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超声成像原理与临床应用

超声成像原理与临床应用. 浙江大学医学院附属第一医院 郑哲岚 教学专用，禁止上网传播，版权所有. 超声医学(Ultrasonic medicine). 超声医学是声学、医学和电子工程技术相结合的一门学科，是研究超声对人体的作用和反作用规律并加以利用，达到诊断、保健和治疗等目的的学科。包括超声诊断学、超声治疗学和生物医学超声工程。 超声诊断学(Ultrasound diagnostics) 研究和应用超声的物理物性，以某种方式扫查人体、诊断疾病的科学称为超声诊断学 超声显像法：Ultrasonograph, Ultrasonogram

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超声成像原理与临床应用

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  1. 超声成像原理与临床应用 浙江大学医学院附属第一医院 郑哲岚 教学专用，禁止上网传播，版权所有

  2. 超声医学(Ultrasonic medicine) 超声医学是声学、医学和电子工程技术相结合的一门学科，是研究超声对人体的作用和反作用规律并加以利用，达到诊断、保健和治疗等目的的学科。包括超声诊断学、超声治疗学和生物医学超声工程。 • 超声诊断学(Ultrasound diagnostics) 研究和应用超声的物理物性，以某种方式扫查人体、诊断疾病的科学称为超声诊断学 超声显像法：Ultrasonograph, Ultrasonogram 声像图：Sonograph, Sonogram 超声心动图：Echocardiography

  3. 超声波(Ultrasound) • 人耳听觉范围的声波频率是16 ～ 20000Hz，超过20000Hz的声振动即为超声波，目前用于诊断的频率一般为2～10兆赫(MHz) ，目前有些血管腔内探头的频率甚至可高达20MHz或更高。 超声诊断使用的频率范围：2－20MHz(兆赫) • 1MHz=1x106 Hz

  4. 超声的发生和接收 • 逆压电效应(发生) • 在交变电场的作用导致压电晶体厚度的交替改变从而产生声振动，即由电能转变为声能。 • 正压电效应(接收) • 由声波的压力变化使压电晶体两端的电极随声波的压缩(正压)与弛张(负压)发生负电位交替变化。

  5. 超声波的发生借助于高频振荡脉冲加在压电晶体上利用逆压电效应使发生机械化的体积胀缩，推动周围介质使之振动，形成疏密波。超声波的发生借助于高频振荡脉冲加在压电晶体上利用逆压电效应使发生机械化的体积胀缩，推动周围介质使之振动，形成疏密波。 • 由于输入之电振荡频率在1~15MHZ之间， 故产生1～15MHZ之Ultrasound；当U在介质传递时，遇有声阻不同之介面即发生反射。这些反射回来的反射波是一种疏密相间的有规律的机械振动，当作用于压电晶体时，由于正压电效应，使晶体两侧产生异种电荷。 • 把这个高频变化的电位差经仪器接收线路放大后，显示在Monitor上，这就是我们今天所见的各种图像。 • 目前都是Digital Imaging.

  6. 超声的三个最基本的参数 • 超声的三个最基本的参数（频率f，波长λ,声速C） • ACOUSTIC WAVE EQUATION

  7. 振动质点在媒质（空气丶水丶固体）内传播产生周期性疏密波称声波,振动质点在媒质（空气丶水丶固体）内传播产生周期性疏密波称声波, • 波的传播方向与质点振动方向一致的,称为纵波 • 传播方向和振动方向相互垂直的称横波 • 声波是纵波,声振动传播有赖于媒质,真空中不能传播. • 而光波是电磁波丶可以在真空中传播 • 声振动的频率f（振动数/秒）是振动源的特性,声波在人体组织内传播速度C由传播媒质特性决定.周期性振动在媒体内空间距离上呈波浪形传播,相邻同状态间的最短距离称波长λ

  8. 超声波与人体组织的相互作用 • 选用超声作为医学诊断的信息载体,首先由于人体组织能作为超声波的传播媒质,其次因为声波和组织能相互作用,作用的后果引起声波特性的某些改变,其方式多种多样,例如频率的改变（Doppler效应）丶方向的改变（反射丶折射丶散射丶衍射）丶能量（强度）的改变（衰减）,这些变化都携带组织结构信息或功能信息,相互作用也能产生治疗效果,或引起损伤.不论诊断或治疗还必须考虑安全阈值和剂量问题

  9. 波长与分辨力的关系 • 被人体组织调制过的超声载体所携带的信息,以像素为单位组合成图像, 像素是图像最基本的单位.像素内部己不可能进一步分解. • 像素的直径成为图像显示细节的极限称为分辨率.任何一幅图像是由无数像素组成的,如把这个像素放大都是相似的明暗相间同心圆丶也叫衍射斑（或称弥散园）.衍射斑的直径不能无限小，有一定极限. • 即最小分辨距大约是超声波长的一半（λ/2） • 分辨距越小丶分辨率（力）越高,图像能显示的细节更小 • 为什么医用诊断仪的下限频率一般大于3M（兆/百万）,原因就在<3M的超声其分辨距已大于2mm,更低的频率波长将更长,分辨力太低,已没有诊断价值,

  10. 波长与穿透性的关系 • 超声图的分辨率和穿透性是一对矛盾,并非所有超声频段都适用于医学诊断,事实上医学超声诊断仪适用频段只限于3~15M之间.上节提到 <3M的超声分辨率>2mm更低的频率没有诊断价值,而大于10M（兆）的超声波因穿透深度只有数mm,对厚组织已失去作为载体的可能.早期超声诊断仪为了兼顾图像分辨力和穿透性,需要配用多种频率的探头。新颖超声诊断仪用变频或宽频探头。

  11. 描述超声图像特征的四个参数 • 灰度 医学影像学的图象基本上是有明暗细节的灰阶图像.明暗表示超声反射能量的强弱,用灰阶定标,从最亮到最暗对可分辨的灰度进行分级,可分辨的层次以2n表示,n称字长,以bit为单位.n值大丶层次丰富丶图像细腻.称动态范围寬 • 动态范围以最亮最暗灰度比的对数表示(单位为贝尔)该值乘20,称为分贝(dB),同样明暗范围的灰带如果上带可分110dB丶下带为150dB ,表示下带的动态范围较广,即灰度分辨率较高110dB=10的5.5次方和150dB=10的7.5次方丶两者相差100倍丶表示下带灰度显示分辨率提高了100倍, 150Db的图像灰度分辨率较高,层次亦较细腻.

  12. 亮度 亮度与灰度有关,但不是同一概念.亮度有绝对单位.以流明为单位,是关于显示屏的特性.超声显示器屏幕亮度可调.灰度是图像像素间的相对比较值,亮度绝对值调整后,灰阶相对关系保持不变。

  13. 对比度 是输入灰度信号与输出亮度之间的变换关系,以伽玛系数表示.γ=1是一条呈45度的直线,表示输入输出保持正比的线性变换关系,改变斜率或曲率,强化或弱化细节间黑白对比

  14. 分辨率 细节指可分辨像素的尺寸.细节越小图像清晰度好,称分辨率高. • 分辨率和灰度级是评估图像质量的两大主要指标.

  15. 超声物理四大基本定律 • 物理定律紧绕声波和组织相互作用有关的定律. • 作用过程涉及四大物理定律: • 吸收定律 • 反射定律 • 衍射定律 • 多普勒定律

  16. 吸收定律（与图像均匀度有关） • 吸收(衰减)定律(朗伯-比尔定律)

  17. 为了补偿声束穿透组织时的能量衰减，超声诊断仪中信号放大器的增益不是固定的,而是随入射深度而递升的.这技术称为STC（灵敏度时间补偿）,或TGC（时间增益补偿）为了补偿声束穿透组织时的能量衰减，超声诊断仪中信号放大器的增益不是固定的,而是随入射深度而递升的.这技术称为STC（灵敏度时间补偿）,或TGC（时间增益补偿）

  18. 反射定律（与图像细节灰度有关）

  19. 反射率并不是由声阻抗直接决定而是由反射面前后声阻抗之差决定反射率并不是由声阻抗直接决定而是由反射面前后声阻抗之差决定 B超图像本质上是细节反射率的分布像

  20. acoustic impedance • 界面（interface）为两种不同声阻抗介质的接触面。 • 声阻抗（acoustic impedance）为该介质的密度（ρ）和声速（C）的乘积Z = ρ C • Z1 = ρ1 C1 • Z2 = ρ2 C2 • 当Z1与Z2相差0.1%时即有回声反射

  21. 声阻抗（acoustic impedance） • 超声波的反射类型根据组织声阻抗的大小与组织结构内部均匀程度可分为： • a.无反射型：表现为无回声暗区，常见于血、尿、胆汁、腹水等。 • b.少反引型：表现为低回声区，常见间质实块，如心壁、问隔 ； • c.多反射型：显示高回声区，多为结构杂乱实块，如瓣膜等； • d.全反射型：空气，在肺、肠交界处界面前后声阻抗相差3000倍，反射系数达99.9％。

  22. 衍射定律(与细节的分辨力有关)

  23. 图像显示细节的极限丶称为分辨率.超声图的分辨率和穿透性又是一对矛盾,和超声波的频率有关.并非所有超声频段都能用于医学诊断,事实上医学超声诊断仪适用频段只限于3~15M之间. C=1540m/s,人体软组织的声速接近于水,传播距离1mm约需13.4μs.频率f振动体每秒振动次数.超声晶片的振动频率设计在2~10M范围内.

  24. Doppler定律（与超声测速） • Doppler定律 声波遇上运动物体时丶反射回来的声波频率会发生改变.若入射超声频率为f0 反射回来的频率为f, 则频率改变fd , fd 称为频移.Doppler定律就是根据频移fd测算运动物体的速度v的定律: • v和fd 成线性关系.符号表示声束传播方向和物体运动方向的相对关系.如物体运动方向迎对声束传播方向,符号取+,否则取- .

  25. Doppler 技术为运动物体无接触测速提供了科学基础.超声诊断仪引入了Doppler技术,开发了超声血流测速.超声诊断从结构分析领域跃进到功能判断领域,是一次革命性的跃变.

  26. Doppler Equation

  27. 三种Doppler测速技术 • Doppler测速有三种波型CW (连续波)/ PW (脉冲波)/ HPRF (脉冲高重复频率). • CW优点是灵敏度高,速度分辨率强,但缺少距离信息,缺点是不能严格测定某一点位置上运动物体的速度.CW一般用于测量高流速血流及用于胎儿监护或电子听诊器等。 • PW的优缺点相反，可以精确定位某点位置上的运动物体速度,但灵敏度和速度分辨率精度不如CW ,PW用于血管内血流速定点测量

  28. HFPW 是High Frequency Pulse Wave的缩略字.意思是高重复频率脉冲波.因为脉冲Doppler PW的回波信息有明确定位的优点,但又有重复脉冲频率(PRF)低测速上限受限制的弱点.HFPW就是为解决这个两难问题,提出的新技术

  29. 因为PW中釆用重复脉冲频率PRF受波速C和声束通过距离d限制.声束从发射到反射回耒总距离是2d,经过的时间t=2d/t.后继脉冲（PW）必须等待回波接收后才发射,所以PRF= 1/t. 被测对象d越大,PRF必定越低.

  30. Nyquist取样定律 • 但是Nyquist取样定律要求PRF必须>2fd,否则会导致信号混叠,测出的信号不准,如被测物体运动速度较高fd 值较大,则测速时PRF也要相应提高,釆用HPRF技术.能自动识别返回脉冲的序列,不需等待前一脉冲返回后再发新脉冲.一面发射丶一面接收,提高了采样频率,尽可能满足取样定律PRF>2fd 的要求。

  31. 彩色多普勒血流图CDFI • CDFI是重叠在B超图像上的血流状态图,以红绿色分别表示血流方向丶色调表示血流速度大小,混杂色表示湍流，只是定性地显示血流状态，如要定量显示某点的血流定量值、还需要同步显示频谱图.图上有Doppler声束径跡,取样位置以及cosθ调节标志.以便在血流方向与声速方向不一致时按下式进行Cosθ校正

  32. Doppler超声测速的深度极限Dmax与速度极限Vmax

  33. Doppler声谱图与频谱分析 • 声谱图也叫频谱图,Y轴是频移fd,显示该时刻多普勒回波中的频率成份.位置上下表示频移大小,相当于速度大小,X轴是时间t的展开.灰度深浅显示该谐波的相对强度.信号频率成份的分析通常有FFT法和自相关法 频谱分析是血流速分析的关键技术。 • Doppler血流速图实际是Doppler频移的时序图.因为频移fd 与物体运动速度v直接相关,可换算为流速时序图.回波信号中可能存在多个质点的运动速度,需要分开,就要利用频谱分析技术。

  34. 超声诊断的种类 • 1．A型诊断法 Amplitude Mode • 根据回声波幅的高低、多少反映界面二边介质的声阻抗差异大小。

  35. 2．B型诊断法 Brightness Mode • 将回波用辉度调制显示，为二维图像，根据光点亮暗分为 256 级灰阶，是使用最广泛最音遍的超声诊断法。 • 用于心脏检查的称为二维超声心动图 Two-dimensional Echocardiography或切面超声心动图 Cross Sectional Echocardiography

  36. 3.M型超声心动图 Motion Mode • 即超声心动图(Ultrasonic Cardiogram, UCG or Echocardiography) • 心脏回声光点沿时间展开的曲线图 （Time-Position Recording ）。

  37. 4．D型诊断法 Doppler • 即多普勒频移诊断法，可显示血流方向、速度等，可分为： • 脉冲波多普勒Pulsed Wave Doppler , PWD • 连续波多普勒 Continuous Wave Doppler , CWD • 彩色多普勒血流显像 Color Doppler Flow Imaging , CDFI • 将血流信号进行计算机伪彩色编码，对向探头的血流显示红色，背向探头的血流显示兰色，异常血流如心内分流、返流或狭窄血流显示五彩镶嵌的色彩 (Mosaic Pattern)。在诊断心血管病变中起到重大作用，被誉为无创性心血管造影。

  38. 1842年Christian Joham Doppler观察天体时发现 • （1） PWD：音频输出，视频输出。可以取样，不能定量 • （2） CWD：与上相反 • （3）Color Doppler：对分流、返流及狭窄血流等作出诊断。

  39. 其他 • 5.彩色多普勒能量图法CDE(Color Doppler energy) • 6.三维超声诊断法： 重建和实时三维，重建三维在二维的基础上利用计算机进行； • 7.超声显微镜诊断法：利用特高超声（ 100MHZ，450MHZ）显示组织器官的细微结构。 • 8.超声组织定征诊断法：研究人体组织对超声的声速衰减，散射及非线性声学特性 • 9.C型超声诊断法：探头的移动及其扫描呈“Z”字形，显示的声像图与声束方向垂直，相当于X线断层显像 • 10.PPI型(plan position indicator)或P型超声诊断法：以探头为中心作3600旋转扫查，适用于管道内探测 • 11.F型超声诊断法 • 12.超声造影

  40. 超声诊断新技术 • 超声诊断技术日新月异.进展极快,涉及声束形成丶扫描方式变革丶新型图像生成丶图像质量优化,帧频提速等许多领域.超声诊断的精确度可靠性大幅度改善 • 例如: • 动态滤波,数字扫描变换（DSC）,全数字超声成象,全程实时聚焦(数字延时技术),压缩声束旁瓣,三维(3D)图像重建,彩超血管能量图,谐波血管成象,帧频提高技术等

  41. 超声剂量与安全标准 • 人体紧要部位超声强度限定值《FDA规定》 • 超声生物效应与安全指标Ispta • 国际电工委员会（ICE1157-92）规定胎Ispta<100Mw/cm2

  42. Ispta的概念:脉冲能量集中在T2时间段内,脉冲周期时间为T1,脉冲能量被T1 平均称为Ispta， • 器官的Ispta依其重要性和敏感程度有不同要求。

  43. PACS系统与DICOM 3协议 • 数字化医院要求患者信息都能通过网络共享.目前医院里患者信息分散在放射科丶检验科丶病理科等不同部门.异质医学图像（X片丶CT丶MRI丶超声等）早先模拟信号要求不同的物理通道.数字化后原则上可以在同一网络中传输.但由于各系统都各有自身特点，编码方式各异,即使同类仪器各厂商的接口标准互不兼容,种类繁多的图像信息自成孤岛,难以共享,病人信息利用率不高,服务质量低下. 数字化医院是医院现代化必由之路。

  44. PACS (Picture Archiving and Communication Systems) • 全称为医学影像存档与通讯系统。是近年来随着数字成像技术、计算机技术和网络技术的进步而迅速发展起来的、旨在全面解决医学图像的获取、显示、存贮、传送和管理的综合系统。

  45. PACS（图像存挡和通信系统）系统是数字化医院的重要组成.PACS系统主要通过统一接口标准,制订规范协议,使所有同质或异质的图像信息都能在网上交流,不再需要胶片丶纸质打印报告等物流传递,直接通过医院局域网,或城域广域网传递.由医生工作站或病床前查询.减少医护人员和病人在各部门间的往返奔波,提高工作效力,目前国际上己制订出必需共同遵守的协议,即DICOM 3.今后在采购超声诊断仪时,用户应提出产品符合DICOM.3要求,供应商必需作出承诺。

  46. 超声诊断仪的基本构成 • 主机：包括基本电路、计算机信号处理器等 • 探头Probe（换能器Transducer)：核心器件是压电晶体，其作用是向人体发射和接收超声波。 • 显示器：显示各种类型的超声图像 • 探头的种类：依晶片排列方式的不同分为线阵、凸阵、扇扫、扇括及腔内探头等不同种类。腹部检查常用探 头频率为3.5MHz，表浅部位的检查常用高频探头7-10MHz。

  47. 超声检查前的准备 • 腹部：要求空腹8－12小时，胃镜检查应在超声检查之后进行，如先作胃镜检查应在2天后再进行超声检查。已做钡餐检查的患者，应使钡剂排空后再进行超声检查。 • 膀胱、前列腺、女生殖系：要求膀胱适度充盈。 • 经阴道超声检查要求事前排空膀胱。 • 新生儿颅脑检查：8－10月、前囟未闭合以前

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