4第4章 医学超声成像技术

第四章医学超声成像技术

高等学校计算机基础教育课程“十二五”规划教材2011.3《医学成像及处理技术》本章目录4.1医学超声成像技术概述4.2医学超声成像技术4.3医学超声成像设备本章小结思考与练习4教学目标

通过本章的学习，掌握超声波的物理特性和超声波的成像原理，了解A型（amplitudemode）超声波诊断仪、M型(motionmode)超声波诊断仪、B型(brightnessmode)超声波诊断仪和彩色多普勒(colordoppler)超声波诊断仪的工作原理。教学重点和难点

超声波的物理特性超声波的成像原理A型与M型超声诊断仪工作原理B型与D型超声诊断仪工作原理4.1医学超声成像技术概述超声波是机械波，由物体作机械振动产生，频率在20Hz～20000Hz之间。具有波长、频率和传播速度等物理量。用于医学上的超声频率为2.5MHz～10MHz，常用的是2.5MHz～5MHz。4.1.1声波的特性超声在介质中传播的速度因介质不同而异，在固体中最快，液体中次之，气体中最慢。在人体软组织中约为1500m·s－1。介质有一定的声阻抗，声阻抗等于该介质密度与超声速度的乘积。1.声波的分类(1)按质点振动方向和波传播方向的关系分类。（2）按波阵面的形状分类。（3）按发射超声的类型分类。2.声波的速度

声波在介质中单位时间内传播的距离，称为声速（soundvelocity）。用符号c表示，单位为m／s。声波的传播过程实质上是能量的传递过程，它不仅需要一定时间，而且其传递速度的快慢还与介质的密度、弹性以及波动的类型有关。对于纵向传播的平面波，根据声学理论有声速为

(4-1)式4-1中，为介质密度，为介质的体积弹性模量。2.声波的速度表4-1超声波在人体组织器官与有关的介质中的速度介质传播速度(m/s)介质传播速度(m/s)空气(0℃)332角膜1550空气(15℃)341海水(30℃)1545石蜡油(33.5℃)1420肾脏1560脂肪1476肌肉(平均值)1568玻璃体1532血液1570房水1532肝脏1570生理盐水1534巩膜1604人体软组织(平均值)1540水晶体1641脑组织1540头颅骨33603.

声压与声强（1）声压。对于一无吸收介质的平面波，有波动时压强的最大值与没有波动作用时各点压强的差值称为压强振幅()，由式4-2确定：（4-2）式4-2表明，声压振幅与介质密度、质点的振动速度（简称振速）的最大值及波速c成正比。3.

声压与声强（2）声强。声强（soundintensity）是表示声波的客观强弱的物理量，它用每秒钟通过垂直于声波传播方向的1平方厘米面积的能量来度量，它的单位是焦耳／(秒·平方厘米)［J/(s·cm2)］。声强与声源的振幅有关（声强与振幅的平方成正比），振幅越大，声强也越大；振幅越小，声强也越小。当声源发出的声波向各个方向传播时，其声强将随着距离的增大而逐渐减弱。这是由于声源在单位时间内发出的能量是一定的，离开声源的距离越远，能量的分布面也越大，因此通过单位面积的能量就越小。

4．声阻抗声阻抗（acousticimpedance）是描述弹性介质传播声波的一个重要物理量。将介质中某点的声压幅值与质点振动的速度幅值之比，称为声阻抗。它用表示：

（4-3）4．声阻抗表4-2人体组织及相关物质的声阻抗介质密度(g／cm3)声阻抗(×106N·s／m3)

空气(0℃)0.001290.000428水(37℃)0.99341.513生理盐水(37℃)1.0021.537石蜡油(33.5℃)0.8351.186血液1.0551.656脑脊水1.0001.522羊水1.0131.493肝脏1.0501.648肌肉(平均值)1.0741.684软组织(平均值)1.0161.524脂肪0.9551.410颅骨1.6585.570水晶体1.1361.8745．超声波的产生如图4-2所示，它由高频脉冲发生器和压电晶体两部分组成。如果在压电晶体（如石英、酒石酸钾钠等）两端有拉力作用，晶体两端能分别出现正、负电荷，产生出电压来，这种现象称为压电效应(piezoelectriceffect)。反过来，压电晶体在电场的作用下，能按电场变化的规律伸长或缩短，这种现象称为电致伸缩效应，也称为逆压电效应。5．超声波的产生高频脉冲发生器功率放大器压电晶体图4-2超声波的产生5．超声波的产生利用逆压电效应，将高频脉冲发生器产生的周期性变化的电场加到压电晶体的两端，在电场作用下，压电晶体就能在介质中产生超声波。利用压电效应可以接收超声波，当超声波作用于晶体上时，周期性地在晶体上施加变化的作用力，压电晶体产生与之同频率的电压，电压的大小与超声波的声压大小成正比，利用示波器就可以把晶体上产生的电压测量并显示出来，超声波的接收，如图4-3所示。5．超声波的产生信号放大器压电晶体示波器或显示器图4-3超声波的接收6．超声波的特性（1）超声的指向性。（2）超声的多普勒效应。（3）超声的生物效应。4.1.2声波的衰减声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，其声强逐渐减弱，这种现象称为声波的衰减（attenuationofsoundwave）。声波在传播过程中的衰减现象就像物体在运动中的摩擦损耗一样，总是存在，导致声波衰减的主要原因有以下几种。1.扩散衰减

扩散衰减是声波在空间传输中由能量分布的改变造成的衰减，如反射、折射、波阵面表面的扩大造成单位截面积通过的声能减少。设距离点声源半径为的球面上的声强为，当传到处其强度为，如果不考虑介质的吸收，单位时间内通过的波阵面的能量是相等的。即；又知,因此：

(4-5)式4-5称为平方反比定律（inversesquarelaw）。由此可见超声波的扩散衰减与波阵面的形状有关，而与传播的戒指特性无关。2.散射衰减散射过程可以看成是声波与众多的散射中心的多次相互作用的过程，作用的结果是部分声能转化为热能而散失掉。实际的介质并不是绝对均匀的，介质中可能有外来的杂质，如空气中含有灰尘微粒，液体中有悬浮粒子，这些都成为散射中心，即使单纯的介质，热起伏也导致局部密度变化。而生物组织更是一个不均匀介质，当声波传播遇到这些散射中心并发生相互作用时，就会出现声波被散射的现象，从而损耗声波的能量。3.吸收衰减吸收的机制主要有：①由于介质的粘滞性而产生的粘滞吸收。②以热相互作用为特征的热传导和热辐射吸收。③介质吸收声能使其分子势能增加，又经过一段时间后再以声波形式向外发射，这一过程称为驰豫吸收。④吸收与声波频率关系甚大，不同的介质对声波的吸收不同，这种不同在图像上有所表现。3.吸收衰减超声在介质中传播发生衰减，即振幅与强度减小。衰减与介质的衰减系数成正比，与距离平方成反比，还与介质的吸收及散射有关。超声强度的衰减规律，由式4-6表示

（4-6）式4-6中，为处入射波声强，为介质的衰减系数，为传播距离。3.吸收衰减表4-3人体主要组织成分对相应频率超声的衰减系数人体组织衰减系数(dB·cm-1·MHz-1)频率范围(MHz)眼球玻璃体液0.106～30血液0.1810脂肪0.630.8～7.0延髓(顺纤维)0.801.7～3.4脑组织0.850.9～3.4肝脏0.940.3～3.4肾脏1.000.3～4.5脊髓1.001.0肌肉(顺纤维)1.300.8～4.5颅骨20.001.6肺41.001.04.1.3超声场1.超声探头（1）探头原理。某些各向异性的材料，在外部拉力或压力的作用下引起材料内部原来重合的正负电荷重心发生相对位移，在相应表面上产生符号相反的表面电荷，即在机械力作用下产生了电场；又由于在电场的作用下，引起材料内部正负电荷重心发生相对位移，使材料内部产生应力导致宏观上的几何形变。这种机械能变成电能，电能转变成机械能的现象也可统称为压电效应（piezoelectriceffect）,尤其在临床上。发射头:电能转变成机械能的现象称为逆压电效应。接收头:机械能转变成电能的现象称为压电效应。（2）材料性能。压电陶瓷是一种多晶材料，如果温度发生变化，晶体内部结构也要发生变化。比如钙钛矿型，当温度低于某一临界值时是立方晶系，高于时则转变成另一种晶系，如四方晶系。这时电畴结构完全解体，压电效应也会自行消失，物理上称这一临界温度为材料的居里点。例如锆钛酸（PZT）大约在300～388℃，而钛酸钡仅为120℃左右。4.1.3超声场1.超声探头（3）探头结构。在超声诊断中，最简单的探头是圆片形换能器，在多元线阵电子扫描显像的超声诊断仪中，一般常用半圆片。尽管换能器形状不同，但都是片状压电材料，并且其厚度为所用超声波的半波长。目前医学诊断用的超声探头有单晶片、多晶片、旋转探头和多普勒探头。其中单晶片是最基本的，其他都是由多个单晶片组合而成。4.1.3超声场图

柱形单振元探头结构剖面4.1.3超声场2.超声场分布

探头晶片的薄厚决定着超声频率的高低，晶片愈薄，频率愈高。目前运用压电晶片频率大致在1～10MHz范围内，单晶片探头的直径在8～12mm范围内。亦有根据不同要求而制成的不同尺寸、不同形状的晶片，例如多晶片探头常采用多个面积很小的长方形平面晶片。探头是超声诊断仪中重要的部件，探测的灵敏度高低、分辨力优劣都与探头直接相关。4.2医学超声成像技术4.2.1超声成像的物理基础式中，为从发出超声到接受界面反射回波的一段时间，即渡越时间。依据不同界面的回波时间，可以求出各个界面与换能器之间的距离，这就是广泛用于脉冲回波测距的理论基础。4.2.2超声成像的信息处理1.回声强度超声经过不同正常器官或病变的内部，其内部回声（或称为回波）可以是无回声、低回声或不同程度的强回声。（1）无回声。是超声经过的区域没有反射，成为无回声的暗区(黑影)。（2）低回声。实质器官如肝，内部回声为分布均匀的点状回声，在发生急性炎症，出现渗出时，其声阻抗比正常组织小，透过声强增大，而出现低回声区(灰影)。（3）强回声。可以是较强回声、强回声和极强回声。4.2.2超声成像的信息处理由于在不同深度上的回波脉冲幅度因其声波所走路径（声程）不同，造成的吸收程度也不同，这使得回波脉冲幅度的差异很大，而回波幅度又决定了像点的亮度（灰度），同样声学性质的介质，在不同深度上，由于吸收衰减使回波亮度有很大差异，给成像造成困难，因此必须对不同深度上的回波进行增益补偿，使从深度部位界面反射的回波信号的放大倍数较大，而距离换能器较近的反射信号，也就是时间上较早达到的回波信号的放大倍数较小。由此进行的幅度补偿称为时间增益补偿（timegaincompensation,TGC）,也称为深度增益补偿（DGC）或灵敏度时间补偿(STC)。2.时间增益补偿4.2.3三维医学超声成像技术图三维医学彩色超声诊断仪实物图

图

三维医学彩色超声诊断仪显示图像1.三维超声工作站特点与功能（1）三维超声工作站软件特点。①三维超声采集难度低。软件具备较强的后期选择功能，简化了采集操作方法。②二维序列图像采集适用最新压缩格式，并且具备升级能力。可以保存海量病例而不必担心硬盘容量不够。③三维超声重建运算速度快，3秒钟即可生成三维影像。④三维超声重建采用无损重建法不损失任何数据。⑤三维超声影像显示速度快，512*512*512像素每秒钟显示30桢，三维影像显示时没有停顿感。⑥预定义了多套伪彩编码，可以精确自定义伪彩编码并可保存。⑦软件适用于所有的windows操作系统。⑧软件适用于所有的普通超声诊断仪。⑨软件适用多数符合微软标准的视频采集卡。1.三维超声工作站特点与功能（2）三维超声工作站软件主要功能有。①表面重建成像。对于不同灰阶进行分割，提取出感兴趣结构的表面轮廓，适用于膀胱、胆囊、子宫、胎儿等含液性的空腔和被液体环绕的结构，重建的三维B超图像清晰直观，立体感强。②透明成像。该技术采用透明算法实现三维超声重建，能淡化周围组织结构的灰阶信息，使之呈透明状态，着重显示感兴趣区域的结构，同时部分保留周围组织的灰阶信息，使重建结构具有透明感和立体感，从而显示实质性脏器内部感兴趣区域的空间位置。③多平面成像。该方法对三维B超容积数据进行不同方向的剪切，生成新的平面图，主要用来获得C平面（即与探头表面平行的平面，又称冠状面）的回声信息。本软件采用透明成像与多平面成像融合技术，使平面剪切易于操作。④彩色多普勒血流三维成像。利用彩色多普勒血流方向图后多普勒能量图的血流信息，对血流的方向、范围、进行三维成像，用于判断血管的走行、与周围组织的关系及感兴趣部位的血流灌注的评价。三维彩超重建是本软件的技术突破。

⑤兼容性强。软件支持Win98,Win2000,Winnt,WinXP所有Windows操作系统。支持所有普通超声工作站的所有功能。

2．三维超声工作站软件操作特性（1）数据采集。（2）数据选择。（3）三维重建。（4）三维显示。（5）三维影像操作。（6）三维伪彩。（7）最大值与最小值的算法选择。（8）三维图像的采集。（9）其他功能。4.2.4四维医学超声成像技术图

四维医学彩色超声诊断仪实物

图

四维医学彩色超声诊断仪显示图像1.四维彩超与普通彩超的区别4D医学彩色超声成像技术同其他超声诊断过程相比，主要是可以实时的观察人体内部器官的动态运动。2.四维彩超的主要临床应用（1）四维彩超诊断心脏疾病。（2）四维彩超诊断胎儿畸形。（3）四维彩超的其他方面应用。4.3医学超声成像设备

常用的医学成像设备有A型超声波诊断仪、M型超声波诊断仪、B型超声波诊断仪和彩色多普勒超声波诊断仪。4.3.1超声波诊断仪的类型表

临床上常用超声波诊断仪器的类型信号特点信息空间仪器类型仪器主要特点图像显示方式回波幅度一维A（amplitude）超声波束只按一个方向（深度方向）传播，用显示屏上波形的幅度来反映人体组织介面回波的幅度大小幅度调制M（motion）超声波束只按一个方向（深度方向）传播，用显示屏上随时间展开的深度变化曲线的亮度的明暗，来反映人体组织介面回波的幅度大小亮度调制二维B（brightness）超声波束按一个方向进行一维扫查（直线或弧线），并与超声波的传播方向组成二维切面，用光亮的明暗反映人体组织介面回波的幅度大小亮度调制C（constant）超声波束进行二维（平面）扫查，组成与超声波的传播方向垂直的平面，平面的深度位置固定（常量）亮度调制F（floating）超声波束进行二维（平面）扫查，组成与超声波的传播方向垂直的曲面，深度位置不固定（变量）亮度调制CC（counterfeitcolor）通过对显示图加上不同颜色，即利用彩阶（伪彩）来表示回波幅度大小彩色编码三维3D(three-dimensional)显示组织器官的立体结构或功能图像亮度调制或彩色编码4.3.1超声波诊断仪的类型表

临床上常用超声波诊断仪器的类型信号特点信息空间仪器类型仪器主要特点图像显示方式多普勒一维D（doppler）CW（continuouswave）发射连续波，不能检测深度、位置，但可测高速血流亮度调制PW(pulsedwave)发射脉冲波，能检测深度、位置，但可测的最高速血流受脉冲重复频率限制亮度调制二维CDFI（colordopplerflowimage，）滤去低速的人体组织活动信息，显示切面的血流二维信息彩色编码CDTI(colordopplertissueimage)滤去高速的人体血流运动信息，显示组织的运动信息彩色编码CDE(colordopplerenergy)利用多普勒信号幅度，显示低速的人体血流，但无方向性彩色编码DPA(dopplerpotencyaspect)显示低速的人体血流及其方向彩色编码三维3D-D(three-dimensionaldoppler)立体透视图像或立体图像亮度调制或彩色编码谐波一维CHI（colorharmonicimage）显示二次谐波所传递的信息亮度调制THI（tissueharmonicimage）显示高频和二次谐波所传递的人体组织信息亮度调制4.3.1超声波诊断仪的类型1.回波幅度型回波幅度型超声诊断仪是利用回波幅度的大小变化，来获取人体组织信息的方法。这类超声诊断仪主要是提供人体组织器官解剖结构和形态等方面的信息。根据超声波的空间分布方式的不同，可分为一维、二维和三维。空间一维的有A（amplitude）型和M（motion）型；空间二维的有B（brightness）型、C（complanate）型和F（floating）型；空间三维型，即3D(three-dimensiona)型，3D型的又可分为重建三维和实时三维。4.3.1超声波诊断仪的类型2.多普勒型多普勒型超声诊断仪是通过回波频率的大小变化，来获取人体组织器官的运动和结构信息的方法。同样，可以根据超声波的空间分布方式的不同，可分为一维、二维和三维。一维是多普勒频普（doppler，D）型，又可分为连续多普勒（continuouswave，CW）型和脉冲多普勒（pulsedwave，PW）型。二维是彩色血流（，CFM），又可分为彩色多普勒血流图（colordopplerflowimage，CDFI）型、彩色多普勒组织图（colordopplertissueimage，CDTI）型、彩色多普勒能量型（colordopplerenergy，CDE）和方向能量（dopplerpotencyaspect，DPA）；三维显示的有血管透视图和重建图。4.3.2A型与M型超声诊断仪1.A型超声诊断仪涂油探头人体组织图A型超声诊断原理图4.3.2A型与M型超声诊断仪X2X1Y2示波管探头人体高频发射电路同步信号发生器水平深度扫描电路反射波接收电路Y1图A型超声诊断仪结构框图4.3.2A型与M型超声诊断仪2.M型超声诊断仪图M型超声诊断原理图4.3.2A型与M型超声诊断仪栅极Y2X1X2示波管探头不动人体高频发射电路同步信号发生器垂直深度扫描电路反射波接收电路慢