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1、主编：南京医科大学 吴小玲 编者：新疆医科大学 马远新 锦州医科大学 王亚平 青 岛 大 学 童家明,医学影像物理学,第四章超声成像,第一节 超声回波所携带的信息,一、反射和散射回波,二、超声成像的三个物理假定,超声反射回波,1.反射回波,人体组织和脏器的声速、声特性阻抗不同，界面上产生反射声波(回波，也称回波)，通常界面两侧介质声学性质差异不大，大部分超声穿过界面继续传播，至新界面处又产生回波，反射回波主要携带位置信息。,一、反射和散射回波,一、反射和散射回波,超声与人体组织脏器相互作用时，其波前方向、幅度、相位及频率会因组织的非均匀性而发生变化，产生散射回波，主要携带组织的细微结构信息。,
2、超声成像的信息主要由反射回波和散射回波所携带，如幅度、频率、相位、时间等含有目标的多种信息。,2.散射回波,(1)基于回波扫描的超声诊断技术,利用超声在不同组织中产生的反射和散射回波强度成像。,(2)基于多普勒效应的超声诊断技术,利用超声在运动物体散射或反射声波的频移信息成像。,3.超声诊断技术,获取解剖学范畴检测组织形态学信息。,获取器官功能和血流动力学信息。,一、反射和散射回波,声束在介质中直线传播。,各介质中声速均匀一致。,1.三个物理假定,估计成像方位,估计成像层面,各种介质中介质吸收系数均匀一致。,确定增益补偿等技术参数,二、超声成像的三个物理假定,2.脉冲回波测距,回波位置与往返路
3、程和声速的关系,l：声源至界面距离,t：回波时间,脉冲回波测距示意图,二、超声成像的三个物理假定,3.时间增益补偿,时间增益补偿依据假设建立，按衰减的幅度进行补偿，增益与扫描时间成正比。,时间增益补偿,二、超声成像的三个物理假定,第二节 A型超声成像与M型超声成像,一、A型超声成像,二、M型超声成像,四、B超图像及质量评价,超声回波成像,幅度调制回波 脉冲波表示反射回波 脉冲的幅度(纵轴)代表反射回波的强度 脉冲的位置或脉冲之间的距离(横轴)正比于反射界面位置或界面之间的距离.,一、A型超声成像,M型超声成像原理图,辉度调制回波 光点显示回波 光点的强弱代表回波信号幅度的大小 垂直扫描线(深度
4、方向，纵轴)多个界面的回波形成一系列垂直亮点。,在水平方向（横轴）展开，可构成一幅各反射界面位置及回波强度随时间变化的活动曲线图。,二、M型超声成像,二、M型超声成像,M型超声心动图（二尖瓣波群）,可进行多种心功能参数的测量,不能获得真正的二维解剖图像,不适用于静态脏器诊查,仅适用于以探头为顶点的90扇面内,解剖M 型超声成像：利用计算机软件，逐帧将任意方向的取样线与每条声束线交叉点的灰度值及位置信息提取出来，并加以显示，实现了二维时序图像中任意方向上灰度、位置-时间函数的重现。,解剖M 型超声成像,二、M型超声成像,第三节 B型超声成像,一、辉度调制式断面图像形成,二、B型超声成像中的电子扫
5、描,三、B型超声成像中的图像处理,四、B超图像及质量评价,1.B型超声成像原理,辉度调制回波；光点强弱代表回波信号幅度大小；快速移动声束线逐次获得不同位置界面反射回波；,B型超声成像原理图,一、辉度调制式断面图像的形成,2.扫描,线形扫描,扇形扫描,声束线沿特定方向的快速移动,声束的线形扫描与扇形扫描,一、辉度调制式断面图像的形成,3.B型超声心动图,快速连续不断地扫描，可以实现实时动态显示，满足实时动态显示运动性脏器(心脏)二维形态的B型超声成像也称二维超声心动图。,二维超声心动图（舒张期）,B型、M型联用,一、辉度调制式断面图像的形成,4.B型超声与M型超声的主要差别,M型：帧扫描是与时间
6、成线性关系慢变化 显示取样线上各点动态状况,B型：帧扫描与声线实际位置严格对应 显示断面图像,辉度调制 探头固定,辉度调制 声束运动,一、辉度调制式断面图像的形成,5.三种超声成像比较,B超成像原理图,M超、A超成像原理图,一、辉度调制式断面图像的形成,1.电子线性扫描,以电子开关或全数字化系统控制由若干个晶片并联起来组成的探头阵元组顺序发射来实现。,常规扫描示意图(m=5),(1)常规扫描,n个阵元构成阵元组,m个阵元构成线阵,(m一n1)条扫描线组成一帧线性扫描图像,二、B型超声成像中的电子扫描,二、B型超声成像中的电子扫描,隔行扫描示意图(m=5，n=80),(2)隔行扫描,相邻阵元组错
7、开两个阵元,先扫描奇数线，再扫描偶数线,每帧图像由(m一n1)条扫描线构成,防止前一次回波对后一次扫描干扰,第一声束是1、2、n,第二声束是3、4、n2,飞跃扫描示意图(m=5),(3)飞跃扫描,二、B型超声成像中的电子扫描,半间距扫描示意图,(4)半间距扫描,二、B型超声成像中的电子扫描,半间距飞跃组合扫描示意图,(5)半间距飞跃组合扫描,二、B型超声成像中的电子扫描,间距扫描示意图,(6)1/4间距扫描,二、B型超声成像中的电子扫描,2.相控阵扇形性扫描,利用线(或面)阵式换能器阵元发射时有一定的相位延迟，使合成声束的轴线与线阵平面中心线有一夹角，随夹角的变化可实现扇形扫描。,相控阵扇形扫
8、描原理图,d：晶片中心距离；t：延迟时间；：合成声束偏转角度,c：人体中的声速,二、B型超声成像中的电子扫描,相控阵接收原理图,扫描按时差对各晶片接收回波进行时差补偿，然后叠加获得目标空间位置正确信息，完成相控阵扇形扫描信号接收。,二、B型超声成像中的电子扫描,1.动态范围,在回波信号既不被噪声淹没也不饱和的前提下，允许仪器接收放大回波信号幅度的变化范围。,一般仪器在4060dB,动态范围越大，所显示影像的层次越丰富，影像越清晰,三、B型超声成像中的图像处理,三、B型超声成像中的图像处理,2.数字扫描变换器,将回波的模拟信号转换为数字信号，进行图像后处理。,(1)像素亮度后处理,(2)空间后处
9、理,(3)时间后处理,(4)图像冻结,1.声像图特征,(1)根据图像中的不同灰阶，把回波信号分为：强回声、高回声、等回声、低回声和无回声。,回声强度示意图,四、B超图像及质量评价,四、B超图像及质量评价,(2)按显示器上所形成状态，回声形态可划分为:光团、光斑、光环、光点、光带等。,回声形态示意图,(3)按图像中光点的分布情况可分为：均匀或非均匀、密集或稀疏等不同类型。,2.空间分辨力,清晰区分细微组织的能力,(1)横向分辨力,在与超声波束垂直平面上能分辨开相邻两点间最小距离的能力。,超声束直径小于两点间距可将其分辨。,四、B超图像及质量评价,(2)轴向分辨力,超声传播方向上两界面回波不重叠的
10、最小距离,设脉冲宽度t，两界面可测最小距离d，声速c,若使两界面回波刚好不重合，必须满足,脉冲宽度愈小，纵向可辨距离d愈小，轴向分辨率愈高,四、B超图像及质量评价,轴向可分辨示意图,轴向分辨不清示意图,四、B超图像及质量评价,(3)侧向分辨力,超声换能器长轴方向的分辨力,线阵、面阵及相控阵换能器有侧向分辨力与横向分辨力之区别,超声换能器短轴方向的分辨力称为横向分辨力,空间分辨力示意图,单晶或环型换能器侧向分辨力与横向分辨力相等,四、B超图像及质量评价,3.对比度分辨力,是对超声图像中相邻两个结构能够加以区分程度的量度,超声图像对比度是画面上相邻两个结构亮度之比，主要取决于反射特性和纹理,反射特
11、性主要由生物组织的阻抗特性决定,两种组织的声特性阻抗差越大，其反射强度越大，其对比度也越好,四、B超图像及质量评价,4.时间分辨力,单位时间成像的幅数，即帧频，表示时间分辨力,帧频越高，获取图像的时间越短，即成像速度越快，其时间分辨力越高,时间分辨力的极限,合理选择R、F和N,多声束技术可突破上式的极限,四、B超图像及质量评价,5.清晰均匀性,(1)对比清晰度,(2)图像均匀性,显示相似振幅、不同灰阶细微差别回声的能力,低对比度条件下、鉴别软组织和细微结构的能力,整个显示画面的均匀程度,四、B超图像及质量评价,6.伪像,(1)伪像形成的原因,实际情况下,三个物理假定难满足,技术限制、方法不全,
12、诊断上的主观偏差,四、B超图像及质量评价,1)图像形状与位置失真,声速不同造成散射体位置失真声特性阻抗差异较大产生反射失真,圆柱体后成像示意图,四、B超图像及质量评价,2)图像亮度失真,声束传播路径上媒质的不均匀性，声速与声衰减变化及界面存在，改变回波强弱，而改变亮度。,反射或折射回声与原区域回声叠加引起亮度增强造成图像失真。,不同类型后方回声示意图,四、B超图像及质量评价,(2)伪像分类,1)混响伪像,多次反射形成,混响伪像,（a）胆囊内显示混响伪像；（b）胆囊内无混响伪像,识别方法：侧动探头、加压探测,四、B超图像及质量评价,2)切片厚度伪像,也称容积伪像,切片厚度伪像,（a）胆囊内显示切
13、片厚度伪像；（b）胆囊内无切片厚度伪像,识别方法：侧动探头、加压探测,四、B超图像及质量评价,3)旁瓣伪像,旁瓣和主瓣同时检测物体，两者回声重复造成,旁瓣伪像,旁瓣伪像示意图,（a）膀胱内有旁瓣伪像；（b）膀胱内无伪像,四、B超图像及质量评价,4)声影,胆结石声像图,前方有强反射或声衰减很大的物质存在，在其后方出现声线不能达到的区域。,四、B超图像及质量评价,5)后方回声增强,后方回声增强(肝囊肿),当前方的病灶或器官的声衰减甚小时，其后方回声强于同深度的周围组织。,四、B超图像及质量评价,6)侧壁回声失落,侧壁回声失落示意图,超声入射角较大时，反射声转向他侧不复回探头的现象。,侧壁回声失落(
14、睾丸),四、B超图像及质量评价,7)侧后折射声影,侧后折射声影(乳腺),超声从低声速介质进入高声速介质，在入射角超过临界角时，产生全反射，以致其后方出现声影，也称侧边声影。,四、B超图像及质量评价,8)多途径反射伪像,多途径反射伪像示意图,声束非垂直入射到组织内某界面，并反射偏离到另一界面(不在声束传播方向上)，然后再反射直至被接收，显示的位置与目标实际位置相差甚远。,四、B超图像及质量评价,9)镜面伪像,镜面伪像示意图,镜面伪像（肝脏血管瘤）,四、B超图像及质量评价,10)折射伪像,折射伪像示意图,折射伪像,（a）胆囊壁重复伪像；（b）胆囊壁无重复伪像,四、B超图像及质量评价,11)声速失真
15、,声速失真伪像示意图,通过低声速结构的回声接收到得晚，而通过高声速结构的回声接收到得早，结果使深部的图像失真。平整的表面变得不平整；甚至使小结构不能显示。,四、B超图像及质量评价,肝被膜破裂伪像,由于超声在肝内富含脂肪的血管平滑肌脂肪瘤(L)中的传播速度较慢，出现的肝被膜破裂伪像(左下方三角箭头所示)。,四、B超图像及质量评价,这类伪像的克服或减弱标志着设备运行质量提高，及医生对被检者摆位及运动状态的合理指导，从而有效控制图像质量。,四、B超图像及质量评价,伪像还可以来自设备硬件的损坏，信号采集、处理、扫描参数选择，仪器调节不当以及视野大小、位置选择和人体摆位不当等。,第四节 频谱多普勒,一、
16、连续波多普勒,二、脉冲波多普勒,接收频率与发射频率之差即为多普勒频移fd,流速的测量值只取决于多普勒频移值,最大可测血流速度受数字模拟转换器工作速度的限制。,连续波多普勒示意图,一、连续波多普勒,一、连续波多普勒,连续多普勒探头连续地发射和接收脉冲波，多普勒超声束内所有回波信号均被记录下来。,优点：能测量高速血流,缺点：不能定位,(1)距离选通,1.距离选通与采样容积,距离选通与采样容积,选通深度,(2)采样容积,S：声束截面积,脉冲波多普勒示意图,二、脉冲波多普勒,2.脉冲重复频率对血流测量的限制,二、脉冲波多普勒,脉冲重复频率(PRF)也称采样频率，一般为几千Hz。,(1)最大探测深度Rm
17、ax,下一次脉冲发射之前最后到达换能器的回波信号对应的位置深部。,不发生距离模糊的条件,(2)最大多普勒频移fdmax,最大流速vmax产生的多普勒频移,(3)取样定理,(4)脉冲重复频率对血流测量的限制,由,得,最大可测流速vmax与最大可测深度Rmax相互制约,二、脉冲波多普勒,3.高脉冲重复频率多普勒,优点：能测量高速血流,缺点：不能定位,介于脉冲多普勒和连续多普勒之间的一种技术,用较高的频率间断地发射和接收超声脉冲获取血流信息,高脉冲重复频率多普勒示意图,二、脉冲波多普勒,在任意时刻形成的多普勒频移信号都是具有多种频率和振幅的复杂信号，这些信号还必须经过适当地频谱分析和显示，才能从中获
18、取血流速度的大小和方向、血管深度及内径尺寸、血流速度的二维分布等信息。,三、频谱分析与显示,三、频谱分析与显示,1.频谱分析,多普勒频移值越大血流速度越大,多普勒频移为正(血细胞朝向探头运动),多普勒频移为负(血细胞背离探头运动),(1)多普勒频移信号,回波信号频率分布示意图,红细胞流速不一,多普勒频移值不一,红细胞数量不一,回波信号多种频率,振幅信号不一,回波信号多种振幅,血流脉动,频率与振幅随时间变化,多种频率和振幅组成随时间变化的复杂信号,须实时分析每一信号频率、振幅及其随时间变化过程,三、频谱分析与显示,(2)实时频谱分析,利用傅立叶理论实时分析多普勒信号频率、振幅及其随时间变化过程。
19、,把组成复杂振动的各个简谐振动的频率和振幅找出来，列成频谱加以分析。,实时频谱分析的方法主要是采用快速傅里叶变换。,三、频谱分析与显示,2.频谱显示,(1)音频输出,频移信号,声讯号,层流音频带很窄音乐样单纯音调,湍流音频带很宽粗糙的搔抓样噪音,低速血流声音低调、沉闷,音频信号失真较少可正确判断血流性质,声音响度反映振幅大小,高速血流声音高调、尖锐,音调高低反映频率高低,三、频谱分析与显示,1)振幅-时间谱,纵坐标代表振幅，以振幅对数值显示,帮助确定取样容积位置,横坐标代表时间,主要用途：,协助判断异常血流起源,三、频谱分析与显示,(1)音频输出,2)速度(频移)-时间谱,肱动脉血流频谱图(速
20、度-时间谱),横坐标为频移时间，表示血流持续时间,纵坐标为速度(频移)幅度，反映血流速度的大小,零位基线以上频移信号正值，血流方向朝向探头,零位基线以下频移信号负值，血流方向背离探头,三、频谱分析与显示,肱动脉血流频谱图(速度-时间谱),频谱辉度反映采样容积或探查声束内具有相同流速红细胞相对数量多少,数量越多频谱灰度越亮,数量越少频谱灰度越暗,频谱离散度以频谱垂直距离宽度表示，代表某一瞬间采样容积或探查声束内红细胞速度分布范围大小,速度分布范围大，频谱增宽,速度分布范围小，频谱变窄,三、频谱分析与显示,3)功率谱,横坐标代表频率纵坐标代表回波强度,频率反映红细胞流速,回波强度反映具有该流速红细
21、胞的数目,功率谱可视为取样容积或探查声束内，红细胞流速与红细胞数量间的关系曲线。,三、频谱分析与显示,1.混叠伪像,尼奎斯特频率,多普勒 fd 频移超过尼奎斯特频率，会产生血流方向倒错，即混叠伪像。,混叠伪像,消除混叠伪像(适当调节PRF),四、伪像,四、伪像,2.角度依赖伪像,频谱多普勒具有角度依赖性，当声束与血流方向呈90角时，有血流的部位无血流信号显示，测不出频谱。通过调整探头角度，改变角度可以减少或消除“有血流部位无频谱显示”的伪像。,角度对多普勒血流测量的影响,3.频谱增宽,取样容积过大或靠近血管壁、仪器增益过大，均可人为使频谱增宽，适当调整设置可以消除。,(a)增益44%(b)增益84%频谱增宽,四、伪像,4.对称性频谱伪像,由于声束较宽或旁瓣效应，使频谱多普勒基线上方如出现正向血流频谱，则下方出现对称性“倒影”。改变探头角度或降低多普勒增益可以消除这种伪像。,对称性频谱伪像,四、伪像,5.血管移动伪像,由于呼吸影响导致受测血管的位置发生改变，使取样容积的位置也发生改变，因而显示的频谱方向、形态和频移大小发生变化.可通过叮嘱被检者屏气来消除。,四、伪像,
