灰阶超声成像原理

■一、灰阶及回声的概念■二、灰阶成像的三大基本要素■三、灰阶成像的三大步骤■四、灰阶超声中常用术语及其调节一、灰阶及回声一、灰阶及回声的概念灰阶（gray-scale）：灰色色调的数量，表示在图上黑色到白色的之间的灰度（亮度）。■目前超声常使用256级灰阶。■回声（echo）：对灰阶的统称。根据灰阶的不同，回声可大致分为五种类型：1、强回声：灰度明亮，后方常伴声影，如结石或钙化灶。2、高回声：灰度较明亮，后方不伴声影，如肾窦或血管瘤。3、等回声：灰阶强度呈中等水平，如正常的肝脾实质回声。4、低回声：透声较好的暗区，如正常的淋巴结。5、无回声：均匀的液体，如正常充盈的膀胱或胆囊。强回声：胆囊结石高回声：肝内血管瘤等回声：正常脾实质低回声：颈部淋巴结无回声：充盈好的膀胱LVLV二、灰阶成像三大基本要素二、灰阶成像的三大基本要素A：水槽中的乒乓球照片B：灰阶超声切面图像●为何会产生差别？A图成像原理：乒乓球→视网膜→大脑皮层→完整图像B图成像原理：探头发射超声波→乒乓球（介质）→接收回波信号显像→切面灰阶图像灰阶成像三要素：1、超声波→振源（Ultrasound）2、乒乓球壁→介质(Medium)3、接收回波的探头→感受器(Receiver)振源介质感受器1、声源——超声波｛电磁波：无线电波、X线、可见光等。机械波｛波次声波：20HZ可听波：20HZ——20KHZ超声波：20KHZ超声波:声源高速振动，其频率20000次(Hz)以上，超过人类的听觉阈值，不能被人耳感受的的机械振动。◆有关超声波的物理量：①波长（wavelength,λ）：在传播过程中一个完整周期内所通过的距离。波长λ②声速（velocityofsound,c）单位时间内声波在介质中传播的距离称声速。其传播速度在气体中较小,360m/s左右；在液体和人体软组织中较大，1500m/s左右；在固体中最大，约为4500m/s左右。■超声仪器在设计时对于不同的软组织，假定了一个相对平均的速度，即1540M/S.③频率（Frequency,f）：单位时间内单位振动的次数，亦超声波通过介质中某点的疏密波的次数。★波长、声速与频率之间关系密切，公式如下：声速(c)波长(λ)＝----------频率(f)频率低，波长长，穿透性好，透入深，分辨力低频率高，波长短，穿透性差，透入浅，分辨力高■目前医用超声波的频率：200KHZ——100MHZ。■目前临床超声仪常用频率：2MHZ——15MHZ。医用超声频率的应用范围频率范围（单位：MHZ）应用情况2—5腹部、心脏等检查5—10浅表器官、外周血管等检查10—30皮肤、血管内、内窥镜等检查40—100声学显微镜◆有关超声波的物理性能：①方向性（指向性，direction）②反射（reflection）与透射（transmission）超声在传播中，经过两种不同介质的界面时，一部分能量由界面处返回第一介质，此即反射(reflection)。另一部分能量穿过界面，进入第二介质，此即透射(transmission)。◆探头可接收的回波信号的强度与入射波和反射界面之间的夹角有关，垂直入射（入射角为0），反射越多，探头接收到的回波信号最强；入射角越大，反射越少，能返回的信号越弱。③散射（scattering）与绕射（diffraction）绕射：如界面不大，可与超声波波长相比，则声波将绕过该界面继续向前传播。散射：如物体的直径小于超声波的波长时，则声波向物体的四面八方辐射。■在人体结构中，散射主要发生在组织或器官内部大小与超声波长接近或更小的微小结构上，如肝脏中的肝小叶，肾中的肾小体，心脏中的心肌纤维、血液中的红细胞。■超声在工作中，是反射、透射、散射、绕射的综合运用。④吸收（absorption）与衰减(attenuation)当声波穿过介质时，由于“内摩擦”或所谓“粘滞性”，使声能被吸收、散射而逐渐减弱，声波的振幅随之减低，此即衰减。吸收与衰减的多少和超声的频率、介质的粘滞性、导热性、温度及传播的距离等因素有密切关系。衰减程度的一般规律是：骨(或钙化区)软骨肌腱肝、肾组织脂肪血液尿液与胆汁。一般而言，频率增加1MHZ,同时深度增加1cm,超声波的能量会衰减1dB.声能随着透入距离增加而减弱2、介质——传播声波的媒介物质①气体和充气的肺组织②液体和软组织③骨骼和矿物化后的组织■超声检查中，人体组织就是超声波传播的介质。回声的强度为何不同？“介质声阻抗差”声阻抗（acousticimpedance）：介质的密度与超声波在介质中传播速度的乘积。设：Z为声阻，ρ为密度，c为声速则：声阻(Z)＝密度(ρ)X声速(c)●设定超声波在介质中传播速度为1540m/s,则声阻抗与介质的密度差相关。●介质越硬，组织的声阻抗越大。●一般声阻抗：固态液体气体■超声波传播过程中，所遇的组织界面不同，其声阻抗也不一样，发生反射、折射等现象，反射、折射等程度不一，与介质的声阻抗差密切相关。■反射系数之大小决定在界面处两介质声阻之差。设Z1为第一介质之声阻，Z2为第二介质之声阻公式表之：Z1-Z2声强反射系数R1=(----------)2Z1+Z2人体组织声学类型：(一)无反射型液体内的界面无明显声阻抗差异，如假设有一界面，因其前后声阻值相似，其反射系数为0或接近于0，超声通过相应区域时无何反射。此乃液体的特点，故称无回声区或液性暗区。（二）少反射型超声经过结构比较均匀的实质组织如肝脏、脾脏、甲状腺、睾丸等器官和组织时，在相应区域即或有些界面，但声阻差较小，回声较少，此即少反射型或称低回声区。（三）多反射型超声经过结构杂乱的实质组织如乳腺时，因结构复杂，界面甚多，其前后声阻差大，故反射较多且强，光点更为密集，回声强度亦大，此称多反射型或谓高回声区。（四）全反射型在软组织与含气组织(如肺、肠腔)交界处，界面前后声阻相差3000多倍，反射系数达99.9％，接近于全部反射，故不能透入第二介质，使界面后的组织结构则无法显示，故称全反射型。3、感受器——探头探头接收组织反射回来的信号后，经仪器处理放大，在示波屏上形成代表界面反射强弱的光点与波幅。超声，是利用超声波在人体不同组织产生反射和散射等的回波中所携带的人体解剖形态信息，经处理形成灰度显示图像来诊断疾病的仪器。三、灰阶成像三大步骤发送脉冲波接收回波信号电路处理灰阶显像↓↓利用逆压电效应，将电信号转换成机械能，发射超声波利用压电效应，将回波声信号转化成电信号，由探头接收电路转换、数字扫描变换、后处理（像素亮度后处理、灰阶变换、图像平滑、复合视频等）探头（probe）主要构成：声透镜、匹配层、压电阵子、吸声块。压电阵子■是超声换能器的核心。■目前使用较多的是人造压电陶瓷（PZT，锆钛酸铅）。■优点：电-声能转换率高；性能稳定，价廉，易于加工可压制成任意形态、尺寸（线阵、凸阵、矩阵等）非溶水性、耐湿防潮、机械强度较好■缺点：多晶体，使用频率受一定限制易脆性；受温度影响大；老化性■探头制作过程中，将压电陶瓷切割成多个振元，每个振元又分成多个阵子进行排列。■目前常用的是128振元。压电阵子与逆压电效应：电能转换成机械能，发射超声波。◆将此晶体置于交变电场时，则可发现晶体厚度有所改变，出现强烈的压缩或扩张。压电阵子与压电效应：机械能转换成电能，由换能器接收。◆在石英等晶体上施加压力时，晶体表面上即出现异名电荷。声透镜■位置：在探头的匹配层与人体组织间；■材料：常用塑料或树脂制成；■作用：声聚焦和换能器的保护层；■原理：透镜材料的声速大于周围介质声速时声束可折射效应发生会聚。匹配层■是位于压电振子前面的一层或多层的声学材料。■作用：使高声阻抗的压电振子与低声阻抗的人体组织间达到阻抗匹配，以提高声能的最大传效率■发射不同频率的声波需要不同的匹配层。吸收块■位置：位于压电振子背后■材料：由钨粉与环氧树组成的强吸声物■作用：防消除后向干扰；实现窄脉冲，提高纵向分力■原理：透吸收背向声波，使之能量消耗。探头发射电路控制电路电源接收电路扫描电路显示器四、灰阶超声中常用术语及其调节1、增益（gain）◆增益是指接收机的放大倍数，为后处理过程。◆主要针对回波信号的幅度进行调节，用于改变图像亮度（回声强度）。◆一般采取近场负增益和远场正增益。◆增益的过高或者过低都会造成漏诊。◆其调节因人，因检查的部位而异，也会受到环境亮度（灯光）的影响。◆在检查过程中应该随时进行调节。如，看结石可适当调低增益，看囊肿调高增益。2、时间增益控制（timegaincontrol，TGC）◆TGC主要补偿因深度造成的声衰减。◆通过调节使灰阶图像亮度均匀平滑，多有8—10组键组成。◆主要是对近场抑制、远场抑制、远场增强进行调节。近场抑制：因皮肤等反射强，腹壁的小病灶易被强回声掩盖。远场抑制：通常用于空腔含液性脏器的检查，如看充盈膀胱后壁的强反射。远场增强：用于降低近场或中场引起的如重度脂肪肝时，利于检查远场病灶。3、深度（Depth）◆声束穿透介质的距离（深度）。◆深度大时，帧频降低，成像速度减慢。◆深度较大，远场的分辨力降低，深度较小，远场的分辨力提高。◆观察病灶时，应尽量将之显示在比较合适的深度进行观察。较深位置的病灶应将其显示在较浅的位置观察。4、输出功率（power）◆改变探头发射超声波的总能量。◆是一种前处理。◆出于安全性考虑，一般使用能得到满意图像质量的最低能量输出。◆妇产科胎儿检查时，尽量使用低输出功率并缩短检查时间。5、动态范围（dynamicrange）◆动态范围，接收的动态回波信号的变化幅度。◆探头能接收的最大有用信号电压幅度与最小有用信号电压幅度之间的差异代表探头接收有用信号的能力或超声仪的放大电路处理有用信息的能力。◆动态范围大，得到的回波信息量多，病灶的包容量大，图像分辨力高，图像看起来更加平滑。但是也可能造成噪声信号进入而对有用信号本身造成干扰，另外也会降低帧频。动态范围小，虽帧频提高，但是图像看起来会更加模糊。◆一般放置在80db左右。6、聚焦（focus）◆目前的电子探头都是使用电子聚焦技术。◆在某个深度范围内使反射或接收的超声束变窄，提高图像的侧向分辨力。◆连续动态聚焦，由机器自动完成，是数字波束形成器中采用的，可以对于接收声束进行全程实时动态聚焦，在整个扫差深度上都可以达到较高的侧向分辨力。◆探头发射的声束的聚焦，通过调节其数量、位置及间距，可以实现图像的优化。◆聚焦数量过多，也会影响帧频。7、一键优化◆按下按钮，超声仪会自动对仪器的灰阶超声的显示进行调节。◆方便操作，提高效率。◆并不绝对，实际操作中还是需要因人、因部位、因环境等随时进行调节。8、帧频（Framerate）◆帧频，也叫超声时间分辨率，是指每秒成像的帧数。◆帧频越高，获取图像的时间越短，成像越快，图像的显示也越平稳。◆成像帧频大小与多声束形成技术和探测深度相关。多声束成像技术可以提高帧频；探测深度越小，成像帧频就越高。◆影响帧频的因素：深度、焦点、动态范围、彩色取样框大小。实时成像：仪器每秒的速度达到24帧以上，可显示各种静态及活动脏器，如心脏及血管的搏动、胎心等。9、分辨力（Resolution）◆分辨力是指超声检查时能在荧光屏上被分别显示为两点的最小间距。◆依方向不同可分为纵深分辨力与横向分辨力(depthresolutionandlateralresolution)。探头频率越低，分辨力越低探头频率越高，分辨力越高10、谐波成像（HarmonicImaging）◆谐波：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，使得当发射声波频率为f0时，回波（由于反射或散射）频率中除有f0（基波），还有2f0、3f0……（谐波），其中以二次谐波（2f0）的能量最大。◆组织谐波成像：利用超宽频探头接收非线性的高频谐波信号，将多频率信号放大、平均处理后再实时成像，由于接收频率的提高，对较深组织的分辨力也有了提高，明显增强了对细微病变的显现力。◆二次谐波成像：仪器通过带通滤波，只提取二次谐波信号进行成像。用于心外脏器和组织的检