第2章-医用超声诊断仪器概论3

三维成像概念：

医用超声成像技术xyPixelzVoxelXyz1三维超声成像技术三维成像原理：

医用超声成像技术1三维超声成像技术采集方法：

机械扫描

徒手扫描（FreeHand）

二维超声相控阵列（即三维容积探头）

医用超声成像技术1三维超声成像技术机械扫描：

医用超声成像技术1三维超声成像技术徒手扫描：

医用超声成像技术电磁传感器光传感器声学传感器机械臂辅助式1三维超声成像技术

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徒手扫描三维成像原理：计算机需通过视频采集卡采集B超图像＋数据线（如RS232）采集位置信息。采集开始前，需做：（1）时间校准以找出图像数据流和位置数据流之间的时间差（2）时间校准以找出B超图像平面和位置传感器坐标系关系,并做坐标变换1三维超声成像技术

医用超声成像技术

二维超声相控阵列：二维相控阵列探头示意图基于二维相控阵列探头的三维成像示意图1三维超声成像技术

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三种扫查方式比较：三维扫查方式优点缺点机械位置信息精确预定义扫描区域和方式，快速重建机械装置大而重徒手式操作方便灵活位置传感器小而易于固定位置信息有误差重建耗费时间二维相控阵列探头实时三维成像是活动组织，例如心脏的理想成像方式重建区域受限于相对较小的区域信噪比和动态范围逊于一维探头1三维超声成像技术

医用超声成像技术动态三维成像：1三维超声成像技术

医用超声成像技术

三维超声的应用：

产科Obstetrics

妇科Gynecology

心血管科Cardiology

乳房检查Breastimaging

血流及血管Bloodflowandvesselanatomy

肌骨组织Musculoskeletaltissues

外科手术导航Surgicalapplication

泌尿科Urology

皮肤科Dermatology,etc.1三维超声成像技术

医用超声成像技术1三维超声成像技术STATUSPOSTMITRALVALVEREPAIRLAviewLVview3D-Color

Doppler通过快速刷新连续的三维图像获得，是最近发展的新技术：

医用超声成像技术2四维超声成像技术辉度调制的黑白Ｂ超在显示器上是以亮度差异来反映影像结构的，即灰阶。由于回声幅度与反射界面两侧结构的声阻抗差异有关，它传递组织结构的重要信息。通常振幅信息的动态范围达60dB以上，一般的显示器仅有20dB的亮度动态范围。为了不使有用的信息丢失，要采用压缩技术（如对数放大器）将60dB的信号压缩为20dB，以匹配显示器的动态范围。这种经过幅度压缩处理的回声图，称为灰阶（灰度）显示回声图。它包含了各种幅度的信号，使影像层次丰富。

医用超声成像技术3彩阶超声图像处理技术灰阶显示方式也有如下缺点：①人眼对灰阶的识别能力一般只有10级左右，灵敏度不够高②灰阶不容易表示２个或３个以上的参数，例如，人要识别同一点的2个不同的频率回波强度的差别或者用声衰减和声速2个不同的参数来描述同一点时，灰阶就很难表达这种区别。彩阶（colorscale）超声影像处理弥补了灰阶显示上述缺点。

医用超声成像技术3彩阶超声图像处理技术眼睛能区分比黑白灰阶更多的显示电平，从原理上允许使用更灵敏的定量显示。彩色本身的多维性允许它同时表达多达３个以上参数的显示电平值，彩阶显示有以下3个优点：①增加对比灵敏度；②提供定量显示；③提供多参数显示。彩阶超声影像又称为彩阶图，它可使人体细微组织结构及多普勒的清晰度达到最佳显示，并可在更大的动态范围内提高肉眼对黑白微弱信号的分辨力。其技术核心是采用彩色编码的方法，将回声幅度划分为许多彩色区域，把某一幅度范围定义某种颜色。这样，可以大大增加显示信号的动态范围，具有较高的定性分辨力，尤其对肝脏肿物的区分更为明显。

医用超声成像技术3彩阶超声图像处理技术B超微处理彩色显示仪由主机和显示器两部分组成，主机通过软硬件技术对原Ｂ超诊断仪的信号进行微处理，使之呈现出不同的颜色组合，根据诊断的组织结构和不同病变的需要，要选择不同的色彩，时钟电路和单片机一起构成了整机的控制中心。

医用超声成像技术3彩阶超声图像处理技术彩阶超声图像应用：

医用超声成像技术3彩阶超声图像处理技术随着电子产品的数字化进程的加快，全数字化超声成了近年来超声诊断仪的发展方向。目前已研制出全数字计算机信号处理的超声诊断系统，采用软件控制，可随时加入新的软件程序以更新整机功能。

超声诊断仪器全数字化、软件化、信息化：（1）全数字波束形成技术（2）软件超声技术（3）超声图象工作站、远程诊断

医用超声成像技术4全数字化超声波诊断技术在全数字化超声系统中，每个换能器阵元所对应的接收通道都采用一个高速A/D转换器，直接对接收的射频回波信号进行采样和量化，并采用计算机控制的高性能的数字式超声波束形成及控制系统。这种系统与工作在射频下的高采样率A/D变换器及高速数字信号处理技术结合起来，形成全数字式超声诊断仪的核心。其通道部分框图如下图：

医用超声成像技术4全数字化超声波诊断技术全数字超声仪与常规模拟超声仪有两大重要区别：第一，在常规模拟超声仪中，延迟线采用多抽头的Ｌ-Ｃ模拟延迟线，靠电子开关控制，所以电路庞大，造价高，还会引起插入损耗、阻抗失配及开关瞬态造成的假象，且硬件系统不易调整延迟时间；全数字超声仪采用全数字延迟线，延迟时间可用软件编程，在换用不同探头时，能自动配合或手动调整延迟时间至最佳。

医用超声成像技术4全数字化超声波诊断技术第二，常规模拟超声仪在检波后进行采样，采样率低。在数字化超声仪中，为提高影像质量、降低模拟失真而直接对射频进行采样，采样率最少应为信号最高频率成分的2倍，使A/D变换器成本高且数据量庞大，给实时处理带来困难。如何降低数字式超声系统采样率成为一项重要的技术问题，数字化超声仪每个阵元要有单独的A/D转换和延迟与插补，线路复杂，硬件电路的简化方案也成为数字化超声需要解决的另一难题。超声诊断设备的全面数字化已经成为重要的发展方向，随着数字信号处理芯片的日新月异发展，数字化技术正使超声诊断设备迈向更新的水平。

医用超声成像技术4全数字化超声波诊断技术

医用超声成像技术4全数字化超声波诊断技术

医用超声成像技术4全数字化超声波诊断技术DICOM超声设备ASG-340图像采集工作站非DICOM超声设备教学培训中心NetworkingASG-340存储服务器超声诊断报告输出中心主任工作终端磁盘阵列ASG-340UN数字超声影像网络CD光盘库DVD光盘库ASG-340远程会诊工作站在20世纪70年代初，用于头部和全身的X线扫描断层成像（X-CT）机相继问世，医学诊断史开创了具有划时代意义的新篇章。用于CT成像的传递媒介并不限于X线，自从X-CT在医学诊断上取得巨大突破后，科学家们就对其他传递媒介的CT技术进行了广泛而卓有成效的探索。如：（1）微波CT（microwave-CT）（2）核磁共振CT（MRI-CT）（3）超声CT（US-CT）

医用超声成像技术5超声CT超声波在人体内传播时，体内的不同组织结构的不同声学特性会引起声速的变化和声强度的衰减差异。设法获得这些声速变化或者声衰减的数据并以此为参量，用计算机再建出超声透射影像，这种成像技术即为超声计算机断层成像（US-CT）。

医用超声成像技术5超声CT为了获得各种参量的数据，用超声波照射探测目标，如图：1对共轴发射换能器和接收换能器同步地沿着1条直线扫描，取得切面内的投影数据，然后这对发射接收换能器组在同一平面中旋转1个角度，再次作直线扫描，取得这个视角的投影数据，如此继续下去，取得足够多的数据后，再把这些信息组合起来，象X-CT那样，使用代数重建法或反投影技术来重建影像。

医用超声成像技术5超声CT计算机断层成像理论和技术是建立在射线在被扫描物体中沿原来的射线方向传输的前提上，对X线或γ射线是没问题的，而当超声穿出组织时引起的折射和衍射会使超声波束偏离原来的指向，因此得到的衰减剖面影像可能不是沿着原来声速方向上的组织成分的真实数据显示，从而造成一定程度上的误差。这方面的改善有待于今后对非几何光学的影像重建理论研究，以及更佳工作参量的选取等方面的不断探索。这是US-CT早在1974年问世并用于临床诊断但迄今未能广泛普及的主要原因。

医用超声成像技术5超声CT超声CT无论是从今后的发展前景而言，还是从目前对临床应用的价值而言，仍然是具备许多优点的，现归纳如下：①选用区别于B型超声诊断仪的新的成像工作参量（声速、声衰减等）,可获得有关人体组织结构与状态的其他信息；②给出人体断面上声速或声衰减的定量空间分布，为定量诊断的可能性开拓了新的途径；③与X-CT相比，造价成本低，更重要的是在辐射安全性上占有绝对优势；④可用于测量人体内与声波有关的其他物理量，如在加热治疗法中，它已成功地用于体内无损测温等。

医用超声成像技术5超声CT20世纪50年代，超声显微镜（ultrasonicmicroscope）的名称和原理即被提出，至70年代中期有2种形式的超声显微镜被研制出来：（1）机械扫描式超声显微镜（SAM）（2）激光扫描式超声显微镜（SLAM）。这是继光学显微镜（LM）和电子显微镜（EM）之后的又一类生物医学细微结构分析研究的有力工具。

医用超声成像技术6超声显微镜在光学显微镜中，用以探测和揭示物质结构信息的载体是光波，而在超声显微镜中，探测信息的载体则代之以声波。由于波的衍射作用，显微镜的分辨力大小主要决定于探测波的波长，波长越短，分辨力越高。当声波的频率相当高时，声波波长可小到与光波波长相比拟，甚至比可见光的波长短。超声显微镜的分辨力不仅可以与光学显微镜的分辨力相媲美，而且还有可能大大超过它。

医用超声成像技术6超声显微镜超声显微镜是以水作为显微镜的声耦合媒质的，当声波的频率提高到3×109Hz时，由于水中的声速不变，为1500m/s，所以此刻其中对应的声波波长λ＝c/f＝0.5μm。比绿色的可见光波长0.55μm还要短一些。按照分辨率d≈1/2λ＝0.25μm，则超声显微镜f＝3GHz(3×109Hz)时，分辨力能和光镜相匹敌。在通过采取提高声波频率、降低工作温度及增大声波功率等措施的基础上，还可进一步地提高超声显微镜的分辨本领。在以液氦作为声耦合介质的0.1K的超低温之下，其分辨力已有达到0.09μm的记录。

医用超声成像技术6超声显微镜机械扫描式超声显微镜（SAM）根据工作方式不同又有透射式和反射式之分。

医用超声成像技术6超声显微镜激光扫描超声显微镜（SLAM）的情况类似液面声全息。采用平面波，但不需要参考声波干涉。当声波透过样品在液面形成代表样品结构信息的波纹时，由激光扫描读出这些信息，经电脑处理后显示。

医用超声成像技术6超声显微镜谐波是一个数学或物理学概念，根据傅立叶级数原理，周期函数都可以展开为常数与一组具有共同周期的正弦函数和余弦函数之和。展开式中，常数表达的部分称为直流分量，最小正周期等于原函数的周期的部分称为基波或一次谐波，最小正周期的若干倍等于原函数的周期的部分称为高次谐波。因此高次谐波的频率必然也等于基波的频率的若干倍，基波频率3倍的波称为三次谐波，基波频率5倍的波称为五次谐波，以此类推。

医用超声成像技术7宽频带成像技术由于声波在人体组织内传播过程产生的非线性以及组织界面入射/反射关系的非线性，使当发射的声波频率为f0时，回波频率除有f0（亦称基波）外，还有2f0，3f0……等成分（称为谐波），其中二次谐波（2f0）的能量最大。

医用超声成像技术7宽频带成像技术利用回声（反射或散射）中的二次谐波携带的人体信息形成的声像图称为超声谐波成像。（1）不使用超声造影剂的谐波成像称为自然谐波成像或组织谐波成像。（2）使用超声造影剂的谐波成像称为造影谐波成像。

医用超声成像技术7宽频带成像技术组织谐波成像，特别适用于显像困难的患者。

医用超声成像技术7宽频带成像技术在心脏病研究中，对扫描困难的病人使用组织谐波成像。左边是没有使用THI的图像，右边是使用THI的图像。组织谐波成像，特别适用于显像困难的患者。

医用超声成像技术7宽频带成像技术

医用超声成像技术7宽频带成像技术图左基波成像显示房间隔结构回声失落，极似房间隔缺损改变。图右为组织谐波成像显示，房间隔回声明显增强，结构完整。RA：右房，LA：左房，RV：右室，LV：左室组织谐波成像应用实例——正常房间隔。

医用超声成像技术7宽频带成像技术图左为常规基波成像，二尖瓣赘生物显示不清楚(箭头)。图右为组织谐波成像，二尖瓣后叶左房面赘生物的附着部位、大小显示十分清晰(箭头)。RV：右室，AO：主动脉，LV：左室，LA：左房组织谐波成像应用实例——感染性心内膜炎。

医用超声成像技术7宽频带成像技术左图基波成像显示左室腔为暗区。右图为组织谐波成像，心肌与心内膜的显示更为清楚，左室腔内见大量细小回声，随心脏收缩与舒张呈漩涡状运动。LA：左房，RV：右室，LV：左室组织谐波成像应用实例——扩张型心肌病。

医用超声成像技术7宽频带成像技术图左基波成像示心包腔积液(PE)和胸腔积液(箭头)为液性暗区。图右为组织谐波成像显示，液性暗区内出现大量细小回声。组织谐波成像应用实例——心包腔与胸腔积液。

医用超声成像技术7宽频带成像技术超声造影又称声学造影，是利用造影剂使后散射回声增强，明显提高超声诊断的分辨力、敏感性和特异性的技术。随着仪器性能的改进和新型声学造影剂的出现超声造影已能有效增强心肌、肝、肾、脑等实质性器官的二维超声影像和血流多普勒信号，反映和观察正常组织和病变组织的血流灌注情况，已成为超声诊断的一个十分重要和很有前途的发展方向，被看作是继二维超声、多普勒和彩色血流成像之后的第三次革命。

医用超声成像技术7宽频带成像技术原理：血细胞散射回声强度比软组织低1000－10000倍，在二维图表现为“无回声”，对心腔内内膜或大血管的边界通常容易识别。但由于混响存在和分辨力限制，心内膜显示模糊，无法显示小血管。超声造影是通过造影剂来增强血液背向散射，使血流清楚显示，从而达到对某些疾病进行鉴别诊断目的的一种新技术。由于在血液中的造影剂回声比心壁更均匀，且造影剂是随血液流动的，不易产生伪像。

医用超声成像技术7宽频带成像技术超声造影剂是在超声成像中用来增强图像对比度的物质。多为微米量级直径的包膜微气泡，通过静脉注射进入血液循环系统，增强超声波的反射强度，以达到超声造影成像的目的。造影剂的分代是依据微泡内包裹气体的种类来划分的。第一代造影剂微泡内含空气，第二代造影剂微泡内含惰性气体

血细胞微泡在血液中的显微成像图，微泡比红血球略小。

医用超声成像技术7宽频带成像技术超声造影应用实例——脾外伤破裂并血肿，造影后见血肿直达脾包膜下。

医用超声成像技术7宽频带成像技术超声造影应用实例——肝细胞癌，造影后见肿瘤中央坏死区形成。

超声弹性成像是一种新型超声诊断技术。形成背景为：（1）触诊是临床诊断常用手段。乳房检查、肝、前列腺、大动脉等；（2）当软组织发生病变时，组织的弹性特征会随之改变。（3）组织的力学特性改变意味着组织的状态变化，如肌肉的松弛和紧张状态。（3）弹性和粘性是生物组织定征的重要参数。

医用超声成像技术8超声弹性成像

超声弹性成像（亦称实时应变成像）比较加压（用超声探头紧压病变）前后乳腺病变弹性信息的超声图像。施加一个外力后，比较柔软的正常组织变形超过坚硬的肿瘤组织。加压前后病变有无改变说明病变的僵硬度，后者是鉴别病变性质的重要参数。

超声弹性成像利用肿瘤或其他病变区域与周围正常组织弹性系数的不同，产生应变大小的不同，以彩色编码显示，来判别病变组织的弹性大小，从而推断某些病变的可能性。

医用超声成像技术8超声弹性成像

医用超声成像技术8超声弹性成像施压前RF信号施压后RF信号互相关追踪估计时间延迟估计组织内部不同位置的位移，计算出组织内部的应变分布情况

医用超声成像技术8超声弹性成像乳腺癌——肿瘤区域组织的剪切模量高达超过80kPa，远远高于周围组织瞬时弹性成像系统的应用

医用超声成像技术8超声弹性成像

超声振动声成像(vibro-acoustography)是一种新的弹性成像技术，利用两个频率差很小共聚焦超声波使组织振动，产生动态辐射力，水听器检测组织振动产生的声场分布，得到跟组织的剪切模量高度相关的组织的弹性分布。

医用超声成像技术8超声弹性成像

人体颈动脉振动声成像，成像结果跟X射线成像高度相似。钙化斑块

医用超声成像技术9超声诊断与介入治疗一体化技术（1）培育试管婴儿（2）介入治疗

前列腺诊断与介入治疗

射频消融

肾囊肿的诊断与穿刺治疗

肝脏的穿刺与活检

内窥成像（3）神经外科

医用超声成像技术9超声诊断与介入治疗一体化技术（1）培育试管婴儿应用：超声导引抽汲卵子培育试管婴儿

医用超声成像技术9超声诊断与介入治疗一体化技术（2）介入应用：超声引导前列腺种子植入治疗前列腺癌

医用超声成像技术9超声诊断与介入治疗一体化技术（3）神经外科应用：经颅窗检查及颅内穿刺

医用超声成像技术9超声诊断与介入治疗一体化技术

多达30余种的探头支持各种专科功能：

医用超声成像技术9超声诊断与介入治疗一体化技术

介入超声探头的种类及应用：腹部穿刺超声探头泌尿超声探头腹腔镜超声探头手术中超声探头腔内超声探头：经直肠、阴道、尿道导管超声探头乳腺、甲状腺超声探头