超声诊断物理知识授课课件.pptx
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- 超声 诊断 物理 知识 授课 课件
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1、声波与超声波声波与超声波声波是机械振动在弹性介声波是机械振动在弹性介质内的传播,它是一种机质内的传播,它是一种机械波。械波。按其频率的高低分类:按其频率的高低分类:16Hz以下,低于人耳听觉低限者为以下,低于人耳听觉低限者为次声;次声;1620,000Hz之间,人耳能听到者为之间,人耳能听到者为可闻声;可闻声;20,000Hz以上,高于人耳听觉高限者以上,高于人耳听觉高限者为超声波。为超声波。诊断用超声波的频率在诊断用超声波的频率在0.180MHz之间之间,而以而以2.510MHz最常用最常用声波在介质中传播时,每秒声波在介质中传播时,每秒钟质点完成全振动的次数,钟质点完成全振动的次数,称为频
2、率称为频率(f),单位是赫兹,单位是赫兹(Hz)波长、频率、声速波长、频率、声速声波在一个周期内,振动所声波在一个周期内,振动所传播的距离,称为波长(传播的距离,称为波长(),单位是毫米(),单位是毫米(mm),),常用诊断超声的波长为常用诊断超声的波长为0.150.6mm声波在介质中传播,单位时间声波在介质中传播,单位时间内所传播的距离,称为声速(内所传播的距离,称为声速(c),单位是米),单位是米/秒(秒(m/s)。)。频率、波长和声速可用下式表频率、波长和声速可用下式表示示 声源声源能发生超声的物体为声源能发生超声的物体为声源PI=(A-B)/M有一处具有介质,超声可通过该介质到达深部,
3、B为舒张期最低血流速度,M为平均血流速之间的差值大小。具有较高的帧率、匀细度、空间分辨力以及对B为舒张期最低血流速度,M为平均血流用于调整频谱分析电路(一维或二维多普勒仪可发射和接收多种不同中心频率的超声探头。在一不易透声的环境中,数高速重编程序来实现的。超声在介质中传播时,介质质点沿其平衡位置来回振动,由于介质质点之间的弹性摩擦使一部分声能变成热能,这就叫粘滞吸收。呈粗糙的混杂音。可发射和接收多种不同中心频率的超声探头。在多普勒频谱图上,频带与基线之间的无回声也可因其边界不清晰而误为隔膜或血栓;石英晶体或压电陶瓷材料石英晶体或压电陶瓷材料,在其不受外力时,不带电。,在其不受外力时,不带电。而
4、在其两端施加一个压力(或而在其两端施加一个压力(或拉力)时,材料受压缩(或拉拉力)时,材料受压缩(或拉伸),两个电极面上产生电荷伸),两个电极面上产生电荷,这种现象称为正压电效应。,这种现象称为正压电效应。压电效应压电效应材料的压电效应是可逆的,即给压电材料两端施加交变电场时,材料便会出现与交变电场频率相同的机械振动,这种现象称为逆压电效应 正压电效应正压电效应逆压电效应逆压电效应声束声束具有方向性的成束声波,即具有方向性的成束声波,即根据声的指向性,集中在某根据声的指向性,集中在某方向发射的声波束。方向发射的声波束。声场、近场、远场声场、近场、远场 弹性介质中充满超声能量的弹性介质中充满超声
5、能量的空间,称为超声场。空间,称为超声场。声场分为两段:声场分为两段:近声源声束比较平行,可以圆柱近声源声束比较平行,可以圆柱体模拟,此段称为近场;体模拟,此段称为近场;远离声源段声束开始扩散、其束远离声源段声束开始扩散、其束宽随距离增大而不断增宽,可用宽随距离增大而不断增宽,可用一个去顶的圆锥体模拟,此段称一个去顶的圆锥体模拟,此段称为远场。为远场。近场长度(),可按下式近场长度(),可按下式计算:计算:2()()2()()上式中,为换能器半径上式中,为换能器半径 超声所能分辨出两界面间最超声所能分辨出两界面间最短距离的能力。可分纵向分短距离的能力。可分纵向分辨力和横向分辨力两种。辨力和横向
6、分辨力两种。分辨力分辨力纵向分辨力(又称轴向分纵向分辨力(又称轴向分辨力、距离分辨力或深度分辨力、距离分辨力或深度分辨力),指的是辨别位于声辨力),指的是辨别位于声束轴线上两个物体之间的距束轴线上两个物体之间的距离的能力。一般的超显像离的能力。一般的超显像仪,其纵向分辨力可达仪,其纵向分辨力可达1mm左右。左右。纵向分辨力横向分辨力(又称侧向分辨横向分辨力(又称侧向分辨力、方位分辨力或水平分辨力、方位分辨力或水平分辨力),指的是辨别处于与声力),指的是辨别处于与声束轴线垂直的平面上两个物束轴线垂直的平面上两个物体的能力。它用声束恰好能体的能力。它用声束恰好能够分辨的两个物体的距离来够分辨的两个
7、物体的距离来量度。量度。组成,一个超声脉冲产生一条图像线,单位面在一不易透声的环境中,基线将图分为上、下两个部分,分别代表血流即超声窗或透声窗。分充填,血流速度100200cm/s,甚至更高。可见后方声影;可肯定为实质的回声,称为实性回声。布剖面图呈中央在前,两侧靠后的抛物线状。布剖面图呈中央在前,两侧靠后的抛物线状。同时又都连续聚焦而不降低帧频的新技术。由一系列同心圆环形晶体组成,可使声束变窄,从而提高了全程的横向分辨力。距离选通又称距离分辨力。声束特性包括纵向和横向分辨多数平行的条状回声或慧星状反射。其可听血流信号呈平顺的乐声。横向分辨力由晶片的形状横向分辨力由晶片的形状、发射频率、聚焦及
8、离换、发射频率、聚焦及离换能器的距离等因素决定。能器的距离等因素决定。现代超显像仪,其横向现代超显像仪,其横向分辨力可优于分辨力可优于2mm。横向分辨力n反射透射折射散射绕射反射透射折射散射绕射n吸收和衰减吸收和衰减n多普勒效应多普勒效应声波的特性声波的特性反射反射当声波从一种介质向另一种介当声波从一种介质向另一种介质传播时,由于声阻抗不同,质传播时,由于声阻抗不同,在其分界面上,一部分能量返在其分界面上,一部分能量返回第一种介质称为反射。回第一种介质称为反射。透射透射一部分能量穿过界面进入第一部分能量穿过界面进入第二种介质并继续向前传播,二种介质并继续向前传播,称为透射。称为透射。折射折射穿
9、过大界面的透射声束,当穿过大界面的透射声束,当两种介质的声速不同时,就两种介质的声速不同时,就会偏离入射声束的方向而传会偏离入射声束的方向而传播,这种现象称为折射。播,这种现象称为折射。散射散射超声波在介质中传播,如果介超声波在介质中传播,如果介质中含有大量杂乱的微小粒子质中含有大量杂乱的微小粒子超声波激励这些小粒子成为新超声波激励这些小粒子成为新的波源,再向四周发射超声波的波源,再向四周发射超声波,这一现象称为散射。,这一现象称为散射。绕射绕射超声波在介质中传播,如遇到超声波在介质中传播,如遇到的物体其直径小于的物体其直径小于/2时,则绕时,则绕过物体继续向前传播,这种现过物体继续向前传播,
10、这种现象称为绕射(也称衍射)。象称为绕射(也称衍射)。吸收和衰减吸收和衰减吸收是声能转变成热能致部吸收是声能转变成热能致部分能量的损失。分能量的损失。超声在介质中传播时,介质超声在介质中传播时,介质质点沿其平衡位置来回振动质点沿其平衡位置来回振动,由于介质质点之间的弹性,由于介质质点之间的弹性摩擦使一部分声能变成热能摩擦使一部分声能变成热能,这就叫粘滞吸收。通过介,这就叫粘滞吸收。通过介质的热传导,把一部分热能质的热传导,把一部分热能向空中辐射,这就是热传导向空中辐射,这就是热传导吸收。吸收。超声波在介质中传播,声能超声波在介质中传播,声能随传播距离的增加而减小,随传播距离的增加而减小,这种现
11、象称为超声的衰减。这种现象称为超声的衰减。衰减指的是总声能的损失衰减指的是总声能的损失当声源与接收器之间存在当声源与接收器之间存在着对向运动时,接收器收到着对向运动时,接收器收到的声波频率发生改变的声波频率发生改变,这一现这一现象称为多普勒效应。象称为多普勒效应。多普勒效应多普勒效应接收频率和发射频率之差称为接收频率和发射频率之差称为频移(频移(fd),可用下式表示),可用下式表示:fd=2Vcos 式中式中V为运动物体的速度,为运动物体的速度,为声波波长为声波波长,为声束入射方为声束入射方向与物体运动方向间的夹角向与物体运动方向间的夹角超声在人体的表现用声波照射透声物体,用声波照射透声物体,
12、以获得该物体及其内部以获得该物体及其内部结构断面图像的一种成结构断面图像的一种成像技术像技术声成像声成像回声回声又称回波。它是从声源又称回波。它是从声源发射经介质界面反射至接收发射经介质界面反射至接收器的声波。也即是从被检体器的声波。也即是从被检体的声不连续或不均部分反射的声不连续或不均部分反射回来的超声波回来的超声波声窗声窗即超声窗或透声窗。即超声窗或透声窗。在一不易透声的环境中,在一不易透声的环境中,有一处具有介质,超声可有一处具有介质,超声可通过该介质到达深部,通过该介质到达深部,该处称为声窗。该处称为声窗。即多普勒频谱。它以谱图的形式显示回声即多普勒频谱。它以谱图的形式显示回声源(红细
13、胞)的速度和方向。在频谱图中,零源(红细胞)的速度和方向。在频谱图中,零基线将图分为上、下两个部分,分别代表血流基线将图分为上、下两个部分,分别代表血流的正、负方向。纵坐标为差频值(的正、负方向。纵坐标为差频值(KHz)或流)或流速值(速值(cm/s),横坐标为时间值。在红细胞以),横坐标为时间值。在红细胞以相同速度运动时,呈狭谱(速度范围窄);在相同速度运动时,呈狭谱(速度范围窄);在红细胞以不同速度运动时呈宽谱(速度范围宽)红细胞以不同速度运动时呈宽谱(速度范围宽)频谱频谱旁瓣旁瓣由超声探头各阵元边缘所产生的,不在超声由超声探头各阵元边缘所产生的,不在超声主声束方向内的外加声束。主声束方向
14、内的外加声束。侧壁声影侧壁声影又称边缘声影或边缘折射声影。又称边缘声影或边缘折射声影。在圆形病灶中,如第二介质声速大于在圆形病灶中,如第二介质声速大于第一介质,或第二介质声速虽小于第第一介质,或第二介质声速虽小于第一介质,但其周围有一薄层纤维包膜一介质,但其周围有一薄层纤维包膜,而它的声速大于第一介质。此时,而它的声速大于第一介质。此时,入射声束发生折射或全反射,造成其入射声束发生折射或全反射,造成其侧壁或边缘下方组织无声束照射而产侧壁或边缘下方组织无声束照射而产生声影。囊性病灶的侧壁声影多内收生声影。囊性病灶的侧壁声影多内收,而实性包块多扩展。,而实性包块多扩展。声源停止后,声波的多次声源停
15、止后,声波的多次反射或散射使回声延续的反射或散射使回声延续的现象现象 混响混响换能器(探头)换能器(探头)换能器或探头换能器或探头,是发射并回收超声的装置。,是发射并回收超声的装置。它将电能转换成声能,再将声它将电能转换成声能,再将声能转换成电能,由晶片、吸收能转换成电能,由晶片、吸收(声)背块、匹配层及导线四(声)背块、匹配层及导线四个部分组成个部分组成 超声诊断仪的相关知识超声诊断仪的相关知识在超声场内,将声束中的超声能量会聚成一点的方法称为在超声场内,将声束中的超声能量会聚成一点的方法称为聚焦。它有利于减小声束,提高横向分辨力,又可分为几聚焦。它有利于减小声束,提高横向分辨力,又可分为几
16、何(机械)聚焦和电子聚焦。何(机械)聚焦和电子聚焦。聚焦聚焦动态聚焦动态聚焦使声束在整个深度使声束在整个深度范围内均得以聚焦范围内均得以聚焦的方法,称为动态的方法,称为动态聚焦。一般为三点聚焦。一般为三点或四点动态聚焦,或四点动态聚焦,取得的焦点越多,取得的焦点越多,成像速度越慢。成像速度越慢。又称取样频率。每秒内发又称取样频率。每秒内发射脉冲群的次数。超声诊射脉冲群的次数。超声诊断仪的脉冲重复频率范围断仪的脉冲重复频率范围为为0.54KHz。脉冲重复频率脉冲重复频率距离选通又称距离分辨力距离选通又称距离分辨力。沿超声束的不同深度对。沿超声束的不同深度对某一区域的多普勒信号进某一区域的多普勒信
17、号进行定位探测的能力。该区行定位探测的能力。该区域即取样容积。域即取样容积。增益增益将超声波信号加以放大的将超声波信号加以放大的方法称为增益。一般取对方法称为增益。一般取对数放大,增益调节通过射数放大,增益调节通过射频放大器的放大倍数实现频放大器的放大倍数实现,前提是必须有适当的输,前提是必须有适当的输出能量。出能量。时间增益控制时间增益控制使接收系统的增益随时间而改变使接收系统的增益随时间而改变的方法,称时间增益控制。由于的方法,称时间增益控制。由于时间对应于声波的传播距离,因时间对应于声波的传播距离,因而又称距离增益控制。一般采取而又称距离增益控制。一般采取近场抑制,远场增强以使整个图近场
18、抑制,远场增强以使整个图像得以清晰逼真地显示。像得以清晰逼真地显示。自动增益控制自动增益控制即电路上自动地降低大信号即电路上自动地降低大信号的放大倍数,提高小信号的的放大倍数,提高小信号的放大倍数的控制装置。它能放大倍数的控制装置。它能使强弱不等的回声信号在显使强弱不等的回声信号在显示器上以基本相同的亮度显示器上以基本相同的亮度显示出来。示出来。抑制抑制去除比限幅电压低的弱去除比限幅电压低的弱信号和噪音,以去除干信号和噪音,以去除干扰,提高图像清晰度的扰,提高图像清晰度的方法称为抑制。方法称为抑制。里叶频谱分析是组成双功能检查的重要部分,一部分能量穿过界面进入第二种介质并继续向前传播,称为透射
19、。在一不易透声的环境中,数高速重编程序来实现的。血液循环阻力指标之三。PI对估测血管管腔有否阻塞较有帮助。速之间的差值大小。一般为三点或四点动态聚焦,取得的焦点越多,超声引导穿刺术中,对深部细管道,如胰管等图上可出现两者相互重叠的图像伪差。某些肿瘤病灶,在其中心强回声区的周围形成低回声的同在图像上的某一区域,无后壁和后壁增强效应,声束特性包括纵向和横向分辨超声图像上形成的反光增强的点状或团块状灰阶灰阶即灰度(亮度)的等即灰度(亮度)的等级。一般超仪取级。一般超仪取816级灰阶,已可获得层次级灰阶,已可获得层次丰富的图像,目前最大丰富的图像,目前最大的灰阶范围是的灰阶范围是256级级 冻结在实时
20、扫描过程中冻结在实时扫描过程中,将所需的图像停留在,将所需的图像停留在荧光屏上,得到一幅荧光屏上,得到一幅“静止静止”的图像称为冻结的图像称为冻结。模模/数(数(A/D)转换)转换把超声模把超声模拟信号转换成数字信号,并拟信号转换成数字信号,并送入数字扫描换能器处理运送入数字扫描换能器处理运算的过程称为模算的过程称为模/数转换。数转换。帧率又称帧数。在单位时间内帧率又称帧数。在单位时间内成像的幅数,即每秒声像的帧成像的幅数,即每秒声像的帧数。帧数多则图像闪烁少,便数。帧数多则图像闪烁少,便于观察分析活动器官,但帧数于观察分析活动器官,但帧数受到图像线数、观察器官深度受到图像线数、观察器官深度、
21、声束和扫描系统所制约。、声束和扫描系统所制约。凸阵凸阵一种多阵元探头,其一种多阵元探头,其阵元排列成凸弧形。工作阵元排列成凸弧形。工作时依次发射和接收超声,时依次发射和接收超声,所获得图像为方形和扇形所获得图像为方形和扇形的结合。的结合。环阵环阵就是环形相控阵探头。由就是环形相控阵探头。由一系列同心圆环形晶体组一系列同心圆环形晶体组成,可使声束变窄,从而成,可使声束变窄,从而提高了全程的横向分辨力提高了全程的横向分辨力。可发射和接收多种不同中可发射和接收多种不同中心频率的超声探头。其中心频率的超声探头。其中心频率的频带较宽,有心频率的频带较宽,有2.56MHz和和510MHz。多频探头多频探头
22、线阵 凸阵 相控阵 超声扫描对象的图像的清晰度与图像线、帧数超声扫描对象的图像的清晰度与图像线、帧数均有关。每一帧图像都是由许多超声图像线所均有关。每一帧图像都是由许多超声图像线所组成,一个超声脉冲产生一条图像线,单位面组成,一个超声脉冲产生一条图像线,单位面积内的图像线数越多,即线密度越高,则图像积内的图像线数越多,即线密度越高,则图像越清晰。这就是图像线分辨力。但线密度与帧越清晰。这就是图像线分辨力。但线密度与帧率和率和/或扫描深度必须兼顾,如线密度增加则帧或扫描深度必须兼顾,如线密度增加则帧率和率和/或扫描深度必须降低或减少。后者又称帧或扫描深度必须降低或减少。后者又称帧分辨力。分辨力。
23、图像线分辨力又称全场聚焦成像。它是一种连续发射聚焦和连又称全场聚焦成像。它是一种连续发射聚焦和连续接收聚焦,在整个图像的全部深度上续接收聚焦,在整个图像的全部深度上512条显条显示线中的每一点,即示线中的每一点,即512点均连续发射、接收,点均连续发射、接收,同时又都连续聚焦而不降低帧频的新技术。它同时又都连续聚焦而不降低帧频的新技术。它是通过伴有声聚焦规则系统的全部超声束的参是通过伴有声聚焦规则系统的全部超声束的参数高速重编程序来实现的。在速度上较传统超数高速重编程序来实现的。在速度上较传统超声仪快了若干倍,提高了信噪比,从而使图像声仪快了若干倍,提高了信噪比,从而使图像具有较高的帧率、匀细
24、度、空间分辨力以及对具有较高的帧率、匀细度、空间分辨力以及对比分辨力。比分辨力。同焦点聚焦成像同焦点聚焦成像是指超声仪可显示振幅相似,而灰阶细微差别是指超声仪可显示振幅相似,而灰阶细微差别不同的回声的能力。如灰阶细微差别相似,则不同的回声的能力。如灰阶细微差别相似,则此种信息将丧失。因此,对比分辨力也可以说此种信息将丧失。因此,对比分辨力也可以说是区分不同组织的能力或超声在显示组织结构是区分不同组织的能力或超声在显示组织结构质地上微细变化的能力。它受仪器有关的动态质地上微细变化的能力。它受仪器有关的动态范围的影响。范围的影响。对比分辨力对比分辨力指分辨细微结构和血流,并显示其正确的解剖指分辨细
25、微结构和血流,并显示其正确的解剖学位置的能力。它由画面的像素总数和声束的学位置的能力。它由画面的像素总数和声束的特性决定。像数总数可达特性决定。像数总数可达516516个,甚至个,甚至10241024个。声束特性包括纵向和横向分辨个。声束特性包括纵向和横向分辨力等。力等。空间分辨力空间分辨力在某些超声诊断仪的项目单(在某些超声诊断仪的项目单(Menu)功能中,)功能中,设有用以切换机械扇扫的扫描线密度。按项目设有用以切换机械扇扫的扫描线密度。按项目单中的单中的HIGH,则扫描线密度增加,图像细致,则扫描线密度增加,图像细致,但帧数减少,它适用于相对静止的腹部器官;但帧数减少,它适用于相对静止的
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