超声原理MPPT课件

1、 超声概论超声概论 医用超声技术的发展史医用超声技术的发展史 医用超声技术的新进展医用超声技术的新进展 超声仪的安装和维修保养超声仪的安装和维修保养内容简介内容简介第1页/共132页 超声波原理超声波原理 医用超声的物理特性医用超声的物理特性 超声仪器的组成超声仪器的组成超声概论超声概论第2页/共132页 超声波原理超声波原理 反射反射 折射折射 散射散射 绕射绕射 衰减衰减 惠更斯原理惠更斯原理超声概论超声概论第3页/共132页超声波原理超声波原理 波动： 物体的机械性振动在具有质点和弹性的媒介中的物体的机械性振动在具有质点和弹性的媒介中的 传播现象传播现象 声波声波： 引起人耳听觉器官有声

2、音感觉的波动引起人耳听觉器官有声音感觉的波动超声波定义超声波定义: :第4页/共132页超声波原理超声波原理声反射定义：声反射定义：声波传播到两种阻抗不同的介质界面上，如界面尺寸远大于波长时，便会引起部 分或全部声能的返回。第5页/共132页声声反射定律：反射定律：入射角入射角ii的正弦与反射角的正弦与反射角rr的的正弦之比，等于入射波在第一介质中的声速正弦之比，等于入射波在第一介质中的声速C1C1与反射波在同一介质中的声速与反射波在同一介质中的声速C1C1之比。之比。超声波原理超声波原理_ Sin iSin r=_C 1C 1 第6页/共132页反射系数和阻抗的关系：反射系数和阻抗的关系：两

3、种介质的声特性阻抗相差越悬殊，声两种介质的声特性阻抗相差越悬殊，声反射就越强烈；反之，声反射就弱，其强弱反射就越强烈；反之，声反射就弱，其强弱可用反射系数可用反射系数KpKp来表示。来表示。 Kp与界面两边介质的声阻抗Z1和Z2的关系公式超声波原理超声波原理Kp cosZ1Z2Z1Z2第7页/共132页 当当 Z1Z1Z2Z2时，时， p p0 0 ， 无反射无反射 当当 Z1Z1Z2 Z2 或或 Z1Z1Z2Z2时，有反射时，有反射 如如 Z1Z1Z2 Z2 或或 Z1Z1Z2Z2时，全反射时，全反射结论：结论：超声波在界面上反射的大小取决于超声波在界面上反射的大小取决于 界面两边介质的声阻

4、差。界面两边介质的声阻差。超声波原理超声波原理利用反射，提取信息，进行诊断；皮肤与空气声阻差大，利用反射，提取信息，进行诊断；皮肤与空气声阻差大，用耦合剂；不适肺、肠、骨等组织器官检查用耦合剂；不适肺、肠、骨等组织器官检查第8页/共132页折射定义：折射定义：因介质中声速的空间分布而引起的因介质中声速的空间分布而引起的声传播方向改变的过程。声传播方向改变的过程。折射定律：折射定律：入射角入射角ii的正弦与折射角的正弦与折射角tt的正的正弦之比，等于入射波在第一介质中的声速弦之比，等于入射波在第一介质中的声速c1c1与与折射波在第二介质中的声速折射波在第二介质中的声速c2c2之比之比 即：即：超

5、声波原理超声波原理_ Sin iSin t=_C 1C 2 第9页/共132页折射的产生折射的产生:当声波从一种小声速介质向大声速固体介质当声波从一种小声速介质向大声速固体介质入射时，声波经过这两种介质的分界面后出现折入射时，声波经过这两种介质的分界面后出现折射波，而且其折射角大于入射角，反之亦然。射波，而且其折射角大于入射角，反之亦然。超声波原理超声波原理第10页/共132页折射的应用：折射的应用：使折射角为使折射角为9090时的入射角称为时的入射角称为临界角，当入射角超过临界角时，相应的折射临界角，当入射角超过临界角时，相应的折射波消失，出现全反射。波消失，出现全反射。 侧方声影侧方声影

6、- - 误诊误诊 错位错位 - - 影响穿刺影响穿刺 全反射全反射 - - 无法检查无法检查注：作超声检查时，需尽可能将声束垂直于注：作超声检查时，需尽可能将声束垂直于界面，否则将会引起：界面，否则将会引起：超声波原理超声波原理第11页/共132页绕射定义：绕射定义：超声波在介质中传播中，遇到尺寸相当于声超声波在介质中传播中，遇到尺寸相当于声波波长的声阻抗界面时，声波将绕过此界面，继波波长的声阻抗界面时，声波将绕过此界面，继续向前传播，致使超声波无法检测到该障碍物续向前传播，致使超声波无法检测到该障碍物超声波原理超声波原理第12页/共132页散射定义散射定义：超声波在介质中传播中，如遇到尺寸超

7、声波在介质中传播中，如遇到尺寸远小于声波波长的声阻抗界面时，则声波将使其远小于声波波长的声阻抗界面时，则声波将使其成为新的声源，其声波能量向四面八方发射。成为新的声源，其声波能量向四面八方发射。 超声仪收到的声波是背向散射超声仪收到的声波是背向散射 血流中的红细胞是多普勒超声血流中的红细胞是多普勒超声 检测血流的基础检测血流的基础 各种软组织从微观的角度看都各种软组织从微观的角度看都 是非均匀组织，可产生散射是非均匀组织，可产生散射超声波原理超声波原理第13页/共132页散射的应用散射的应用：散射的强弱不仅取决于界面的声散射的强弱不仅取决于界面的声阻差，还与障碍物的大小和数量有关，此外还阻差，

8、还与障碍物的大小和数量有关，此外还与声波的频率有着密切的关系，通常散射强度与声波的频率有着密切的关系，通常散射强度与声波频率呈正比。与声波频率呈正比。 散射发生在人体内软组织内的微小界面；反射散射发生在人体内软组织内的微小界面；反射 产生与体内大器官的界面产生与体内大器官的界面 散射与反射均为声波能量衰减的重要因素散射与反射均为声波能量衰减的重要因素 反射与散射均是回波型超声仪的物理基础反射与散射均是回波型超声仪的物理基础超声波原理超声波原理第14页/共132页衰减定义：衰减定义：声波在介质内的传播过程中，随着传声波在介质内的传播过程中，随着传 播距离的增大，声波的能量逐渐减少播距离的增大，声

9、波的能量逐渐减少影响因素：影响因素： 吸收：吸收：组织特性使声能转换为热能 反射：反射：声波的反射使得能量减弱 散射：散射：声波的散射使得能量减弱 频率：频率：超声衰减与超声频率呈正比 声束扩散：声束扩散：单位面积内的能量减少超声波原理超声波原理第15页/共132页原因：原因： 反射、散射和吸收反射、散射和吸收声能随着距离增加而减少声能随着距离增加而减少超声波原理超声波原理第16页/共132页惠更斯原理定义：惠更斯原理定义： 声介质中波动传到的各点都可看作是发射子声介质中波动传到的各点都可看作是发射子波的波源，这些子波的包迹就决定了新的波阵面波的波源，这些子波的包迹就决定了新的波阵面平面波平面

10、波球面波球面波超声波原理超声波原理第17页/共132页惠更斯原理应用：惠更斯原理应用：通过相位控制，使发射通过相位控制，使发射波束左右偏转，获得扇形图像；波束左右偏转，获得扇形图像；亦可使声束聚焦，以提高横向亦可使声束聚焦，以提高横向分辨力分辨力超声波原理超声波原理第18页/共132页 医用超声的物理特性医用超声的物理特性 基本概念基本概念 超声波的发射和接受超声波的发射和接受 超声的分辨力超声的分辨力/率率超声概论超声概论第19页/共132页频率的概念：介质在每秒钟内振动的次数为频频率的概念：介质在每秒钟内振动的次数为频率（率（f f）, ,单位为单位为HzHz 人耳的听阈：人耳的听阈：16

11、16Hz - 20KHzHz - 20KHz 超过人耳听阈上限的声波，超过人耳听阈上限的声波， 即大于即大于2020千赫的超声波千赫的超声波 （Ultrasonic waveUltrasonic wave）称为超声）称为超声 临床常用的超声频率在临床常用的超声频率在2 215 MHz15 MHz基本概念基本概念第20页/共132页 超声波的发射和接受超声波的发射和接受声压声压声强声强功率功率近场近场/ /远场远场靶向性靶向性第21页/共132页定义：声压定义：声压( (P)P)是有声波时介质中的压力与静压是有声波时介质中的压力与静压 的差值，单位为的差值，单位为PaPa。 声压与介质的密度声压

12、与介质的密度( (),),介质质点的振介质质点的振动速度动速度( (v)v)，以及超声波在该介质中的传以及超声波在该介质中的传播速度播速度( (c)c)呈正比，即：呈正比，即：Pvc声压声压第22页/共132页定义：声强定义：声强( (I)I)是在单位时间内，通过与声波传是在单位时间内，通过与声波传 播方向垂直的单位面积上的平均能量，单播方向垂直的单位面积上的平均能量，单 位是位是W/m2W/m2 声强和声压的平方呈正比，与介质密声强和声压的平方呈正比，与介质密度和声速之和反比，即：度和声速之和反比，即： I声强声强P2 2c 第23页/共132页定义：超声功率指在单位时间内通过介质的能量。定

13、义：超声功率指在单位时间内通过介质的能量。 单位是瓦单位是瓦( (W)W)或毫瓦或毫瓦( (mW)mW) 超声仪发射的超声能量用超声功率表示，仪超声仪发射的超声能量用超声功率表示，仪器的发射功率高，仪器的灵敏度也高，但安全性器的发射功率高，仪器的灵敏度也高，但安全性却降低了却降低了安全剂量安全剂量 10W/cm2 功率功率第24页/共132页定义：对于一个圆形的超声换能器定义：对于一个圆形的超声换能器( (声源声源) )，在接，在接 近声源的一段距离近声源的一段距离( (称为近场称为近场) )，声束的直，声束的直 径略小于换能器的直径，呈圆柱形。径略小于换能器的直径，呈圆柱形。近场内声压、声强

14、起伏变化大，是应用的死区。近场内声压、声强起伏变化大，是应用的死区。近场长度与声源的尺寸、频率和介质声速有关。近场长度与声源的尺寸、频率和介质声速有关。 即：即：近场近场L(近场近场) r2 第25页/共132页定义：离声源距离较远的声场，声束则会产生扩定义：离声源距离较远的声场，声束则会产生扩 散而呈喇叭形，此时的声场称为远场。散而呈喇叭形，此时的声场称为远场。远场的瞬时声压与瞬时质点速度同相，故其声压分布远场的瞬时声压与瞬时质点速度同相，故其声压分布 是随距离增加而单调地下降，较平稳。是随距离增加而单调地下降，较平稳。声束在远场的扩散由扩散角声束在远场的扩散由扩散角所决定，扩散角所决定，扩

15、散角的大的大 小亦与小亦与呈正比，与呈反比，即：呈正比，与呈反比，即：远场远场 Sin0.61 r第26页/共132页定义：声源在远场形成波束的这种方向特性称为定义：声源在远场形成波束的这种方向特性称为 指向性。指向性。 同一换能器在不同频率下工作，其指向同一换能器在不同频率下工作，其指向 性将随频率的提高而趋明显。性将随频率的提高而趋明显。 指向性差的声束不仅横向分辨力差，且指向性差的声束不仅横向分辨力差，且 灵敏度低和易引入伪像。灵敏度低和易引入伪像。 常采用聚焦法改善声束的特性。常采用聚焦法改善声束的特性。靶向性靶向性第27页/共132页中间离声束轴线最近的两极小方向间的声束中间离声束轴

16、线最近的两极小方向间的声束部分称主瓣。在两相邻的极小方向间存有一部分称主瓣。在两相邻的极小方向间存有一较主瓣小的声束，称为旁瓣。较主瓣小的声束，称为旁瓣。 主瓣内聚集了大部分能量，故主瓣内聚集了大部分能量，故 主瓣的立体角小，能量较集中主瓣的立体角小，能量较集中 旁瓣的高度越高，所占立体角旁瓣的高度越高，所占立体角 越大，故主瓣以外能量减少且越大，故主瓣以外能量减少且 较分散，因此产生伪像较分散，因此产生伪像靶向性靶向性 示意图示意图第28页/共132页基本概念分辨力/率的种类超声的分辨力/率第29页/共132页纵向分辨力纵向分辨力(longitudinal resolution)：为区别声束

17、轴线上两个物体的距离，与超声为区别声束轴线上两个物体的距离，与超声的频率有关。的频率有关。 横向分辨力横向分辨力(transverse resolution)：是区分处于与声束轴线垂直是区分处于与声束轴线垂直平面两个物体的能力，与声平面两个物体的能力，与声束的宽度有关。束的宽度有关。超声分辨力：是指能够分辨有一定间距的界面的能力超声分辨力：是指能够分辨有一定间距的界面的能力 其导数为分辨率其导数为分辨率超声的分辨力/率第30页/共132页超声的分辨力/率时间分辨力时间分辨力/ /率率第31页/共132页 轴向（纵向）分辨力/率 横向或侧向分辨力/率 厚度分辨力/率空间分辨力/率第32页/共13

18、2页定义：指沿声束轴方向不同深度定义：指沿声束轴方向不同深度 超声仪可区分的两个点目标的最小距离。超声仪可区分的两个点目标的最小距离。取决于：取决于： 超声频率、脉冲长度高分辨力：高分辨力： 超声频率高、脉冲窄高频探头：高频探头： 小儿、浅表器官轴向（纵向）分辨力/率第33页/共132页探头频率越高探头频率越高分辨力越高分辨力越高频率与穿透性频率与穿透性(penetrability)呈反比呈反比轴向（纵向）分辨力/率第34页/共132页定义：是指在垂直于超声波束轴的平面上定义：是指在垂直于超声波束轴的平面上 可区分两个点目标的最小距离。可区分两个点目标的最小距离。 取决于声束的宽度 声束越窄，

19、分辨力越高 聚焦提高横向分辨力横向或侧向分辨力/率第35页/共132页定义：是区分探头在厚度方向的横向分辨力。定义：是区分探头在厚度方向的横向分辨力。 探头有一定厚度，故图像 为断层信息的叠加。 它与探头的曲面聚焦及距 换能器的距离有关。 厚度分辨力越好，组织的 切面情况越真实。厚度分辨力/率第36页/共132页 超声仪器的组成超声仪器的组成 探头、压电效应探头、压电效应 基本电路、通道数基本电路、通道数 显示器显示器超声概论超声概论第37页/共132页压电振子压电振子 匹配层匹配层 聚焦件聚焦件 背衬块背衬块探头（换能器）的组成探头（换能器）的组成第38页/共132页正压电效应正压电效应（超

20、声接收器）（超声接收器）逆压电效应逆压电效应（超声发生器）（超声发生器）探头的核心是压电振子，由它完成机械能与电能之间的转换超声的压电效应超声的压电效应第39页/共132页定义：由在外场作用下，晶体将产生几何形变，定义：由在外场作用下，晶体将产生几何形变， ( (亦称电致伸缩效应亦称电致伸缩效应) )。 在晶体表面施加电场，可引起晶体内部正负电荷中心在晶体表面施加电场，可引起晶体内部正负电荷中心发生位移，这一极化位移导致了晶体的发生位移，这一极化位移导致了晶体的几何应变几何应变。超声的逆压电效应超声的逆压电效应第40页/共132页结晶在其两个受力界面上引起内部正负电荷中心相对位结晶在其两个受力

21、界面上引起内部正负电荷中心相对位移，移，在两个界面产生等量异号电荷在两个界面产生等量异号电荷。定义：由外力作用引起的电介质表面荷电效应。定义：由外力作用引起的电介质表面荷电效应。超声的正压电效应超声的正压电效应第41页/共132页压电振子常用的材料是：压电振子常用的材料是： 人造压电陶瓷锆钛酸铅：人造压电陶瓷锆钛酸铅： 优点：电优点：电声转换效率高、性能稳定、声转换效率高、性能稳定、 易成形、成本低；易成形、成本低； 缺点：频率不够高等；缺点：频率不够高等； 偏铌酸铅：频率及频宽均较锆钛酸铅好。偏铌酸铅：频率及频宽均较锆钛酸铅好。 聚偏氟乙烯薄膜：频带更宽，是理想的压电材料。聚偏氟乙烯薄膜：频

22、带更宽，是理想的压电材料。压电振子压电振子第42页/共132页作用：使高声阻抗的压电振子与低声阻抗作用：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，以提的人体组织间达到阻抗匹配，以提 高声能的最大传输效率。高声能的最大传输效率。组成：通常用四分之一波长厚度的阻抗匹组成：通常用四分之一波长厚度的阻抗匹 配层来实现。配层来实现。匹配层匹配层第43页/共132页 位置：位置：在探头的匹配层与人体组织间；在探头的匹配层与人体组织间； 材料：材料：常用塑料或树脂制成；常用塑料或树脂制成； 作用：作用：声聚焦和换能器的保护层；声聚焦和换能器的保护层； 原理：原理：透镜材料的声速大于周围介质声

23、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。速时声束可折射效应发生会聚。声透镜声透镜第44页/共132页背衬块背衬块 位置：位置：位于压电振子背后位于压电振子背后 材料：材料：由钨粉与环氧树组成的强吸声物由钨粉与环氧树组成的强吸声物 作用：作用：防消除后向干扰；实现窄脉冲，防消除后向干扰；实现窄脉冲， 提高纵向分辨力提高纵向分辨力 原理：原理：透吸收背向声波，使之能量消耗透吸收背向声波，使之能量消耗第45页/共132页按控制扫查方式按控制扫查方式 电子式电子式 线阵型、相控阵型、凸阵型及线阵型、相控阵型、凸阵型及 环阵式探头。环阵式探头。 机械式机械式 摆动式、旋转式探头。摆动式

24、、旋转式探头。探头的分类探头的分类第46页/共132页按晶片数数量按晶片数数量 单晶片单晶片 A A超、超、M M超及摆动式机械探头超及摆动式机械探头 多晶片多晶片 线阵型、凸阵型、相控阵型和线阵型、凸阵型、相控阵型和 环形阵型等环形阵型等探头的分类探头的分类第47页/共132页构成：由6-8个阵元沿一直线排列组合；每个阵元分 割成若干窄条振子。原理：阵元组依一定顺序工作，用电子开关轮番地接 通，形成线性扫描。 评估：近场视野大，易受肋骨、气体影响。线阵探头线阵探头第48页/共132页构成：阵元的窄条振子被均匀分布在凸形圆弧上；原理：同线阵，只是其波束是作扇形扫描； 评估：能避开胸骨和肋骨遮挡

25、，无噪音凸阵探头凸阵探头第49页/共132页构成：与线阵类似，仅阵元数少些，故结构紧凑。原理：通过适当调整、控制各单元激励信号的相 延(或时延)，以实现声速偏转。 评估：优点与凸阵相似，但旁瓣较明显。相控阵探头相控阵探头第50页/共132页 超声诊断仪除连续多普勒用连续波外，大多超声诊断仪除连续多普勒用连续波外，大多用脉冲波，后者种类很多，但基本结构大致相用脉冲波，后者种类很多，但基本结构大致相同。同。 基本电路基本电路第51页/共132页 即同步触发信号发生器，它周期性地产生同步触发脉冲信号，分别触发发射电路与扫描发生器中的时基扫描电路。 其下限应不小于探测目其下限应不小于探测目标运动波形最

26、高频率的倍，标运动波形最高频率的倍，而其上限则取决于声波对人体而其上限则取决于声波对人体的最大探查深度所需的时间。的最大探查深度所需的时间。超声脉冲重复频率决定于超声脉冲重复频率决定于触发脉冲的重复频率，其触发脉冲的重复频率，其选择必须满足如下要求：选择必须满足如下要求：主控电路主控电路第52页/共132页 发射电路受同步信号触发后，产生发射电路受同步信号触发后，产生高压电脉冲去激发换能器，换能器受到激发高压电脉冲去激发换能器，换能器受到激发后，便发射一定频率和宽度的脉冲超声波。后，便发射一定频率和宽度的脉冲超声波。 超声波的穿透力和纵向分超声波的穿透力和纵向分辨力很大程度上决定于发射电路的辨

27、力很大程度上决定于发射电路的特性，一般要求发射电路发射既有特性，一般要求发射电路发射既有一定幅度，持续时间又要短的脉冲一定幅度，持续时间又要短的脉冲波。波。发射频率决定于晶片的发射频率决定于晶片的特性和厚度，频宽还决特性和厚度，频宽还决定于探头的结构及发射定于探头的结构及发射电路的阻尼。电路的阻尼。发射电路发射电路第53页/共132页 换能器发出脉冲波后，即接收其来自换能器发出脉冲波后，即接收其来自人体内的超声回波并将它转换为高频电信号，人体内的超声回波并将它转换为高频电信号，继而通过高频信号放大电路放大。继而通过高频信号放大电路放大。 为获得足够的灵敏度与保为获得足够的灵敏度与保真度，高频信

28、号放大电路应足真度，高频信号放大电路应足够大增益和带宽。并根据不同够大增益和带宽。并根据不同需要，在高频信号放大电路中需要，在高频信号放大电路中设有设有TGCTGC。电路组成：电路组成：保护电路、保护电路、前置放大、高频放大及前置放大、高频放大及非线性放大的时间增益非线性放大的时间增益电路等组成。电路等组成。高频信号放大电路高频信号放大电路第54页/共132页 回波电信号经高频放大后，再作检波，回波电信号经高频放大后，再作检波，检波后的视频包络信号，频率较低，需经过检波后的视频包络信号，频率较低，需经过视频信号放大器作适当的放大。视频信号放大器作适当的放大。型超声仪：型超声仪： 将信号加至显示

29、器将信号加至显示器y y轴偏转板轴偏转板( (或偏转线圈或偏转线圈) )上，使电子水平扫描上，使电子水平扫描线产生垂直方向偏移线产生垂直方向偏移( (A A型型) )；型、型超声仪：型、型超声仪： 将信号加到显示器的栅极上将信号加到显示器的栅极上进行图象的亮度调制。进行图象的亮度调制。具有数字扫描变换器的具有数字扫描变换器的超声仪是在信号合成及超声仪是在信号合成及D/AD/A转换后转换后, ,经视放放大经视放放大去调节显示器的亮度。去调节显示器的亮度。视频信号放大电路视频信号放大电路第55页/共132页 扫描发生器产生的扫描电压加到显示扫描发生器产生的扫描电压加到显示器的偏转系统上，使电子束按

30、一定的规律扫器的偏转系统上，使电子束按一定的规律扫描。描。 通常把视频放大器和扫通常把视频放大器和扫描发生器统称为显示电路，而显示描发生器统称为显示电路，而显示系统则由显示器件、显示电路和有系统则由显示器件、显示电路和有关电路组成。关电路组成。 A A型、型、M M型及型及B B型超声诊断仪的扫描型超声诊断仪的扫描发生器都不相同。发生器都不相同。扫描发生器扫描发生器第56页/共132页彩色多普勒超声的工作原理图彩色多普勒超声的工作原理图第57页/共132页 通道数通道数物理通道数物理通道数 线阵或凸阵探头可连接多少个阵子线阵或凸阵探头可连接多少个阵子有效通道数有效通道数 可连接的电子相控阵探头

31、的振子数可连接的电子相控阵探头的振子数 线阵、凸阵探头发射接收时同时振动的阵子数线阵、凸阵探头发射接收时同时振动的阵子数处理通道数处理通道数 加算处理后的最大可能控制通道数加算处理后的最大可能控制通道数 最大可连接阵子数最大可连接阵子数Multi Beam ProcessingMulti Beam Processing数数第58页/共132页 通道数通道数阵子数阵子数同时振动同时振动2727个阵子逐个按个阵子逐个按6 6个为一组发射个为一组发射/ /接收接收: : 共形成共形成2222根波束根波束第59页/共132页 通道数通道数阵子数阵子数同时振动同时振动同时振动阵子数越多同时振动阵子数越多

32、, , 可得到大的开口可得到大的开口如果增加阵子如果增加阵子, , 视野就会扩大视野就会扩大第60页/共132页显示器显示器 从人体反射回来的超声信息最终是从显示从人体反射回来的超声信息最终是从显示器或记录仪上显示的图象中提取的。器或记录仪上显示的图象中提取的。 超声诊断仪的显示器通 常 是 阴 极 射 线 管(CRT)，根据偏转系统的不同可分两种，即静电偏转示波管和磁偏转显示管。第61页/共132页第62页/共132页第63页/共132页 第64页/共132页不同类型的超声图像显示不同类型的超声图像显示A A型型B B型型M M型型三维三维第65页/共132页 A型超声仪型超声仪 M型超声仪

33、型超声仪 B型超声仪型超声仪 彩色多普勒超声仪彩色多普勒超声仪 多普勒效应和应用多普勒效应和应用 实时三维超声仪实时三维超声仪医用超声技术的发展史医用超声技术的发展史第66页/共132页型超声诊断仪型超声诊断仪 以探头接收到的超声脉冲信号的幅度为纵坐标，而以超声脉冲的传播时间为横坐标的一种显示方式。型超声适用于简单解剖结构的检查、线型超声适用于简单解剖结构的检查、线密度测量，如脑中线检查、眼科检查密度测量，如脑中线检查、眼科检查DistanceAmplitude第67页/共132页型超声诊断仪型超声诊断仪第68页/共132页型超声型超声基本原理基本原理 将回波强度加到显示器的控制极上作辉度调制

34、，代表深度的时基线加到垂直偏转板上，而在水平偏转板上加一慢变化的时间扫描电压，使深度的时基线以慢速沿方向移动，故静止目标的显示像是一条水平亮迹，摆动着的单型显像为一正弦曲线第69页/共132页TimeDistanceM-modeMotion型超声型超声基本原理基本原理第70页/共132页型超声诊断仪型超声诊断仪 显示的局部亮度或光强代表回波的幅度的回波信息表示方法。在显示屏上，以声束扫查移动位置为横坐标，以超声的传播时间纵坐标，并以回波幅度调制辉度，可得到探头扫查经过的平面内的图像Lateral distanceDepthBrightness第71页/共132页型超声诊断仪型超声诊断仪第72页

35、/共132页彩色多普勒超声仪彩色多普勒超声仪B B型超声型超声+ +血流多普勒信号血流多普勒信号+ +实时彩色血流实时彩色血流第73页/共132页彩色多普勒超声仪彩色多普勒超声仪第74页/共132页 多普勒效应原理多普勒效应原理 多普勒频谱输出方式多普勒频谱输出方式 多普勒频谱的分类多普勒频谱的分类多普勒效应和应用多普勒效应和应用第75页/共132页多普勒效应多普勒效应 定义：定义：声源与接收器在连续介质中存在着相对运声源与接收器在连续介质中存在着相对运 动时声波频率将发生改变。动时声波频率将发生改变。第76页/共132页探头工作时，换能器发出超声波，由运动着的红细胞发出散射回波，再由接收换能

36、器接收此回波。 在超声医学诊断中，超声多普勒技术可用于在超声医学诊断中，超声多普勒技术可用于检测心血管内的血流方向、流速和湍流程度、横检测心血管内的血流方向、流速和湍流程度、横膈的活动以及胎儿的呼吸等。膈的活动以及胎儿的呼吸等。多普勒效应多普勒效应 第77页/共132页由此可见：当血流流向换能器时，fd为正值(接收频率高于发射频率)；当血流流离换能器时，fd为负值。当角为2时，fd0。 频谱多普勒超声仪上通常将正频移设为正向波，负频移为负向波。而彩色多普勒则将正频移设为红色，负频移为蓝色。多普勒效应多普勒效应 第78页/共132页多普勒频移公式多普勒频移公式频移频移= =收发超声频率之差收发超

37、声频率之差 2Vcos fd ：声波波长，v：血流速度：声波方向与血流方向夹角第79页/共132页 将血流方向与超声束之间的夹角称为多普勒角(Doppler angle)，测量到的血流速度v是真实血流速度(带方向的血流速度矢量 )的分量，如图所示： 检测血流速度与实际流速的关系检测血流速度与实际流速的关系 第80页/共132页 探测血流速度的误差分析探测血流速度的误差分析 由于多普勒角度不同，其估计误差所导致的血流速度估计误差并不由于多普勒角度不同，其估计误差所导致的血流速度估计误差并不同。图显示了不同多普勒角度情况下，每度多普勒角估计误差所造成的同。图显示了不同多普勒角度情况下，每度多普勒角

38、估计误差所造成的流速估计误差。流速估计误差。图图21 21 不同多普勒角的速度估计误差不同多普勒角的速度估计误差 图图2-2 2-2 不同多普勒角度情况下，流速估计误差不同多普勒角度情况下，流速估计误差 第81页/共132页多普勒超声技术多普勒超声技术频谱多普勒频谱多普勒彩色多普勒血流成像技术彩色多普勒血流成像技术多普勒效应和应用多普勒效应和应用第82页/共132页频谱多普勒频谱多普勒 多普勒超声脉冲波进入人体后，将产生一系列复杂的频移信号，这些信号被接收器接收并处理之后，还必须经过适当的频率分析和显示，方能转变为有用的血流信息。第83页/共132页多普勒频谱分析多普勒频谱分析 利用数学的方法

39、对多普勒信号的频率、振幅及其随时间而变化的过程进行实时分析的一种技术。在多普勒超声中，实时频谱分析的方法主要采用快速富立叶转换，该转换是利用计算机技术对一个复杂信号进行实时频谱分析，经过分析后，就能鉴别信号中的各种频率移动和这些频移信号的有关流向，将复杂的混合信号分解为单个的频率元素，最后形成实时显示的血流频谱。第84页/共132页多普勒频谱显示多普勒频谱显示多普勒信号经过频谱分析之后多普勒信号经过频谱分析之后, ,通通过两种方式加以输出，一种是音频过两种方式加以输出，一种是音频输出，另一种是图象输出。输出，另一种是图象输出。第85页/共132页多普勒的输出多普勒的输出 - - 音频信号音频信

40、号 多普勒的发射和接收频率均为超声，但其频移的数值常为1-20干赫，恰为可闻声。故频移信号被放大后输入扬声器中，成为音频信号。 音频信号可反映血流的性质，其高低反映频音频信号可反映血流的性质，其高低反映频 率的高低，而响度则反映振幅的高低。率的高低，而响度则反映振幅的高低。 血流在流经心腔和大血管的不同部位时，可血流在流经心腔和大血管的不同部位时，可 将产生不同的音频信号。将产生不同的音频信号。 借助于音频信号，可正确地判断血流的性质借助于音频信号，可正确地判断血流的性质 并指导声束的方向。并指导声束的方向。 第86页/共132页多普勒的输出多普勒的输出 - - 图像信号图像信号 频谱显示是多

41、普勒频移信号图象输出的主要方式。在这种显示中，可得到以下信息：频移时间：频移时间：以横坐标的数值表示，代表血流持续的时间，以横坐标的数值表示，代表血流持续的时间， 单位为秒。单位为秒。频移大小：频移大小：以纵坐标的数值表示，代表血流速度的大小，以纵坐标的数值表示，代表血流速度的大小， 单位常以米秒。单位常以米秒。第87页/共132页多普勒图像信号输出多普勒图像信号输出 频移方向：频移方向：以频谱图的基线为界，基线以上的频移信号以频谱图的基线为界，基线以上的频移信号 为正值，基线以下的频移信号为负值。为正值，基线以下的频移信号为负值。信号振幅：信号振幅：以频谱的灰度表示，代表取样容积或探查声以频

42、谱的灰度表示，代表取样容积或探查声 束内具有相同流速的血细胞数量的多少。束内具有相同流速的血细胞数量的多少。频率范围：频率范围：以纵坐标上频谱的宽度表示，代表某一瞬取以纵坐标上频谱的宽度表示，代表某一瞬取 样容积中血细胞速度分布范围。样容积中血细胞速度分布范围。第88页/共132页多普勒分类多普勒分类 - - 连续波多普勒信号连续波多普勒信号 理论上最大流速的测值无限制性。 定量分析狭窄、分流 和返流性病， 其主要缺点是缺乏空 间分辨能力。 探头用双晶片，一个连续发射脉冲波，另一个探头用双晶片，一个连续发射脉冲波，另一个连续接收并转换成电信号和放大，经过基本电路连续接收并转换成电信号和放大，经

43、过基本电路的处理，即可在显示器上得到多普勒频移随时间的处理，即可在显示器上得到多普勒频移随时间变化的图谱。变化的图谱。第89页/共132页连续波多普勒信号连续波多普勒信号第90页/共132页距离选通：距离选通：沿超声束不同深度的沿超声束不同深度的 某一区域作多普勒检查某一区域作多普勒检查取样容积：取样容积：其大小等于脉冲波的其大小等于脉冲波的 波长与数目的乘积。波长与数目的乘积。突出优点：突出优点：疾病的定位诊断和血疾病的定位诊断和血 流量的定量测定。流量的定量测定。主要缺点：主要缺点：受脉冲重复频率的限受脉冲重复频率的限 制，易出现频率失真。制，易出现频率失真。 其超声脉冲波的发射与接收均以

44、一个探头其超声脉冲波的发射与接收均以一个探头进行，它是在一选择性的时间延迟后，才开进行，它是在一选择性的时间延迟后，才开始接受回声信号。始接受回声信号。多普勒分类多普勒分类 脉冲波多普勒信脉冲波多普勒信号号第91页/共132页脉冲波多普勒信号脉冲波多普勒信号第92页/共132页尼奎斯特极限尼奎斯特极限 根据取样定位，脉冲重复频率必须大根据取样定位，脉冲重复频率必须大于多普勒频移于多普勒频移( (fd)fd)的二倍，才能准确显示的二倍，才能准确显示频移的方向和大小，即：频移的方向和大小，即：fdfd1/2PRF1/2PRF，脉脉冲重复频率的冲重复频率的1 12 2为为尼奎斯特极限尼奎斯特极限。如

45、果。如果多普勒频移值超过这一极限，脉冲式多普多普勒频移值超过这一极限，脉冲式多普勒所检出的频率改变就会出现大小和方向勒所检出的频率改变就会出现大小和方向的伪差，称为频率失真，或频率混叠。的伪差，称为频率失真，或频率混叠。第93页/共132页 高脉冲重复频率式多普勒是在脉冲多普勒基高脉冲重复频率式多普勒是在脉冲多普勒基础上加以改进础上加以改进, ,在探头换能器发射一组超声脉在探头换能器发射一组超声脉冲冲 波后波后, ,回声信号尚未返回来时回声信号尚未返回来时, ,又发射一又发射一组新的组新的 超声脉冲波超声脉冲波. .在同一超声束的不同深在同一超声束的不同深度可有一个以上取样容积度可有一个以上取

46、样容积, ,由于脉冲频率增加由于脉冲频率增加了两倍了两倍, ,检检 测到的最大频移也就增加了一倍测到的最大频移也就增加了一倍. .多普勒分类多普勒分类 高脉冲波重复频率多普高脉冲波重复频率多普勒勒第94页/共132页彩色多普勒血流图彩色多普勒血流图& &能量图能量图彩色的深浅取决于取样容积彩色的深浅取决于取样容积中红细胞数量；强调的是血中红细胞数量；强调的是血流量流量, ,不表示血流方向不表示血流方向红蓝代表血流的方向红蓝代表血流的方向颜色色深浅代表血流速度颜色色深浅代表血流速度第95页/共132页常用多普勒技术比较常用多普勒技术比较：脉冲连续彩色距离选通能否能空间定位否否能高

47、速血流测量否能否图像质量好好好操作难度易难易对二维图像的影响小小大第96页/共132页三维超声诊断仪三维超声诊断仪将立体图象以投影图或透视图表现在平面上将立体图象以投影图或透视图表现在平面上的显示方式，可从各个角度来观察该立体目标。的显示方式，可从各个角度来观察该立体目标。第97页/共132页三维超声诊断仪三维超声诊断仪第98页/共132页 谐波成像技术谐波成像技术 复合成像技术复合成像技术 组织多普勒技术组织多普勒技术 实时三维超声技术实时三维超声技术医用超声技术的新进展医用超声技术的新进展第99页/共132页 谐波技术原理谐波技术原理 组织谐波技术组织谐波技术 造影谐波技术造影谐波技术谐波

48、成像技术谐波成像技术第100页/共132页二次谐波成像的原理二次谐波成像的原理 传播时传播时 发射超声波的中心频率为发射超声波的中心频率为f f0 0，其能量比较高，在弹性其能量比较高，在弹性介质中非线性传播时，不仅含有介质中非线性传播时，不仅含有f f0 0的基波，而且有的基波，而且有2 2 f f0 0的谐波，的谐波，超声波传播的非线性效应超声波传播的非线性效应反射时反射时 在超声造影成像时声波冲击造影剂微泡，微泡可能在在超声造影成像时声波冲击造影剂微泡，微泡可能在2 2倍或更高倍数的声波频率上振动，作为新的声源而发射倍或更高倍数的声波频率上振动，作为新的声源而发射2 2f f0 0的的谐

49、波反回到探头。接收造影剂的这种二次谐波就能很好地显示谐波反回到探头。接收造影剂的这种二次谐波就能很好地显示造影剂回声信号。这种非线性现象主要表现有三个方面造影剂回声信号。这种非线性现象主要表现有三个方面：第101页/共132页 声波速度的非线性改变声波速度的非线性改变谐波的产生谐波的产生 超声波在弹性介质中传播时，使介质在压力大的区域，分子紧密排列，而在压力低的区域，分子排列疏松，图超声波在弹性介质中传播时，使介质在压力大的区域，分子紧密排列，而在压力低的区域，分子排列疏松，图4-24-2。 介质这一密度上的变化使声波的速度处于压缩区要比疏松区稍快，若介质这一密度上的变化使声波的速度处于压缩区

50、要比疏松区稍快，若c c0 0为同一介质中的传播速度，为同一介质中的传播速度，c c1 1为压缩区为压缩区的声速，的声速，c c2 2为疏松区的速度则为疏松区的速度则c c1 1 c c0 0 c c2 2。介质中各点传播的声速不同而导致声波传播过程中形态上发生轻微变化，介质中各点传播的声速不同而导致声波传播过程中形态上发生轻微变化，即产生畸变。图即产生畸变。图1111波峰变尖，这就意味着谐波频率的产生，这种尖峰特征比波的圆饨的波谷传播更快。波峰变尖，这就意味着谐波频率的产生，这种尖峰特征比波的圆饨的波谷传播更快。 此种现象与海浪涌向岸边时逐渐演变为尖而陡的波浪类似，浪尖峰代表较高的谐波频率，

51、而近海岸边的则代表此种现象与海浪涌向岸边时逐渐演变为尖而陡的波浪类似，浪尖峰代表较高的谐波频率，而近海岸边的则代表基波频率。基波频率。图图4-2 介质的压缩与疏松介质的压缩与疏松图图4-3 4-3 脉冲波传播过程中产生谐波示意图脉冲波传播过程中产生谐波示意图第102页/共132页谐波能量的非线性改变：谐波能量的非线性改变： 超波在弹性介质中传播时，不仅产生谐波频率，而且谐波频率能量随超波在弹性介质中传播时，不仅产生谐波频率，而且谐波频率能量随传播距离而呈非线性改变。图传播距离而呈非线性改变。图4-4 4-4 在近场表浅处，超声波仅由基波频率在近场表浅处，超声波仅由基波频率组成。但传播后，能量会

52、在二次谐波频率处产生。组成。但传播后，能量会在二次谐波频率处产生。 其基波强度随传播距离而减少，但谐波强度呈非线性改变。在表浅处其基波强度随传播距离而减少，但谐波强度呈非线性改变。在表浅处谐波能量较低，采用谐波成像，可克眼来原于腹壁和接近腹壁的反射和谐波能量较低，采用谐波成像，可克眼来原于腹壁和接近腹壁的反射和散射的基波伪象，而传播数厘米后，谐波能量明显增加，产生具有一定散射的基波伪象，而传播数厘米后，谐波能量明显增加，产生具有一定强度的谐波频率。强度的谐波频率。图图4-4 4-4 谐波能量变化示意图谐波能量变化示意图第103页/共132页基波能量与谐波能量的非线性改变基波能量与谐波能量的非线

53、性改变 谐波频率能量的高低与基波频率能量有关，弱的基波频率几乎不产生谐波频率能量，而强的基波产生较大的谐波能量 这种非线性改变对于基波能量弱的旁瓣产生的谐波，则极少会使谐波成像产生旁瓣伪像影响。图图4-5 4-5 基波能量与谐波能量关系示意图基波能量与谐波能量关系示意图第104页/共132页 2.二次谐波的接收二次谐波的接收 二次谐波接收是提取二次谐波接收是提取2 2f f0 0的谐波回声信号，包括自的谐波回声信号，包括自然组织与造影剂的谐波信号。然组织与造影剂的谐波信号。( (图图4-6)4-6)。图图4-6 4-6 谐波信号的接收示意谐波信号的接收示意图图第105页/共132页 现在已在彩

54、超中采取多种技术措施使二次谐波与基波相现在已在彩超中采取多种技术措施使二次谐波与基波相分离，而提取纯净的二次谐波成像，它可以是一个仅使谐波分离，而提取纯净的二次谐波成像，它可以是一个仅使谐波频率能通过的锐利接收滤波器。（图频率能通过的锐利接收滤波器。（图4-74-7）。同时，接收系）。同时，接收系统应具有很宽的动态范围，才能更好地接收非常弱的谐波信统应具有很宽的动态范围，才能更好地接收非常弱的谐波信号成像。号成像。 图图4-7 4-7 锐利滤波器的过滤作用锐利滤波器的过滤作用 若是宽带滤波，使基波和谐波混合，而窄带滤波时，若是宽带滤波，使基波和谐波混合，而窄带滤波时，只有谐波能量通过。只有谐波

55、能量通过。第106页/共132页组织谐波及造影剂谐波成像组织谐波及造影剂谐波成像 随着非线性学论理的发展，对超声波在人体组织随着非线性学论理的发展，对超声波在人体组织传播的研究表明：超声波与人体组织（传播的研究表明：超声波与人体组织（介质介质）作用，其）作用，其传播、反射（和散射）时都具有非线性效应。传播、反射（和散射）时都具有非线性效应。 这种非这种非线性效应使发射的基波频率线性效应使发射的基波频率f f0 0会出现会出现n n f f0 0频率的谐波频率的谐波( (n=1/2, 2, 3 )n=1/2, 2, 3 )。这种传播和反射非线性效应所产这种传播和反射非线性效应所产生的谐波频率决定

56、了谐波成像的不同应用。生的谐波频率决定了谐波成像的不同应用。 谐波成像分自然组织谐波成像及造影剂谐波成像谐波成像分自然组织谐波成像及造影剂谐波成像第107页/共132页 组织谐波成像与图像质量组织谐波成像与图像质量 谐波成像可以明显改变超声图像质量谐波成像可以明显改变超声图像质量，表现在：，表现在： 1).1).消除近场伪像干扰消除近场伪像干扰 表层腹壁或接近腹壁表层腹壁或接近腹壁的反射和散射会产生超声伪像，但这些伪的反射和散射会产生超声伪像，但这些伪像基波能量强，而谐波能量极少，当采用谐波成像时，则近场的伪像将大像基波能量强，而谐波能量极少，当采用谐波成像时，则近场的伪像将大部分被消除。部分

57、被消除。 基波声束旁瓣基波声束旁瓣会产生明显的旁瓣伪像，而二次谐波声束旁瓣能会产生明显的旁瓣伪像，而二次谐波声束旁瓣能量与中心声束能量相比呈反比例降低，即使二次谐波信号强度放大与基波量与中心声束能量相比呈反比例降低，即使二次谐波信号强度放大与基波的信号强度相当时，二次谐波的旁瓣仍比基波旁瓣低很多。在二次谐波成的信号强度相当时，二次谐波的旁瓣仍比基波旁瓣低很多。在二次谐波成像时，就能明显地消除声束旁瓣伪像并使主瓣变细（图像时，就能明显地消除声束旁瓣伪像并使主瓣变细（图4-94-9）。）。 图图4-9 4-9 基波二次谐波声束轮廓示意图基波二次谐波声束轮廓示意图第108页/共132页 2)2)消除

58、近场混响消除近场混响 声束在表浅组织内表层与肋骨之间产生混响声束在表浅组织内表层与肋骨之间产生混响, , 对图像显对图像显示常出现模糊雾状改变。因此时，尚未形成明显的谐波能量，示常出现模糊雾状改变。因此时，尚未形成明显的谐波能量，这些混响是由基波频率的能量形成，当声束穿过表浅层进入这些混响是由基波频率的能量形成，当声束穿过表浅层进入组织后，谐波信号能量明显。在接收时，消除基波后，二次组织后，谐波信号能量明显。在接收时，消除基波后，二次谐波成像使紊乱和模糊影像被消除，得到了更为清晰的图像谐波成像使紊乱和模糊影像被消除，得到了更为清晰的图像。组织谐波成像不需要注入造影剂，而需要高灵敏度的组织谐波成

59、像不需要注入造影剂，而需要高灵敏度的接收系统。包括探头的灵敏度和大的动态范围及信号处理技接收系统。包括探头的灵敏度和大的动态范围及信号处理技术（提高信术（提高信/ /噪比及接收微弱谐波信号的能力）。噪比及接收微弱谐波信号的能力）。 第109页/共132页 超声造影谐波成像超声造影谐波成像 声速非线性而产生的谐波成分，它是声波在组织中传播而产声速非线性而产生的谐波成分，它是声波在组织中传播而产生的；生的； 基波与谐波冲击基波与谐波冲击UCAUCA微气泡产生反射与散射的增强信号，即微气泡产生反射与散射的增强信号，即UCAUCA微泡的反射非线性又产生入射信号的基波和谐波，但接收微泡的反射非线性又产生

60、入射信号的基波和谐波，但接收时，只接取时，只接取2 2f f0 0的谐波信号，但它是二种效果的综合。即：的谐波信号，但它是二种效果的综合。即：1)1)频率为频率为2 2f f0 0的入射谐波和微气泡对此反射的二次谐波。的入射谐波和微气泡对此反射的二次谐波。频率为频率为f f0 0 的入射基波和微气泡界面对比的非线性反射的入射基波和微气泡界面对比的非线性反射产生的产生的2 2f f0 0的谐波。对于自然组织谐波成像，它包括：的谐波。对于自然组织谐波成像，它包括：声速非线性而产生的谐波即声速非线性而产生的谐波即2 2f f0 0； 2) 2)基波与非线性界面反射而产生频率为基波与非线性界面反射而产生频率为2 2f