成像理论第八章

1、医学影像成像理论制作：窦汝海第三节 超声成像系统工作原理 超声诊断仪与介质的声阻抗（Z）密切相关，正常组织与病变组织的声阻抗不同，就有可能形成异常的界面声波反射，检测这种异常回波就可以区分正常组织与病灶。 超声回波检测主要是测量声压（声振幅），因此，超声探头对声压敏感的元件超声诊断种类超声诊断种类 超声示波法（型，Amplitude mode) 淘汰临床已基本不使用了 二维超声显像法（B型，Brightness mode) 超声光点扫描法（型，Motion type) 超声频移诊断法（D型，Doppler type) Doppler 超声诊断法（PW CW) 彩色Doppler超声 （CDFI

2、 ) 彩色Doppler能量图 (CDE)超声造影一、A型超声诊断仪 A型超声诊断仪是幅度调制型（amplitude modulated mode）超声诊断仪的简称。 A型超声诊断仪是通过测量线度及分析回波幅度的分布来获得组织的特征信息 一维超声检查 利用脉冲回波成像技术利用脉冲回波成像技术 二、B型超声诊断仪 （一）基本原理 B型超声诊断仪（简称B超）是亮度调制显示（brightness modulated display）超声诊断仪的简称。 B型超声诊断仪（简称B超）是在A超基础上发展起来的，它的工作原理与A超基本相同，也是利利用脉冲回波成像技术用脉冲回波成像技术。因此它的基本构成也是由探

3、头、发射电路、接收电路和显示系统组成。 B超与A超不同之处：将A超的幅度调制显示改为亮度调制显示，即将放大后的回波脉冲电信号送到显示器的阴极，使显示的亮度随着回波信号的大小变化； 时基深度扫描加在显示器垂直方向上，使声束扫查受检体的过程与在显示器水平方向上的位移扫描相对应，构成切面显示图像 在回波信号处理与图象处理各环节上，大部分的B超都应用了专门的数字计算机控制数字信号的存储与处理以及整个成像系统的运行，使图象质量大为提高 工作过程：探头每发射一个超声脉冲后处于接收状态，接收回波后将回波的声压转变成电信号，经过放大、检波、滤波、时间增益补偿等处理，再将电信号的幅度值转换成亮度在显示器上显示。

4、 （二）B型超声扫描原理 超声束通过组织时，经过几个反射层，在显示器上有几个亮点的显示群体形成。探头在体表移动时，每改变一次探测部位就可以得到一条扫描亮点线（扫描线）。若干个探测部位形成了若干条扫描线，所有探测部位形成的扫描线同时在显示器上显示出来构成一幅断层图像 B型超声断层显示仪又称B型超声断层显像仪 B型显示是将脉冲回波信号加在显示器的Z轴（Z）上进行亮度调制，回波越强，光点越亮，所以称为亮度调制显示。 B超扫描中，回波信号加在显示器的调灰板（Z轴）上形成光点，光点辉度（灰阶）与回波幅度存在函数关系。代表不同回波幅度的灰阶点，按其回声源的空间位置，显示在与声束扫查线对应的显示扫描线上，

5、Y 轴反映组织的深度。 X轴表示声束在扫查方向上的位置（断层图像的宽度）。 显示器上每一条扫描线与声束在组织内的传播有严格的对应关系，由同步电路实现。 B超按扫查技术：手动扫查技术、机械扫查技术、电子扫查技术、环阵扫查技术 B超按扫查方式：线形扫查、扇形扫查、弧形扫查 B超按显示图像：静态显示和动态显示 （三）手动扫描断层成像仪的工作原理 B型超声手动扫描断层成像仪是最早应用于临床，具有扫描范围大、线条密以及图像轮廓清晰等优点。 图8-21 （四）实时成像仪的工作原理 1、特点：实时成像仪是在静态成像系统的基础上增加了驱动器和扫描控制单元，来控制波束的发射方向，同时控制位置检出电路所产生的相应

6、偏转电压（X、Y轴偏转电压）加到扫描转换器上，使图像在水平方向展开 图8-22 实时成像仪采用快速扫描，成像速度快，可达每秒30帧以上。操作者只要移动或偏转探头，就可以在任何方向上扫查出图像，且能显示运动着的器官 2、实时成像仪中的探头 扫描方式：机械扫描器、电子扫描器、复合扫描器 （五）回波信号处理 1、回波信号形成：超声回波信号主要有反射信号和散射信号 人体组织十分复杂，超声在体内发生多种传播，所以返回探头的超声应该是人体内所有超声效应作用的混合效果 B型超声显像仪设计必须考虑三个重要的超声效应：生物组织对超声波的衰减效应、人体脏器的反射和散射效应、超声波在人体组织内的多重反射效应 2、回

7、波信号的预处理 预处理阶段：对回波电信号进行放大、检波、衰减补偿、信号压缩 对数压缩：回波信号波动范围大，显示器的视觉分辨亮度的变化范围小。使用对数压缩技术对数放大器，这样使弱小回波信号增大，补偿了反射信号和散射信号的强度差异。 时间增益补偿：通常用低增益放大浅部回声信号，以高增益放大深部信号。 3、信号转换 借助计算机，把超声图像由CRT显示转换为标准的电视（TV）图像。 数字扫描转换器的主体是图像存储器。将获得的视频信号用A/D转换器变为b位的二进制数字信号，用数字表示回波信号的大小，然后按一定编排存入存储器。 4、超声回波信号的后处理 超声回波信号以数字信号的形似存入存储器中称为像素信号

8、。 对像素信号的后处理：像素亮度后处理空间处理图像序列处理图像冻结三、M型超声诊断仪 M型超声诊断仪，又称时间运动型超声诊断仪，基本原理也是利用回波成像技术利用回波成像技术。 （一）基本原理 A型与B型混合显示型 （二）工作原理 M型超声诊断仪的最大特点：检测人体内运动器官 专门诊断心脏的各种疾病，如：心血管大小及厚度的测量、心脏瓣膜运动状况的测量等四、超声多普勒成像系统 （一）工作原理 根据多普勒效应根据多普勒效应制成的超声诊断仪称为多普勒超声诊断仪（又称D型超声诊断仪） 超声多普勒成像系统的基本工作原理是依据多普勒效应 超声多普勒技术分类：频谱多普勒、彩色多普勒血流成像 基本工作过程： 发

9、射固定频率的脉冲式或连续式超声； 提取频率已经变化的回声（差频回声、或差频回声的强度等）； 将回声频率与发射频率相比，取得两者间的差值及正负。将所获得的数据进行不同的显示，成为不同的超声多普勒技术 1多普勒频移信号的产生：多普勒系统的主要工作是检测频率的变化量并加以分析处理，不同的多普勒系统具有不同的信号检出方式。 超声多普勒频移fd值均在音频范围内，可用扬声器监听或用示波器进行观察。 2多普勒频移信号的解调 D超的换能器接收到的回波信号非常复杂是多种反射波的组合信号：有运动目标的fd信号，有静止目标或慢速运动目标等产生的回波信号，也有声、电泄漏和复杂界面的散射波。 多普勒频移解调目的：从复杂

10、的回波信号中提取有用的fd信号。 由于血流的速度V远小于发射波声速c，要求解调器能检测出频率为发射频率1%以下的fd。杂波分量的幅度通常比有用的fd信号大得多，还要求解调器检出被杂波所掩盖的fd信号。 方法：非定向型解调和定向型解调。 3多普勒频移信号的处理 fd 信号解调后，必须进一步进行分析处理，尤其是脉冲多普勒，取样容积是一个小体积，其内有众多的红细胞，它们的速度不相同，产生的fd 也不相同，因此散射回的超声脉冲多普勒信号是由各种不同频率合成的复杂信号（有一定频宽）。 对这种信号进行频谱分析，获得采样区域血流速度信息与波形频率有关的内容 （1）时域处理：显现与频率分量有关的参数。 （2）

11、频域处理：利用频谱分析器对多普勒信号的频率分布进行分析，它对识别和抑制伪差信号，或者在SNR特别差的情况下分析多普勒波形完整频谱等是必不可少的。 4多普勒频移信号的显示 主要是频谱显示，包括： 频率-时间显示 幅度-频率显示 主频显示 均值显示 标准差显示 能量指数显示等。 （1）频移时间：横坐标代表血流持续的时间s； （2）频移幅度：纵坐标代表血流速度的大小，单位为ms-1（速度）或kHz（频移） （3）频移方向：以频谱中间的零位基线区分。）频移方向：以频谱中间的零位基线区分。基线以上的fd信号为正，表示血流方向朝向探头；基线以下的fd信号为负，表示血流方向背离探头； （4）频谱强度：）频谱

12、强度：以频谱的亮度表示，反映取样容积或探查声束内具有相同流速的红细胞相对数量的多少。速度相同的红细胞数量越多，散射的信号强度越大，频谱的灰阶越深；相反，速度相同的红细胞数量越少，散射的信号强度就越低，频谱的灰阶越浅。 5）频谱宽度（离散度）：表示某一时刻取样血流中红细胞速度分布范围的大小。速度分布范围大，频谱增宽； 人体正常血流是层流，速度梯度小，频谱较窄； 病变时是湍流状态，速度梯度更大，频谱更宽。当频谱增宽至整个频谱高度时，称为频谱充填。 频谱宽度是识别血流动力学改变的重要因素 （二）连续波多普勒超声仪 连续波多普勒技术是多普勒超声技术中最基本、最早出现的一种多普勒超声技术 1、工作原理

13、图8-27 （三）脉冲多普勒成像仪 连续波多普勒成像仪无法分辨距离。 脉冲多普勒系统可以地连续波发射进行脉冲幅度调制，它同时兼备脉冲回波系统的距离鉴别能力和连续波多普勒的速度鉴别能力的优点。 （四）彩色多普勒血流成像仪 1主要特点 彩色多普勒血流成像仪是利用自相关的技术得到血流的速度信息，然后通过彩色的编码技术将血流的速度信息加在B型图像的相应位置，使血流和组织分别以彩色和黑白同时显示出来。 血流成像系统：一个B型超声成像系统、一个自相关技术的速度测量系统、2D彩色流速成像系统组成。 2、血流的彩色多普勒显示方法 （1）血流方向表示：朝向探头的正向血流以红色表示，远离探头的负向血流以蓝色表示。

14、 （2）血流速度表示：以彩色信号色调表示血流速度快慢，血流速度的快慢由颜色的辉度级来显示，最亮到最暗分为八级，分别代表着不同的速度，可估计速度快慢，而不能作出定量判断。 （3）血流分散的显示：所谓分散就是血流的紊乱情况，用绿色表示。绿色代表紊乱的血流，且以辉度强弱代表血流紊乱的程度，凡紊乱较轻者绿色暗淡，程度严重者绿色鲜亮。 正向血流如有紊乱者在显示器上呈黄色，负向血流有紊乱者则呈青色。五、其他超声成像 1、P型超声诊断仪 2、彩色多普勒能量图 3、组织多普勒成像 4、超声谐频成像 5、三维超声成像 利用计算机对器官的一些结构进行三维模型重建 （1）成像原理：立体几何构成法（已很少应用）；表面轮廓提取法：将三维超声空间中一系列坐标点相互连接，形成若干简单直线描述脏器的轮廓； 体元模型法：目前最理想的动态三维超声成像技术，对结构的所有组织信息进行重建。将三位物体划分成依次排列的小立方体，一个小立方体就是一个体元。一定数目的体元按相应的空间位置排列即可构成三维立方图