灰階超聲成像原理

1、灰階超聲成像原理,,■ 一、灰階及回聲的概念,■ 二、灰階成像的三大基本要素,■ 三、灰階成像的三大步驟,■ 四、灰階超聲中常用術(shù)語(yǔ)及其調(diào)節(jié),一、灰階及回聲,一、灰階及回聲的概念,灰階（gray-scale）：灰色色調(diào)的數(shù)量，表示在圖上黑色到白色的之間的灰度（亮度）。,■ 目前超聲常使用256級(jí)灰階。,■ 回聲（echo）：對(duì)灰階的統(tǒng)稱(chēng)。 根據(jù)灰階的不同，回聲可大致分為五種類(lèi)型：,1、強(qiáng)回聲：灰度明亮，后方常伴聲影，如結(jié)石或

2、鈣化灶。2、高回聲：灰度較明亮，后方不伴聲影，如腎竇或血管瘤。3、等回聲：灰階強(qiáng)度呈中等水平，如正常的肝脾實(shí)質(zhì)回聲。4、低回聲：透聲較好的暗區(qū)，如正常的淋巴結(jié)。5、無(wú)回聲：均勻的液體，如正常充盈的膀胱或膽囊。,強(qiáng)回聲：膽囊結(jié)石,高回聲：肝內(nèi)血管瘤,等回聲：正常脾實(shí)質(zhì),低回聲：頸部淋巴結(jié),無(wú)回聲：充盈好的膀胱,二、灰階成像三大基本要素,二、灰階成像的三大基本要素,A：水槽中的乒乓球照片,B：灰階超聲切面圖像,●為何會(huì)產(chǎn)生差別？,A

3、圖成像原理：乒乓球→視網(wǎng)膜→大腦皮層→完整圖像,B圖成像原理：探頭發(fā)射超聲波→乒乓球（介質(zhì)）→接收回波信號(hào)顯像→切面灰階圖像,灰階成像三要素：,1、超聲波→振源（Ultrasound）,2、乒乓球壁→介質(zhì)(Medium),3、接收回波的探頭→感受器(Receiver),振源,介質(zhì),感受器,1、聲源——超聲波,｛,電磁波：無(wú)線(xiàn)電波、X線(xiàn)、可見(jiàn)光等。,機(jī)械波,｛,波,次聲波：<20HZ,可聽(tīng)波：20HZ——20KHZ,超聲波：&g

4、t;20KHZ,超聲波:聲源高速振動(dòng)， 其頻率20000次 (Hz) 以上，超過(guò)人類(lèi)的聽(tīng)覺(jué)閾值，不能被人耳感受的的機(jī)械振動(dòng)。,,,◆ 有關(guān)超聲波的物理量：,①波長(zhǎng)（wavelength,λ ）：在傳播過(guò)程中一個(gè)完整周期內(nèi)所通過(guò)的距離。,波長(zhǎng)λ,② 聲速（ velocity of sound, c ）,單位時(shí)間內(nèi)聲波在介質(zhì)中傳播的距離稱(chēng)聲速。其傳播速度在氣體中較小, 360 m/s左右；在液體和人體軟組織中較大，1500 m/s 左右

5、；在固體中最大，約為4500 m/s 左右。,■ 超聲儀器在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)于不同的軟組織，假定了一個(gè)相對(duì)平均的速度，即1540M/S.,③頻率（Frequency, f ）：,單位時(shí)間內(nèi)單位振動(dòng)的次數(shù)，亦超聲波通過(guò)介質(zhì)中某點(diǎn)的疏密波的次數(shù)。,★波長(zhǎng)、聲速與頻率之間關(guān)系密切，公式如下：,聲速 (c) 波長(zhǎng)(λ)＝ ---------- 頻率 (f),,頻率低，波長(zhǎng)長(zhǎng)，穿透性好，透入深，分辨力低頻率高，波長(zhǎng)短

6、，穿透性差，透入淺，分辨力高,■ 目前醫(yī)用超聲波的頻率：200KHZ——100MHZ。,■ 目前臨床超聲儀常用頻率：2MHZ——15MHZ。,醫(yī)用超聲頻率的應(yīng)用范圍,,頻率范圍（單位：MHZ） 應(yīng)用情況 2—5 腹部、心臟等檢查 5—10

7、 淺表器官、外周血管等檢查 10—30 皮膚、血管內(nèi)、內(nèi)窺鏡等檢查 40—100 聲學(xué)顯微鏡,◆ 有關(guān)超聲波的物理性能：,①方向性（指向性，direction ）,②反射（ reflection ） 與透射（

8、transmission）,超聲在傳播中，經(jīng)過(guò)兩種不同介質(zhì)的界面時(shí)，一部分能量由界面處返回第一介質(zhì)，此即反射(reflection)。另一部分能量穿過(guò)界面，進(jìn)入第二介質(zhì)，此即透射 (transmission)。,◆ 探頭可接收的回波信號(hào)的強(qiáng)度與入射波 和反射界面之間的夾角有關(guān)，垂直入射（入射角為0），反射越多，探頭接收到的回波信號(hào)最強(qiáng)；入射角越大，反射越少，能返回的信號(hào)越弱。,③散射（ scattering ） 與繞射（di

9、ffraction）,繞射：如界面不大，可與超聲波波長(zhǎng)相比，則聲波將繞過(guò)該界面繼續(xù)向前傳播。,散射：如物體的直徑小于超聲波的波長(zhǎng)時(shí)，則聲波向物體的四面八方輻射。,■在人體結(jié)構(gòu)中，散射主要發(fā)生在組織或 器官內(nèi)部大小與超聲波長(zhǎng)接近或更小的 微小結(jié)構(gòu)上，如肝臟中的肝小葉，腎中 的腎小體，心臟中的心肌纖維、血液中 的紅細(xì)胞。,■超聲在工作中，是反射、透射、散射、 繞射的綜合運(yùn)用。,④吸收（ ab

10、sorption ） 與衰減( attenuation),當(dāng)聲波穿過(guò)介質(zhì)時(shí)，由于“內(nèi)摩擦 ”或所謂“粘滯性”，使聲能被吸收、 散射而逐漸減弱，聲波的振幅隨之減低，此即衰減。,吸收與衰減的多少和超聲的頻率、介質(zhì)的粘滯性、導(dǎo)熱性、溫度及傳播的距離等因素有密切關(guān)系。,衰減程度的一般規(guī)律是： 骨 (或鈣化區(qū)) > 軟骨 > 肌腱 >肝、腎組織 >脂肪 > 血液 > 尿液與膽汁。

11、 一般而言，頻率增加1MHZ,同時(shí)深度增加1cm,超聲波的能量會(huì)衰減1dB.,聲能隨著透入距離增加而減弱,2、介質(zhì)——傳播聲波的媒介物質(zhì),,①氣體和充氣的肺組織,②液體和軟組織,③骨骼和礦物化后的組織,,■超聲檢查中，人體組織就是超聲波傳播的介質(zhì)。,回聲的強(qiáng)度為何不同？,“介質(zhì)聲阻抗差”,聲阻抗（ acoustic impedance ）：介質(zhì)的密度與超聲波在介質(zhì)中傳播速度的乘積。,設(shè)：Z為聲阻，ρ為密度，c為聲速則：聲阻 (Z)＝

12、密度 (ρ) X 聲速 (c),●設(shè)定超聲波在介質(zhì)中傳播速度為1540m/s, 則聲阻抗與介質(zhì)的密度差相關(guān)。●介質(zhì)越硬，組織的聲阻抗越大?！褚话懵曌杩梗汗虘B(tài)>液體>氣體,■ 超聲波傳播過(guò)程中，所遇的組織界面不同，其 聲阻抗也不一樣，發(fā)生反射、折射等現(xiàn)象，反 射、折射等程度不一，與介質(zhì)的聲阻抗差密切 相關(guān)。,■反射系數(shù)之大小決定在界面處兩介質(zhì)聲阻之差。 設(shè) Z1為第一介質(zhì)之聲阻，Z2

13、為第二介質(zhì)之聲阻 公式表之： 　　　　　　　　　　 Z1 - Z2　 聲強(qiáng)反射系數(shù) R1 = (----------)2　　　　　　　　　　　 Z1 + Z2,人體組織聲學(xué)類(lèi)型：,(一)無(wú)反射型,液體內(nèi)的界面無(wú)明顯聲阻抗差異，如假設(shè)有一界面，因其前后聲阻值相似，其反射系數(shù)為0或接近于0，超聲通過(guò)相應(yīng)區(qū)域時(shí)無(wú)何反射。此乃液體的特點(diǎn)，故稱(chēng)無(wú)回聲區(qū)或液性暗區(qū)。,（二）少反射型,超聲經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)比較均勻

14、的實(shí)質(zhì)組織如肝臟、脾臟、甲狀腺、睪丸等器官和組織時(shí)，在相應(yīng)區(qū)域即或有些界面，但聲阻差較小，回聲較少，此即少反射型或稱(chēng)低回聲區(qū)。,（三）多反射型,超聲經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)雜亂的實(shí)質(zhì)組織如乳腺時(shí)，因結(jié)構(gòu)復(fù)雜，界面甚多，其前后聲阻差大，故反射較多且強(qiáng)，光點(diǎn)更為密集，回聲強(qiáng)度亦大，此稱(chēng)多反射型或謂高回聲區(qū)。,（四）全反射型,在軟組織與含氣組織(如肺、腸腔)交界處，界面前后聲阻相差3000多倍，反射系數(shù)達(dá) 99.9％，接近于全部反射，故不能透入第二介質(zhì)，使界

15、面后的組織結(jié)構(gòu)則無(wú)法顯示，故稱(chēng)全反射型。,3、感受器——探頭,探頭接收組織反射回來(lái)的信號(hào)后，經(jīng)儀器處理放大，在示波屏上形成代表界面反射強(qiáng)弱的光點(diǎn)與波幅。,超聲，是利用超聲波在人體不同組織產(chǎn)生反射和散射等的回波中所攜帶的人體解剖形態(tài)信息，經(jīng)處理形成灰度顯示圖像來(lái)診斷疾病的儀器。,三、灰階成像三大步驟,發(fā)送脈沖波,接收回波信號(hào),電路處理灰階顯像,↓,↓,,,,利用逆壓電效應(yīng)，將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，發(fā)射超聲波,利用壓電效應(yīng)，將回波聲

16、信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，由探頭接收,電路轉(zhuǎn)換、數(shù)字掃描變換、后處理（像素亮度后處理、灰階變換、圖像平滑、復(fù)合視頻等）,探頭（probe）主要構(gòu)成： 聲透鏡、匹配層、壓電陣子、吸聲塊。,壓電陣子,■ 是超聲換能器的核心?！?目前使用較多的是人造壓電陶瓷（PZT，鋯鈦酸鉛）?！?優(yōu)點(diǎn)：電-聲能轉(zhuǎn)換率高；性能穩(wěn)定，價(jià)廉，易于加工 可壓制成任意形態(tài)、尺寸（線(xiàn)陣、凸陣、矩陣等）

17、 非溶水性、耐濕防潮、機(jī)械強(qiáng)度較好■ 缺點(diǎn)：多晶體，使用頻率受一定限制 易脆性；受溫度影響大；老化性,■ 探頭制作過(guò)程中，將壓電陶瓷切割成多個(gè)振元， 每個(gè)振元又分成多個(gè)陣子進(jìn)行排列?！?目前常用的是128振元。,壓電陣子與逆壓電效應(yīng)： 電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，發(fā)射超聲波。,◆ 將此晶體置于交變電場(chǎng)時(shí)，則可發(fā)現(xiàn)晶體 厚度有

18、所改變，出現(xiàn)強(qiáng)烈的壓縮或擴(kuò)張。,壓電陣子與壓電效應(yīng)： 機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，由換能器接收。,◆ 在石英等晶體上施加壓力時(shí)， 晶體表面上即出現(xiàn)異名電荷。,聲透鏡,■ 位置：在探頭的匹配層與人體組織間；■ 材料：常用塑料或樹(shù)脂制成；■ 作用：聲聚焦和換能器的保護(hù)層；■ 原理：透鏡材料的聲速大于周?chē)橘|(zhì)聲速時(shí)聲束可 折射效應(yīng)發(fā)生會(huì)聚。,匹配層,■ 是位于壓電振子前面的一層或多層的

19、聲學(xué)材料?！?作用：使高聲阻抗的壓電振子與低聲阻抗的人體組 織間達(dá)到阻抗匹配，以提高聲能的最大傳效率■ 發(fā)射不同頻率的聲波需要不同的匹配層。,吸收塊,■ 位置：位于壓電振子背后■ 材料：由鎢粉與環(huán)氧樹(shù)組成的強(qiáng)吸聲物■ 作用：防消除后向干擾；實(shí)現(xiàn)窄脈沖，提高縱向分力■ 原理：透吸收背向聲波，使之能量消耗。,,探頭,發(fā)射電路,控制電路,電源,接收電路,掃描電路,顯示器,,,,,,,,,,,,,,,,,四、灰階超

20、聲中常用 術(shù)語(yǔ)及其調(diào)節(jié),1、增益（gain）,◆增益是指接收機(jī)的放大倍數(shù)，為后處理過(guò)程?！糁饕槍?duì)回波信號(hào)的幅度進(jìn)行調(diào)節(jié)，用于改 變圖像亮度（回聲強(qiáng)度）。◆一般采取近場(chǎng)負(fù)增益和遠(yuǎn)場(chǎng)正增益?！粼鲆娴倪^(guò)高或者過(guò)低都會(huì)造成漏診?！羝湔{(diào)節(jié)因人，因檢查的部位而異，也會(huì)受到 環(huán)境亮度（燈光）的影響?！粼跈z查過(guò)程中應(yīng)該隨時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)。 如，看結(jié)石可適當(dāng)調(diào)低增益，看囊腫調(diào)高增益。,2、時(shí)間增益控制（tim

21、e gain control，TGC）,◆TGC主要補(bǔ)償因深度造成的聲衰減。◆通過(guò)調(diào)節(jié)使灰階圖像亮度均勻平滑， 多有8—10組鍵組成。◆主要是對(duì)近場(chǎng)抑制、遠(yuǎn)場(chǎng)抑制、遠(yuǎn)場(chǎng)增強(qiáng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。 近場(chǎng)抑制：因皮膚等反射強(qiáng)，腹壁的 小病灶易被強(qiáng)回聲掩蓋。 遠(yuǎn)場(chǎng)抑制：通常用于空腔含液性臟器的檢查， 如看充盈膀胱后壁的強(qiáng)反射。 遠(yuǎn)場(chǎng)增強(qiáng)：用于降低近場(chǎng)或

22、中場(chǎng)引起的 如重度脂肪肝時(shí)，利于檢查遠(yuǎn)場(chǎng)病灶。,3、深度（Depth）,◆聲束穿透介質(zhì)的距離（深度）?！羯疃却髸r(shí)，幀頻降低，成像速度減慢?！羯疃容^大，遠(yuǎn)場(chǎng)的分辨力降低， 深度較小，遠(yuǎn)場(chǎng)的分辨力提高?！粲^察病灶時(shí)，應(yīng)盡量將之顯示在比較合適的深度 進(jìn)行觀察。較深位置的病灶應(yīng)將其顯示在較淺的 位置觀察。,4、輸出功率（power）,◆改變探頭發(fā)射超聲波的總能量?！羰且环N前

23、處理?！舫鲇诎踩钥紤]，一般使用能得到滿(mǎn)意 圖像質(zhì)量的最低能量輸出?！?婦產(chǎn)科胎兒檢查時(shí)，盡量使用低輸出功率 并縮短檢查時(shí)間。,5、動(dòng)態(tài)范圍（dynamic range）,◆動(dòng)態(tài)范圍，接收的動(dòng)態(tài)回波信號(hào)的變化幅度?！籼筋^能接收的最大有用信號(hào)電壓幅度與最小 有用信號(hào)電壓幅度之間的差異代表探頭接收 有用信號(hào)的能力或超聲儀的放大電路處理有 用信息的能力?！魟?dòng)態(tài)范圍大，得到的回波信息量多，病灶的

24、包容量大，圖像分辨力高，圖像看起來(lái)更加 平滑。但是也可能造成噪聲信號(hào)進(jìn)入而對(duì)有 用信號(hào)本身造成干擾，另外也會(huì)降低幀頻。 動(dòng)態(tài)范圍小，雖幀頻提高，但是圖像看起來(lái)會(huì) 更加模糊。 ◆ 一般放置在80db左右。,6、聚焦（focus）,◆目前的電子探頭都是使用電子聚焦技術(shù)?！粼谀硞€(gè)深度范圍內(nèi)使反射或接收的超聲束變窄， 提高圖像的側(cè)向分辨力?！暨B續(xù)動(dòng)態(tài)聚焦，由機(jī)器自動(dòng)完成，是數(shù)字波束形 成器中采用的，

25、 可以對(duì)于接收聲束進(jìn)行全程實(shí) 時(shí)動(dòng)態(tài)聚焦，在整個(gè)掃差深度上都可以達(dá)到較 高的側(cè)向分辨力。◆ 探頭發(fā)射的聲束的聚焦，通過(guò)調(diào)節(jié)其數(shù)量、位 置及間距，可以實(shí)現(xiàn)圖像的優(yōu)化?！?聚焦數(shù)量過(guò)多，也會(huì)影響幀頻。,7、一鍵優(yōu)化,◆按下按鈕，超聲儀會(huì)自動(dòng)對(duì)儀器的灰階超聲 的顯示進(jìn)行調(diào)節(jié)。◆方便操作，提高效率。◆并不絕對(duì)，實(shí)際操作中還是需要因人、因部位、 因環(huán)境等隨時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)。,8、幀頻（Frame rat

26、e）,◆幀頻，也叫超聲時(shí)間分辨率，是指每秒成像的幀數(shù)。◆幀頻越高，獲取圖像的時(shí)間越短，成像越快，圖像 的顯示也越平穩(wěn)?！舫上駧l大小與多聲束形成技術(shù)和探測(cè)深度相關(guān)。 多聲束成像技術(shù)可以提高幀頻； 探測(cè)深度越小，成像幀頻就越高?！粲绊憥l的因素：深度、焦點(diǎn)、動(dòng)態(tài)范圍、 彩色取樣框大小。,實(shí)時(shí)成像：儀器每秒的速度達(dá)到24幀以上，可顯示各種靜 態(tài)及活動(dòng)臟器，如心臟

27、及血管的搏動(dòng)、胎心等。,9、分辨力（ Resolution ）,◆ 分辨力是指超聲檢查時(shí)能在熒光屏上被分別顯示 為兩點(diǎn)的最小間距?！?依方向不同可分為縱深分辨力與橫向分辨力 (depth resolution and lateral resolution)。,探頭頻率越低，分辨力越低探頭頻率越高，分辨力越高,10、諧波成像（Harmonic Imaging）,,◆諧波：由于聲波在人體組織內(nèi)傳播過(guò)程產(chǎn)生的

28、 非線(xiàn)性以及組織界面入射\反射關(guān)系的非 線(xiàn)性，使得當(dāng)發(fā)射聲波頻率為f0時(shí)，回波 （由于反射或散射）頻率中除有f0 （基波）， 還有2 f0、3 f0……（諧波）， 其中以二次 諧波（2 f0 ）的能量最大。,◆組織諧波成像：利用超寬頻探頭接收非線(xiàn)性的高

29、 頻諧波信號(hào)，將多頻率信號(hào)放大、 平均處理后再實(shí)時(shí)成像，由于接 收頻率的提高，對(duì)較深組織的分辨 力也有了提高，明顯增強(qiáng)了對(duì)細(xì)微 病變的顯現(xiàn)力。,◆二次諧波成像：儀器通過(guò)帶通濾波，只提取二

30、 次諧波信號(hào)進(jìn)行成像。用于心 外臟器和組織的檢查。,11、邊緣增強(qiáng)（edge enhancement）： 將圖像相鄰像元(或區(qū)域)的亮度值(或色調(diào)) 相差較大的邊緣處加以強(qiáng)調(diào)予以突出處理。經(jīng)邊 緣增強(qiáng)后的圖像能更加清晰地顯示出不同目標(biāo)類(lèi) 型或現(xiàn)象的邊界。,,12、伽馬校正（Gamma c