医学超声仪器-生物医学电子与仪器-04

医学超声仪器李晓琴(2008年春季)超声仪器的分类超声诊断仪器的临床应用价值超声成像的基本模式超声成像的物理基础医学超声仪器医学超声仪器诊断仪器治疗仪器超声温热疗法高强度超声聚能治疗超声手术刀超声碎石结构成像血流测量组织定征影像诊断设备功能特点X线机X－CT磁共振同位素超声成像•透视•拍片•无创、无电离辐射•断层成像•实时、动态•形态、功能与定征•设备价格便宜结构形态血流测量组织定征断层结构成像•设备简单•电离辐射•影像重叠•断层摄影•电离辐射•非实时•断层摄影•设备昂贵•非实时•断层摄影•分辨力低•放射性药物•断层结构•代谢功能代谢功能心脏腹部经颅超声眼科超声经食道超声血管内超声外周血管小器官妇产科工作方式：A型t换能器回波信号工作方式：M型时间深度探头皮肤工作方式：B型发射电路接收电路同步信号发生器换能器显示器被探查物体工作方式：C型换能器C型平面多普勒血流测量皮肤血管θv0fDff+00cos2fcvfDθ=0ff0f−()fP超声多普勒回波信号的频谱)(a)(b)(fStf声谱图tf)(fS彩色血流图仪血流测量流速剖面形成B型成像探头谱分析血流测量流速剖面形成B型成像探头系统框图tf超声成像的物理基础换能器与波束形成数字扫描变换器信号与图像处理声谱图多普勒血流测量彩色血流图成像超声成像的物理基础探头波束形成器信号与图像处理接收电路发射电路zRT超声成像系统的构成显示器换能器人体组织对超声波的衰减系数介质名称平均衰减系数（()/MHzcmdB血液0.18肝0.94肾1.0肌肉1.05～1.75软组织1.35～1.68颅骨20肺40空气10水0.002提示：（1）dB:衰减补偿（2）cm-1:浅部－高频探查深部－低频探查（动态频率跟踪）（3）MHz-1非线性失真（4）合适的探查部位深度用户可控增益调节超声波在人体中的传播速度组织名称平均速度（m/s)脂肪1450脑1541肝1549肾1561脾1566血液1570肌肉1585软组织（平均值）1520颅骨4080水1480空气330提示：（1）1540m/s:超声在人体软组织中的平均速度。用来决定探查深度。（2）传播速度的差异:超声CT11,cZ22,cZiθrθtθ超声波的反射与折射反射系数的计算公式反射率透射率21212%ZZRZZ⎛⎞−=⎜⎟+⎝⎠%1%TR=−11,cZ22,cZiθrθtθcZ⋅ρ＝密度声速声阻抗不同组织界面的反射率界面两边的组织反射率脑—颅骨0.66脂肪—骨0.69脂肪—血0.08脂肪—肾0.08脂肪—肌肉0.10脂肪—肝0.09肌肉—血0.03肌肉—肾0.03肌肉—肝0.01软组织—水（均值）0.05软组织—空气0.9991软组织—PZT5晶体0.89提示：（1）合适的探查区域（2）超声耦合剂的作用（3）探头设计中匹配层的作用医学超声仪器李晓琴(2007年秋季)谱分析血流测量流速剖面形成B型成像探头系统框图tf超声成像的物理基础换能器与波束形成数字扫描变换器信号与图像处理声谱图多普勒血流测量彩色血流图成像超声仪器的分类超声诊断仪器的临床应用价值超声成像的基本模式超声成像的物理基础医学超声仪器数字扫描变换器(DigitalScanconverter)•概论•坐标变换•插补技术波束形成电路图像存储器坐标变换电路DSC部件探头显示器B超显像仪系统方框图波束形成电路图像存储器坐标变换电路DSC部件探头显示器数字扫描变换器的概念•扫描格式的变换•扫描速度的变换数字扫描变换器实现的难点超声回波信号采样点监视器显示象素点•采样点与显示像素之间不重合•样本点间有间隙•实时显示的要求•坐标变换•数据插补坐标变换•极坐标直角坐标•直角坐标极坐标坐标变换方案(一)大图像存储器方案收/发电路坐标变换电路插补电路xy写入地址读出地址显示器),(yx),(θR特征：(1)图像存储器容量大，但与显示像素一一对应；(2)坐标变换：极坐标直角坐标坐标变换方案(一)大图像存储器方案收/发电路坐标变换电路插补电路xy写入地址读出地址显示器),(yx),(θR冗余单元多位置误差一维线性插补坐标变换方案(一)大图像存储器方案优点：1、方案直观2、坐标变换电路的运算速度要求低缺点：1、图像存储器中的冗余单元多2、位置误差不容忽视3、插补精度低4、图像后处理灵活性差坐标变换方案(二)小图像存储器方案收/发电路坐标变换电路插补电路写入地址读出地址显示器),(yx),(θRθR特征：(1)图像存储器容量小，却保持全部原始信息；(2)坐标变换：直角坐标极坐标41优点：1、存储器容量小2、插补有可能获得高精度3、保持全部原始信息，后处理灵活缺点：坐标变换电路的运算速度要求较高坐标变换方案(二)小图像存储器方案坐标变换方案比较方案RAM坐标变换优点缺点大RAM小RAM512×512128×512极坐标直角坐标直角坐标极坐标1、存储器容量小2、插补有可能获得高精度3、保持全部原始信息，后处理灵活坐标变换电路的运算速度要求较高1、方案直观2、坐标变换电路的运算速度要求低1、图像存储器中的冗余单元多2、位置误差3、插补精度低4、图像后处理灵活性差数据插补•一维水平插补•二维平面插补•园插补一维水平插补⎟⎠⎞⎜⎝⎛+⎟⎠⎞⎜⎝⎛−=⋅−+=NiPNiPiNPPPPBAABAi1N点样本点AP1PiPBP二维平面插补i1+ij1+jeθRΔerZ'ZZjiP,1,+jiP1,1++jiPjiP,1+θΔrrPrrPZejiejiΔ⋅+⎟⎠⎞⎜⎝⎛Δ−=+,1,1'rrPrrPZejiejiΔ⋅+⎟⎠⎞⎜⎝⎛Δ−=+++1,11,1θθθθΔ⋅+⎟⎠⎞⎜⎝⎛Δ−=eeZZZ1'园插补+显示像素jiP,1,+jiP1,1++jiPjiP,1+1P2P3P21,,2++=jijiPPP22,1PPPji+=21,23++=jiPPPDSC实施例之一•线阵探头扫描•简易便携B超A/DS/P移位锁存图像存储器S/P移位锁存后处理信号合成D/A行列选通时序读写地址多路器TV扫描时序超声扫查时序写地址读地址控制器灰阶发生线阵探头简易B超回波视频信号线地址线控制线思考题：如何解决争抢图像存储器的问题？DSC实施例之二•扇形扫描•小存储器•二维平面插补•ZOOM显示象素的辉度值显示平面(D平面)),(DDyx投影平面(C’平面)直角-直角),(''CCyx采样平面(C平面)直角-极坐标),(CCRθRAMθ),(θRR二维平面插补jijiPP,1,,+1,11,,+++jijiPP),(eeRθ一种高性能的DSC图像存储器插补电路TV显示平面直角-直角坐标变换直角-极坐标坐标变换回波数据),(DDyx),(''CCyx),(θR),(eeRθ一种高性能的DSCi1+ij1+jeθRΔerZ'ZZjiP,1,+jiP1,1++jiPjiP,1+θΔ),(DDyx),(''CCyx),(CCRθθR换能器与波束形成第二章本章要点1、换能器2、声场特性3、波束形成器新技术数字式波束形成器换能器超声探头（一）单晶片机械扇形扫描探头（二）电子阵列探头•线阵•凸阵•相控阵•二维面阵换能器结构声透镜匹配层1匹配层2压电晶体背衬材料地电极“火”电极高Q值---连续波低Q值---脉冲波Q=中心频率带宽(matchinglayers)(backingmaterial)(Transducer)(lens)(crystal)(groundelectrode)(“hot”electrode)外壳(housingandinsulator)t换能器采样体积超声换能器与发射脉冲激励电脉冲有效激励的条件：21λ=ll1λ或lcf21=523010g/cm/scZ=×521.610g/cm/stZ=×人体组织反射率透射率晶体例：分别计算“有”和“没有”匹配层情况下传人人体组织的能量比率。（了解匹配层的作用）人体组织人体组织%81100%2=×⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+−=tctcZZZZR%19%811%=−=TscmgZZZtcm//109.625×=⋅=匹配层晶体与匹配层之间：%391%=R透射率%611%=T反射率匹配层与人体组织之间:%392%=R透射率反射率%612%=T%3761.061.0%=×=T总透射率：换能器结构线阵探头凸阵探头相控阵探头声场特性波束的声场特性超声辐射声场的空间分布与辐射频率、辐射孔径及辐射面结构等有关。孔径分布函数与声压远场指向函数为一对富里叶变换。空间波束的指向性函数：描述发射器辐射声场或接收器灵敏度的空间分布函数。换能器声场（近场与远场）()⎭⎬⎫⎩⎨⎧⎥⎦⎤⎢⎣⎡−+⎟⎠⎞⎜⎝⎛=zzaIIz212220sinλπ近场远场maxzλ42maxDz=D=2a0IIzz主瓣与旁瓣换能器θ)22.1(sin01Dfc−=θDθD换能器声束的发散λ42maxDz=Dfc022.1sin=θ动态孔径：近场用小孔径；远场用大孔径波束形成器阵列换能器之一线阵探头换能器阵元阵列换能器之二凸阵探头R阵列换能器之三相控阵探头延迟线计算举例合成波阵面波束方向1n23发射脉冲)(a1n23发射脉冲合成波阵面波束方向)(b1n23合成波阵面波束方向发射脉冲)(c1n23合成波阵面波束方向发射脉冲焦点)(d超声成像系统中的空间分辨率问题t换能器采样体积激励电脉冲空间分辨率：轴向分辨率与侧向分辨率轴向分辨率侧向分辨率波束细脉冲窄电激励信号声压PRFτ02fQ=τ轴向分辨率轴向分辨率42minλτQcdAR===cτABdAB12AB213AB4321d202fQ=τ改善轴向分辨率的方法42minλτQcdAR===fc=λ1、降低Q2、提高频率换能器超声束侧向分辨率改善侧向分辨率的方法•声透镜聚焦•一维电子聚焦•动态孔径•环阵技术•动态频率扫描•数字式波束形成器声透镜聚焦换能器声透镜超声束换能器阵元一维电子聚焦换能器阵元动态孔径超声探头从一维到二维结构的演变超声波束换能器环阵技术动态频率扫描基本做法：1.对较浅的探查区域采用较高的发射频率以获得较高的轴向分辨率2.对较深的探查区域适当降低发射频率以保证一定的探查深度3.将采集到的不同深度处的图象“拼”在一起，构成完整的图象数字式波束形成器A/D图像存储、处理与显示模拟延迟线回波信号换能器阵元Σ波束形成器模拟波束形成器A/DA/D数字延迟线回波信号换能器阵元数字波束形成器图像存储、处理与显示ΣA/D=模拟/数字波束形成器数字波束形成器阵元数波束形成通道数波束数物理通道数空间分辨力时间分辨力若干名词术语的解释波束形成器换能器声透镜聚焦超声束回波信号换能器阵元电子聚焦....波束形成通道地址选择回波信号A/DA/D数字延迟线回波信号换能器阵元数字波束形成器图像存储、处理与显示ΣA/D#1名词术语（一）图像存储、处理与显示A/D#1A/D#M数字延迟线回波信号换能器阵元Σ123N换能器阵元数N波束形成通道数M波束形成器#P波束形成器#3名词术语（二）波束形成器#2回波信号换能器阵元123N换能器阵元数NA/D物理通道数ZΣ波束形成器#1A/D#1A/D#M波束形成通道数M波束形成器数P物理通道数Z阵元数N波束形成通道数M波束形成器数P（1）细微分辨力：清晰地区分细微组织的能力。（2）对比分辨力：指有明亮反射物存在的情况下，鉴别弱回声组织的能力；分辨回声相接近的相邻组织的能力。（3）全场均匀性：在整个显示范围内都能提供较好的细微分辨力与对比分辨力的能力。图像的空间分辨力图像的空间分辨力：阵元密度高波束形成通道数多延迟线精度高系统动态范围大波束形成与成像质量成像的时间分辨力：多波束形成提高图像空间分辨力的技术系统动态范围大延迟线精度高阵元密度高波束形成通道数多图像存储、处理与显示A/D#1A/D#M数字延迟线回波信号换能器阵元Σ123N提高图像空间分辨力的技术波束形成通道延迟线精度高地址选择回波信号地址选择回波信号A/DA/D??系统动态范围大0V10V8位A/D0255每级39mV10位A/D0每级9.7mV102312位A/D04095每级2.4mV提高图像空间分辨力的技术模拟数字转换成像的时间分辨