b-医学超声原理-第十一讲-B超及其关键技术课件

1、生物医学超声学第十一讲： B超及其关键技术B mode ultrasound and its key technique主讲：牛金海与本PPT配套的指定教材目前，关于生物医学超声的参考书很多；但是从教十年多来，一直很难找到一本非常适合本科生的教材。这也是编者下定决心编写本书的主要原因之一。本书的内容主要包括超声物理基础，压电效应与换能器技术，超声成像诊断原理，超声治疗技术，医学超声实验，医学超声的最新进展等。每章节都配置了一定量的练习与思考题，以帮助读者巩固书中的内容，并提高分析解决问题的能力。为配合双语教学，本书保留了关键专业词汇的中英文对照。本书的特点是在注重基本概念，基本原理，基本方法的

2、同时，兼顾一定的工程技术实用性，如包含声场的数值模拟，超声图像的C语言程序处理，超声波发射电路原理，换能器的匹配技术等。本书适合医学超声以及相关领域的本科生作教材，也可供该领域的研究生，科研及工程技术工作者参考。本讲主要内容（Topics）一、B超概述（Introduction）二、B超的基本原理（Fundamental principle ）三、B超探头以及扫描技术(Transducer and scan technique)四、数字B超的中的DSC技术( Digital Scan Converter)五、数字B超中的图像处理技术（Imaging process）六、B超国内外厂商状况（Ma

3、nufacturer）一、超概述全称B型超声检查(type-B ultrasonic ) 分为 “黑白B超”和“彩色B超”是影像诊断技术的一个重要组成部分 （CT、核磁共振,X-ray ）在临床上，它被广泛应用于心内科、消化内科、泌尿科和妇产科疾病的诊断1.1 彩超中的伪彩色 彩超中的伪彩色是处理是利用微电子技术进行的一种影像增强处理技术，它通过光学处理、等密度分割、幅度鉴别、模数转换等方法进行彩色编码，使输入的图像值转换到特定彩色空间相应坐标中去，从而显示预期的彩色影像。1.2 脉冲回波成像系统的原理A型B型亮度调制M型超声心动图Medical sonography（医学超声成像） Medi

4、cal sonography (ultrasonography) is an ultrasound-based diagnostic medical imaging technique used to visualize muscles, tendons（肌腱）, and many internal organs, to capture their size, structure and any pathological（病理的） lesions（伤害） with real time tomographic images. Ultrasound has been used by radiolo

5、gists and sonographers to image the human body for at least 50 years and has become one of the most widely used diagnostic tools in modern medicine. The technology is relatively inexpensive and portable, especially when compared with other techniques, such as magnetic resonance imaging (MRI) and com

6、puted tomography (CT). Ultrasound is also used to visualize fetuses（胎儿） during routine and emergency prenatal（产前） care. Such diagnostic applications used during pregnancy are referred to as obstetric(产科) sonography.1.3 B型超声波诊断仪 B型超声波诊断仪(简称为B超)是在A型诊断仪的基础上发展起来的辉度调制(Brightness Modulation)式诊断仪。B型成像方式所得到

7、的是与声束传播方向一致的物体断面的图像，声束沿z方向传播，沿x方向扫描，逐次照射物体的不同区域，并接收声束所达区域内物体的反射声信号，将声信号幅度调制成荧光屏上相应位置的光点亮度。扫描方式主要有线扫描和扇形扫描两种。 1.4 线扫与扇扫1.5 B超的特点优点连贯地、动态地观察脏器的运动和功能；可以追踪病变、显示立体变化，而不受其成像分层的限制；至今还没有出现过对病人有损伤的报道； 超声设备易于移动，价格低廉，费用一般为35-150元/次。B超的特点缺点1.清晰度、分辨率较低；2.对空腔器官病变易漏诊；3.检查结果易受医师临床技能水平的影响。二、B超仪器原理用平面图形的形式来显示被探查组织的具体

8、情况。检查时，首先将人体界面的反射信号转变为强弱不同的光点，这些光点可通过荧光屏显现出来。B超是目前使用最广泛的超声诊断仪，由于能得到人体内部脏器和病变的断层图。并且能对脏器和病变的断层图。并且能对脏器进行实时动态观察，因而十分直观。既能进行静态观察，又能进行动态检查;2.1 B超工作成像原理概述B超成像技术使得组织的一个断层上的超声信息能以二维的形式显示出来。组织内的背向散射信息和界面的反射波信息以亮度调制方式显示，即组织某以部分的回波越强，则图像上对应部位的亮度越亮。2.2 B超基本原理图2.3 数字B超设架构图 B超成像的原理框图Overall block diagram of B Sc

9、an ultrasoundOverall block diagram of B Scan ultrasound信号线性放大Linear amplification 信号的非线性放大-时间增益补偿TGC(Time Gain Compensation)回声的动态范围压缩和扩展Compress the dynamic range of echoes调整动态范围之后的图像比对模数转换的过程 - 1）采样Analogue to Digital converter - Sampling模数转换的过程 2）量化与编码Analogue to Digital converter 2）Quantization a

10、nd coding2.4 B超的主要技术指标(1)分辨力 分辨力（单位：毫米）是指超声诊断仪对被检组织相邻回声图的分辨能力，分纵向(深度方向)和横向(水平方向)分辨力。 思考题：影响横向分辨率以及纵向分辨率的因素？(2) 超声的工作频率f和脉冲重复频率PRF 超声的工作频率f是指探头与仪器连接后，实际辐射超声波的频率，也即所发射超声波在每秒中内自身的振荡次数。脉冲重复频率PRF （pulse repeat frequency，PRF）指脉冲工作方式超声仪器在每秒钟重复发射超声脉冲的个数(3) 脉冲的宽度和振铃 脉冲的宽度指脉冲从开始产生到截止的时间长短。脉宽越窄越有利于提高影像的轴向分辨率，因

11、此激励脉冲宽度应该控制在一个较窄的范围，但激励脉冲宽度的缩小受到探测深度和系统接收通道频带宽度的限制。振铃是指探头受电激励截止后产生声波余振动的长短。理想的情况是当施加于探头的电激励脉冲结束后，振动立即停止，但事实上这是无法做到的。由于它会严重影响超声系统的纵向分辨力，因此，希望探头产生余振(振铃)的时间也越短越好。 与本PPT配套的指定教材目前，关于生物医学超声的参考书很多；但是从教十年多来，一直很难找到一本非常适合本科生的教材。这也是编者下定决心编写本书的主要原因之一。本书的内容主要包括超声物理基础，压电效应与换能器技术，超声成像诊断原理，超声治疗技术，医学超声实验，医学超声的最新进展等。

12、每章节都配置了一定量的练习与思考题，以帮助读者巩固书中的内容，并提高分析解决问题的能力。为配合双语教学，本书保留了关键专业词汇的中英文对照。本书的特点是在注重基本概念，基本原理，基本方法的同时，兼顾一定的工程技术实用性，如包含声场的数值模拟，超声图像的C语言程序处理，超声波发射电路原理，换能器的匹配技术等。本书适合医学超声以及相关领域的本科生作教材，也可供该领域的研究生，科研及工程技术工作者参考。三、B超探头以及扫描技术腹部探头三维探头高频探头3.1 B超探头3.1.1电子线阵超声探头 电子线阵探头剖面示意 （1）开关控制器 开关控制器：用于控制探头中各振元按一定组合方式工作，若采用直接激励，

13、则每一个振元需要一条信号线连接到主机，目前换能器振元数已普遍增加到数百个，则与主机的连线需要数百根，这不仅使工艺复杂，因此而增加的探头和电缆的重量也是不堪设想的。采用开关控制器就可以使探头与主机的连线数大大减小。(2)阻尼垫衬 阻尼垫衬：作用与柱形单振元探头中的垫衬作用相同，用于产生阻尼,抑制振铃并消除反射干扰。阻尼垫衬材料的构成要求亦和柱形单振元探头相似。(3)换能器阵列 换能器阵列：换能器的晶体振元通常是采用切割法制造工艺，即对一宽约10mm，一定厚度的矩形压电晶体，通过计算机程控顺序开槽。(4)匹配层 由于声透镜同时与晶体振元和人体接触，两者的声阻抗差别甚大，难于使声透镜的特性阻抗同时与

14、两者匹配。超声经不同阻抗界面传播，将产生反射，会增加能量损耗并影响分辨力，因此，往往需要采用匹配层来实现探头与负载之间的匹配。 对匹配层除厚度与声阻抗的要求外，还要求其声阻尼要小，以减小对超声能量的损耗。在工艺上应保证其同时与晶体振元和声透镜接触良好。匹配层材料通常也采用环氧加钨粉配制。B超探头扫描分类1）按断层图像的形式来看有多种，主要有线形及扇形; 线扫式断层B型超声波诊断仪适用于观察腹部脏器，如对肝、胆、脾、肾、子宫的检查，而扇扫断层B型超声波诊断仪适用于对心脏的检查。现代B型超声波诊断仪通常同时具备以上2种探查功能，通过配用不同的超声探头，方便地进行转换。2）按实现扫描的方式来看分为机

15、械扫描和电子扫描;3.2 扫描技术Scan line arrangements for the most comm on B-mode formats(a) Linear(线性), (b) curvilinear(曲线), (c) Trapezoidal(梯形), (d) sector(扇形) (e) radial(辐射) 线扫扇扫三维双胞胎胎儿B超图像3.3 几种基本扫描成像方式手持扫描机械线性扫描机械扇形扫描电子线性扫描相控阵扇形扫描凸面扇形扫描动态频率扫描技术3.3.1机械扇扫超声探头 机械扇形扫描超声探头配用于扇扫式B型超声诊断仪，它是依靠机械传动方式带动传感器往复摇摆或连续旋转来实现

16、扇形扫描的。不足之处，是噪声大和探头寿命短。 与本PPT配套的指定教材目前，关于生物医学超声的参考书很多；但是从教十年多来，一直很难找到一本非常适合本科生的教材。这也是编者下定决心编写本书的主要原因之一。本书的内容主要包括超声物理基础，压电效应与换能器技术，超声成像诊断原理，超声治疗技术，医学超声实验，医学超声的最新进展等。每章节都配置了一定量的练习与思考题，以帮助读者巩固书中的内容，并提高分析解决问题的能力。为配合双语教学，本书保留了关键专业词汇的中英文对照。本书的特点是在注重基本概念，基本原理，基本方法的同时，兼顾一定的工程技术实用性，如包含声场的数值模拟，超声图像的C语言程序处理，超声波

17、发射电路原理，换能器的匹配技术等。本书适合医学超声以及相关领域的本科生作教材，也可供该领域的研究生，科研及工程技术工作者参考。3.3.2 电子线性扫描介绍（重点）A）、探头 需要线形换能器阵，既用做发射，又用做接收。 除了换能器外，还装有一部分电路，如：电子扫描、激励电路、前置放大电路 探头的核心部分是由压电材料制成的线形换能器阵。阵元不少于64个，阵元数量与B超图像质量、声学性能有很大关系，最多可达到400个。B）阵元 这些阵元都是面积相同的矩形小条，实际上是在一块长约100mm，宽约10mm的压电材料上刻了许多很细的槽面而制成的。由于细槽并非将压电材料的底部刻穿，所以所有这些阵元的底面都是

18、连在一起的。因为采用的是压电材料的厚度共振，而底面这一边本来就与吸声材料紧密接触，所以即使阵元的底面相连也不会影响换能器工作。压电材料的厚度由B超使用的超声工作频率来决定。整个底面镀上一层银，成为所有阵元的公共电极，此电极通常在电路上接地。各个阵元的另一面分别镀银，成为独立的电极。C）电子线性扫描在超声振动中，阵元间相互影响很小，可以认为是相互独立的。吸声材料的作用：为了增大阻尼，使发射声脉冲的持续时间缩短，从而提高距离分辨率。压电片另一侧的声透镜的作用：聚焦，提高系统的横向分辨率电子线性扫描 D）线性扫描的形成阵元与电子开关相连电子开关的动作：每次只接通相邻的m个阵元，下次动作m个阵元往旁边

19、移一个位置声线在阵列的正中间，一帧断层像的扫线数为： Nn-m+1开关转换时间： C为声速，a为预留量，L为最大诊断距离缺点：一、帧频低，二、扫线数少电子线形扫描常见的两种技术交错扫描方式：扫线数N增加一倍飞跃扫描方式：扫线数N不变，降低了前后两次扫查束之间的干扰。交错飞跃3.3.3电子凸阵扫面探头 凸阵探头的结构原理与线阵探头相类似，只是振元排列成凸形。3.3.4相控阵扫描相控阵扫描采用尺寸较小的多阵元换能器发射和接收声束，使它容易通过胸部肋骨间小窗口透入体内。原理借鉴了雷达天线相控扫描。使线列阵元换能起收到等级时间延迟脉冲的激励，叠加后的合成声波束方向发生特定角的偏移来实现扇形扫查。相控阵

20、扫描探头的结构图 相控阵扫描-1、相控发射相邻单元按一定时间差被同一激励源激励源或相邻阵元被有相同相位差的激励源激励。相控阵扫描-2、相控接收相控阵扫描-3、相控聚焦采用固定聚焦延迟不可能沿声束方向在不同的探测深度获得了好的聚焦声束和很好分辨率，因此要根据产生回波脉冲界面的深度动态的改变聚焦延迟，使得聚焦区的变化速度与回波信号到达换能器的速度一致，实际应用中采用分段聚焦。帧频的概念帧频等于完成一副图像所需时间的倒数，记为Fve。N为扫描线数，D为每条扫描线能探测到的最大深度。帧频，扫描线数，探测深度，三者乘积为一常数，要提高其一，必须牺牲其余两个或其中之一。数字扫描变换器Digital Sca

21、n Converter（DSC）采用了DSC以后，解决了如下几个难题：1、可以对B超图像进行实时录像，图像冻结记录。（尤其是扇扫）2、使图像冻结和A超、M超以及多普勒血管信息的同时复合成为可能。3、改善图像质量：（1）使显示帧高于声束扫描帧；（2）便于图像处理DSC也常被称为数字扫描处理器（Digital Scan Processor 简称DSP）四、数字B超中的DSC技术4.1带DSC的B超基本框图1、在线形扫描中，采样及A/D转换所得回波数据的扫描坐标与显示可直接一一对应。2、在扇形扫描中，回波信息及其采样与A/D转换过程是在极坐标中进行，需要实现极坐标直角坐标变换：顺序写入，非顺序读出；

22、或者是非顺序写入，顺序读出；坐标变换，B型扇扫超声成像系统中，数字扫描变换器是将极坐标系转换为可供电视水平扫描显示的直角坐标系。这种不同坐标之间的转换可以用如下表达式表示：x=x0+Lsiny=y0+Lcos式中，x0和y0是极坐标原点所对应的直角坐标位置；是扫描声束偏转角；L是沿扫描声束矢径上的采样深度。位置计算单元和帧存储器是数字扫描变换的关键与本PPT配套的指定教材目前，关于生物医学超声的参考书很多；但是从教十年多来，一直很难找到一本非常适合本科生的教材。这也是编者下定决心编写本书的主要原因之一。本书的内容主要包括超声物理基础，压电效应与换能器技术，超声成像诊断原理，超声治疗技术，医学超

23、声实验，医学超声的最新进展等。每章节都配置了一定量的练习与思考题，以帮助读者巩固书中的内容，并提高分析解决问题的能力。为配合双语教学，本书保留了关键专业词汇的中英文对照。本书的特点是在注重基本概念，基本原理，基本方法的同时，兼顾一定的工程技术实用性，如包含声场的数值模拟，超声图像的C语言程序处理，超声波发射电路原理，换能器的匹配技术等。本书适合医学超声以及相关领域的本科生作教材，也可供该领域的研究生，科研及工程技术工作者参考。1、A/D转换：将前端装置检波后的超声回波信号进行量化。采样速度几兆赫兹到20M赫兹的高速A/D转换器，灰阶64的B超采用6bit的变换器。2、前处理：对A/D转换器输出

24、进行二次采样和按扫描声束矢径方向平滑等预处理。3、帧存储器：DSC的核心装置，用来存储扇形扫描的超声图像，在微机控制下实现各种存储方式和显示方式。4、象素地址逻辑单元：主要将扇形扫描所得到的回波数据在极坐标中的位置转变为存储、显示所需要的直角坐标位置。5、D/A转换器4.2 扇形B超中DSC的工作原理：重点介绍已有B超诊断设备中被采用的图像处理方法，这些方法常与数字扫描变换器DSC相结合。将扫描变换之前进行的处理称为前处理，而将扫描变换完成之后进行的图像处理成为后处理五、B超图像处理5.1 前处理前处理：也称为预处理，基本方法有（1）二次采样：当任一个像素中取样个数大于1时，存储在像素地址中的

25、取样值可由下述二次采样方法之一来确定：峰值法、点值法、峰偏值法、平均值法；（2）平滑处理；（3）回声幅度查表；（4）深度无关的回声幅度校正；（5）传感器射束断面图校正；（6）真实幅度重显。5.2 后处理5.2.1 图像插补后处理（原因）（1）最简单的办法是横向插入算法，在两根邻近的扫描线间插入一根或者几根扫描线图像插补后处理（原因） 在下图中，数字扫描变换器将扫描回波数据极坐标位置转换为直角坐标像素地址，并将直角坐标像素地址数字化到一个最接近的存储和显示像素地址。这样势必造成扇形图像近场区域内扫描回波数据个数大于存储和显示像素个数而显得太密。其次随着探查深度增加、相邻扫描线间距变大，以致扫描线

26、之间某些显示像素没有给予回波数据赋值而形成显示器上的“黑洞”显示许多黑洞云集成“云纹状”，使图像质量下降。黑洞出现的个数与像素大小，超声探查深度，声速偏转角和成像帧频等因素有关。横向插入算法缺点：使得直角坐标的整个扫描上布满了数据，“云纹”失真减少了，然而写入过密的问题更加严重5.2.1 图像插补后处理（2）R-插补法，最复杂和最好的办法，每一个直角坐标象素数据是从周围的极坐标采样数据按线性插补进行插值的。5.2.1 图像插补后处理（3）可变的线性插补技术它比 R-插补方法简单。且又避免了横向插入算法中出现的写入过密的问题。其原理是:从数字扫描变换器帧存储器输入两个相邻采样点的采样数据a和b。

27、当a和b之间存在几个显示像素无采样数据赋值时，就根据a和b线性地插入几个像素点数据，插补方法为: g=(a-b)/(n+1) ai=ai-1-g可变的线性插补技术5.2.2 灰阶处理灰阶处理包括灰阶伸展和压缩处理，常采用窗口处理方式。窗口处理又分为窗口提升处理和抑制处理。下面重点介绍窗口提升处理。这种处理主要为增加图像对比度。5.2.2 灰阶处理选择所存储图像的一个灰度窗口（范围）而加以增强，灰度窗口以外的灰度加以压缩或略去，而着重显示所需观察的灰度等级。这样做的目的是为了显示各组织结构，或突出或消隐图像中的某些部分，提高识别力和诊断力。这在临床运用中很重要，比如对于回声与周围十分接近的细小结

28、构，可选用小提升窗口，逐级移置窗口段的方法予以显示，例如输卵管的显示，经过这种处后便于医生观察和分析诊断，通常所采用的窗口有以下几种方式，见下图。5.2.2 灰阶处理5.2.2 灰阶处理图6.89中，（a）是线性变换，假定原图像的灰度范围为m,M，不在合适的观察范围，要把它变为n,N范围，变换函数为其中g（x，y）是变换函数；f（x，y）是原图像的灰度函数，利用这种变换把灰度比例增大和移动，使之充满动态范围n,N,增强图像对比度。5.2.2 灰阶处理图6.89（b）所示的变换函数也是线性变换，它可使图像亮区的灰度级均匀展开，而暗区变黑。图6.89（c）和（d）是分段线性变换，这是最常用的变换方

29、式。图6.89（c）中，0至f1的回波强度级变黑，而f1-fm间灰度线性扩展。图6.89（d）所示为重要部分的灰度级增加，其余部分灰度级压缩。如0至f1，f2至fm间斜率k1，灰度被压缩，而f1至f2间灰度增强。校正的概念： 现实世界中几乎所有的CRT显示设备、摄影胶片和许多电子照相机的光电转换特性都是非线性的。这些非线性部件的输出与输入之间的关系（例如，电子摄像机的输出电压与场景中光强度的关系，CRT发射的光的强度与输入电压的关系）可以用一个幂函数来表示，它的一般形式是：输出k(输入) 式中的 (gamma)是幂函数的指数，它用来衡量非线性部件的转换特性。这种特性称为幂-律(power-la

30、w)转换特性。 请阅读参考文献：1、应用变换提高B超图像分辨力2、B型超声诊断设备中的校正5.2.3 校正5.2.4 其它4、时间后处理5、读放大6、视频显示反转7、观察场间闪烁减小与平滑8、帧相关处理9、自动阀值10、边界检测与边沿增强11、直方图均衡伽马变换 伽马变换主要用于图像的校正，将漂白的图片或者是过黑的图片，进行修正。伽马变换也常常用于显示屏的校正，这是一个非常常用的变换。其变化所用数学式如下所示， 其输入为r ，其输出也为s 。对于不同的伽马值，其对应的变换曲线如下图所示。根据下面两个实验，可以看出伽马变换的作用。与本PPT配套的指定教材目前，关于生物医学超声的参考书很多；但是从

31、教十年多来，一直很难找到一本非常适合本科生的教材。这也是编者下定决心编写本书的主要原因之一。本书的内容主要包括超声物理基础，压电效应与换能器技术，超声成像诊断原理，超声治疗技术，医学超声实验，医学超声的最新进展等。每章节都配置了一定量的练习与思考题，以帮助读者巩固书中的内容，并提高分析解决问题的能力。为配合双语教学，本书保留了关键专业词汇的中英文对照。本书的特点是在注重基本概念，基本原理，基本方法的同时，兼顾一定的工程技术实用性，如包含声场的数值模拟，超声图像的C语言程序处理，超声波发射电路原理，换能器的匹配技术等。本书适合医学超声以及相关领域的本科生作教材，也可供该领域的研究生，科研及工程技

32、术工作者参考。六、B超厂商及产品介绍国内国外迈瑞迈瑞公司是中国领先的高科技医疗设备研发制造厂商，同时也是全球医用诊断设备的创新领导者之一。中国首家医疗设备企业在美国纽交所成功上市产品涵盖生命信息与支持、临床检验、数字超声、放射影像四大领域 N80全数字黑白超声诊断系统全数字波束合成技术加权发射技术空间复合成像多倍信号并行处理组织谐波像特异性组织优化成像 无锡海鹰电子医疗系统有限公司是国内最早专业从事超声类产品研制的高科技企业，是我国医疗超声事业的开拓者，已成为我国优质B超的象征，在医疗卫生界和超声领域内声誉卓著。 主要产品： HY221A B型超声诊断仪 HY2900聚焦超声肿瘤治疗系统 HY

33、221A B型超声诊断仪 产品特点： 宽带变频探头技术 通过探头频率转换，可随意调节到所需要探测深度 专业探头技术 有效地防止超声能量的损耗，保证了图像的清晰度 丰富的应用软件 强大的应用软件系统 稳定可靠的全中文操作界面 IT及通信技术的广泛应用 尖端的微电子技术 翻盖式键盘 高清晰显示一种高性能通用型便携式线阵B超，主要适用于腹部肝、胆、脾、胰腺、肾、子宫、前列腺等器官的检查和诊断，同时也适用于计划生育，即对早孕及节育环的检查。徐州市大为电子设备有限公司 徐州市大为电子设备有限公司是一家生产医疗设备的专业生产厂，集科研、生产、销售、服务为一体。 主要产品： B超DW3102A+ B超DW3

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