(08级影像上课用)第2章++超声成像技术(3)课件

2-4超声多普勒成像

超声多普勒方法对于检测运动目标具有较高的灵敏度

----胎心检测仪、血流测量仪、血管显像仪、心脏探查仪等。根据电路结构可分为：

听诊型（早期）指示记录型电子快速分析型显像型

连续波式脉冲波式超声多普勒效应：当声源、接收器、介质之间存在相对运动时，接收器收到的声波频率和超声原先的频率有一定的差异。其频率的变化量称为多普勒频移。1、超声多普勒效应的基本原理C---声波在介质中传播速度；f0----声源频率，λ0----波长，VT-----声源相对介质的运动速度；f----接收器接收到的声波频率，VR----接收器相对介质的运动速度。θ-----VR与水平方向的夹角，α-----VT与水平方向的夹角。测量血流的基本公式的推导：（以连续波式多普勒为例）设：f0----发射极发射的超声波频率；

fR’----红细胞接收到的超声波频率

fR----接收极接收到的红细胞散射回来的超声波频率；

c----超声波在血液中的传播速度；

v----红细胞的运动速度

θ----红细胞运动方向与发射极及接收极的夹角；

vcosθ---红细胞的运动速度在超声波入射线或反射线上的分量。出现第一次多普勒频移时，血液颗粒接收到的频率为：出现第二次多普勒频移时，接收极接收到的频率为：多普勒频移△fD：

由于c>>vcosθ，于是

（正号表示血流朝向探头运动，负号表示背离探头运动）结论：当f0、c、θ一定时，

△fD与血液颗粒的流动速度v正比；因此，只要测得△fD就可求得相应的血液流动速度，这是多普勒技术测量血流的基本公式。多普勒血流测量的两种方法：连续波式和脉冲波式连续波脉冲波皮肤血管发射接收换能器发射/接收换能器皮肤血管延迟….….发射接收3、超声多普勒成像系统的基本结构框图

将所获得的信息进行不同的显示，就成为不同的超声多普勒技术。4、**多普勒频移信号的解调原理：（1）解调的方法：A、非定向型解调：----目标运动的方向不能确定。具体方法有：相干解调、非相干解调B、定向型解调：----能提供运动速度的大小和方向

具体方法有：单边带解调法、正交相位解调法、外差法（ωo+ωf）称为多普勒上边频，（ωo-ωr）称为多普勒下边频，边频分量组成的两个频带对称地分布在主频率两侧，分别称为上边频带和下边频带。由于血球运动的方向与速度各不相同，回波信号实际上是窄带随机信号。直接通道输出：D(t)=U(t)cosωot=1/2·[Acosφo+Bfcos(ωft+φf)+Brcos(ωrt-φr)]

正交通道输出：Q(t)=U(t)sinωot=1/2·[Asinφo+Bfsin(ωft+φf)-Brsin(ωrt-φr)]

可见，相干解调已经消除了发射信号的载波频率ωo，两式括号中的第一项是杂波成份，第二项是多普勒频移的顺流分量，第三项是多普勒频移的逆流分量。如果略去静止目标的杂波成份，并将所检测的多普勒差频输出都用余弦波表示以体现它们的超前或滞后的相位关系，即：D(t)=1/2Bfcos(ωft+φf)+1/2Brcos(ωrt-φr)Q(t)=1/2Bfcos(ωft+φf-π/2)+1/2Brcos(ωrt-φr+π/2)

由此可见，直流通道输出的顺流比正交通道中的顺流超前90°；直接通道中逆流比正交通道中的逆流滞后90°。采用几种不同的方法加以处理，可以得到方向性信息。

以频域处理为例：直接解调通道与正交通道的输出加到两个相乘网络中，分别与导频为ωp的正弦、余弦波相乘。两个乘法器的输出在求和放大器中相加，则有：Ve=Va’+Vb’=Vasinωpt+Vbcosωpt=1/2[Bfcos(ωp+ωf)t+Brcos(ωp-ωr)t结果，将多普勒信号的频谱偏移到了ωp的两边，即正流和反流变为两个边频，然后可在单个通道中进行频谱。当检测信号ω>ωp时，相当于正流信号输出；当检测信号ω<ωp时，相当于反流信号输出。单边分离的信号也可用高频边带滤波器，分离上下边带使正、反血流信号在两个通道中输出。2、多普勒频移信号的分析与显示：

血管中血流速度存在一个随血管半径而变化的速度分布，对应着多普勒信号从高频到低频的一段频谱。频谱分析就是把组成复杂振动的各个简谐振动的频率和振幅找出来，列成频谱，以获得血流速度信息与波形频率有关的内容。时域处理：**过零检测器、平均频率计算器频域处理：**多通道频谱分析器、扫掠滤波分析器、FFT分析器频谱显示：

功率谱：左图：是在一个三维坐标系中描述随时间变化的血流信号功率谱。每一次功率谱计算的结果在这个三维坐标系中表现为一条沿频率轴分布的功率谱密度函数。右图：当在监视器上显示血流信号的动态功率谱图时，功率谱计算值的大小用平面中像素不同的灰度值表示。（1）横轴：时间纵轴：频移（血流速度）中间水平轴：基线（2）频谱幅值：频移大小，表示红细胞或血流速度大小（3）频移方向：基线以上为正，基线以下为负。（3）频谱强度（灰度）：某一时刻取样容积内速度相同的红细胞相对数目的多少（4）频谱离散度：以频谱在垂直距离上的宽度表示。代表某一时刻取样血流中红细胞速度分布范围的大小。层流时，频谱宽度较窄；湍流时，速度变化大，频谱宽度变宽。声谱图中各参数的物理意义：6、连续多普勒超声诊断仪(CW)（1）工作原理：缺点：连续波波束内的任何运动目标都对最后多普勒的输出做出贡献，因而无法分辨距离。优点：可测高速血流。去除血管壁等其他低速运动的组织所产生的低频（但相对血流的多普勒频移信号而言，其幅度却大得多）多普勒信号。（2）多普勒信息的表达音频多普勒（监听式）：声音的音调等信息→判断血流的速度、性质。难以定量测量流速。单一曲线：用慢扫描示波器以曲线方式进行显示和记录。可以表示血流速度随时间的变化情况。定向型：既能测血流速度，还能判断血流的流向（顺流或逆流）。显像型：利用多普勒技术测定流动信息与流向，利用回波成像技术显示活动血管或器官的图像。

脉冲重复频率发生器发射门距离门延时门发生器发射放大器接收放大器主控振荡器解调器采样保持音频滤波器输出换能器所选距离优点：有距离分辨力。能确定在沿探头声束方向不同距离的检测点上是否有血流通过。7、脉冲波多普勒超声诊断仪（1）基本工作原理：（单通道）单晶片重复周期制约着最大探测深度和可测量的最高流速）（2）多通道定向型脉冲多普勒血管显像仪多个血流检测点同时进行测量----缩短检查时间典型脉冲多普勒成像仪采用5MHz的工作频率，脉冲重复频率为5kHz，在80Hz-2kHz之间处理多普勒信号，低于80Hz的伪差信号（由人体与探头之间的相对运动引起的）则加以滤除。（4）**高脉冲重复频率多普勒技术

高脉冲重复频率多普勒工作时，探头在发射第1组超声脉冲波之后，不等采样部位的回声信号返回，探头便又发射第2组超声脉冲波群。第2组超声发射后探头接收的实际上是来自第1组超声脉冲的回声，第3组超声脉冲发射后探头接收的是第2组超声脉冲的回声。依此类推，相当于发射脉冲重复频率加倍，检测到的最大频移也就增加一倍。高脉冲重复频率多普勒的血流速度可测值的最大扩展范围一般为普通脉冲多普勒的3倍。高脉冲重复频率多普勒技术增加了速度可测范围，但牺牲了距离分辨能力。它是介于PW和CW多普勒之间的一种技术。8、多普勒诊断仪在医学中的应用：对心脏疾病的诊断----脉冲多普勒心动图可测出心脏内各运动部分的运动状态、速度和血流量

----诊断冠心病、心率失常、主动脉瓣病变等。(2)对血管和血流的测量----非侵入性可得到血管纵断面血流分布图----诊断血栓、脉管炎。可很快鉴别血管硬化程度----测量眼底动脉。可对断肢再植时血管接通情况作方便的检查----外科手术。(3)妇产科方面的应用主要对胎儿胎心及胎盘定位检查。

2.5彩色血流映射成像（P47)（CFM，“彩超”或“彩色多普勒”）便携式彩色超声多普勒推车式彩色超声多普勒

（1）MTI技术

----运动目标指示技术1、血流速度测量原理：含义：发射两次相干的超声脉冲，通过“静目标对消”，以突出动目标的信息。（2）相位差与血流速度的关系

----通过检测两次运动目标回波的相位差，可以获得运动目标的速度。

相位差△Φ与速度v成正比。只用一个通道就可测得沿声束各点的血流速度。**关系推导：dp1发射脉冲：回波返回时间：①t1时刻发射第一个脉冲，tp1时刻收到由p返回的动目标回波：

设发射脉冲为：则动目标回波脉冲为：（dp1是探头与p点的距离。）

往返时间：②间隔T发射第二个脉冲，此时动目标移到dP2

发射脉冲仍为：则动目标回波脉冲为：

如果声束方向同时存在多个运动散射子，则各速度均可由各自的相位差估算，因此只用一个通道就可测得血管内流速的剖面图。③比较两次回波的相位差：

（相位差△Φ与轴向速度vcosθ成正比）2、相位差的检测----自相关法（1）自相关法系统的原理框图

（自相关法方框图）正交解调

设第一次和第二次回波经解调后的复数信号分别为：可见此乘积的相位便是ΔΦ。

任意时刻t0的ΔΦ(t0)可以通过相邻两次回波在t0时刻的共轭乘积求得目前商用彩色血流成像仪的自相关法：探头在同一位置下做多次发射，取相邻回波在t0时刻乘积的均值来估计相位：则相位估计：图2-29自相关法原理自相关法原理示意图：设图b中各次采样值为

图(b)中，设t0时刻的各次采样值为：（i=1～M）

由上式求得相位估计

则自相关值：

求速度估计：

令t0取不同值便可以得到沿声束各点的速度估计。可见这一方法的特点是可以把沿声束各点的速度一次同时估出，而无需采用多通道。（1）红血球的动态信息由速度、方向和分散三个因素组成。①血流方向的显示：用红色和蓝色表示；朝向探头流动为红，远离探头流动为蓝。②血流速度的显示：以色彩的亮度来表示；血流速度快，色彩鲜亮；血流速度慢，色彩暗淡。③血流分散的显示：分散就是血流的紊乱情况；用绿色表示；以其亮度强弱表示紊乱程度：层流时色彩变动小，乱流则色彩变动大。3、彩色多普勒血流的显示：红黄白紫红湖蓝蓝绿红（朝上）分散黄明亮（速度快）暗淡（速度慢）明亮（速度快）蓝（向下）分散湖蓝（2）彩色图像的各种定义：图中采用了国际照明委员会规定的彩色图，它有红、蓝、绿三种基本顔色，其它顔色都是由这三种顔色混合而成。红加绿者为黄色，蓝加绿者为青色。4、彩色多普勒血流成像仪组成

（1）原理框图1：

Bmode+Dopplermode血流信息以彩色方式叠加显示在黑白B型图像上。同一台机器上的“B超”和“彩超”图片

每一台彩超都具有B超及其它的一些功能，其中最重要的就是对心脏及血管内血液的流动情况进行观察。高速相控阵探头；ＭＴＩ滤波器：滤去壁层、瓣膜等动作迟缓部位不需要的信号成份，提取有用成份；自相关器：算出速度、方向和分散这三个动态因素；ＤＳＣ：存储有血流频谱信息、二维图像信息，血流动态信息经彩色编码转换成不同亮度的红、绿、蓝三色。（2）原理框图2探头接收器发射器黑白图像检波黑白B/M型图像DSC观察用监视器正交检波器取样和同步壁式滤波器脉冲波多普勒连续波多普勒频率分析器A/DMTI滤波器自相关器分散速度、方向合成信号彩色转换器录像机D/A监视器RGB信号5、关于彩超的几点说明：（1）彩超是在B超显示脏器形态结构的基础上，对某一感兴趣区进行二维的彩色血流显示，以评价该区内的血流动力学指标。

（2）彩超在心脏、外周血管检查及某些肿瘤的良恶性鉴别上，进一步补充和完善B超的诊断。（3）对于不含血流的病变作彩超是没意义的，如囊肿、结石等。（4）彩色多普勒血流显像的优点：血流图像实时二维显示，直观形象、检测快速、诊断敏感度和准确率很高、漏误较少。**和MRI、CT比较：LowcostcomparedwithX-CTandMRInon-invasivenessReal-timeimagingfeaturesmoreandmorewidelyusedinclinicalapplications.2-6*超声诊断成像的最新进展2-6-1彩色多普勒“功率法”成像（彩色多普勒能量图法、CDE）1、成像原理：

CDE是利用多普勒信号的强度（能量、振幅）大小进行成像，而多普勒信号的强度大小是由单位面积下红细胞通过的数量以及（频移）信号振幅大小决定的，因此，CDE不依赖多普勒信号频移的大小，不受探测角度、血流速度的影响。CDE显示的参数不是速度而是与血液中散射体大小相对应的能量信号。对血流速度灵敏度较CDFI高3-5倍，且能进行极低速血流的显示。（无脉冲波多普勒的局限性）2、CDE优点：（1）可以设定一个门限把噪声降到最低；（2）数据平均以获得更高的信噪比；-----帧平均（3）成像对多普勒角度的依赖减少；（4）只要功率被测出，混淆现象就不再是问题，这样通过很小的血管的信号就能被测出。3、弊端：1、对运动伪迹特别敏感；2、图像没有包括血流速度和方向的信息。2-6-2时域流动测量（时域彩色血流图）基本原理：发射两次超声脉冲并根据所需的采样深度分别截取一小段回波信号（时间信号，这里指同一运动目标的回波），将两小段回波信号作互相关运算，就能根据互相关函数中最大值出现的时刻来判断血流的速度。具体做法：在t0

、t1

时刻分别发射超声脉冲并获取回波：f(z)＝f(ct/2)

对两次同一运动目标的回波值作互相关运算：

T＝t1－t0----传输脉冲的重复周期（脉冲波的时间间隔）（z1－z0）----红细胞在血流中移动的距离由互相关函数和波形得出互相关时间t互相关时间t为ζ(τ)的最大值所对应的时间。由互相关时间计算红细胞在血流中移动的距离：

z1－z0=ct/2；由距离计算血流速度：**关于自相关函数和互相关函数的定义：

自相关函数的定义：设原函数是f(t)，则自相关函数定义为R(u)=f(t)*f(-t)，其中*表示卷积；自相关函数是描述随机信号f(t)（同一个时间序列）在任意两个不同时刻t1，t2的取值之间的相关程度。

互相关函数的定义：设两个函数分别是f(t)和g(t)，则互相关函数定义为R(u)=f(t)*g(-t)；互相关函数是描述随机信号f(t)、g(t)（两个时间序列）在任意两个不同时刻t1，t2的取值之间的相关程度。

互相关函数给出了在频域内两个信号是否相关的一个判断指标，把两测点之间信号的互谱与各自的自谱联系了起来。它能用来确定输出信号有多大程度来自输入信号，对修正测量中接入噪声源而产生的误差非常有效。[例2.1]一个超声时域图像血流测量系统要求PRF为5kHz，它被用于颈动脉的血流测量。互相关时间由两个由血管而来的连续回波波形的互相关函数得出，为0.05μs。假设由发生器发出的超声束与血流同向。求血流速度？解：①红细胞群的位移：

②脉冲波的时间间隔（重复周期）为③血管中的血流速度为：

v＝0.0039cm/0.2ms＝19.5cm/s时域血流图的特点：没有干扰，能测出更慢的血流。要求的信噪比更低，也不需很高的帧频→成本降低；没有混淆现象，可以使用更短的脉冲，空间分辨率更高。互相关计算量比频域处理的计算量要小。2-6-3多维阵列（1）一维阵列最为成熟,已有含256个单元的线阵(N×1),可满足多数情况下的应用要求；可以人为地改变聚焦深度。一维电子聚焦（相控阵）存在的问题：只能在成像平面进行一维的动态聚焦。

不能解决与换能器阵元排列垂直方向上的聚焦问题。当被扫查的平面较厚时，可能使图像模糊。（2）二维阵列（面阵：N×M）可控制厚度平面的声束-----改进成像质量。可对声束实现三维控制。二维阵列的制造是十分困难且极其昂贵的。

2-6-4三维成像

三维数据库包含一系列的体积像素，每一体积像素既是灰度值也是亮度值。**三维重建的主要步骤：自动容积扫查----三维数据库的建立----三维图像重建三维成像：通过二维阵列来实现，是将连续不同的二维图像进行计算机处理，得到一个重建的有立体感的图像。

彩超技术的进步让人们有机会看到胎儿在母亲腹中的各种表情——微笑、哭泣、眨眼睛。这是一幅使用4D彩超捕捉到的、难得一见的胎儿出生前微笑的画面。微笑的胎儿：动态3D成像（实时3D）咬脚丫揉眼睛四维彩超胎儿动态图像

全身三维躯干背部及臀部动态3D成像（实时3D）2-6-5腔内与高频成像：

腔内成像也是采用超声脉冲回波成像技术，是把换能器固定到离器官更近，允许运用较高频率的一种成像方式。成像对象：食道，直肠，阴道及血管等。特殊换能器：独创的以机械分区，线形阵列，或相位阵列的形式制成。超声成像和多普勒仪器已被运用于内窥镜检查的手术。1、超声造影剂：超声造影剂是用人体白蛋白、脂类物质、棕榈酸、高分子有机聚合物等去包裹空气、二氧化碳、氧气、氟碳气体等构成的微气泡气体。大部分超声造影剂运用了微小空气泡。微气泡必须小于血液的红细胞直径10μm。气泡受到超声波的穿透就会产生共振。ε----气体热量的比率，空气的ε为1.4；p0----外界的压强，等于1.013×10Pa或在1atm下为1.013×10dyns/cm；ρω----周围媒质的密度，如水的密度。2-6-6超声造影剂和谐波成像自由气泡的共振频率fr与气泡的半径a有关：2、谐波成像原理：超声作用微气泡共振含造影剂的血液产生谐波信号换能器检测谐波信号**医学超声中的谐波，是指二次谐波。优点：改善信噪比改善空间分辨力改善检测深度和分辨力的约束改善对最低血流速度的检测血管不会产生共振谐波信号2-6-7超声弹性成像----显示组织的弹性**通过连续帧视频寻找出人体组织图像中硬组织，帮助医生更客观的诊断肿瘤病变。

患乳腺硬肿瘤的中年妇女的B超图像一种弹性成像结果截图超声CT----用超声束代替X射线，利用超声的穿透性获得透射数据，进行如同X射线CT的图像重建而获得CT图像，类似X射线CT原理。超声CT有两类：一类是根据声阻抗的差别利用反射的不同而获得CT图像。另一类是类似X射线CT原理，利用超声的穿透性而获得CT图像，即所谓“透射式”CT。透射式CT分为两类：①测定透过人体后超声的衰减量

----显示人体横断面超声衰减分布(即衰减常数)。②测定超声透过人体的传播时间

----显示人体横断面声速分布的超声CT。2-6-8超声计算机断层成像（P41）在透射式超声CT中被重建、显示的物理量有：①对象物体内各点的传输时间的分布；②对象物体内各点对超声波的衰减的分布。超声CT的一些特点：①无放射线危害；②能得到新型的诊断信息（与X线CT及超声脉冲回声法不同）2-7**超声的生物效应无创辐射生物学效应强度增大热效应机械效应安全阈值：100mW/cm2

热指数(TI)：换能器产生的声能量与使组织温度升高1℃所需能量的比值。热指数决定于组织种类。

机械指数(MI)与空化效应产生的概率有关；机械指数与峰值稀释压力成正比，与超声频率成反比。2-7-1超声波的生物效应1、生物大分子------导致降解

超声：0.25～4MHz、1W/cm2DNA的双螺旋断裂平均分子能量：107→0.25×1062、细胞------导致细胞膜的破裂细胞膜表面静电荷的减少；某些细胞对一些中毒药物通透性的增加。实验观察：把海生动物的受精卵放在靠近以20KHz频率振动的针尖处，显微镜下可看到细胞的核质发生声学流动、变形，并在细胞内出现一些碎片。在强度小于40mW/cm2、频率1MHz的超声束照射后，可观察到植物原生质的粘弹性―弹性的改变。③用2MHz、11.5mW/cm2和38.4mW/cm2的超声，照射孵化了50小时的鸡胚胎3分钟。继续孵化52小时后，与对照组比较，剂量11.5mW/cm2组中发育延迟者大于97.5%，38.4mW/cm2的组中，发育延迟者大于95%。3、生物组织------引起温度上升组织功能的改变----超声理疗的物理基础。

对血流和血管的作用----血流阻断、血管收缩、降压。对恶性肿瘤的作用----破坏神经胶质瘤和抑制肿瘤生长。对组织再生的作用----刺激组织的再生。2-7-2超声诊断的安全剂量：包括时间、强度①对人体安全照射的超声剂量随照射时间而变。

1秒钟~500W/cm21分钟~100W/cm2②安全剂量应以不同检查对象和部位而异。胎儿：20W/cm2和30分钟内；成年人腹部器官：在40W/cm2和60分钟。③安全剂量有待于进一步统一。**2-8超声治疗（1）超声治疗手术的运用类型：①高热热疗：组织暴露在持久而低强度的超声中。②无创手术：短时间较高强度照射强度：几个~几十W/cm2持续：10~30分钟组织温度可升高到43~45℃聚焦区温度可升高到70~90℃。持续期：几秒钟强度等级：几百个W/cm2**（1）超声治癌----HIFU无创外科高能聚焦超声刀（high-intensity

focused

ultrasound,

HIFU）

高热效应：将高强度的超声能聚焦于治疗区域，能在0.5秒内能迅速将目标区域组织温度骤升至70℃以上，使细胞内蛋白迅速出现凝固性坏死。空化效应：通过气泡的强烈膨胀和萎缩运动，使肿瘤细胞产生机械性破坏。高能超声聚焦刀治疗原理：

①

高热效应

区别于低功率聚焦超声，HIFU治疗仪能将高强度的超声能聚焦于治疗区域，能在0.5秒内能迅速将目标区域组织温度骤升至70℃以上，使细胞内蛋白迅速出现凝固性坏死（肿瘤细胞致死温度的临界点在42.5~43.0℃，而正常细胞则为45℃，对于肝脏组织而言，局部温度超过58℃即可致组织凝固性坏死）。

②空化效应

通过气泡的强烈膨胀和萎缩运动，使肿瘤细胞产生机械性破坏。

（2）HIFU技术是现代工程技术和医学相结合并发展的产物，其是利用超声波的生物学效应，通过一定技术手段，将体外发射的声波聚焦于体内病变组织。由于聚焦部位的强大能量沉积，组织内温度瞬间即可上升到65℃以上，可达到靶向破坏病变之目的。这种技术可达到精确外科所要求的精确“切除“（ablate）病变组织之目的，因而又称为HIFU外科。其无需采用侵入性手段即可将机体内病变组织破坏，属于无创治疗技术，故也被称为HIFU无创外科。这将大大减轻对机体正常组织不必要的损伤。HIFU目前在临床上最广泛的应用是在肿瘤治疗。

（3）与传统外科手术相比较，HIFU治疗是非开放性的，这将使感染、出血及脏器粘连等的发生率明显降低。患者接受治疗后机体恢复所需时间必将大大缩短。由于并发症的减少，对患者生活质量不会造成不良影响。目前