超声成像原理与技术

课程说明专业必修课48学时理论+16学时实验考核方式：考查平时成绩(10%)+实验成绩(30%)+综合答辩及报告成绩(60%)请加入学习群：198402158第一单元绪论医学超声：超声物理学、超声工程学，与医学超声诊断与治疗。超声物理：振动和波是理论基础，研究超声波在生物组织中的传播特性和规律。超声工程学:电子技术、计算机技术为基础，依靠超声物理的结论。设计研制医学诊断设备和治疗设备。超声诊断：主要是根据超声波在生物组织中传播规律、组织特性、组织几何尺寸的差异使超声波的透射、反射、散射、绕射及干涉等传播规律和波动现象也不同，从而使接收信号的幅度、频率、相位、时间等参量发生不同的改变，通过对这些参量的测量、成像来识别组织的差异、判别组织的病变特征。超声治疗：主要利用生物体吸收超声波的特性、也即利用超声波的生物效能和机理，达到治疗的目的。超声成像设备分类（上）一、按超声波型分类连续波超声设备脉冲波超声设备二、按利用物理特性分类回波式超声诊断仪透射式超声诊断仪三、按设备的结构分A超：是一种最基本的显示，示波器上横坐标表示超声波的传播时间（探测深度），纵坐标表示脉冲回波幅度（Amplitutede),故称为A型显示，简称A超。临床运用测量人体器官位置，尺寸、组织的声学特性、诊断疾病超声设备分类（下）M型超声诊断设备-M超－超声心动图仪：在荧光屏上得到组织器官（心脏)许多曲线－构成超声心动图。反映不同介面不时间反射超声波的强弱。是亮度调制型设备。临床主要用于研究心血管疾病、可与心电图、心音图、脉搏结合考虑分析，测量心血管的部分大小、厚度，瓣膜的运动。B型超声诊断设备：B超－切面显像仪。静止目标B型超声显像仪；实时B型超声显像仪，数字扫描B型超声成像设备，代计算机的B型超声成像设备四种。C超与F型超声成像设备：横断面成像，曲面成像。D超：脉冲回波D型超声诊断仪，连续波D型超声诊断仪。彩超=B+D+M,多功能超声成像设备。彩色显示。CDFI彩色血流（低速)显像仪CDTI(高速）CDE(彩色、幅度，大小）低速血流的彩色多普勒能谱图，DPA(大小，方向）CHI,THI超声全息诊断设备超声显微镜超声CT超声外科设备超声治疗设备超声设备发展历程1880年，法国科学家皮尔和Jacques.居里压电效应。1917年法国科学家保罗－郎之万发现逆压电效应。1921年声纳1942年奥地利科学家A超，探测头颅1952年美国科学家B超1954年B超临床1956年日本科学家多普勒超声探测心脏1967年电子探头1968年TGC1968年研究计算机用于B超设备，DSC数字扫描1973年C超，1978年F超1983年彩色学流图（CFM），1990年3D扫描研制1991年数字化超声成像系统不步入新的发展阶段CDTICDEDPACHITHI超声成像研究进展医学超声基础理论研究、新型压电材料和超声传感器、计算机处理、超声成像技术与信息传输技术相结合的产物。20实际70年代以B型超声显像技术为特征；80年代以彩色Doppler血流成像技术为特征；90年代则以超声体成像为特征。新技术的发展特点体现在宽频带化，数字化，多功能化，多维化以及信息化等几个方面。超声成像的研究内容超声成像的声学基础：超声场是怎样的？如何产生超声波？超声波在人体中的传播情况？超声波束的控制超声波是发散的，怎样让其具有方向性，能够定位组织器官的位置。超声回波信号的处理如何从超声回波信号中提取组织信息并转换为图像显示？超声图像处理重建三维图像，图像增强，特定的图像处理。第二单元超声成像声学基础超声波的定义及表示方法超声的物理量超声场超声波物理特性超声的传播与衰减超声波的多普勒效应超声波的定义及表示方法描述超声波的物理量声压、声强与声阻抗率声压,指在某一瞬时压强相对于无声波时的压强变化（改变量）声强指声波传播的能流密度，即在单位时间内通过垂直于传播方向上单位面积的声音能量声阻抗率定义为：Zs=p/v式中，p为声场中某点声压，v为该位置媒质质点振动速度。显然，在相同声压作用下，对于声阻抗率大的媒质，其媒质质点振速小，而对于声阻抗率小的媒质，其媒质质点振速就大。因此，声阻抗率的意义可理解为声场中某位置媒质的限速能力。超声场超声场：超声场是指发射超声在介质中传播时其能量所达到的空间。超声场简称声场，又可称为声束。扫描声束的形状、大小（粗细）及声束本身的能量分布，随所用探头的形状、大小、阵元数及其排列、工作频率（超声波长）、有无聚焦以及聚焦的方式不同而有很大的不同声束还受人体组织不同程度吸收衰减、反射、折射和散射等影响即超声与人体组之间相互作用的影响超声波物理特性束射特性超声波的频率较高，波长较短，发射超声波的能量集中于一个较狭窄的圆柱区域，超声波的这一特性有助于多超声束的聚焦，达到诊断设备侧向分辨力的指标。能量高、穿透性强声波的能量正比于频率，医用超声波的频率较高，因此能量较大，并且集中于一个狭窄的圆柱区域内，这使它很容易穿透人体的软组织。叠加特性当两列声波在同一媒介中传播时，如它们在空间某处相遇，将彼此叠加。相遇处质点震动为各个波所引起的分振动的合成，在任一时刻质点的位移是各个波在该点所引起的分位移矢量和。两列波相遇后，仍然保持原有特性（频率、波长、振幅、振动方向等）不变，按照自己原来的传播方向继续前进。利用波传播的叠加原理，可以通过发射多束声波进行叠加，增强超声波的能量，提高穿透力。反射、折射、散射反射：超声波的反射特性是医疗超声成像的基础。超声波通过声阻抗不同的两种介质时，在媒介面上将产生反射，声阻抗差别越大，反射的超声强度越大。折射：超声波的折射发生在声波入射角不为零的情况下，超声的折射定律与光波的折射定律相同。散射：超声波在介质传播时，如果在介质中含有大量杂乱微小粒子时（如人体组织中的颗粒结构等），而且粒子的线度与波长可以相比，则超声波遇到这些排列不规则的粒子后，将使其成为新的波源向四周发射波动。这一现象也即为波的散射。显然，散射体的线度比波长越小，散射的影响越小。散射体越大，散射越大，使沿原来方向进行的声强减弱。超声波的衰减衰减的原因主要有吸收、散射、声束扩散；介质对超声波的吸收：超声的机械能转变为热能传导，或被组织的粘滞性吸收能量被许多散射体如蛋白质分子散射掉声束扩散使超声在介质中前进方向上的能量减小。声衰减表现为回声减少或消失，以至出现声影。很强的反射界面后方回声减少或消失，但反射与衰减是两个概念。衰减系数xoeAAoA为声源处超声波振幅；A为距离声源x处的超声波振幅；为传输介质的衰减系数。衰减系数的量纲为1cm，其单位常用dB/cm或neper/cm(每厘米奈格)表示。超声多普勒效应当声波发射源与声接收器有相对运动时，或者在更复杂情况下，当声波发射源、声接收器和传播声波的介质有相对运动时，接收器所接收到的声波频率与发射频率有所不同，这就是多普勒效应。利用运动红细胞对入射超声产生的频移或差频，可进行血流信号的检测。超声波的产生和接收超声探头超声诊断仪中，超声的产生和接收是通过超声探头来实现的。由于探头是进行电信号与声信号的转换部件，所以也称作超声换能器，是超声诊断仪中不可缺少的部分，它将仪器中发射的高频电信号，通过探头里晶体的振动，转变为超声波，发射进人体组织内；对于反射回来的超声波，在超声探头的晶体上，再将超声波转变为高频电信号，再经过一系列的处理最后由显示屏显示出来。超声探头的结构压电晶体：作为超声换能器的核心元件，当受电脉冲激励时产生振动，产生超声波，反之，当超声波作用于晶片，晶片振动形变转换为相应的电信号，换能器的灵敏度和带宽取决于压电晶片，压电晶片的振动频率即为换能器的工作频率，为得到较高的效率，晶片在共振状态下工作。压电晶片的背面填充吸声材料。作用：产生短促的超声脉冲信号，以提高纵向分辨力。压电晶片的前面贴以匹配层。除可保护压电材料外，还使压电材料与人体皮肤之间的声阻差相近。压电换能器的特性频率特性压电换能器的晶体本身是一个弹性体，因此有其固有的谐振频率，当所施力的频率等于其固有频率时，它将产生机械谐振，由于正压电效应而产生最大电信号。另一方面，当所施加电的频率和压电晶体固有频率一致时，由于逆压电效应则应发生机械谐振，谐振时振幅最大，弹性能量也最大，这时，压电晶体获得最大形变振动,通过介质产生超声波输出。换能特性换能器的换能特性包括两个方面:电能－机械能－超声能，超声能－机械能－电能。前者属于发射过程，后者属于接收过程。能量间转换必然产生损失(产生了无益的能耗)，以转换效率来表征换能器这一性能：电机转换效率=输出的机械功率／输入的电功率机声转换效率=辐射的超声功率／输入的机械功率因此：电声转换效率=辐射的超声功率／输入的电功率暂态特性超声诊断仪的换能器大多工作于脉冲状态，换能器对脉冲的响应速率称为暂态特性，这也是一项重要指标。换能器的暂态特性与其频率特性是有关系的，简言之，换能器的频谱越宽，它的暂态特性也越好，可允许的超声脉冲的宽度越窄。在这里，所描述的脉冲宽度是指断续发射出超声的时间长度，单位是秒(s)，它与频率（超声波每秒振动的次数）是不同的。常用探头机械扇扫超声探头机械扇形扫描超声探头配用于扇扫式B型超声诊断仪，它是依靠机械传动方式带动传感器往复摇摆或连续旋转来实现扇形扫描。对于但阵元的探头，其阵元的尺寸较大，声束特性好，声辐射能量强。电子阵列探头阵列探头内部由换能器阵列构成，每个换能器按照一定的尺寸进行设计和排列，其排列方式可以是线性，凸形等。对阵列换能器，采用组合发射和接收。为什么？（从发射能量和声束特性两方面考虑）超声探头的激励从线性系统理论的角度，换能器是一个变换系统，其频响特性为其探头的频率特性，因此，激励信号的频谱应该与探头相匹配。采用脉冲进行激励，有双极性和单极性两种方式；单极性的脉冲宽度W=T/2;双极性的脉冲宽度Wh=T/4;Wl=T/4激励电压：激励电压与发射功率相关，同时也要考虑其安全性，其峰峰值一般在100V~150V之间。下图为双极性设计超声探头的使用参数换能器的频率阵元数超声探头频率响线曲线CentralFrequency标称频率3.5MHzNumberofElements阵元数80Pitch阵元间距0.78mm±0.001mmElevationFocus高程聚焦90mm±3mmLongitudinalRadius纵高曲率60mm±0.1mmFieldofView可视范围59.6°Thickness(LensCover)透镜厚度1.0mmElevationAperture垂直孔径13.9mmCoaxCapacitance芯线电容110pF/mCoaxImpedance芯线电阻50ΩInductance电感NCCablelength线长200cm±10mm第三单元数字B超原理与结构B型超声诊断仪的工作原理大概可以描述为：超声诊断仪由超声换能器将激励电信号转换成某一频率的超声信号，超声信号穿透进入人体组织，在人体组织中传播，当人体组织中声阻抗率不同时，将发生超声反射，由超声波的反射特性可知，相邻声阻抗相差越大，则反射的回波信号越强，因此，回波信号的强弱承载了人体组织的信息。回波信号反射到超声换能器，由超声换能器将回波信号转换为电信号，电信号的高低则代表了回波的强弱，转换的电信号再经过映射为灰阶图像，此时的灰阶图像就记载了人体组织的特征。换能器阵元数字B超结构数字B超设计方案34数字B超的处理内容数字信号处理动态滤波数字检波灰阶值映射图像合成波束合成发射波束合成接收波束合成应用层处理＋＋＋数字B超硬件架构发射电路接收电路核心控制系统外围设备电源系统发射电路设计超声发射硬件电路主要实现阵列换能器中参与发射的阵元的选择切换、高压脉冲信号的产生、调制，超声换能器的驱动。其中发射控制器由FPGA完成，通过高速mosfet驱动晶片进行超声波信号的发送，高速阵列开关用于选择探头中