學(xué)正是借助多普勒效應(yīng)通過檢測、辨認(rèn)宇宙深處恒星發(fā)

7、光顏色的變化來判定天體的運動狀態(tài)的。,14 / 75,,產(chǎn)生多普勒效應(yīng)的原因以聲波為例：當(dāng)聲波在某種介質(zhì)中以固定的傳播速度c前進時，聲速為波長和頻率的乘積，即c=λ· f；但如果聲源與接收系統(tǒng)之間存在著相對運動，相對運動的速度為V，則聲波向接收系統(tǒng)的相對傳播速度c′為原來傳播速度c與相對運動V的迭加，即c′=c + V。于是有:f′＝c′／λ＝（c＋V）／λΔf＝f′－f＝（c＋V）／λ－c／λ＝V／λ將λ=c／f

8、代入上式，有Δf＝f·V／c頻移量Δf為相對運動速度與原聲速的比值與波源頻率的乘積。,15 / 75,,火車從身旁的鐵路上呼嘯而過時，會使我們非常明顯地聽出鳴叫著的汽笛聲突然間由尖銳變得低沉起來。當(dāng)火車馳向我們時（V為正），我們所聽到的汽笛聲（f1′）要比火車固定不動時的聲音（f）尖銳一些（Δf1＞0， f1′＞ f ）；當(dāng)火車背向我們馳去時（V為負(fù)），所聽到的汽笛聲（f2′）要比原來的聲音（f）低沉一些（Δf2＜0，f

9、2′＝f2′＜ f ）。,16 / 75,,二、多普勒原理在超聲醫(yī)學(xué)診斷中的應(yīng)用超聲多普勒應(yīng)用臨床以來，其應(yīng)用價值已愈加明顯，尤其在以運動器官為主要研究對象的心血管科，超聲多普勒診斷儀更成為不可或缺的有力診斷工具；原理應(yīng)用：運動結(jié)構(gòu)（如心臟瓣膜）或散射子集合（如血管中的紅細胞群體）反射回來的超聲波束，檢測出其中的多普勒頻移，得到探查目標(biāo)的運動速度信息，然后被人耳監(jiān)聽、用儀器去分析、用圖像去顯示或者用影像去顯現(xiàn)人體內(nèi)部器官的運動狀態(tài)

10、。,17 / 75,,以人體內(nèi)血流的運動狀態(tài)檢測為例：聲波的發(fā)射源與接收器均為超聲探頭自身，在檢測時刻探頭是固定不動的。超聲波向著流動中的紅細胞集合體傳播，遇到聲障（紅細胞）時，相對于流動中的紅細胞，聲波f已經(jīng)產(chǎn)生了一次多普勒頻移（f′），頻移量Δf′＝f′－f；而聲障反射回來的超聲波（f′）仍沿著原來的傳播路徑向反方向傳送至探頭，同時又迭加了一個相同方向的運動速度（v），因此探頭處檢測到的超聲波又產(chǎn)生了一次新的頻移（f″），最終頻

11、移量Δf″＝f″－f′＝2Δf′，即Δf″＝ 2f·v／c,18 / 75,,假定頻率f為3.5MHz的超聲波，向著以0.1m/s速度運動的血流發(fā)射，正常聲速c=1540m/s，則回聲的頻移量Δf（由Δf＝ 2f·v／c可得）約為±450Hz。由此可見，多普勒頻移量Δf與超聲固有頻率f及反射目標(biāo)的運動速度V成正比；與聲波在某種組織中的傳播速度成反比。另外，常用超聲頻率在人體組織中產(chǎn)生的多普勒頻移量

12、Δf恰好在人耳的敏銳聽覺辨別范圍內(nèi)（大約200～1200Hz），因此只要將此信號檢測放大后，僅憑有經(jīng)驗的醫(yī)生聆聽，就可以獲得有價值的臨床診斷信息。,19 / 75,在實際應(yīng)用中，超聲的發(fā)射與接收并不一定正對著探測目標(biāo)的運動方向，多數(shù)情況下它們之間會存在一個夾角θ，因此上述多普勒頻移量Δf的完整表達式應(yīng)為：Δf＝2fcosθ·v／c,20 / 75,,D型超聲成像診斷儀（Doppler Ultrasound, D超）即超聲多普勒

13、診斷儀，是利用聲學(xué)多普勒原理，對運動中的臟器和血液所反射回波的多普勒頻移信號進行檢測并處理，轉(zhuǎn)換成聲音、波形、色彩和輝度等信號，從而顯示出人體內(nèi)部器官的運動狀態(tài)。,21 / 75,發(fā)展的主要階段連續(xù)波式多普勒系統(tǒng)(continuous wave doppler)脈沖式多普勒系統(tǒng)(pulsed wave doppler)彩色多普勒血流成像系統(tǒng)(color doppler flow image，CDFI) ，也被稱為彩色

14、血流圖（color flow mapping, CFM）。,22 / 75,三、連續(xù)式超聲多普勒成像儀探頭內(nèi)為雙換能器結(jié)構(gòu)，各自完成發(fā)射和接收任務(wù)，一只換能器連續(xù)不斷地發(fā)射超聲信號，另一只換能器不停接收反射回聲，轉(zhuǎn)換為電信號，送至高頻放大單元，經(jīng)幅度放大后再送至混頻解調(diào)器解調(diào)。,23 / 75,,1．超聲波的產(chǎn)生、發(fā)射和反射 主頻振蕩器產(chǎn)生并輸出頻率為f的振蕩信號，送入聲發(fā)射驅(qū)動單元，經(jīng)過放大后驅(qū)動探頭中的壓電換能器向外輻射出頻率為

15、f的連續(xù)超聲波。,24 / 75,,2．頻移信號的檢測和頻移量的獲得 接收到的頻率為f′的回聲波，將之轉(zhuǎn)換為電信號，通過電纜線送至機器的高頻放大單元，經(jīng)過信號幅度放大后再送至混頻解調(diào)器作解調(diào)處理。混頻解調(diào)器是一個非線性差頻處理單元電路，它有2路輸入信號端口和1個信號輸出端口。,25 / 75,,2個輸入信號分別為：①高頻放大單元送來的f′電信號；②主頻振蕩器分出的參照f電信號。在混頻解調(diào)器內(nèi)，這2路信號進行混頻、相差處理，將差頻信號Δ

16、f＝f′－f從輸出端口送出。,26 / 75,缺點：所有運動目標(biāo)產(chǎn)生的多普勒信號混疊在一起，無法辯識信息產(chǎn)生的確切部位，沒有距離（深度）的信息。,27 / 75,四、脈沖波式超聲多普勒成像儀,28 / 75,探測距離的選通 獲得人體內(nèi)部所需探測目標(biāo)的回聲信息，就必須采用距離（或深度）選通接收門控制器。在人體軟組織中，超聲的傳播速度差別不大，可以將平均聲速視為常數(shù)（c=1540m/s），故從發(fā)射出脈沖信號的前沿為起始時刻(t0)計起，

17、至返回信號的脈沖到達時間(t1)的長短與運動器官距離換能器的深度成正比。只要調(diào)節(jié)“距離選通門”的啟閉時間，就能控制探測距離和沿著這一距離方向上的一段長度（又稱作“容積”），這樣就可以只接收感興趣目標(biāo)的回聲信號，濾除前后的無關(guān)信號。,29 / 75,五、彩色多普勒血流顯像儀脈沖多普勒探測的只是一維聲束上超聲多普勒血流信息，它的頻譜顯示表示流過取樣容積的血流速度變化。脈沖多普勒技術(shù)也被稱為一維多普勒。一維多普勒在測定某一位置的血流是很

18、方便的，如果要了解瓣口血流流動的詳細分布，一維多普勒就很困難，只能一個點一個點地測，把每一個點的血流速度記錄下來，最后得到一個大致的血流輪廓。,30 / 75,,彩色多普勒成像，對于血流方面的多種狀態(tài)具有強大的顯示能力，如： 同時顯示心臟某一斷面上的異常血流的分布情況； 反映血流的途徑及方向； 明確血流性質(zhì)是層流、湍流或渦流； 可以測量血流束的面積、輪廓、長度、寬度； 血流信息能顯示在二維切面像或M型圖上，更直觀地反映結(jié)構(gòu)異常

19、與血流動力學(xué)異常的關(guān)系等。,31 / 75,1.工作原理,系統(tǒng)在接收到發(fā)射來的回聲信號后，先進入相位檢波器與原始振蕩信號進行相位比較，再將一路信號送入脈沖多普勒信號處理通道；另一路則經(jīng)過低通濾波器去除沒有意義的雜波信號。,32 / 75,濾過后的信號經(jīng)A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換后，再進行自相關(guān)處理。這一步驟是將前后2個脈沖產(chǎn)生回聲的時間差換算成相位差，再根據(jù)相位差與目標(biāo)運動狀態(tài)的關(guān)系處理成血流方向和速度結(jié)果。,,33 / 75,在一維多普勒診斷儀（

20、連續(xù)波CW和脈沖波PW）中，是將回聲頻率與原始振蕩頻率比較出頻移量Δf，然后通過多普勒方程式換算出血流方向和速度。,而在自相關(guān)處理中，用探測時間差異來解決這個問題：脈沖發(fā)射過程中，前后兩個相鄰脈沖之間的時間差Δt，包含了探測目標(biāo)的運動方向與速度等變量因素，最后反映在回波脈沖波形的相位差異上，由此通過脈沖自身相位差的關(guān)系解得血流方向和速度的方法稱作自相關(guān)處理技術(shù)。,34 / 75,2.血流運動狀態(tài)的彩色顯示方法 通過數(shù)字電路和計算機處

21、理，將血流的某種信息參數(shù)處理成國際照明委員會規(guī)定的彩色圖。規(guī)定血流的方向用紅和藍表示，朝向探頭的運動血流用紅色，遠離探頭運動的血流顏色用藍色，而湍動血流用綠色。,血流的速度與紅藍兩種彩色的亮度成正比，正向速度越高，紅色的亮度越亮。,35 / 75,,,36 / 75,,,37 / 75,,,38 / 75,,,39 / 75,在彩色多普勒中，由于血流的方向決定了血流的顏色（一般正向血流為紅色，反向血流為藍色），所以同一流向的血流處在與聲

22、束不同角度時血流的顏色也可能不同。,40 / 75,3.臨床應(yīng)用效果評析(1)彩色多普勒與B型超聲 彩色多普勒血流儀通過對散射回的多普勒信息作相位檢測并經(jīng)自相關(guān)處理、彩色灰階編碼，把平均血流速度信息以色彩顯示，并組合到B型灰階影像上。不僅可以加快過去B型對心臟疾病檢查的速度，而且可以直接采集到心內(nèi)血流速度、輪廓的信息。,41 / 75,(2)彩色多普勒血流成像與頻譜多普勒 彩色多普勒血流顯像對血流的顯示是直觀的，對于辨

23、別血流的湍動、了解流速在心血管內(nèi)分布較脈沖多普勒更快更好。但是，對血流的定量測定來說，脈沖多普勒與連續(xù)波多普勒卻是非常有效的工具。,,42 / 75,近年來，三維成像技術(shù)的發(fā)展和進步，為非侵入性的診斷技術(shù)又開辟了一個新的領(lǐng)域。三維超聲技術(shù)能夠克服二維超聲空間顯像的不足，成為二維超聲技術(shù)的重要輔助手段。 目前，三維超聲能夠迅速地對容積圖像數(shù)據(jù)進行儲存、處理和顯示其三維立體圖像，并且能夠得到多平面的圖像。,第四節(jié)　三維超聲成像

24、,43 / 75,三維超聲系統(tǒng)框圖,44 / 75,,一、三維數(shù)據(jù)獲取三維成像首先要取得足夠的三維數(shù)據(jù)，超聲三維影像重建要同時把切面影像及它們之間的位置與角度信號送入計算機，由計算機作相應(yīng)的組合和處理后，在熒光屏上再現(xiàn)該器官的三維影像。,45 / 75,坐標(biāo)位移三維顯示法,46 / 75,,,47 / 75,軸旋轉(zhuǎn)角度獲取多平面,48 / 75,二、三維圖像重建1 切面重建 ：通過三維數(shù)據(jù)庫可以選定任意一個平面的二維圖像，進行多平

25、面圖像分析。2 三維立體重建(1)表面成像模式：通過三維立體數(shù)據(jù)庫選擇感興趣區(qū)域進行成像，非感興趣區(qū)可以去除；采用合適的濾過功能，可以濾過周圍低回聲，使圖像突出。,49 / 75,例如去除羊水內(nèi)的低回聲，突出胎兒表面高回聲，濾過高時還可以突出胎兒骨骼結(jié)構(gòu)，顯示出高回聲結(jié)構(gòu)的立體圖像,50 / 75,,,51 / 75,,52 / 75,,,53 / 75,,,54 / 75,,(2)透明成像模式：將實質(zhì)性的組織結(jié)構(gòu)的所有三維回聲

26、數(shù)據(jù)進行處理，選擇性地顯示出高同聲或低回聲結(jié)構(gòu)的特征。能將組織內(nèi)部情況以透明立體方式表現(xiàn)出來。采用這種模式要求感興趣結(jié)構(gòu)的回聲特征較周圍組織回聲高或低，例如骨骼、血管或囊性結(jié)構(gòu)。,55 / 75,,,56 / 75,第五節(jié)　其他超聲成像技術(shù),一、全數(shù)字型B型超聲診斷儀 隨著電子產(chǎn)品的數(shù)字化進程的加快，全數(shù)字化Ｂ超成為Ｂ型超聲診斷儀的發(fā)展方向。,57 / 75,目前已研制出全數(shù)字計算機信號處理的超聲診斷系統(tǒng)，它采用軟件控制，可隨時加入新

27、的軟件程序以更新整機功能，并能夠配接不同的探頭系統(tǒng)，如機械扇掃探頭、線陣探頭、凸陣探頭、相控陣探頭、環(huán)陣探頭、腔體探頭等，可以顯示Ｂ型、Ｍ型、脈沖和連續(xù)多普勒信號及兩維彩色多普勒血流圖，實現(xiàn)多參量、多方位綜合診斷。,58 / 75,二、彩階超聲圖像處理技術(shù)超彩階超聲影像處理是利用微電子技術(shù)進行的一種影像增強處理技術(shù)，它通過光學(xué)處理、等密度分割、幅度鑒別、模數(shù)轉(zhuǎn)換等方法進行彩色編碼，使輸入的圖像值轉(zhuǎn)換到特定彩色空間相應(yīng)坐標(biāo)中去，從而顯示

28、預(yù)期的彩色影像。偽彩色處理 原理：利用人眼對彩色分辨力高而對灰度分辨力低的特點。用不同的顏色來表示不同的灰度等級，到達圖象增強的效果。,59 / 75,彩色編碼原理圖,60 / 75,61 / 75,62 / 75,彩色顯示原理框圖,63 / 75,,三、組織諧波成像和造影諧波成像 組織諧波成像（tissue harmonic imaging,THI）又稱頻譜合成成像或頻率轉(zhuǎn)換技術(shù)（FCT）普通超聲成像都沿用了線性聲學(xué)規(guī)律

29、，即利用線性能量成像而將非線性成分濾掉 諧波成像技術(shù)是近幾年發(fā)展起來的利用非線性聲學(xué)特性的一項新技術(shù) 人體組織對聲波的反向具有一定的非線性高頻率諧波能量，但相對較弱,64 / 75,,造影諧波成像(contrast harmonic imaging ,CHI) 是利用造影劑微泡（直徑1～10微米）產(chǎn)生的較強的二次諧波信號進行成像，故又稱為二次諧波成像（second harmonic imaging ,SHI） 組織產(chǎn)生的諧波信號

30、十分微弱，使用超聲造影劑 (Ultrasound Contrast Agent ,UCA)的物質(zhì)可以人為地擴大非線性現(xiàn)象,65 / 75,四、超聲CT超聲波在人體內(nèi)傳播時，設(shè)法獲得聲速的變化和聲強度的衰減差異。通過計算機使用代數(shù)重建法或反投影技術(shù)來重建出超聲透射影像。這種成像技術(shù)即為超聲計算機斷層成像（US-CT）。,66 / 75,五、超聲顯微鏡 SAM利用超聲波在傳播中，由于樣品的硬度、構(gòu)造和粘性的不同，使聲波狀態(tài)產(chǎn)生微細差異的

31、性質(zhì)，從中選取工作參量。,67 / 75,激光掃描超聲顯微鏡（SLAM）的情況類似液面聲全息。它采用平面波，但不需要參考聲波干涉。當(dāng)聲波透過樣品在液面形成代表樣品結(jié)構(gòu)信息的波紋時，由激光掃描讀出這些信息，經(jīng)電腦處理后顯示。,68 / 75,1.超聲成像診斷儀按成像方式有眾多種類，目前臨床上最常見的為B型、M型和D型。探頭種類更為復(fù)雜，而使用最多的是線形掃描和扇形掃描，以及機械控制和相位控制等類型，目前有著一機多配、向?qū)ｉT化發(fā)展的趨勢。,

32、本章小結(jié),69 / 75,2.M超成像是以輝度調(diào)制、時序展開的一維空間多點運動時序圖，適于對運動性器官的探查，又稱超聲心動圖。,70 / 75,3.B超成像是以輝度調(diào)制的二維斷層實時掃描影像，是目前用途最廣泛、普及程度最高的診斷設(shè)備。根據(jù)腹、胸診斷部位不同，可選擇線形或扇形兩種掃描方式。,71 / 75,4.聲波即使在均勻媒介中傳播也會因聲源與接收器之間的相對運動而使聲速發(fā)生相對于接收器的變化，從而使接收頻率產(chǎn)生移動。這種現(xiàn)象稱作多普勒

33、頻移效應(yīng)，Δf = f·cosθ/c，如果聲源與接收為一體，而被探測目標(biāo)在移動，則Δf=2f·cosθ/c。,72 / 75,5.D型超聲診斷儀分為連續(xù)波、脈沖波式以及建立在脈沖波基礎(chǔ)上的彩色超聲多普勒血流成像儀，其中脈沖式D型診斷儀和彩超在臨床應(yīng)用較為廣泛，兩者均是采用間歇式發(fā)射脈沖波來探測血流或運動器官狀態(tài)的。,73 / 75,但前者屬于一維成像，而彩超是通過自相關(guān)處理獲得血流方向和速度等變量參數(shù)，在B（或M）型