医学超声成像的基本原理课件

第二节医学超声成像的基本原理

超声成像方法有多种，反射、透射、多普勒法等。目前多用反射法，即脉冲回波法。一、脉冲回波法原理1.定义发射——超声脉冲波，接收——目标反射回波，确定——目标的方位、距离和性质。2.人体组织的适用性①人体组织、脏器Z不同，界面会反射声波。②人体软组织Z接近，界面透射大，可穿透较深组织；而较弱的反射波,对检测已足够。③人体软组织c接近，可由时间算得界面深度。第二节医学超声成像的基本原理超声成像方法3．脉冲回波法A型显示

（a）超声脉冲发射，显示发射波形；（b）超声匀速传播，显示水平扫线；（c）超声到达界面。（d）界面反射、透射；（e）脉冲回到探头，显示接收波形；（f）波形间隔距离，正比界面深度。3．脉冲回波法A型显示（a）超声脉冲发射，4.脉冲回波测距关系式有多重介质界面时,若声速接近，且≈c,则

S＝ct/2式中：S——界面深度t——界面回波时间即：可由界面回波时间，求得界面深度。人体软组织取c=1540m/s。5.各种利用形式换能器固定显示光点幅度调制换能器扫查显示光点亮度调制ABM4.脉冲回波测距关系式有多重介质界面时,若声速接近，且≈c一、分辨力

指成像系统分辨空间尺寸的能力，即能把两点区分开来的最短距离。

1.横向分辨力（也称侧向分辨力）（1）定义：垂直于声束轴方向的分辨力。（2）相关因素：超声波束直径，显示器光点尺寸。设有两个目标(如图):（a）波束直径很细，容易区分。（b）波束直径加大，刚好区分，此时目标间距离就是系统的分辨力。（c）波束直径更大，无法区分，系统只能把它们当作一个目标，只显示一点。一、分辨力指成像系统分辨空间尺寸的能力，即能2.纵向分辨力（又称轴向分辨力或距离分辨力）（1）定义：在声束轴方向上对相邻两回声点的分辨力。（2）相关因素：①超声频率。理论极限是声波的半波长。②主要取决于脉冲有效持续时间。脉冲越窄，越好。（3）脉冲有效持续时间相关因素：①发射电脉冲宽度②换能器阻尼③仪器的增益④发射超声强弱因通带有限,故脉冲前后沿不陡,⑤目标反射强弱信号大小不同,即脉冲宽度不同。⑥目标距离一般说来，纵向分辨力总是优于横向分辨力2.纵向分辨力（又称轴向分辨力或距离分辨力）（1）定义：在医学超声成像的基本原理课件二、作用距离（探测深度）1．定义超声诊断仪图像能显示的被测介质最大深度。2．相关因素（1）工作频率工作频率↓→作用距离↑，但受分辨力限制。∵I=I0e-2αX,α=βf,∴f↓→衰减趋缓。（2）接收灵敏度接收灵敏度↑→作用距离↑，但受噪声限制。（3）发射功率发射功率↑→作用距离↑，但受安全性限制。3．临床要求腹部：20cm，眼部：10cm二、作用距离（探测深度）1．定义三、工作频率(f)1．定义辐射出去的超声波中心频率。2．与其它参数的关系

横向、纵向分辨力↑f↑

探测深度↓例如：眼科：深度小，结构细，可用高f。如:f=10MHz。腹部：深度大，脏器大，可用低f。如：f=3.5MHz。许多超声仪配备多个不同频率的探头，可供选用。矛盾，酌情选取三、工作频率(f)1．定义矛盾，酌情选取四、帧频(F)1．定义：成像系统每秒钟成像的帧数。2．相关因素（直接成像法）①如图，P－探测深度，c－声速，

N－扫查线数,Fs－扫查帧频

直接成像时：F＝Fs∵一条扫线需时间（超声P内来回）：

Tl＝2P/c∴帧周期——N条扫线所需时间：

T＝NTl＝2NP/c∴F＝Fs＝1/T＝c/2NP或者：PNF＝c/2

可见：P、N、F三者之积是常数，若要提高一个，必须以减小其它两个为代价。cPN线阵Fs四、帧频(F)1．定义：成像系统每秒钟成像的帧数。cPN线阵②另一形式（只适用于线阵）：如图：L--线阵长度，A—扫查面积dL--扫查线密度∵A=PL,dL=N/L∴F·A·dL=F·P·L·N/L=FPN=c/2即：F，A，dL三者乘积是一常数。LcPN,dL

线阵FsA②另一形式（只适用于线阵）：如图：L--线阵长度，A—扫查3．帧频与像质的关系4.数值分析因人体软组织中声速c=1540m/s如果：P=10cm,F=30Hz,则N=c/2FP=256.6线或者：N=500线,P=20cm,则F=c/2NP=7.7Hz可见：难于同时取得满意的数值。F(Hz)＜1010—24>24动感静态准实时实时亮度闪烁闪烁不闪烁3．帧频与像质的关系4.数值分析F(Hz)＜1010—

扫描线数越多，图像连续性越好，更为清晰；帧频越高，图像越稳定。

对于较高横向分辨力的超声成像系统，应该有较高线密度来显示它的图像，而较低的线密度只能满足低横向分辨力的需要。扫描线数越多，图像连续性越好，更为清晰；帧频五、脉冲重复频率（Fc）1．定义每秒钟重复发射超声脉冲的次数。2.与其它参数的关系①最大探测距离Dmax，和探测深度PDmax＜cT/2＝c/2Fc

式中：T=1/Fc——脉冲发射周期，即两次发射间的时间间隔而：P＜Dmax故：Fc↓→Dmax↑→P↑②帧频F，或线密度dLFc=FN，Fc↓

→F↓,或dL↓通常取：Fc＝2～4KHz。矛盾，

酌情选取五、脉冲重复频率（Fc）1．定义矛盾，酌情选取医学超声成像的基本原理课件

最大探测距离Dmax并不等于仪器的作用距离P，作用距离受发射功率、接收机灵敏度等因素的影响，而最大探测距离只是设计中允许设定探测距离的最大值。脉冲重复频率不可取得太高，否则将限制仪器的最大探测距离，但也不可取太低，否则将影响图像的帧频或线密度。通常取Fc＝2～4KHz。最大探测距离Dmax并不等于仪器的第四节超声诊断仪的显示型式

一、A式显示1.定义A式显示即：Amplitudemodulationdisplay

——幅度调制显示幅度调制：显示波幅度∝界面回波强度。第四节超声诊断仪的显示型式一、A式显示2.CRT信号及显示屏各轴的意义3.适用部位肝、胆、脾、眼、肾、子宫、脑中隔等。A式显示水平（X）垂直（Y）亮度（Z）CRT各控制轴信号深度扫描信号回波脉冲信号正程增辉信号显示屏各轴意义探测深度回波脉冲幅度无XYZ显示屏各轴标称ZXYCRT各控制轴标称2.CRT信号及显示屏各轴的意义3.适用部位A式显示水平医学超声成像的基本原理课件双相A型诊断法示意图

双相A型诊断法示意图二、M式显示1.定义M式显示即：Time-Motion或Motionmodedisplay

——运动时间（模式）显示。即：运动界面的深度位置，按时间顺序显示。←→小球上下浮动．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．←液面←杯底．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．←小球t1t2t3…二、M式显示1.定义←→小球．．．．．．2.CRT信号及显示屏各轴的意义3.适用部位心脏、胎心、动脉血管等运动脏器。可用于测量心脏瓣膜的运动速度、加速度等。由于主要探查心血管系统的心源性搏动，故也称超声心动图。M式显示水平（X）垂直（Y）亮度（Z）CRT各控制轴信号时间扫描信号深度扫描信号回波脉冲信号显示屏各轴意义探测时间探测深度回波脉冲幅度2.CRT信号及显示屏各轴的意义3.适用部位M式显示水平医学超声成像的基本原理课件三、B式显示1．定义B式显示即：Brightnessmodulationdisplay

——辉(亮)度调制显示。辉(亮)度调制：显示点辉(亮)度∝界面回波强度。2.

特点声束位置不断变化——扫查，显示光迹同步扫描，由辉(亮)度调制，得到回波强度断面象。三、B式显示1．定义3.CRT信号及显示屏各轴的意义4.适用部位眼球、甲状腺、纵隔、心脏、乳房、肝脏、胆囊、胰腺、脾脏、肾脏、旁胱、精囊、睾丸、前列腺、卵巢、子宫、胎儿B式显示水平（X）垂直（Y）亮度（Z）CRT各控制轴信号横向位置信号纵向位置信号回波脉冲信号显示屏各轴意义横向位置纵向位置回波脉冲幅度3.CRT信号及显示屏各轴的意义4.适用部位B式显示水平一、简单扫查与复合扫查1.简单扫查定义：声线在扫查区内不相交。（1）线扫声线：平移，排列均匀。优点：近、远区视野相同。缺点：要求入射范围大。适用：腹部探查。

（2）扇扫声线：摆动，呈扇形。优点：要求的入射窗小。缺点：浅部视野小。适用：通过肋间对心脏的探查。一、简单扫查与复合扫查1.简单扫查医学超声成像的基本原理课件（3）凸阵扫查声线：呈扇面形。优点：入射窗较小，而浅部视野尚可。适用：腹部，也可探查心脏。（4）弧形扫查声线：弧形移并摆动，与凸阵扫相反。优点：近场视野宽。缺点：要求的入射范围大。适用：乳腺、甲状腺的显像。（5）径向扫查

声线：呈360°放射状。适用：介入式探头。优点：经食道、直肠、阴道等探入人体，靠近检区，提高频率，提高像质。（3）凸阵扫查声线：呈扇面形。2.电子扫查（一）概述（1）定义换能器由排成一线的许多阵元组成，用电子方式控制各阵元的工作顺序或相位，以控制声线的位置或方向，实现扫查。

（2）优缺点优点：无机械运动，无（低频）振动，无磨损，寿命长。体积小，重量轻。缺点：线路复杂，工艺难，成本高。

（3）分类①线形步距阵，简称：线阵；②线形相控阵，简称：相控阵。2.电子扫查（一）概述（二）线阵

（1）换能元有几十至几百个换能阵元组成，长约10－15cm。

（2）原理电子开关切换，使各阵元按一定顺序轮流工作，从而形成一系列平行声束，实现线形扫查。

（3）结构组成电子开关、阻尼垫衬、换能线阵、匹配层、声透镜、外壳。（二）线阵（1）换能元（三）相控阵（1）换能元换能阵元数较少，长度约1－3cm。（2）原理所有阵元一起工作。①发射时：各阵元的激励信号相位按线性变化，使发射超声

经空间叠加后，合成超声方向产生偏向。②接收时：各阵元的接收信号相位经同样变化，使接收信号经电路叠加后，接收灵敏方向同样偏向。改变相位线性变化斜率，可改变扫查声线方向，从而形成扇形扫查。相位线性变化——相邻阵元信号，相位差相等。（三）相控阵（1）换能元（3）相控原理图解分析

Ⅰ图解根据由叠加原理，超声波在传播过程中相遇时：①相遇前后，波的特性（频率、初相、振动方向、传播方向等）不变——独立性。②相遇之处，质点振动各波矢量合成——叠加性。

当波同相位相遇时，叠加增强，当波异相位相遇时，叠加减弱。

Ⅱ图解约定①阵元发射的超声波均为球面波——波面线为圆弧线。②所画的波面线之间均为同相位——交点处叠加增强。（3）相控原理图解分析Ⅰ图解根据Ⅲ图解例①无偏向无聚焦发射：各阵元发射信号无相位差。叠加声波最强区域——同相位波面密集区域，不偏向，不收缩。Ⅲ图解例①无偏向无聚②有偏向无聚

焦发射：各阵元发射信号相位有线性变化，相邻相差τ，叠加声波最强区域——同相位波面密集区域，有θ角偏向，不聚焦。②有偏向无聚

焦发射：各阵元发射信号相位有线③有偏向无聚

焦接收：

各阵元接收信号相位经线性变化，送叠加电路，电路对θ角方向平面回波有最强输出——同相位叠加。接收灵敏区域有θ角偏向，不聚焦。③有偏向无聚

焦接收：各阵元接收信号相位经线性变化，第二节医学超声成像的基本原理

超声成像方法有多种，反射、透射、多普勒法等。目前多用反射法，即脉冲回波法。一、脉冲回波法原理1.定义发射——超声脉冲波，接收——目标反射回波，确定——目标的方位、距离和性质。2.人体组织的适用性①人体组织、脏器Z不同，界面会反射声波。②人体软组织Z接近，界面透射大，可穿透较深组织；而较弱的反射波,对检测已足够。③人体软组织c接近，可由时间算得界面深度。第二节医学超声成像的基本原理超声成像方法3．脉冲回波法A型显示

（a）超声脉冲发射，显示发射波形；（b）超声匀速传播，显示水平扫线；（c）超声到达界面。（d）界面反射、透射；（e）脉冲回到探头，显示接收波形；（f）波形间隔距离，正比界面深度。3．脉冲回波法A型显示（a）超声脉冲发射，4.脉冲回波测距关系式有多重介质界面时,若声速接近，且≈c,则

S＝ct/2式中：S——界面深度t——界面回波时间即：可由界面回波时间，求得界面深度。人体软组织取c=1540m/s。5.各种利用形式换能器固定显示光点幅度调制换能器扫查显示光点亮度调制ABM4.脉冲回波测距关系式有多重介质界面时,若声速接近，且≈c一、分辨力

指成像系统分辨空间尺寸的能力，即能把两点区分开来的最短距离。

1.横向分辨力（也称侧向分辨力）（1）定义：垂直于声束轴方向的分辨力。（2）相关因素：超声波束直径，显示器光点尺寸。设有两个目标(如图):（a）波束直径很细，容易区分。（b）波束直径加大，刚好区分，此时目标间距离就是系统的分辨力。（c）波束直径更大，无法区分，系统只能把它们当作一个目标，只显示一点。一、分辨力指成像系统分辨空间尺寸的能力，即能2.纵向分辨力（又称轴向分辨力或距离分辨力）（1）定义：在声束轴方向上对相邻两回声点的分辨力。（2）相关因素：①超声频率。理论极限是声波的半波长。②主要取决于脉冲有效持续时间。脉冲越窄，越好。（3）脉冲有效持续时间相关因素：①发射电脉冲宽度②换能器阻尼③仪器的增益④发射超声强弱因通带有限,故脉冲前后沿不陡,⑤目标反射强弱信号大小不同,即脉冲宽度不同。⑥目标距离一般说来，纵向分辨力总是优于横向分辨力2.纵向分辨力（又称轴向分辨力或距离分辨力）（1）定义：在医学超声成像的基本原理课件二、作用距离（探测深度）1．定义超声诊断仪图像能显示的被测介质最大深度。2．相关因素（1）工作频率工作频率↓→作用距离↑，但受分辨力限制。∵I=I0e-2αX,α=βf,∴f↓→衰减趋缓。（2）接收灵敏度接收灵敏度↑→作用距离↑，但受噪声限制。（3）发射功率发射功率↑→作用距离↑，但受安全性限制。3．临床要求腹部：20cm，眼部：10cm二、作用距离（探测深度）1．定义三、工作频率(f)1．定义辐射出去的超声波中心频率。2．与其它参数的关系

横向、纵向分辨力↑f↑

探测深度↓例如：眼科：深度小，结构细，可用高f。如:f=10MHz。腹部：深度大，脏器大，可用低f。如：f=3.5MHz。许多超声仪配备多个不同频率的探头，可供选用。矛盾，酌情选取三、工作频率(f)1．定义矛盾，酌情选取四、帧频(F)1．定义：成像系统每秒钟成像的帧数。2．相关因素（直接成像法）①如图，P－探测深度，c－声速，

N－扫查线数,Fs－扫查帧频

直接成像时：F＝Fs∵一条扫线需时间（超声P内来回）：

Tl＝2P/c∴帧周期——N条扫线所需时间：

T＝NTl＝2NP/c∴F＝Fs＝1/T＝c/2NP或者：PNF＝c/2

可见：P、N、F三者之积是常数，若要提高一个，必须以减小其它两个为代价。cPN线阵Fs四、帧频(F)1．定义：成像系统每秒钟成像的帧数。cPN线阵②另一形式（只适用于线阵）：如图：L--线阵长度，A—扫查面积dL--扫查线密度∵A=PL,dL=N/L∴F·A·dL=F·P·L·N/L=FPN=c/2即：F，A，dL三者乘积是一常数。LcPN,dL

线阵FsA②另一形式（只适用于线阵）：如图：L--线阵长度，A—扫查3．帧频与像质的关系4.数值分析因人体软组织中声速c=1540m/s如果：P=10cm,F=30Hz,则N=c/2FP=256.6线或者：N=500线,P=20cm,则F=c/2NP=7.7Hz可见：难于同时取得满意的数值。F(Hz)＜1010—24>24动感静态准实时实时亮度闪烁闪烁不闪烁3．帧频与像质的关系4.数值分析F(Hz)＜1010—

扫描线数越多，图像连续性越好，更为清晰；帧频越高，图像越稳定。

对于较高横向分辨力的超声成像系统，应该有较高线密度来显示它的图像，而较低的线密度只能满足低横向分辨力的需要。扫描线数越多，图像连续性越好，更为清晰；帧频五、脉冲重复频率（Fc）1．定义每秒钟重复发射超声脉冲的次数。2.与其它参数的关系①最大探测距离Dmax，和探测深度PDmax＜cT/2＝c/2Fc

式中：T=1/Fc——脉冲发射周期，即两次发射间的时间间隔而：P＜Dmax故：Fc↓→Dmax↑→P↑②帧频F，或线密度dLFc=FN，Fc↓

→F↓,或dL↓通常取：Fc＝2～4KHz。矛盾，

酌情选取五、脉冲重复频率（Fc）1．定义矛盾，酌情选取医学超声成像的基本原理课件

最大探测距离Dmax并不等于仪器的作用距离P，作用距离受发射功率、接收机灵敏度等因素的影响，而最大探测距离只是设计中允许设定探测距离的最大值。脉冲重复频率不可取得太高，否则将限制仪器的最大探测距离，但也不可取太低，否则将影响图像的帧频或线密度。通常取Fc＝2～4KHz。最大探测距离Dmax并不等于仪器的第四节超声诊断仪的显示型式

一、A式显示1.定义A式显示即：Amplitudemodulationdisplay

——幅度调制显示幅度调制：显示波幅度∝界面回波强度。第四节超声诊断仪的显示型式一、A式显示2.CRT信号及显示屏各轴的意义3.适用部位肝、胆、脾、眼、肾、子宫、脑中隔等。A式显示水平（X）垂直（Y）亮度（Z）CRT各控制轴信号深度扫描信号回波脉冲信号正程增辉信号显示屏各轴意义探测深度回波脉冲幅度无XYZ显示屏各轴标称ZXYCRT各控制轴标称2.CRT信号及显示屏各轴的意义3.适用部位A式显示水平医学超声成像的基本原理课件双相A型诊断法示意图

双相A型诊断法示意图二、M式显示1.定义M式显示即：Time-Motion或Motionmodedisplay

——运动时间（模式）显示。即：运动界面的深度位置，按时间顺序显示。←→小球上下浮动．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．←液面←杯底．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．←小球t1t2t3…二、M式显示1.定义←→小球．．．．．．2.CRT信号及显示屏各轴的意义3.适用部位心脏、胎心、动脉血管等运动脏器。可用于测量心脏瓣膜的运动速度、加速度等。由于主要探查心血管系统的心源性搏动，故也称超声心动图。M式显示水平（X）垂直（Y）亮度（Z）CRT各控制轴信号时间扫描信号深度扫描信号回波脉冲信号显示屏各轴意义探测时间探测深度回波脉冲幅度2.CRT信号及显示屏各轴的意义3.适用部位M式显示水平医学超声成像的基本原理课件三、B式显示1．定义B式显示即：Brightnessmodulationdisplay

——辉(亮)度调制显示。辉(亮)度调制：显示点辉(亮)度∝界面回波强度。2.

特点声束位置不断变化——扫查，显示光迹同步扫描，由辉(亮)度调制，得到回波强度断面象。三、B式显示1．定义3.CRT信号及显示屏各轴的意义4.适用部位眼球、甲状腺、纵隔、心脏、乳房、肝脏、胆囊、胰腺、脾脏、肾脏、旁胱、精囊、睾丸、前列腺、卵巢、子宫、胎儿B式显示水平（X）垂直（Y）亮度（Z）CRT各控制轴信号横向位置信号纵向位置信号回波脉冲信号显示屏各轴意义横向位置纵向位置回波脉冲幅度3.CRT信号及显示屏各轴的意义4.适用部位B式显示水平一、简单扫查与复合扫查1.简单扫查定义：声线在扫查区内不相交。（1）线扫声线：平移，排列均匀。优点：近、远区视野相同。缺点：要求入射范围大。适用：腹部探查。

（2）扇扫声线：摆动，呈扇形。优点：要求的入射窗小。缺点：浅部视野小。适用：通过肋间对心脏的探查。一、简单扫查与复合扫查1.简单扫查医学超声成像的基本原理课件（3）凸阵扫查声线：呈扇面形。优点：入射窗较小，而浅部视野尚可。适用：腹部，也可探查心脏。（4）弧形扫查声线：弧形移并摆动，与凸阵扫相反。优点：近场视野宽。缺点：要求的入射范围大。适用：乳腺、甲状腺的显像。（5）径向扫查

声线：呈360°放射状。适用：介入式探头。优点：经食道、直肠、阴道等探入人体，靠近检区，提高频率，提高像质。（3）凸阵扫查声线：呈扇面形。2.电子扫查（一）概述（