第八章-超聲波成像

1、第八章 超聲波成像原理·設備與臨床應用,,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，借此進行疾病診斷的一種物理檢查方法。,超聲波的特點和優(yōu)點,USG特點： 對軟組織的分辨能力強 信息的顯示有多種方法USG優(yōu)點： 無損傷、無痛苦、無輻射 實時、快捷、準確、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 灰階實時超聲（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 （超聲造影、諧波成像、 超高頻探頭、三維超聲等）,第一章 醫(yī)學超聲學基礎,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、 機械波二、超聲波為機械波的一種 次聲波：f20kHz 醫(yī)學超聲：200kHz<f<40MHz 診斷超聲：1MHz<f<10MHz,,,第二節(jié) 超聲波的產(chǎn)生 振動是聲學的基礎，只有聲源的振動，才能產(chǎn)生超聲波，聲源的振動在彈性介質中傳播出去，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) 超聲波的分類一、按質點的振動方向和波的傳播方向分類：橫波和縱波。 1、橫波：質點的振動方向和波的傳播方向垂直的波； 2、縱波：質點的振動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； 聲速； 聲壓； 聲阻抗： Z=rc 聲強：單位面積通過的聲能量。,,一、聲速：聲波在介質中單位時間內傳播的距離。 聲速一般不隨頻率而變，即無頻散現(xiàn)象

5、。 一般來說，C固>C液>C氣 。 人體軟組織聲速為1540m/s 二、波長，周期和頻率 1、波長：聲波在介質中傳播時兩個相鄰同相位點之間距離； 2、周期：波向前移動一個波長所用的時間； 3、頻率：單位時間內通過的波數(shù)； 三者之間的關系：λ=CT=c/f波長決定了極限分辨率，而頻率決定了探測深度。,,,三、聲阻抗：聲場中某一位置的聲壓與該處質點振動速度之比，即

6、P/v=Z，只與介質的聲學特性有關，又叫特征阻抗。 對于平面波有：Z=ρc四、聲壓和聲強：單位面積上介質受到的壓力稱為聲壓。 對于平面波： 聲壓：P=ρcv=ZV 聲強：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,,聲波在介

7、質中傳播時,遇到不同聲阻抗的分界面,會產(chǎn)生反射和折射,反射波的強度由反射系數(shù)決定：反射聲波的強度與入射聲波的強度之比，用air表示； 透射波的強度由透射系數(shù)決定：透射聲波的強度與入射聲波的強度之比，用ait表示。,,按聲速和聲阻抗的不同，人體組織可分為三類： 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、 由于這三類材料存在較大的阻抗差別，聲波很難從一類材料傳到另一類材料區(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，而且接收回波的時延與目標深度成近似正比的關系，這是B超診斷成像的物理基礎。,,,,三、散射和繞射 反射和折射的前提條件是：反射界面對于入射波波長來說是無限大的，即d>>λ。1、若d與λ接近，則發(fā)生繞射，超聲波僅繞過障

9、礙物的邊緣前進，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：超聲在介質中傳播時，其聲強隨著距離的增加而減弱的現(xiàn)象。 主要包括：聲束本身的擴散和介質的吸收（粘滯、弛豫、分子相對運動、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，穿透強對應的臨床應用：檢測淺表器官，采用高頻探頭檢測深部臟器，采用低頻探頭,⒌ 多普勒效應,聲源與接收體之間的相對運動引起聲波頻率發(fā)生改變的現(xiàn)象，頻率的變化稱為頻移fdfd = f`- f0 = Vcosθf0/c f0 為入射超聲頻率 f` 為回聲頻率

11、 V 為物體的運動速度 C 為聲速 cosθ為運動方向與聲束方向間的夾角,多普勒效應示意圖,多普勒效應示例,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為正值稱為正性頻移cosθ＞900，血流遠離探頭，fd為負值稱為負性頻移,夾角對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,人體組織的聲學特征,無回聲 （無反射型）—膽

12、汁、尿液、血液低回聲 （少反射型）—肝、脾強回聲 （多反射型）—血管壁、結石極強回聲（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　　相互轉換 重要性 整臺超聲儀器性能的關鍵 材料性能種類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1. 正向壓電效應 材

13、料兩端加壓力→兩電極產(chǎn)生電場 壓力 →形變→晶格電偶極矩變化→電荷積累→電場 2. 逆向壓電效應 材料兩端加電壓→材料產(chǎn)生形變 電壓→電場→晶格電偶極受力→應力→形變 材料正、逆向壓電效應可逆,壓電效應示意圖,,二、醫(yī)用壓電材料,1. 壓電材料: 具有壓電效應特性的材料。 2. 壓電材料的種類（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）復合壓電材料 聚偏二氟乙烯+鋯鈦酸鉛復合（PVDF+PZT）等,超聲診斷中常根據(jù)不同的受檢對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,當一交變電壓加至壓電材料上時，壓電晶片表面產(chǎn)生相應的振動，并向與之接觸的介質

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，在壓電體內傳向對面。因為前后表面振動反相，當L=λ/2時，壓電體內傳播時間　　　 t = L/c = (λ/2)/c = (cT/2)/c = T/2即：到達對面時，與相移180o的對面振動疊加，達到同頻同相疊加，輻射超聲最強，即為諧振情況。對應頻率 f = c/λ= c/2

16、L稱基本諧振頻率，或基頻。,,,一般地，基頻或更高頻率在壓電體內傳播從一個表面到達對面所用時間為： 　　 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，都能達到諧振。 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,超聲場 彈性介質中充滿超聲能量的空間，或超聲傳播時超聲能量在介質中的空間分布。 平面圓片換能器活塞振動的穩(wěn)態(tài)超聲場 活塞振動——平面振動 穩(wěn)態(tài)超聲場——不考慮　建立過程的穩(wěn)定超聲場 r,θ—— 極坐標 z —— 聲軸方向 a —— 圓片半徑,可看成無數(shù)頻率、振幅、相位相同的點聲源聲場疊

18、加， 在 B(r,θ)點積分求得P ，并進而求得I = P2/Z一、軸向聲場分布（θ=0, r可變）（1） 聲軸上聲強表達式　式中：Z——介質聲阻抗，V0——速度振幅，λ——波長　可見：（2）軸向聲場分布圖（據(jù)上式）　 當0＜r ≤r0，存在數(shù)個極大值和極小值，　 當r＞r0 后，隨著r的增大，聲強逐漸減弱。,軸向上聲場分布圖,（3） 近場距離( r0 )　 式中，D=2a——壓電體直

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

20、能幾乎不擴散，聲束寬度接近相等（等于D）。 （2） 徑向遠場分布 波束如圖2－6所示。 遠場聲強呈多個瓣形，　 主瓣最強( >98% )，　 旁瓣多但較弱。,（3） 主瓣角θ　 θ又稱半發(fā)射角或擴散角，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： f↑→θ ↓，和 a↑→θ ↓ （4） 徑向聲場簡化圖　 如圖2－5(a)，聲束成錐形發(fā)散，半發(fā)散角為θ 近場中零值點，可能引起盲點。遠場中旁瓣，會造成 顯示位置、距離測量等失真。需采取措施改善。,第三節(jié)　

22、探頭的結構及其作用,超聲探頭——超聲檢測用換能器各種超聲診斷儀，探頭基本結構大致相同，以Ａ型為例。一、探頭的基本結構 ① 壓電晶片 ② 吸聲背塊 ③ 匹配層 ④ 電極、導線 ⑤ 聲隔離層 ⑥ 保護層 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－電轉換　（3） 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　（4） 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 對超聲的吸收力強，很快衰減，不再反射 （3）組成 環(huán)氧樹脂 + 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入人體，實現(xiàn)對人體組織的檢查。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 隔開晶體和人體，保護晶體，免受機械、化學 損壞；保護人體，免受激勵電壓的傷害。?。?）要求 ① 衰減系數(shù)低 ② 耐磨損?。?）材料 環(huán)氧樹脂、二酊脂、乙二氨等,4．電極、導線,（1） 作用　 傳輸電信號（2） 結構　 晶體兩面的銀層為電極，各引出一

26、根導線5．聲隔離層（1） 作用　 殼體與振動體之間聲隔離，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2．聚焦換能器（聲學聚焦） 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）