灰阶超声成像原理

1、 一、灰阶及回声的概念一、灰阶及回声的概念 二、灰阶成像的三大基本要素二、灰阶成像的三大基本要素 三、灰阶成像的三大步三、灰阶成像的三大步骤骤 四、灰阶超声中常用术语及其调节四、灰阶超声中常用术语及其调节一、灰阶及回声的概念一、灰阶及回声的概念灰阶灰阶（gray-scale）：灰色色调的数量，表示在图上黑色到白色的之间的灰度（亮度）。 目前超声常使用256级灰阶。 回声回声（echo）：对灰阶的统称。）：对灰阶的统称。 根据灰阶的不同，回声可大致分为五种类型：根据灰阶的不同，回声可大致分为五种类型：1、强回声：强回声：灰度明亮，后方常伴声影，如结石或钙化灶。灰度明亮，后方常伴声影，如结石或钙化

2、灶。2、高回声：高回声：灰度较明亮，后方不伴声影，如肾窦或血管瘤。灰度较明亮，后方不伴声影，如肾窦或血管瘤。3、等回声等回声：灰阶强度呈中等水平，如正常的肝脾实质回声。灰阶强度呈中等水平，如正常的肝脾实质回声。4、低回声：低回声：透声较好的暗区，如正常的淋巴结。透声较好的暗区，如正常的淋巴结。5、无回声：无回声：均匀的液体，如正常充盈的膀胱或胆囊。均匀的液体，如正常充盈的膀胱或胆囊。强回声：胆囊结石强回声：胆囊结石高回声：肝内血管瘤高回声：肝内血管瘤等回声：正常脾实质等回声：正常脾实质低回声：颈部淋巴结低回声：颈部淋巴结无回声：充盈好的膀胱无回声：充盈好的膀胱二、灰阶成像的三大基本要素二、灰阶

3、成像的三大基本要素A：水槽中的乒乓球照片：水槽中的乒乓球照片B：灰阶超声切面图像：灰阶超声切面图像A A图成像原理：图成像原理：乒乓球乒乓球视网膜视网膜大脑皮层大脑皮层完整图像完整图像B B图成像原理：图成像原理：探头发射超声波探头发射超声波乒乓球（介质）乒乓球（介质）接接收回波信号显像收回波信号显像切面灰阶图像切面灰阶图像灰阶成像三要素：灰阶成像三要素：1、超声波、超声波振源（振源（Ultrasound）2、乒乓球壁、乒乓球壁介质介质(Medium)3、接收回波的探头、接收回波的探头感受器感受器(Receiver)振源振源介质介质感受器感受器1、声源、声源超声波超声波电磁波：电磁波：无线电波

4、、无线电波、X线、可见光等。线、可见光等。 波波次声波：次声波：20KHZ超声波超声波: :声源高速振动，声源高速振动， 其频率其频率20000次次 (Hz) 以上，以上，超过人类的听觉阈值，不能被人耳感受的的机械振动。超过人类的听觉阈值，不能被人耳感受的的机械振动。 有关超声波的物理量：有关超声波的物理量：在传播过程中一个完整周期内所通过的距离。 波长波长单位时间内声波在介质中传播的距离称声速。单位时间内声波在介质中传播的距离称声速。其传播速度在气体中较小其传播速度在气体中较小, 360 m/s左右；左右；在液体和人体软组织中较大，在液体和人体软组织中较大，1500 m/s 左右；左右；在固

5、体中最大，约为在固体中最大，约为4500 m/s 左右。左右。 超声仪器在设计时对于不同的软组织，超声仪器在设计时对于不同的软组织，假定了一个相对平均的速度，即假定了一个相对平均的速度，即1540M/S.单位时间内单位振动的次数，单位时间内单位振动的次数，亦超声波通过介质中某点的疏密波的次数。亦超声波通过介质中某点的疏密波的次数。目前医用超声波的频率：目前医用超声波的频率：200KHZ100MHZ目前临床超声仪常用频率：目前临床超声仪常用频率：2MHZ15MHZ。 频率范围（频率范围（单位：单位：MHZ） 应用情况应用情况 25 腹部、心脏等检查腹部、心脏等检查 510 浅表器官、外周血管等检

6、查浅表器官、外周血管等检查 1030 皮肤、血管内、内窥镜等检查皮肤、血管内、内窥镜等检查 40100 声学显微镜声学显微镜 有关超声波的物理性能：有关超声波的物理性能： 探头可接收的回波信号的强度与入射波探头可接收的回波信号的强度与入射波 和反射界面之间的夹角有关，垂直入射（入和反射界面之间的夹角有关，垂直入射（入射角为射角为0 0），反射越多，探头接收到的回波信），反射越多，探头接收到的回波信号最强；入射角越大，反射越少，能返回的号最强；入射角越大，反射越少，能返回的信号越弱。信号越弱。绕射：绕射：如界面不大，如界面不大，可与超声波波长相可与超声波波长相比，则声波将绕过比，则声波将绕过该界

7、面继续向前传播该界面继续向前传播。散射：散射：如物体的直径如物体的直径小于超声波的波长时，小于超声波的波长时，则声波向物体的四面则声波向物体的四面八方辐射。八方辐射。在人体结构中，散射主要发生在组织或在人体结构中，散射主要发生在组织或 器官内部大小与超声波长接近或更小的器官内部大小与超声波长接近或更小的 微小结构上，如肝脏中的肝小叶，肾中微小结构上，如肝脏中的肝小叶，肾中 的肾小体，心脏中的心肌纤维、的肾小体，心脏中的心肌纤维、血液中血液中 的红细胞。的红细胞。超声在工作中，是反射、透射、散射、超声在工作中，是反射、透射、散射、 绕射的综合运用。绕射的综合运用。 当声波穿过介质时，由于当声波穿

8、过介质时，由于“内摩擦内摩擦 ” ”或所或所谓谓“粘滞性粘滞性”，使声能被吸收、，使声能被吸收、 散射而逐渐散射而逐渐减弱，声波的振幅随之减低，此即衰减。减弱，声波的振幅随之减低，此即衰减。 吸收与衰减的多少和超声的频率、介质的吸收与衰减的多少和超声的频率、介质的粘滞性、导热性、温度及传播的距离等因素有粘滞性、导热性、温度及传播的距离等因素有密切关系。密切关系。 骨骨 (或钙化区或钙化区) 软骨软骨 肌腱肌腱 肝、肾组织肝、肾组织 脂肪脂肪 血液血液 尿液与尿液与胆汁。胆汁。 一般而言，频率增加一般而言，频率增加1MHZ1MHZ,同时深同时深度增加度增加1cm1cm,超声波的能量会衰减超声波的

9、能量会衰减1dB1dB.声能随着透入距离增加而减弱声能随着透入距离增加而减弱2、介质、介质传播声波的媒介物质传播声波的媒介物质 设：设：Z为声阻，为声阻，为密度，为密度，c为声速为声速则：声阻则：声阻 (Z)密度密度 () X 声速声速 (c)反射系数之大小决定在界面处两介质声阻之差。反射系数之大小决定在界面处两介质声阻之差。 设设 Z1Z1为第一介质之声阻，为第一介质之声阻，Z2Z2为第二介质之声阻为第二介质之声阻 公式表之：公式表之： Z1 - Z2Z1 - Z2 声强反射系数声强反射系数 R1 = (-)2R1 = (-)2 Z1 + Z2Z1 + Z2 液体内的界面无明显声阻抗差异，如

10、假设有一液体内的界面无明显声阻抗差异，如假设有一界面，因其前后声阻值相似，其反射系数为界面，因其前后声阻值相似，其反射系数为0或接或接近于近于0，超声通过相应区域时无何反射。此乃液体，超声通过相应区域时无何反射。此乃液体的特点，故称无回声区或液性暗区。的特点，故称无回声区或液性暗区。 超声经过结构比较均匀的实质组织如肝超声经过结构比较均匀的实质组织如肝脏、脾脏、甲状腺、睾丸等器官和组织时，脏、脾脏、甲状腺、睾丸等器官和组织时，在相应区域即或有些界面，但声阻差较小，在相应区域即或有些界面，但声阻差较小，回声较少，此即少反射型或称低回声区。回声较少，此即少反射型或称低回声区。 超声经过结构杂乱的实

11、质组织如乳腺时，超声经过结构杂乱的实质组织如乳腺时，因结构复杂，界面甚多，其前后声阻差大，因结构复杂，界面甚多，其前后声阻差大，故反射较多且强，光点更为密集，回声强故反射较多且强，光点更为密集，回声强度亦大，此称多反射型或谓高回声区。度亦大，此称多反射型或谓高回声区。 在软组织与含气组织在软组织与含气组织(如肺、肠腔如肺、肠腔)交界处，交界处，界面前后声阻界面前后声阻相差相差3000多倍，反射系数达多倍，反射系数达 99.9，接近于全部反射，故不能透入第二，接近于全部反射，故不能透入第二介质，使界面后的组织结构则无法显示，故介质，使界面后的组织结构则无法显示，故称全反射型。称全反射型。3、感受

12、器、感受器探头探头超声，超声，是利用是利用超声波超声波在人体不同在人体不同组织组织产生产生反射反射和散射和散射等的回波中所携带的人体解剖形态信息，等的回波中所携带的人体解剖形态信息，经处理形成经处理形成灰度灰度显示图像来诊断疾病的仪器。显示图像来诊断疾病的仪器。发送脉冲波发送脉冲波接收回波信号接收回波信号电路处理灰阶显像电路处理灰阶显像利用逆压电效应，将电信号利用逆压电效应，将电信号转换成机械能，发射超声波转换成机械能，发射超声波利用压电效应，将回波声信号利用压电效应，将回波声信号转化成电信号，由探头接收转化成电信号，由探头接收电路转换、数字扫描变换、电路转换、数字扫描变换、后处理（后处理（像

13、素亮度后处理、灰像素亮度后处理、灰阶变换、图像平滑、复合视频等阶变换、图像平滑、复合视频等）探头（探头（probeprobe）主要构成：主要构成： 声透镜、匹配层、压电阵子、吸声块。声透镜、匹配层、压电阵子、吸声块。 是超声换能器的核心。是超声换能器的核心。 目前使用较多的是人造压电陶瓷（目前使用较多的是人造压电陶瓷（PZT，锆钛酸铅）。，锆钛酸铅）。 优点：电优点：电-声能转换率高；性能稳定，价廉，易于加工声能转换率高；性能稳定，价廉，易于加工 可压制成任意形态、尺寸（线阵、凸阵、矩阵等）可压制成任意形态、尺寸（线阵、凸阵、矩阵等） 非溶水性、耐湿防潮、机械强度较好非溶水性、耐湿防潮、机械强

14、度较好 缺点：多晶体，使用频率受一定限制缺点：多晶体，使用频率受一定限制 易脆性；受温度影响大；老化性易脆性；受温度影响大；老化性 压电阵子与逆压电效应：压电阵子与逆压电效应： 电能转换成机械能，发射超声波。电能转换成机械能，发射超声波。 将此晶体置于交变电场时，则可发现晶体将此晶体置于交变电场时，则可发现晶体 厚度有所改变，出现强烈的压缩或扩张。厚度有所改变，出现强烈的压缩或扩张。压电阵子与压电效应：压电阵子与压电效应： 机械能转换成电能，由换能器接收。机械能转换成电能，由换能器接收。 在石英等晶体上施加压力时，在石英等晶体上施加压力时， 晶体表面上即出现异名电荷。晶体表面上即出现异名电荷。

15、 位置：在探头的匹配层与人体组织间； 材料：常用塑料或树脂制成； 作用：声聚焦和换能器的保护层； 原理：透镜材料的声速大于周围介质声速时声束可 折射效应发生会聚。 是位于压电振子前面的一层或多层的声学材料。是位于压电振子前面的一层或多层的声学材料。 作用：使高声阻抗的压电振子与低声阻抗的人体组作用：使高声阻抗的压电振子与低声阻抗的人体组 织间达到阻抗匹配，以提高声能的最大传效率织间达到阻抗匹配，以提高声能的最大传效率 发射不同频率的声波需要不同的匹配层。发射不同频率的声波需要不同的匹配层。 位置：位于压电振子背后 材料：由钨粉与环氧树组成的强吸声物 作用：防消除后向干扰；实现窄脉冲，提高纵向分

16、力 原理：透吸收背向声波，使之能量消耗。探头探头发射电路发射电路控制电路控制电路电源电源接收电路接收电路扫描电路扫描电路显示器显示器增益是指接收机的放大倍数，为后处理过程。增益是指接收机的放大倍数，为后处理过程。主要针对回波信号的幅度进行调节，用于改主要针对回波信号的幅度进行调节，用于改 变图像亮度（回声强度）。变图像亮度（回声强度）。一般采取近场负增益和远场正增益。一般采取近场负增益和远场正增益。增益的过高或者过低都会造成漏诊。增益的过高或者过低都会造成漏诊。其调节因人，因检查的部位而异，也会受到其调节因人，因检查的部位而异，也会受到 环境亮度（灯光）的影响。环境亮度（灯光）的影响。在检查过

17、程中应该随时进行调节。在检查过程中应该随时进行调节。 如，看结石可适当调低增益，看囊肿调高增益。如，看结石可适当调低增益，看囊肿调高增益。TGC主要补偿因深度造成的声衰减。主要补偿因深度造成的声衰减。通过调节使灰阶图像亮度均匀平滑，通过调节使灰阶图像亮度均匀平滑， 多有多有810组键组成。组键组成。主要是对近场抑制、远场抑制、远场增强进行调节。主要是对近场抑制、远场抑制、远场增强进行调节。 近场抑制：因皮肤等反射强，腹壁的近场抑制：因皮肤等反射强，腹壁的 小病灶易被强回声掩盖。小病灶易被强回声掩盖。 远场抑制：通常用于空腔含液性脏器的检查，远场抑制：通常用于空腔含液性脏器的检查， 如看充盈膀胱

18、后壁的强反射。如看充盈膀胱后壁的强反射。 远场增强：用于降低近场或中场引起的远场增强：用于降低近场或中场引起的 如重度脂肪肝时，利于检查远场病灶。如重度脂肪肝时，利于检查远场病灶。声束穿透介质的距离（深度）。声束穿透介质的距离（深度）。深度大时，帧频降低，成像速度减慢。深度大时，帧频降低，成像速度减慢。深度较大，远场的分辨力降低，深度较大，远场的分辨力降低， 深度较小，远场的分辨力提高。深度较小，远场的分辨力提高。观察病灶时，应尽量将之显示在比较合适的深度观察病灶时，应尽量将之显示在比较合适的深度 进行观察。较深位置的病灶应将其显示在较浅的进行观察。较深位置的病灶应将其显示在较浅的 位置观察。

19、位置观察。 改变探头发射超声波的总能量。改变探头发射超声波的总能量。是一种前处理。是一种前处理。出于安全性考虑，一般使用能得到满意出于安全性考虑，一般使用能得到满意 图像质量的最低能量输出。图像质量的最低能量输出。 妇产科胎儿检查时，尽量使用低输出功率妇产科胎儿检查时，尽量使用低输出功率 并缩短检查时间。并缩短检查时间。动态范围，接收的动态回波信号的变化幅度。动态范围，接收的动态回波信号的变化幅度。探头能接收的最大有用信号电压幅度与最小探头能接收的最大有用信号电压幅度与最小 有用信号电压幅度之间的差异代表探头接收有用信号电压幅度之间的差异代表探头接收 有用信号的能力或超声仪的放大电路处理有有用

20、信号的能力或超声仪的放大电路处理有 用信息的能力。用信息的能力。动态范围大，得到的回波信息量多，病灶的动态范围大，得到的回波信息量多，病灶的 包容量大，图像分辨力高，图像看起来更加包容量大，图像分辨力高，图像看起来更加 平滑。但是也可能造成噪声信号进入而对有平滑。但是也可能造成噪声信号进入而对有 用信号本身造成干扰，另外也会降低帧频。用信号本身造成干扰，另外也会降低帧频。 动态范围小，虽帧频提高，但是图像看起来会动态范围小，虽帧频提高，但是图像看起来会 更加模糊。更加模糊。 一般放置在一般放置在80db左右。左右。 目前的电子探头都是使用电子聚焦技术。目前的电子探头都是使用电子聚焦技术。在某个

21、深度范围内使反射或接收的超声束变窄，在某个深度范围内使反射或接收的超声束变窄， 提高图像的侧向分辨力。提高图像的侧向分辨力。连续动态聚焦，由机器自动完成，是数字波束形连续动态聚焦，由机器自动完成，是数字波束形 成器中采用的，成器中采用的， 可以对于接收声束进行全程实可以对于接收声束进行全程实 时动态聚焦，在整个扫差深度上都可以达到较时动态聚焦，在整个扫差深度上都可以达到较 高的侧向分辨力。高的侧向分辨力。 探头发射的声束的聚焦，通过调节其数量、位探头发射的声束的聚焦，通过调节其数量、位 置及间距，可以实现图像的优化。置及间距，可以实现图像的优化。 聚焦数量过多，也会影响帧频。聚焦数量过多，也会

22、影响帧频。按下按钮，超声仪会自动对仪器的灰阶超声按下按钮，超声仪会自动对仪器的灰阶超声 的显示进行调节。的显示进行调节。方便操作，提高效率。方便操作，提高效率。并不绝对，实际操作中还是需要因人、因部位、并不绝对，实际操作中还是需要因人、因部位、 因环境等随时进行调节。因环境等随时进行调节。帧频，也叫超声时间分辨率，是指每秒成像的帧数。帧频，也叫超声时间分辨率，是指每秒成像的帧数。帧频越高，获取图像的时间越短，成像越快，图像帧频越高，获取图像的时间越短，成像越快，图像 的显示也越平稳。的显示也越平稳。成像帧频大小与多声束形成技术和探测深度相关。成像帧频大小与多声束形成技术和探测深度相关。 多声束

23、成像技术可以提高帧频；多声束成像技术可以提高帧频； 探测深度越小，成像帧频就越高。探测深度越小，成像帧频就越高。影响帧频的因素：深度、焦点、动态范围、影响帧频的因素：深度、焦点、动态范围、 彩色取样框大小。彩色取样框大小。实时成像：实时成像：仪器每秒的速度达到仪器每秒的速度达到24帧以上，可显示各种静帧以上，可显示各种静 态及活动脏器，如心脏及血管的搏动、胎心等。态及活动脏器，如心脏及血管的搏动、胎心等。 分辨力是指超声检查时能在荧光屏上被分别显示分辨力是指超声检查时能在荧光屏上被分别显示 为两点的最小间距。为两点的最小间距。 依方向不同可分为纵深分辨力与横向分辨力依方向不同可分为纵深分辨力与横向分辨力 (depth resolution a