第八章-超聲波成像

1、第八章 超聲波成像原理·設(shè)備與臨床應(yīng)用,,超聲成像ultrasonograghy, USG,定義： 利用超聲波的物理特性和人體組織器官的聲學(xué)特性相互作用而產(chǎn)生的信息，經(jīng)處理后形成圖形和曲線，借此進(jìn)行疾病診斷的一種物理檢查方法。,超聲波的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn),USG特點(diǎn)： 對(duì)軟組織的分辨能力強(qiáng) 信息的顯示有多種方法USG優(yōu)點(diǎn)： 無(wú)損傷、無(wú)痛苦、無(wú)輻射 實(shí)時(shí)、快捷、準(zhǔn)確、方便,

2、超聲發(fā)展概況,40年代 探索階段50年代 A型、M型超聲儀70年代 灰階實(shí)時(shí)超聲（B型） 雙功能超聲儀（ B型+頻譜）80年代 彩色多普勒超聲儀 （ B型+ 彩色+頻譜）90年代 新技術(shù) （超聲造影、諧波成像、 超高頻探頭、三維超聲等）,第一章 醫(yī)學(xué)超聲學(xué)基礎(chǔ),第一節(jié) 超聲波的定義及特性一、自然界中的波分為： 1

3、、電磁波 2、 機(jī)械波二、超聲波為機(jī)械波的一種 次聲波：f20kHz 醫(yī)學(xué)超聲：200kHz<f<40MHz 診斷超聲：1MHz<f<10MHz,,,第二節(jié) 超聲波的產(chǎn)生 振動(dòng)是聲學(xué)的基礎(chǔ)，只有聲源的振動(dòng)，才能產(chǎn)生超聲波，聲源的振動(dòng)在彈性介質(zhì)中傳播出去，就形成了超聲波。,超聲波的特性,１．超聲波方向性好 ２．超聲波能量高 ３．超聲

4、波的傳播特性４．超聲波的傳播能力,,第三節(jié) 超聲波的分類(lèi)一、按質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向和波的傳播方向分類(lèi)：橫波和縱波。 1、橫波：質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向和波的傳播方向垂直的波； 2、縱波：質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向和波的傳播方向一致的波；,第四節(jié) 超聲的特征量,頻率和波長(zhǎng)； 聲速； 聲壓； 聲阻抗： Z=rc 聲強(qiáng)：?jiǎn)挝幻娣e通過(guò)的聲能量。,,一、聲速：聲波在介質(zhì)中單位時(shí)間內(nèi)傳播的距離。 聲速一般不隨頻率而變，即無(wú)頻散現(xiàn)象

5、。 一般來(lái)說(shuō)，C固>C液>C氣 。 人體軟組織聲速為1540m/s 二、波長(zhǎng)，周期和頻率 1、波長(zhǎng)：聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)兩個(gè)相鄰?fù)辔稽c(diǎn)之間距離； 2、周期：波向前移動(dòng)一個(gè)波長(zhǎng)所用的時(shí)間； 3、頻率：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過(guò)的波數(shù)； 三者之間的關(guān)系：λ=CT=c/f波長(zhǎng)決定了極限分辨率，而頻率決定了探測(cè)深度。,,,三、聲阻抗：聲場(chǎng)中某一位置的聲壓與該處質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度之比，即

6、P/v=Z，只與介質(zhì)的聲學(xué)特性有關(guān)，又叫特征阻抗。 對(duì)于平面波有：Z=ρc四、聲壓和聲強(qiáng)：?jiǎn)挝幻娣e上介質(zhì)受到的壓力稱(chēng)為聲壓。 對(duì)于平面波： 聲壓：P=ρcv=ZV 聲強(qiáng)：I=P2/ρc 聲功率：W=Is s為面積,超聲的傳播特性,⒈ 指向性⒉ 反射、折射、散射和繞射⒊ 吸收與衰減⒋ 分辨力與穿透力⒌ 多普勒效應(yīng),,聲波在介

7、質(zhì)中傳播時(shí),遇到不同聲阻抗的分界面,會(huì)產(chǎn)生反射和折射,反射波的強(qiáng)度由反射系數(shù)決定：反射聲波的強(qiáng)度與入射聲波的強(qiáng)度之比，用air表示； 透射波的強(qiáng)度由透射系數(shù)決定：透射聲波的強(qiáng)度與入射聲波的強(qiáng)度之比，用ait表示。,,按聲速和聲阻抗的不同，人體組織可分為三類(lèi)： 1、 氣體和充氣的肺 2、液體和軟組織 3、骨骼和礦物化后的組織

8、 由于這三類(lèi)材料存在較大的阻抗差別，聲波很難從一類(lèi)材料傳到另一類(lèi)材料區(qū)域中去，在液體和軟組織中，聲速和阻抗變化不大，使得聲反射量適中，既保證了界面回波的顯像觀察，亦保證了聲波可穿透足夠的深度，而且接收回波的時(shí)延與目標(biāo)深度成近似正比的關(guān)系，這是B超診斷成像的物理基礎(chǔ)。,,,,三、散射和繞射 反射和折射的前提條件是：反射界面對(duì)于入射波波長(zhǎng)來(lái)說(shuō)是無(wú)限大的，即d>>λ。1、若d與λ接近，則發(fā)生繞射，超聲波僅繞過(guò)障

9、礙物的邊緣前進(jìn)，2、若d<<λ，則發(fā)生散射，障礙物又成為新的波源，并向四周發(fā)射超聲波。,,第六節(jié) 超聲在生物組織中的衰減 一、超聲波的衰減：超聲在介質(zhì)中傳播時(shí)，其聲強(qiáng)隨著距離的增加而減弱的現(xiàn)象。 主要包括：聲束本身的擴(kuò)散和介質(zhì)的吸收（粘滯、弛豫、分子相對(duì)運(yùn)動(dòng)、空化吸收等）。,⒊ 超聲波的吸收與衰減,聲衰減定義： 是指聲能隨著傳播距離而減弱的現(xiàn)象 衰減量=頻率×

10、;深度頻率高，衰減重 原因：吸收損耗、聲束擴(kuò)散、反射和折射,⒋ 超聲波的分辨力與穿透力,頻率高，分辨好，穿透差頻率低，分辨低，穿透強(qiáng)對(duì)應(yīng)的臨床應(yīng)用：檢測(cè)淺表器官，采用高頻探頭檢測(cè)深部臟器，采用低頻探頭,⒌ 多普勒效應(yīng),聲源與接收體之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起聲波頻率發(fā)生改變的現(xiàn)象，頻率的變化稱(chēng)為頻移fdfd = f`- f0 = Vcosθf(wàn)0/c f0 為入射超聲頻率 f` 為回聲頻率

11、 V 為物體的運(yùn)動(dòng)速度 C 為聲速 cosθ為運(yùn)動(dòng)方向與聲束方向間的夾角,多普勒效應(yīng)示意圖,多普勒效應(yīng)示例,血流信息獲取,,V =血流速度 C =聲速 cosθ=血流與探頭間夾角,cosθ＜900，血流迎向探頭，fd為正值稱(chēng)為正性頻移cosθ＞900，血流遠(yuǎn)離探頭，fd為負(fù)值稱(chēng)為負(fù)性頻移,夾角對(duì)fd值的影響,超聲成像的基本原理,聲阻抗特性聲衰減特性多普勒效應(yīng),人體組織的聲學(xué)特征,無(wú)回聲 （無(wú)反射型）—膽

12、汁、尿液、血液低回聲 （少反射型）—肝、脾強(qiáng)回聲 （多反射型）—血管壁、結(jié)石極強(qiáng)回聲（全反射型）—肺、胃腸道,第二節(jié) 醫(yī)用超聲換能器,功能 電能量←→超聲能量　　相互轉(zhuǎn)換 重要性 整臺(tái)超聲儀器性能的關(guān)鍵 材料性能種類(lèi)１. 壓電換能器——超聲診斷儀主要用之２. 磁致伸縮換能器——超聲治療儀用之,超聲診斷儀換能器探頭,超聲診斷儀換能器探頭,第一節(jié)　壓電換能器,一、壓電效應(yīng)1. 正向壓電效應(yīng) 材

13、料兩端加壓力→兩電極產(chǎn)生電場(chǎng) 壓力 →形變→晶格電偶極矩變化→電荷積累→電場(chǎng) 2. 逆向壓電效應(yīng) 材料兩端加電壓→材料產(chǎn)生形變 電壓→電場(chǎng)→晶格電偶極受力→應(yīng)力→形變 材料正、逆向壓電效應(yīng)可逆,壓電效應(yīng)示意圖,,二、醫(yī)用壓電材料,1. 壓電材料: 具有壓電效應(yīng)特性的材料。 2. 壓電材料的種類(lèi)（1）壓電單晶體 石英、酒石酸鉀鈉、磷酸二氫銨、鈮酸鉀、硫酸鋰等

14、（2）壓電多晶體 鈦酸鋇、偏鈮酸鉛、鋯鈦酸鉛、鈮鎂-鋯-鈦酸鉛等（3）壓電高分子聚合物 聚偏二氟乙烯等（4）復(fù)合壓電材料 聚偏二氟乙烯+鋯鈦酸鉛復(fù)合（PVDF+PZT）等,超聲診斷中常根據(jù)不同的受檢對(duì)象和部位選擇不同的探頭，如2 MHz、2.5 MHz、5 MHz、10 MHz等，探頭的發(fā)射頻率是由什么決定的呢？,３．探頭的發(fā)射頻率,當(dāng)一交變電壓加至壓電材料上時(shí)，壓電晶片表面產(chǎn)生相應(yīng)的振動(dòng)，并向與之接觸的介質(zhì)

15、中輻射超聲能量。除非特性阻抗相等，一般總有部分超聲能量被壓電晶片前后表面反射，在壓電體內(nèi)傳向?qū)γ?。因?yàn)榍昂蟊砻嬲駝?dòng)反相，當(dāng)L=λ/2時(shí)，壓電體內(nèi)傳播時(shí)間　　　 t = L/c = (λ/2)/c = (cT/2)/c = T/2即：到達(dá)對(duì)面時(shí)，與相移180o的對(duì)面振動(dòng)疊加，達(dá)到同頻同相疊加，輻射超聲最強(qiáng)，即為諧振情況。對(duì)應(yīng)頻率 f = c/λ= c/2

16、L稱(chēng)基本諧振頻率，或基頻。,,,一般地，基頻或更高頻率在壓電體內(nèi)傳播從一個(gè)表面到達(dá)對(duì)面所用時(shí)間為： 　　 t = L／c = (2n-1)T2n-1 ／2 　　 (n=1,2,…)即：　 L= (2n-1)λ2n-1 ／2 或：　 f2n-1 = 1／T2n-1 = (2n-1)c／2L時(shí)，都能達(dá)到諧振。 f1—基頻， f 3，f5，f7…—高次諧振頻率，　　f1L＝c／2—

17、—材料的頻率常數(shù),結(jié)論 探頭的發(fā)射頻率是由晶體的厚度決定的。,第二節(jié)　換能器的超聲場(chǎng),超聲場(chǎng) 彈性介質(zhì)中充滿(mǎn)超聲能量的空間，或超聲傳播時(shí)超聲能量在介質(zhì)中的空間分布。 平面圓片換能器活塞振動(dòng)的穩(wěn)態(tài)超聲場(chǎng) 活塞振動(dòng)——平面振動(dòng) 穩(wěn)態(tài)超聲場(chǎng)——不考慮　建立過(guò)程的穩(wěn)定超聲場(chǎng) r,θ—— 極坐標(biāo) z —— 聲軸方向 a —— 圓片半徑,可看成無(wú)數(shù)頻率、振幅、相位相同的點(diǎn)聲源聲場(chǎng)疊

18、加， 在 B(r,θ)點(diǎn)積分求得P ，并進(jìn)而求得I = P2/Z一、軸向聲場(chǎng)分布（θ=0, r可變）（1） 聲軸上聲強(qiáng)表達(dá)式　式中：Z——介質(zhì)聲阻抗，V0——速度振幅，λ——波長(zhǎng)　可見(jiàn)：（2）軸向聲場(chǎng)分布圖（據(jù)上式）　 當(dāng)0＜r ≤r0，存在數(shù)個(gè)極大值和極小值，　 當(dāng)r＞r0 后，隨著r的增大，聲強(qiáng)逐漸減弱。,軸向上聲場(chǎng)分布圖,（3） 近場(chǎng)距離( r0 )　 式中，D=2a——壓電體直

19、徑，如a>>λ，則 聲學(xué)上稱(chēng)： ① r r0——遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)　 （4）軸向聲強(qiáng)分布特點(diǎn)　 ① 近場(chǎng)區(qū)：聲強(qiáng)軸向起伏分布，但平均強(qiáng)度不變　 ② 遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)：聲強(qiáng)軸向單調(diào)衰減，I ∝1／r2,二、徑向聲場(chǎng)分布（r=定值, θ可變）,（1） 徑向近場(chǎng)分布 近場(chǎng)衍射現(xiàn)象：聲束截平面上聲強(qiáng)分布為許多最　　 大強(qiáng)度和最小強(qiáng)度的同心圓環(huán)，環(huán)的數(shù)量隨著距　　 離的增加而減少。 聲

20、能幾乎不擴(kuò)散，聲束寬度接近相等（等于D）。 （2） 徑向遠(yuǎn)場(chǎng)分布 波束如圖2－6所示。 遠(yuǎn)場(chǎng)聲強(qiáng)呈多個(gè)瓣形，　 主瓣最強(qiáng)( >98% )，　 旁瓣多但較弱。,（3） 主瓣角θ　 θ又稱(chēng)半發(fā)射角或擴(kuò)散角，表示聲束集中程度 Sinθ ≈ 0.61λ／a 一般θ角很小，sin

21、θ ≈θ ，故有 θ ≈ 0.61λ／a = 0.61c／fa 可見(jiàn)： f↑→θ ↓，和 a↑→θ ↓ （4） 徑向聲場(chǎng)簡(jiǎn)化圖　 如圖2－5(a)，聲束成錐形發(fā)散，半發(fā)散角為θ 近場(chǎng)中零值點(diǎn)，可能引起盲點(diǎn)。遠(yuǎn)場(chǎng)中旁瓣，會(huì)造成 顯示位置、距離測(cè)量等失真。需采取措施改善。,第三節(jié)　

22、探頭的結(jié)構(gòu)及其作用,超聲探頭——超聲檢測(cè)用換能器各種超聲診斷儀，探頭基本結(jié)構(gòu)大致相同，以Ａ型為例。一、探頭的基本結(jié)構(gòu) ① 壓電晶片 ② 吸聲背塊 ③ 匹配層 ④ 電極、導(dǎo)線 ⑤ 聲隔離層 ⑥ 保護(hù)層 ⑦ 外殼,１. 壓電晶片,（1）晶片形狀：圓片形、矩形、球殼圓片形、圓筒形,,（2） 作用 發(fā)射、接收超聲，即：電－聲、聲－電轉(zhuǎn)換?。?） 要求 ① 可

23、加工性 ② 銀層牢固 ③ 各部分性能一致性 ④ 性能穩(wěn)定性和可靠性?。?） 特性 ① 晶片厚度確定發(fā)射超聲的頻率 ② 晶片形狀確定聲束的形狀和聲場(chǎng)分布,2．吸聲背塊,（1）作用 ① 吸收晶體背向輻射的超聲，減少或消除晶體兩端 之間超聲的多次反射造成的干擾 ② 增大晶片阻尼

24、，使發(fā)射脈沖窄，從而提高分辨率?。?） 要求 ① 與壓電晶體的聲阻抗相等，以全部吸收背向輻射 ② 對(duì)超聲的吸收力強(qiáng)，很快衰減，不再反射 （3）組成 環(huán)氧樹(shù)脂 + 鎢粉 + 橡膠粉  空氣背襯，幾乎全反射，效率最高，用于超聲治療儀。,3．匹配層,（1）作用 ① 使晶體輻射的超聲有效進(jìn)入人體，實(shí)現(xiàn)對(duì)人體組織的檢查。換能器和人體之間聲阻抗匹配，

25、條件：　　 ② 增加換能器的帶寬 ③ 隔開(kāi)晶體和人體，保護(hù)晶體，免受機(jī)械、化學(xué) 損壞；保護(hù)人體，免受激勵(lì)電壓的傷害。?。?）要求 ① 衰減系數(shù)低 ② 耐磨損?。?）材料 環(huán)氧樹(shù)脂、二酊脂、乙二氨等,4．電極、導(dǎo)線,（1） 作用　 傳輸電信號(hào)（2） 結(jié)構(gòu)　 晶體兩面的銀層為電極，各引出一

26、根導(dǎo)線5．聲隔離層（1） 作用　 殼體與振動(dòng)體之間聲隔離，防止超聲傳至外殼引起 反射，產(chǎn)生干擾（2） 材料　 軟木、橡膠、尼龍等,二、單片換能器的基本型式,1．非聚焦換能器 換能元件：平面圓片壓電陶瓷 工作模式：厚度振動(dòng)2．聚焦換能器（聲學(xué)聚焦） ① 球面（曲面）壓電體聚焦 ② 聲透鏡聚焦 凹透鏡—— c透 > c人（金屬、多數(shù)塑料）