超声基础知识06

1、超超 声声 基基 础础 知知 识识 一、声波一、声波 1. 概念：概念：声波是一种机械振动，可以通过介质进行传播。声波是一种机械振动，可以通过介质进行传播。 潜艇潜艇 海洋海洋 0Hz 20Hz 20KHz1MHz 30MHz 400MHz 次声波次声波 可听见声音可听见声音超超声声 红外线红外线 耳朵耳朵无损探伤无损探伤 图像诊断图像诊断 声学显微镜声学显微镜 2. 声音频谱声音频谱 3. 超声的特性超声的特性 超声的折射：超声从甲介质进入乙介质时，传播方向发生偏离。超声的折射：超声从甲介质进入乙介质时，传播方向发生偏离。 超声的反射：超声在遇到两种介质界面时，传播方向在一种介质中发生偏转。

2、超声的反射：超声在遇到两种介质界面时，传播方向在一种介质中发生偏转。 传播速度：传播速度： 超声在水中的传播速度超声在水中的传播速度1530米米/秒秒 超声在空气中传播速度超声在空气中传播速度344米米/秒秒( 20C ) 三棱镜三棱镜 折射折射 镜子镜子 反射反射 4. 超声诊断的优点超声诊断的优点 安全、无辐射。适用于胎儿诊断。安全、无辐射。适用于胎儿诊断。 设备可移动，成本低。设备可移动，成本低。 实时成像实时成像 通过扫描角度变化，获得更佳的图像。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。多普勒检测血流量信息。 二、超声原理二、超声原理 1. 基本原理：基本原理： 超声

3、基本原理与回声原理相同。超声基本原理与回声原理相同。 2. 超声频率与波长：超声频率与波长： C / f 超声波波长；超声波波长；C超声波声速超声波声速 f 超声波频率。超声波频率。 波长：一个波的长度。波长：一个波的长度。 频率：单位时间内的周数（重复次数）频率：单位时间内的周数（重复次数） 探 头 远 近 低频低频高频高频 分辨率分辨率更好更好 穿透力：穿透力： 更强更强 3. 超声波的衰减：超声波的衰减： 超声波的衰减与传播距离成正比；与频率的超声波的衰减与传播距离成正比；与频率的2/3方成正比。方成正比。 三、超声模式：三、超声模式： 在监视器上显示的超声图像是二维图像，这与在监视器上

4、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。和核磁共振所形成的图像相同。 超声图像有以下几种模式：超声图像有以下几种模式：回波振幅 Line 1 Line 2 Line 3 Line 4 Line 5 Line 6 Line 7 Line 8 1. 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

5、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。模式。 探头 换能器 监视器 Line 1 2 3 4 5 6 7 8 g GEMS-C DDP-1 Traning 3. M模式：模式： M模式中的M表示运动，M模式通过B模式图象来显示一个光标，然后在以时间为 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。B型显示 切面声像图，M型显示体内各层组织对于体表（探头）的距离随时间变化的曲线，是 反映一维的空间结构。 TransducerTransducerTransducerTransducer Line 45 t1Line 45 t

6、2Line 45 t3Line 45 t4 t 1 2 3 4 5 6 7. 4. D模式模式（多普勒模式）（后面详述）（多普勒模式）（后面详述） 四、探头：四、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，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。也是接收器。它是超声设备最重要的部分。 1. 结构：结构： 详见右图所示。详见右图所示。 其中：压电陶瓷发射其中：压电陶瓷发射/接收超声波；声透镜轴向接收超声波；声透镜轴向 聚焦；背衬材料防止产生超声波反向振动；聚焦；背衬材料防止产生

7、超声波反向振动； 2. 压电效应：压电效应：是指具有压电特性的材料是指具有压电特性的材料(陶瓷、石英陶瓷、石英) 在受到外界压力后，在其受压端面产生电压；在其在受到外界压力后，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，端面施加交变电信号时，其端面会产生机械振动， 发出声波。发出声波。 3. 工作原理：工作原理： 主机通过电缆在基元上施加电信号，使基元振动，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。两端产生电信号，通过电

8、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 五、超声扫描方式：五、超声扫描方式： 1. 概述：概述：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：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： 凸阵：凸阵：也称弯曲线阵，与线阵的区别在于也称弯曲线阵，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 线阵线阵：用于小器官、血管及术中。：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 2. 电子扫描方式：电子扫描方式： 探头的许多基元通过电子

9、控制产生扫描波束并且通过延时线对波束进行聚焦。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 3. 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

10、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 六、超声系统：六、超声系统： 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

11、 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 探头 显示器 七、名词解释：七、名词解释： 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

12、是帧频很低 常用的聚焦方式：常用的聚焦方式：分段聚焦；动态聚焦；连续动态聚焦分段聚焦；动态聚焦；连续动态聚焦(CDF） 2. 宽频及变频：宽频及变频： 5MHz 5MHz 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 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 5MHz10MHz 3. 帧频：帧频： 帧频帧频是指单位时间内是指单位时间内 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。的信息。 移 动 的 物 体 低 帧 频 高 帧 频 宽频宽频是指探头的工作频率范围比较宽。是指探头的工作频率范围比较宽。

13、 变频变频是一种新技术：改变同一个探头的是一种新技术：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。低频率。 4. 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。 前端数字化前端数字化全全数字化数字化 后端数字化后端数字化部分部分数字化数字化 数字化 处理 A/D 放大、 处理 显示 放大、 滤波 数字化 处理 A/D 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 A little m

14、ore than halfway between 98 and 99 超过超过98度了度了! 可能过正常值了可能过正常值了! 他发烧了他发烧了 98.6 98.6 98.6 98.6 The Original Measurement After Addition of Noise 何为数字化何为数字化? 探头探头 A/D处理器处理器显示显示 98.698.698.698.6 探头探头 A/D显示显示 处理器处理器 模拟模拟: 98.698.6 + ? 双 向 数 字 化 发 射 、 接 收双 向 数 字 化 发 射 、 接 收 超声信号首先经过超声信号首先经过A/D数字化转换器，数字化转换器，

15、 对发射，接收双方向进行处理对发射，接收双方向进行处理 数字化超声 数字化: 1234 数字数字 延迟延迟 S 数字波束形成器数字波束形成器 数字化的精确度数字化的精确度 数字化超声 6. 分辨率分辨率 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。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。

16、(发射带宽发射带宽;频率；频率； 脉冲的长短）脉冲的长短） 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。（线密度（线密度 聚焦；孔径聚焦；孔径) 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。

17、识别能力。 灰度分辨率几何分辨率平衡平衡 B模式 衰减：衰减： 在正常情况下，超声系统从近场接收到的回声信号比较强，从远场接收到的回 声信号较弱，对于从近场到远场的图象，如果我们不对它进行调整，就无法看清这个 图象。 时间增益控制（时间增益控制（TGC）：）： 为了使从近场近场到远场远场的图象质量更好，我们应该为每一深度（分段分段）进行相应的 时间增益控制调整。 通常如果病人较胖，则其远场图象会因为脂肪而产生较大的衰减而变暗，这时我 们应增加其远场的TGC，如果病人比较年轻，则其近场图象会因为肌肉产生较大的衰 减而变暗，这时应增加其近场的TGC。 B模式 增益（增益（Gain）：）： 每个超声

18、设备都有增益控制系统，增益用来调整监视器所显示的回波信号 的大小。（类似收音机的volume音量键） 增益低整个图象的亮度低，组织的亮度较低，噪声也低。 增益高整个图象的亮度高，噪声水平也较高。 动态范围：动态范围： 动态范围可以用来调整灰阶范围的宽度。 小动态范围它可以显示小范围内的各部分之间的区别，这时的图象对比度强， 黑白分明，但是小动态范围会丢失信息。 硬图象对比度强的图象，特别其边缘非常清晰。 大动态范围它可以显示从小到大较宽范围内的信号，虽然它显示不出图 象的 微小差别，但是它很容易检测到整个范围的信号。这时图象的轮廓比较 模糊。 软图象轮廓模糊的图象，它可以显示较宽范围内的信息。

19、 八、多普勒（八、多普勒（Doppler）：）： 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 TXM RCVRCV 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。率。 如果

20、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。 TXM 1. 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。 火火车速度车速度 = 40 MPH 将将校准过的声纳放在路轨旁和火车上校准过的声纳放在路轨旁和火车上 训训练有素的音乐观察员处在路轨旁和火练有素的音乐观察员处在路轨旁和火 车上车上 2. 多普勒效应公式：多普勒效应公式

21、： 2cos f。 C f V(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 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 0.866 33 0.839 3.2% cos 误差变化误差变化 70 0.342 73 0.292 17.1% 夹角夹角的最佳范围：的最佳范围：3060 多普勒超声技术分类多普勒超声技术分类 频谱多普勒频谱多普勒 脉冲多普勒（pulsed wave Doppler） 高脉冲重复

22、多普勒（high pulsed repeat Doppler） 连续波多普勒(continuous wave Doppler) 彩色多普勒彩色多普勒 彩色多普勒（color Doppler） 能量多普勒（power Doppler） 组织多普勒（tissue Doppler） 脉冲多普勒的技术特点：脉冲多普勒的技术特点： 探头以短脉冲群方式发射超声，在发射间歇期，又用以接收回声 信号。在间歇期，选择性接收所需要检测位置的信号，这种选择性定位 接收能力称为距离选通（rang gating）或距离分辨能力（rang resolution），所需检测的区域称为取样容积（SV）。 正正 常常 腹腹 主

23、主 动动 脉脉 频频 谱谱 显显 象象 举例多普勒频谱 从多普勒频谱图形能了解到血流的哪些参数？从多普勒频谱图形能了解到血流的哪些参数？ 1、多普勒频谱的横軸代表时间，即血流显示的时相，纵軸代表频移， 即血流的速度。 2、零位线上方代表血流朝向探头流动，下方代表血流背离探头流动。 3、频谱的幅度，即频谱在纵軸上的振幅，代表频移的大小（KHz）， 即血流速度的大小（m/s）。 4、频谱的宽度，即频移在频谱垂直方向上的宽度，表示某一瞬间取样 中的红细胞运动速度分布范围的大小，如速度 范围小即红细胞运动速度相同的多，成为频带 窄，如速度不同的多，成为频带宽。 归纳：归纳： 血流的速度、血流的方向、血

24、流的时相、血流 的性质 怎样用多普勒频谱判断血流的性质? 层流：层流：红细胞速度梯度小，运动方向一致，在多普勒频谱上显示位频 谱窄，频谱波形规整，容易被自动包络，频谱与基线之间有比较明显 的空窗，频谱信号音柔和有乐感。 湍流：湍流：因红细胞运动速度梯度大，方向多变，显示为频谱宽，频谱波 形不够规整，不易被包络，频谱窗消失，频谱信号音粗糙刺耳。 动脉血流：动脉血流：频谱呈脉冲波形，收缩期幅度大于舒张期，舒张期开始 可能出现短暂的反向脉冲波形，频谱信号音呈明确的搏动音。 静脉血流：静脉血流：频谱呈连续的有或无起伏的曲线， 曲线起伏是由于呼吸是静脉压力的增大或减 小所致。大的静脉如腔静脉更易出现频谱

25、曲 线的起伏。频谱信号音呈连续的吹风样或大 风过境样声音。 脉冲波多普勒技术有什么局限性? 测量血流速度值的能力受脉冲重复频率（PRF)的限制。 最大检测深度距离的限制。 什么是高脉冲重复频率技术？ 是增大PRF的频率，用于脉冲多普勒，目的是扩大脉冲多普勒测 量最大流速值的范围。 什么是连续波多普勒？技术特点？ 其超声探头为两个晶片，一个连续发射，一个连续接收回声信 号。连续的发射和接收超声信号，因沿超声束内所有的回声信 号都被接收，即红细胞的运动信息都被接收，缺乏距离选通定 位能力，从理论上不存在PRF的限制，可以测的血流速度范围无 限大，目前超声仪的连续波多普勒可测量的最大流速达10m/s

26、 3. 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 4.彩色血流成像彩色血流成像 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

27、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 彩色多普勒 彩色多普勒使用与脉彩色多普勒使用与脉 冲波相同的原理。冲波相同的原理。 仪器需要图象上许多仪器需要图象上许多 点的多普勒信息。点的多普勒信息。 在每一点上，仪器要在每一点上，仪器要 决定其平均速度。决定其平均速度。 平均速度转换成彩色平均速度转换成彩色 。红色红色表示正向，表示正向，兰兰 色色表示负向。表示负向。 彩色成像与

28、解剖 图像上的彩色代表的是平图像上的彩色代表的是平 均速度。均速度。 声束的总体方向 兰色表明血流背离声 束，是从右到左的。 红色表明血流冲 向声束，是从左 到右的。 多普勒问题 哪里的速度最高? A? B? C? A B C 彩色多普勒技术：彩色多普勒技术： 定义：以脉冲多普勒技术为基础，用运动目标显示器，自相关函数计算、数字扫定义：以脉冲多普勒技术为基础，用运动目标显示器，自相关函数计算、数字扫 描转换、彩色编码等技术，达到血流的彩色显像。描转换、彩色编码等技术，达到血流的彩色显像。 种类：种类：彩色多普勒血流成像；彩色多普勒能量图；彩色多普勒速度能量图（方向彩色多普勒血流成像；彩色多普勒能量图；彩色多普勒速度能量图（方向 性能量图）性能量图） 技术特点技术特点: 1、颜色代表血流方向，红色代表血流朝向探头，蓝色背离探头。、颜色代表血流方向，红色代表血流朝向探头，蓝色背离探头。 2、色调表示血流速度（平均速度）的快慢，色调越浓即彩色越明亮，表示流速、色调表示血流速度（平均速度）的快慢，色调越浓即彩色越明亮，表示流速 越快，黯淡则流速慢。越快，黯淡则流速慢。 3、检测深度、成像帧频、可检测的流速最大值三者受制约，增加检测深度，成、检测深度、成像帧频、可检测的流速最大值三者受制约，增加检测深度，成