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1、超声技术基础培训,Jordan 2001,Esaote China Limited Service CenterChengdu,祯频 超声换能器 阵元 通道 凸阵探头 线阵探头 相控阵探头 高密度探头 超宽频带成像 A型 B型 M型 高频成像 微米取样技术 动态孔径 变迹,声束聚焦 电子探头的发射聚焦 电子探头的接收动态聚焦 数字声束形成器 象素聚焦 彩色血流图 多普勒频谱图 多普勒血流测量 彩色多普勒能量图 组织多普勒成像 CK成像 线性和非线性声学 UCA 谐波成像 组织谐波成像TEI 声学造影剂 三维成像,显象帧频、成像帧频,显象帧频取决于显示器，PAL制式为50HZ。成像帧频取决于成像
2、设备的性能和探测深度，探测深度将对成像帧频起决定性影响，当然与是否使用多声束形成等技术有关。当显象帧频远小于成像帧频时，在实时成像时，高的成像帧频不能提高时间分辨率等指标。,超声换能器,超声换能器（超声探头）是超声诊断仪中最主要的部件之一。其功能是将电子线路产生的电激励信号转换成超声脉冲信号射入人体；并将人体组织产生的超声回波信号转换成接收的电信号。分为机械探头和电子探头。电子探头又分为线阵探头、凸阵探头、相控阵探头。,阵 元,阵列式换能器的基本换能单元称为阵元。阵元在电气上有独立的引线，能直接激励而发射超声信号，也能接收回波而输出电信号。振子是由压电材料经高温烧结、电极化处理、打磨、加上电极
3、等一系列加工后形成的压电元件。为了提高各个阵元的性能，常把一个阵元再切割为几个微元（振子）,通 道,对接收通道而言，所谓的物理通道是指具有接收隔离、前置放大、TGC控制等具体电路的硬件。在多声束形成器中，每一个物理通道（对应一个阵元）将分为多个虚拟通道（或称逻辑通道），产生不同的延迟时间与相临的阵元信号相加，形成不同的声束。一般通道数不应大于阵元数。使用相控阵换能器的设备，通道数应等于阵元数，使用线阵或凸阵换能器的设备，通道数通常不超过阵元数的1/3，少数设备的通道数等于阵元数。1.5维换能器的通道数将比通常的一维阵列式换能器多4-6倍，即通道数要超过扫查平面上的阵元数。,凸阵探头,凸阵探头中
4、各个换能器小阵元排列成一条弧线 扇面成像，因此探测视野比较大,线阵探头,在线阵探头中，换能器晶片被分割成许多小的阵元（如128或256），之间相互隔离，并排成一条直线。线阵探头可用于实时的B型成像和多谱勒血流检测。缺点是探测的视野比较小。,相控阵探头,相控阵探头是电子探头，通常在1-2cm的长度上分布128阵元。通过控制相控阵探头每个阵元在发射和接收时的延迟时间，就可以实现声束偏转、电子聚焦等功能，从而进行扇扫。由于相控阵探头孔径小，常用于心血管系统的检测,高密度探头,常规探头阵元数：80，96，128阵元 高密度探头：256，512阵元 二维高密度探头：128X8阵元，即1024阵元 采集通
5、道有60、96、128、256、512、1024通道。单、双通道为实际的物理声学通道。高密度多阵元探头使声束线密度高，多方向同时接收回声信号，不需要进行插补处理，图象细腻，分辨力好。,超宽频带成像,在发射时有一很宽的频带范围，如2MHZ-12MHZ，接收时分三种选择方式：1.选频接收：在接收回声中选择一特定的中心频率，保证能到达所要求的诊断深度，尽可能选择较高频率的回声，以获得最佳的图象质量 2.动态接收：在接收回声时，随 深度变化选取不同的频率，近场取高频，中场取中频，远场只保留低频，达到好的分辨率与好的穿透力的要求 3.宽频接收：在接收回声时，所有频率的回声均接收，在中近场包含不同频率回声
6、，在远场由于高频成分衰减，只能接收到稍低频率的回声,A型（AMPLITUDE）,幅度显示 显示探头接收到的反射或透射超声信号的幅度随时间变化的过程 A型显示的是一条幅度随时间变化的曲线，而不是图象,B型（BRIGHTNESS）,显示亮度调制的信号 在超声诊断仪的显示器上，以亮度调制的方式，显示声束扫描平面内人体组织的断面图象。B型显示给出的是人体的解剖结构图象。,M(MOTION)型,显示运动信息 显示特定的声束方向上各回波点随时间变化（运动）的情况。显示图中横坐标是时间，纵坐标是探测深度 M型显示常被用于观察心脏等运动的脏器,高 频 成 像,高频超声波在临床检查中可以分辨更细微的病灶，即提高
7、超声图象的轴向分辨力。目前用于临床常规B超探头频率范围为：2-10MHZ 在血管内及浅表器官成像中，已采用频率：20-40MHZ 高频超声、超声生物显微镜频率范围：40-100MHZ，主要用于皮肤成像、冠状动脉内成像及眼部成像。,微米取样技术,指取样间隔小于0.1MM的技术。实际上，当使用高频探头，并使探测深度为2cm，在一条声束上取500个样点时，取样间为40um，这就实现微米取样技术,动态孔径,换能器的孔径是指超声波束形成时被激活的那部分压电晶体的面积。孔径小则近场的声束尺寸小，空间分辨率高，但在远场的发散较严重；反之，孔径愈大，近场的分辨率变差，但远场的发散相对较小。为了使超声图象在近场
8、与远场都有较高的空间分辨力，超声仪器在近场的发射和接收中采用小孔径，而在远场采用大孔径，这就是动态孔径的概念。,变 迹,变迹技术可用于超声波发射，也可以用在 超声波接收的时候。发射变迹是指给发射阵元组中的各个阵元施加不同电压的激励脉冲；接收变迹是指对各个阵元的输出信号给予不同的增益。变迹技术被用来减小超声发射和接收时的栅瓣和边瓣。,声束聚焦,声束聚焦是未了改善声束的形态，从而提高图象的空间分辨力及仪器的检测灵敏度。实现声束聚焦可以采用安装声透镜的方法，也可通过延迟线方法在线阵、凸阵、相控阵探头中实现电子聚焦。电子聚焦方法可用于发射聚焦和接收聚焦,电子探头的发射聚焦,电子探头在发射时只要合理调整
9、各个阵元的延迟时间，就可以将声束聚焦在某一深度上。与固定焦距的声透镜聚焦方法相比较，电子探头可通过改变各阵元发射的延迟时间来改变聚焦的深度，因此具有较大的灵活性。如果要实现一条扫描线上 不同深度的聚焦，就必须采用多次发射，发射次数多将会影响系统的帧频,电子探头的接收动态聚焦,当用多个阵元接收超声回波信号时，由于反射点到各个阵元的距离不同，信号传播的时间也不同。为了获得最大的反射信号，通常是将各阵元输出的回波信号经过适当延迟后在相加。这就是接收聚焦的概念。只要按距离从近到远不断地调整各阵元的延迟时间，即在一条接收声束中多次改变焦点，就可以实现超声扫描线的动态聚焦。全程聚焦是一类动态聚焦，但焦点数
10、很大，通常不少于64，是理想的动态聚焦。,数字声束形成器,具有数字式声束形成器的超声成像系统称为全数字化的超声成像系统 优点：实现连续动态聚焦和动态孔径，可获得超高分辨率；可实现动态变迹，消除旁瓣引起的伪象；回波信号中幅度 信息（形成二维图象）和相位信息（获得多谱勒频移）的提取可由软 件实现，而不必使用不同的通道；容易实现各通道的自校准等。,象素聚焦,通常指显示图象上的一个光点，即组成图象的最小单位。由超声扫查所得样点值与显示象素值是不同的，并处于两个不同的平面上，使用良好的数字声束形成器时，可以实现每个取样点都在焦点上的理想情况；故象素聚焦不可能，样点聚焦可实现。,彩色血流图,指在二维平面中
11、用彩色图象实时显示血的方向与速度。通常用不同的颜色指示不同的血流方向：而颜色的亮暗则与流速的大小相关。由于目前彩色血流图仪仅是依据多谱勒原理设计的，因此也称为彩色多谱勒。融合黑白二维B型结构和彩色血流图的超声诊断仪称为“彩超”,多谱勒频谱图,对多谱勒回波信号进行频谱分析可以得到回波中各种不同频率成分的信号。这一分析结果通常以声谱图的格式显示，这就是所谓的多谱勒频谱图；图中的横坐标是时间轴，纵坐标是是频率轴（与流速相对应）图中信号的亮暗与特定时间、特定流速的信号强度相关。,多谱勒血流测量,超声波在人体中传播时，由体内运动物体产生的反射或散射信号的频率与发射频率之间将出现偏差，即“多谱勒效应”，产
12、生的频差称为多谱勒频偏。检测多谱勒信息就能得到运动物体的运动方向及速度大小的信息。多谱勒血流测量由PW和CW，只有PW才能探测指定深度的血流信息。,彩色多谱勒能量图,彩色血流图中指示的是血流速度的大小与方向。彩色多谱勒能量图则反映血流对入射的超声波产生的背向散射的能量，一般不区分血流的方向。能量图能较敏感的指示小血管中血流的存在。对不同方向的血流标记不同的颜色的能量图称为“方向能量图”,彩色多谱勒能量图,特点：1.强度依赖于多谱勒能量总积分，与红细胞的数量有关，彩色表示血流的存在，增加动态范围，提高检测血流灵敏度，显示低流量、低流速血流 2.不发生混叠、不论信号叠加与否，能量频谱的积分不变。3
13、.不能显示速度大小 应用：肾脏血流的研究（肾皮质血流）；阴囊病变的血流改变；卵巢细小血管、胎盘内的细小血管；小器官、肿瘤、软组织和肌肉疾病的血流。评价：二维造影及三维重建,组织多谱勒成像,利用多谱勒原理可以获得体内运动物体的信息。考虑到心肌在心脏搏动的过程中有缓慢运动，因此，同样可借助多谱勒原理来探测心肌的运动，通过改变多谱勒滤波系统，除去心腔内血流产生的高频低幅度信号，提取低频高幅度的心肌室壁多谱勒信号，并在二维图象中用不同的颜色标明心肌运动的方向与速度大小，这就是组织多谱勒成像。分为速度图、加速度图和能量图等显示方式。用以评价心功能（收缩、舒张）、缺血性心脏病、高血压病、心肌病心脏电生理研
14、究。,CK技术,Acoustic Quantification声学定量技术的扩展。AQ是一种自动边缘检测系统，通过分析背向散射信号确定某一象素代表组织或血液，并根据选定的值识别组织/血液边界。在此基础上CK按一定时间间隔用彩色顺序编码心内膜边界位置的变化，于时相末累积形成多层色带添加在二维图象上。每层颜色代表相应的40或33MS心内膜的运动。CK的特点是在一幅图象上可显示整个收缩或舒张期心内膜的运动 应用：评价左室室壁运动、定量评价左室局部功能,线性和非线性声学,线性声学：人体组织是一种线性的传声媒质，也即发射频率为f0的声波时，从人体内部脏器反射或散射并被探头接收的回声信号也是f0附近的一个
15、窄带信号。由于声在人体组织传播过程中产生的非线性以及组织界面入射/反射关系的非线性，似的发射的声波频率为f0时，回波（由于反射和散射）频率中除有f0(称基波）外，还有2 f0，3 f0，.等成分（称为谐波），其中以二次谐波（2 f0）的能量最大。,UCA,使用超声造影剂UCA（Ultrasound Contrast Agent）可人为地扩大非线性信号。将UCA注入人体待查部位，会产生大量微气泡，由于入射/散射之间强度关系的非线性参数约比比人体组织大10-100倍，这意味着UCA产生的谐波比周围组织大 几十-100倍,谐波成像,谐波是指频率为基波频率（发射的中心频率）倍数的那些频率成分。超声波在
16、人体组织中传播时会累积起谐波成分，专门选取回波中的谐波成分重建图象就是所谓的谐波（Harmonic Image）二次谐波的幅度接近基波，通过减法或脉冲反相法，获得血管内血流的二次谐波显象。谐波成像可以是针对一般组织的成像，也可以是针对血流的成像。为了增强谐波成像，可以使用超声造影剂。不使用造影剂的组织谐波也称为自然组织波,TEI,自然组织谐波原理：声波在组织中非线性传播时，产生多倍与发射频率（基波）的信号-二次谐波、三次谐波-但声能变弱；TEI采用超宽频带的探头，接收组织通过非线性传播产生的高频信号中组织细胞的谐波信号，对多频段信号进行实时平行处理，减弱浅层胸壁和肺组织产生的回波，增强较深内部
17、心肌组织的回声，改善图象质量，提高信噪比 应用：1.增强心肌和心内膜显示 2.增强细微病变的显现力 3.增强心腔内声学造影剂回声 4.增强 彩色多谱勒信号，肝内血流信号增强效果十分明显 5.帮组鉴别肝内血管，了解肝内细小血管病变,声学造影剂,物理分类：含有自由气泡的液体 含有包膜气泡的液体，含有悬浮颗粒的胶状体 乳剂 水溶液要求：气泡更稳定，半衰期长；微泡大小可控制，易排出；对人体无害，不影响人体血液动力学；具有良好的造影作用，经外围静脉注射，通过肺循环使心肌造影；,造影剂的散射面积比同样大小的固体粒子大109倍，可使背向散射的信号大大增强，可以突出感兴趣区域的图象，改善图象的信噪比，提高显象
18、效果 血液中有造影剂，可显示小血管中极低速的血流 正常组织与病变组织对造影剂反差存在差异，可提高肿瘤检出率 应用：心血管、胃肠、胆囊、输尿管和宫腔等方面，从创伤性向非创伤性飞跃 局限性：造影剂价格昂贵，不利广泛应用；增强效果受 注射剂量和推注时间的影响；增强持续时间有限，不利全面充分观察分析病变情况,作 用,三维成像,三维成像是显示人体组织的立体结构或流速信息。通常情况下，三维立体图象是在一系列二维图象的基础上重建出来的。如果采用精密的定位装置，就可以得到精确的立体结构。也有的超声诊断仪不使用任何定位装置。,优势 1.图象显示直观 2.精确测量结构参数 3.精确定位病变组织 4.缩短数据采集时
19、间应用：（1）动态三维超声心动图-观察整个心脏立体形态与活动情况，提供心脏解剖、病理和心功能方面的空间信息 a.诊断与鉴别先天性心脏病，观察复杂畸形 b.精细测定心功能，在心脏负荷时观察心壁阶段性运动失常 c.显示瓣膜口的整体结构，对瓣膜诊断有重要意义 d.建立心内血流的立体动态图象，对血流动向、返流与分流有诊断价值,（2）静态三维图象-观察腹部脏器、妇产、体表及阴道、直肠结构及形态 a.对于脏器内有液腔存在或探测对象周围有液体环包者 b.可观察病变的形态、范围、大小、深浅与表面轮廓等、鉴别诊断某些病变。,二维数据采集,1.机械定位方式2.自由操作系统（FREE-HAND）3.二维面阵系统,机
20、械定位方式,分为：平移式、倾斜式、旋转式 设计的机械装置可以是将已有的二维探头连同定位系统集成在一个壳子里，成为所谓的一体化探头好处是整个装置的体积小，并可以精心设计让三维重建获得最佳的效果 问题：只能适用于专门的超声诊断仪 也可设计成适合于各探头使用的外部机械装置来实现三维数据的采集。好处：用户不必购买专门的超声诊断仪 不足：外部机械系统往往较庞大且复杂，操作不便,FREE-HAND,非机械式的位置跟踪系统，即在医生手持B超探头做检查时，系统随时跟踪探头的位置和方向，这样的系统可让医生根据需要自由的选择扫查的方向，并能在移动探头的过程中自动适应体表形状的变化，这就是所谓的“FREE-HAND”系统。分为声传感系统、多关节机械臂和电磁式的定位系统。电磁式的定位系统缺点是对噪声和误差较敏感。电磁干扰、使用环境材料中的铁磁材料都可使测量的磁场发生畸变而引起定位误差。采集数据时不能在两个相临平面留下太大的缝隙，否则不能保证图象的质量。,二维面阵系统,保持超声探头完全不动，直接获得三维体积的数据。二维面阵探头用电子学的方法控制超声束在三维空间的指向，可实现上述功能。由于二维面阵的阵元数亮很大，每个阵元都要配置相应的通道。（30X30、128X8阵元）1.5维阵：在线阵晶片的阵列上，沿探头长轴作2-4条平行切割，如128X4阵元平面阵，用来实现电子探头俯仰上的动态聚焦,
