生物医学图象(BiomedicalImage)生物医学工程基础（四）超声医学成象（2007.11）Imaging technologies are changing the way science is done(R.P. Crease, Science, Vol. 261, July 1993) 2024/8/41生物医学工程基础四生物医学图象超声医学成象超声医学成象 医学超声是超声物理学、电子探医学超声是超声物理学、电子探医学超声是超声物理学、电子探医学超声是超声物理学、电子探测技术和生物医学在发展中相互测技术和生物医学在发展中相互测技术和生物医学在发展中相互测技术和生物医学在发展中相互渗透的产物，具有理、工、医相渗透的产物，具有理、工、医相渗透的产物，具有理、工、医相渗透的产物，具有理、工、医相结合的特点。其研究包括结合的特点。其研究包括结合的特点。其研究包括结合的特点。其研究包括基础物基础物基础物基础物理理论研究理理论研究理理论研究理理论研究、仪器工程开发仪器工程开发仪器工程开发仪器工程开发、图图图图像处理像处理像处理像处理、换能材料研究换能材料研究换能材料研究换能材料研究等相互联等相互联等相互联等相互联系又相互促进的多个方面。系又相互促进的多个方面。系又相互促进的多个方面。系又相互促进的多个方面。它以它以它以它以研究超声波与生物组织媒质互作研究超声波与生物组织媒质互作研究超声波与生物组织媒质互作研究超声波与生物组织媒质互作用规律和生物效应为理论基础，用规律和生物效应为理论基础，用规律和生物效应为理论基础，用规律和生物效应为理论基础，以研制先进的生物医学超声仪器以研制先进的生物医学超声仪器以研制先进的生物医学超声仪器以研制先进的生物医学超声仪器为工具，应用于诊断、康复、监为工具，应用于诊断、康复、监为工具，应用于诊断、康复、监为工具，应用于诊断、康复、监护、普查人体疾病。护、普查人体疾病。护、普查人体疾病。护、普查人体疾病。2024/8/42生物医学工程基础四生物医学图象主要内容主要内容一、发展简史和发展概况一、发展简史和发展概况一、发展简史和发展概况一、发展简史和发展概况二、超声医学图象的特点二、超声医学图象的特点二、超声医学图象的特点二、超声医学图象的特点三、超声成像物理原理概述三、超声成像物理原理概述三、超声成像物理原理概述三、超声成像物理原理概述四、超声成像系统的构成四、超声成像系统的构成四、超声成像系统的构成四、超声成像系统的构成五、超声探头与压电效应五、超声探头与压电效应五、超声探头与压电效应五、超声探头与压电效应六、超声成像工作方式六、超声成像工作方式六、超声成像工作方式六、超声成像工作方式七、七、七、七、BB超成像原理超成像原理超成像原理超成像原理八、超声医学成象的新进展八、超声医学成象的新进展八、超声医学成象的新进展八、超声医学成象的新进展2024/8/43生物医学工程基础四生物医学图象一、发展简史和发展概况一、发展简史和发展概况19171917年，年，年，年，压电超声辐射器压电超声辐射器压电超声辐射器压电超声辐射器发明，开创发明，开创发明，开创发明，开创超声探超声探超声探超声探测测测测。（超声探测水下潜艇）。（超声探测水下潜艇）。（超声探测水下潜艇）。（超声探测水下潜艇）19281928年，德国有了年，德国有了年，德国有了年，德国有了超声治疗机超声治疗机超声治疗机超声治疗机发明专利发明专利发明专利发明专利19391939年，有了年，有了年，有了年，有了应用超声治疗效果的报告应用超声治疗效果的报告应用超声治疗效果的报告应用超声治疗效果的报告，超，超，超，超声对于关节炎和神经痛等疾病疗效显著。发展声对于关节炎和神经痛等疾病疗效显著。发展声对于关节炎和神经痛等疾病疗效显著。发展声对于关节炎和神经痛等疾病疗效显著。发展起了起了起了起了超声治疗学超声治疗学超声治疗学超声治疗学4040年代，超声年代，超声年代，超声年代，超声脉冲回声法脉冲回声法脉冲回声法脉冲回声法取代了透射法。取代了透射法。取代了透射法。取代了透射法。AA型型型型超声诊断超声诊断超声诊断超声诊断研制成功，开始研制成功，开始研制成功，开始研制成功，开始超声诊断学超声诊断学超声诊断学超声诊断学5050年代，年代，年代，年代，AA型超声诊断获得推广应用。型超声诊断获得推广应用。型超声诊断获得推广应用。型超声诊断获得推广应用。MM型超型超型超型超声心功仪声心功仪声心功仪声心功仪发明用于临床诊断发明用于临床诊断发明用于临床诊断发明用于临床诊断2024/8/44生物医学工程基础四生物医学图象一、发展简史和发展概况一、发展简史和发展概况6060年代，年代，年代，年代，BB型超声诊断仪型超声诊断仪型超声诊断仪型超声诊断仪发明。各种医用超声发明。各种医用超声发明。各种医用超声发明。各种医用超声新技术，如新技术，如新技术，如新技术，如超声多普勒技术、超声全息超声超声多普勒技术、超声全息超声超声多普勒技术、超声全息超声超声多普勒技术、超声全息超声显微镜等显微镜等显微镜等显微镜等开始发展。开始发展。开始发展。开始发展。7070年代，进入了蓬勃发展时期。年代，进入了蓬勃发展时期。年代，进入了蓬勃发展时期。年代，进入了蓬勃发展时期。BB型超声显像型超声显像型超声显像型超声显像仪不断更新换代，同时仪不断更新换代，同时仪不断更新换代，同时仪不断更新换代，同时超声超声超声超声CTCT，超声刀和超声，超声刀和超声，超声刀和超声，超声刀和超声加热治癌加热治癌加热治癌加热治癌研究不断发展研究不断发展研究不断发展研究不断发展8080年代，年代，年代，年代，彩色多普勒血流技术彩色多普勒血流技术彩色多普勒血流技术彩色多普勒血流技术迅速发展，迅速发展，迅速发展，迅速发展，3D3D超声诊断超声诊断超声诊断超声诊断的研究开始的研究开始的研究开始的研究开始8080年代以来超声诊断的发展特点是由体表诊断年代以来超声诊断的发展特点是由体表诊断年代以来超声诊断的发展特点是由体表诊断年代以来超声诊断的发展特点是由体表诊断向内窥诊断，出单参数诊断发展到多参数诊断，向内窥诊断，出单参数诊断发展到多参数诊断，向内窥诊断，出单参数诊断发展到多参数诊断，向内窥诊断，出单参数诊断发展到多参数诊断，由定性观察向组织定征发展，由临床诊断向健由定性观察向组织定征发展，由临床诊断向健由定性观察向组织定征发展，由临床诊断向健由定性观察向组织定征发展，由临床诊断向健康普查发展。康普查发展。康普查发展。康普查发展。2024/8/45生物医学工程基础四生物医学图象一、发展简史和发展概况一、发展简史和发展概况40404040年代年代年代年代 探索阶段探索阶段探索阶段探索阶段50505050年代年代年代年代 A A A A型、型、型、型、M M M M型超声仪型超声仪型超声仪型超声仪70707070年代年代年代年代 灰阶实时超声（灰阶实时超声（灰阶实时超声（灰阶实时超声（B B B B型）型）型）型） 双功能超声仪（双功能超声仪（双功能超声仪（双功能超声仪（ B B B B型型型型+ + + +频谱）频谱）频谱）频谱）80808080年代年代年代年代 彩色多普勒超声仪彩色多普勒超声仪彩色多普勒超声仪彩色多普勒超声仪 （ B B B B型型型型+ + + + 彩色彩色彩色彩色+ + + +频谱）频谱）频谱）频谱）90909090年代年代年代年代 新技术新技术新技术新技术 （超声造影、谐波成像、（超声造影、谐波成像、（超声造影、谐波成像、（超声造影、谐波成像、 超高频探头、三维超声等）超高频探头、三维超声等）超高频探头、三维超声等）超高频探头、三维超声等）2024/8/46生物医学工程基础四生物医学图象开端开端1942Dr. Karl Theodore Dussik (1908-) 1942Dr. Karl Theodore Dussik (1908-) 第第一个发表，用超声波透射脑部一个发表，用超声波透射脑部Karl Theodore Dussik (1908-) Karl Theodore Dussik (1908-) DussikDussik的脑部影像的脑部影像的脑部影像的脑部影像 2024/8/47生物医学工程基础四生物医学图象History：B-Mode出现出现 1949Dr. Douglass 1949Dr. Douglass Howry, W. Roderick Howry, W. Roderick BlissBliss与与与与Gerald Gerald Posakony Posakony 开发出用人体的开发出用人体的开发出用人体的开发出用人体的反射声波成像之反射声波成像之反射声波成像之反射声波成像之B-modeB-mode系系系系统统统统 2024/8/48生物医学工程基础四生物医学图象History：A-Mode1951-Dr. John Julian Wild1951-Dr. John Julian Wild用用A-modeA-mode超音波扫超音波扫描人体描人体2024/8/49生物医学工程基础四生物医学图象History：接触皮肤的B-mode1958Dr. Ian Donald 1958Dr. Ian Donald 与电机工程师与电机工程师 Tom Tom BrownBrown开发出接触皮肤的开发出接触皮肤的B-modeB-mode超声波探头超声波探头1 2024/8/410生物医学工程基础四生物医学图象History：末梢血管的血液流动：末梢血管的血液流动1959Dr. Shigeo 1959Dr. Shigeo Satomura(Satomura(里村茂夫里村茂夫里村茂夫里村茂夫) )与与与与Dr. Ziro KanekoDr. Ziro Kaneko首先首先首先首先发表用发表用发表用发表用DopplerDoppler检查末梢检查末梢检查末梢检查末梢血管的血液循环血管的血液循环血管的血液循环血管的血液循环 2024/8/411生物医学工程基础四生物医学图象History：胎儿心脏检查：胎儿心脏检查 19641964武汉医学院之王武汉医学院之王武汉医学院之王武汉医学院之王新房及萧济鹏医生首先发新房及萧济鹏医生首先发新房及萧济鹏医生首先发新房及萧济鹏医生首先发表用表用表用表用M-modeM-mode检查胎儿心检查胎儿心检查胎儿心检查胎儿心脏脏脏脏 2024/8/412生物医学工程基础四生物医学图象History：3D1984Dr. Kazunori 1984Dr. Kazunori Baba(Baba(马场一宪马场一宪) )首先开发首先开发出出3D3D超音波影像超音波影像1996-Dr. Kazunori 1996-Dr. Kazunori BabaBaba与与与与ALOKAALOKA合作，发合作，发合作，发合作，发表实时表实时表实时表实时3D3D超音波影像超音波影像超音波影像超音波影像 2024/8/413生物医学工程基础四生物医学图象二、超声医学图象的特点二、超声医学图象的特点无伤害性无伤害性无伤害性无伤害性局部成像局部成像局部成像局部成像可以动态显示体内器官的活动情况可以动态显示体内器官的活动情况可以动态显示体内器官的活动情况可以动态显示体内器官的活动情况血流显示血流显示血流显示血流显示目前心脏功能评价和心脏疾病诊断的主要手段目前心脏功能评价和心脏疾病诊断的主要手段目前心脏功能评价和心脏疾病诊断的主要手段目前心脏功能评价和心脏疾病诊断的主要手段分辨率低分辨率低分辨率低分辨率低图象质量差图象质量差图象质量差图象质量差 Speckle noise Dynamic range2024/8/414生物医学工程基础四生物医学图象三、超声成像物理原理概述三、超声成像物理原理概述采用频率高于声波频率的超声波采用频率高于声波频率的超声波采用频率高于声波频率的超声波采用频率高于声波频率的超声波 (typically above (typically above 1MHz)1MHz)，医用频率，医用频率，医用频率，医用频率2.513MHz(2.513MHz(常用常用常用常用2.5 2.5 5MHz)5MHz)超声是超声是超声是超声是机械波机械波机械波机械波，由物体机械振动产生，由物体机械振动产生，由物体机械振动产生，由物体机械振动产生，用压电晶体产生用压电晶体产生用压电晶体产生用压电晶体产生超声波超声波超声波超声波进入人体的超声波遇到密度变化的组织界面时，产生较进入人体的超声波遇到密度变化的组织界面时，产生较进入人体的超声波遇到密度变化的组织界面时，产生较进入人体的超声波遇到密度变化的组织界面时，产生较强的回波信号强的回波信号强的回波信号强的回波信号记录回波记录回波记录回波记录回波 （EchoesEchoes）反射波的延迟确定界面位置，根据接收到的回波成象，反射波的延迟确定界面位置，根据接收到的回波成象，反射波的延迟确定界面位置，根据接收到的回波成象，反射波的延迟确定界面位置，根据接收到的回波成象，反映人体断面结构反映人体断面结构反映人体断面结构反映人体断面结构对多普勒回波信号频移的分析，可以得到血流（组织）对多普勒回波信号频移的分析，可以得到血流（组织）对多普勒回波信号频移的分析，可以得到血流（组织）对多普勒回波信号频移的分析，可以得到血流（组织）运动方向和速度信息运动方向和速度信息运动方向和速度信息运动方向和速度信息2024/8/415生物医学工程基础四生物医学图象人体组织对超声波的衰减系数人体组织对超声波的衰减系数2024/8/416生物医学工程基础四生物医学图象超声波在人体中的传播速度超声波在人体中的传播速度2024/8/417生物医学工程基础四生物医学图象|超声在超声在超声在超声在特性阻抗相同特性阻抗相同特性阻抗相同特性阻抗相同的介质中传播，不产生反的介质中传播，不产生反的介质中传播，不产生反的介质中传播，不产生反射和散射射和散射射和散射射和散射|经过声阻抗不同的相邻介质时（经过声阻抗不同的相邻介质时（经过声阻抗不同的相邻介质时（经过声阻抗不同的相邻介质时（声阻抗差大于声阻抗差大于声阻抗差大于声阻抗差大于0.1%0.1%0.1%0.1%），在交界面上产生：，在交界面上产生：，在交界面上产生：，在交界面上产生：J反射、折射（透射）反射、折射（透射）反射、折射（透射）反射、折射（透射）（界面直径大于超声波波界面直径大于超声波波界面直径大于超声波波界面直径大于超声波波长，大界面长，大界面长，大界面长，大界面）J散射与绕射散射与绕射散射与绕射散射与绕射( ( ( (界面直径界面直径界面直径界面直径近似或小于波长近似或小于波长近似或小于波长近似或小于波长, ,小界面）小界面）小界面）小界面）2024/8/418生物医学工程基础四生物医学图象超声波的反射与折射超声波的反射与折射2024/8/419生物医学工程基础四生物医学图象 当当当当界面直径界面直径波长波长, , 几乎只反射，无绕射，这时几乎只反射，无绕射，这时几乎只反射，无绕射，这时几乎只反射，无绕射，这时反射回波很强反射回波很强反射回波很强反射回波很强当界面直径与当界面直径与波长波长相当，既反射又绕射，波的绕射相当，既反射又绕射，波的绕射相当，既反射又绕射，波的绕射相当，既反射又绕射，波的绕射使反射回波减弱使反射回波减弱使反射回波减弱使反射回波减弱所以，超声波能探测到的最小病灶为所以，超声波能探测到的最小病灶为所以，超声波能探测到的最小病灶为所以，超声波能探测到的最小病灶为波长波长2 22024/8/420生物医学工程基础四生物医学图象被界面反射的这部分声波携带着被界面反射的这部分声波携带着被界面反射的这部分声波携带着被界面反射的这部分声波携带着界面位置界面位置界面位置界面位置和和和和形状形状形状形状的的的的重要信息，而透射进去的那一部分声波，则继续前重要信息，而透射进去的那一部分声波，则继续前重要信息，而透射进去的那一部分声波，则继续前重要信息，而透射进去的那一部分声波，则继续前进，探索组织更深处的奥秘。进，探索组织更深处的奥秘。进，探索组织更深处的奥秘。进，探索组织更深处的奥秘。进入第二介质的超声继续往前传播，遇不同声阻抗进入第二介质的超声继续往前传播，遇不同声阻抗进入第二介质的超声继续往前传播，遇不同声阻抗进入第二介质的超声继续往前传播，遇不同声阻抗的介质时，再产生反射，依次类推的介质时，再产生反射，依次类推的介质时，再产生反射，依次类推的介质时，再产生反射，依次类推被检测的物体密度越不均匀，界面越多，则产生的被检测的物体密度越不均匀，界面越多，则产生的被检测的物体密度越不均匀，界面越多，则产生的被检测的物体密度越不均匀，界面越多，则产生的反射也愈多。反射也愈多。反射也愈多。反射也愈多。 2024/8/421生物医学工程基础四生物医学图象不同组织界面的反射率不同组织界面的反射率2024/8/422生物医学工程基础四生物医学图象四、四、超声成像系统的构成超声成像系统的构成2024/8/423生物医学工程基础四生物医学图象线阵探头凸阵探头相控阵探头五、超声探头与压电效应五、超声探头与压电效应线阵、线阵、 凸阵、凸阵、 相控阵、相控阵、 二维面阵二维面阵2024/8/424生物医学工程基础四生物医学图象Array Typesa)a)Linear Sequential Linear Sequential (switched) 1 cm (switched) 1 cm 10-15 10-15 cm, up to 512 elementscm, up to 512 elementsb)b)CurvilinearCurvilinearsimilar to (a), wider field similar to (a), wider field of viewof viewc)c)Linear PhasedLinear Phasedup to 128 elements, small up to 128 elements, small footprint footprint cardiac cardiac imagingimagingd)d)1.5D Array1.5D Array3-9 elements in elevation 3-9 elements in elevation allow for focusingallow for focusinge)e)2D Phased2D PhasedFocusing, steering in both Focusing, steering in both dimensionsdimensions2024/8/425生物医学工程基础四生物医学图象超声探头产生与探测超声波原理超声探头产生与探测超声波原理压电效应压电效应:Piezoelectric EffectPiezoelectric Effect采用压电换能法，发射、接收超声波正压电效应（压电效应）逆压电效应（电致伸缩效应）2024/8/426生物医学工程基础四生物医学图象正压电效应（压电效应）正压电效应（压电效应） The Direct Piezoelectric Effect法国居里法国居里Pierre CuriePierre Curie对晶体对称性的研究对晶体对称性的研究, , 发现发现压电效应压电效应什么是正压电效应：形变电荷一些离子型晶体的电介质一些离子型晶体的电介质( (如石英、酒石酸钾钠、如石英、酒石酸钾钠、钛酸钡等钛酸钡等) )不仅在电场力作用下，而且在机械力作不仅在电场力作用下，而且在机械力作用下，都会产生极化现象用下，都会产生极化现象. .+-+-正负电荷中正负电荷中正负电荷中正负电荷中心相对转移心相对转移心相对转移心相对转移2024/8/427生物医学工程基础四生物医学图象逆压电效应（电致伸缩效应）逆压电效应（电致伸缩效应） Converse Piezoelectric Effect 电压（电场）电压（电场）形变形变 当当在在电电介介质质的的极极化化方方向向施施加加电电场场，这这些些电电介介质质就就在在一一定定方方向向上上产产生生机机械械变变形形或或机机械械压压力力，当当外外加加电电场场撤去时，这些变形或应力也随之消失的现象。撤去时，这些变形或应力也随之消失的现象。2024/8/428生物医学工程基础四生物医学图象压电陶瓷的压电效应压电陶瓷的压电效应 压压电电陶陶瓷瓷属属于于铁铁电电体体一一类类的的物物质质，是是人人工工制制造造的的多多晶晶压压电电材材料料，它它具具有有类类似似铁铁磁磁材材料料磁磁畴畴结结构构的的电电畴畴结结构构。电电畴畴是是分分子子自自发发形形成成的的区区域域，它它有有一一定定的的极极化化方方向向，从从而而存存在在一一定定的的电电场场。在在无无外外电电场场作作用用时时，各各个个电电畴畴在在晶晶体体上上杂杂乱乱分分布布，它它们们的的极极化化效效应应被被相相互互抵抵消消，因因此此原原始始的的压压电电陶陶瓷内极化强度为零瓷内极化强度为零。直流电场E剩余极化强度剩余伸长电场作用下的伸长 极化处理前极化处理中极化处理后 2024/8/429生物医学工程基础四生物医学图象在陶瓷片上加一个与极化方向平行的压力在陶瓷片上加一个与极化方向平行的压力F：陶陶瓷瓷片片将将产产生生压压缩缩形形变变（图图中中虚虚线线），片片内内的的正正、负负束束缚缚电电荷荷之之间间的的距距离离变变小小，极极化化强强度度也也变变小小。因因此此，原原来来吸吸附附在在电电极极上上的的自自由由电电荷荷，有有一一部部分分被被释释放放，而而出出现现放放电荷现象电荷现象。当当压压力力撤撤消消后后，陶陶瓷瓷片片恢恢复复原原状状( (这这是是一一个个膨膨胀胀过过程程) )，片片内内的的正正、负负电电荷荷之之间间的的距距离离变变大大，极极化化强强度度也也变变大大，因此电极上又吸附一部分自由电荷而出现因此电极上又吸附一部分自由电荷而出现充电现象充电现象。正压电效应：机械效应转变为电能正压电效应：机械效应转变为电能。 极化方向F2024/8/430生物医学工程基础四生物医学图象在陶瓷片上加一个与极化方向相同的电场在陶瓷片上加一个与极化方向相同的电场由由于于电电场场的的方方向向与与极极化化强强度度的的方方向向相相同同，所所以以电电场场的的作作用用使使极极化化强强度度增增大大。这这时时，陶陶瓷瓷片片内内的的正正负负束束缚缚电电荷荷之之间间距距离离也也增增大大，就就是是说说，陶陶瓷瓷片片沿沿极极化化方方向向产产生生伸伸长长形形变变（图中虚线）。（图中虚线）。如如果果外外加加电电场场的的方方向向与与极极化化方方向向相相反反，则则陶陶瓷瓷片片沿沿极极化化方向产生方向产生缩短形变缩短形变。逆压电效应：电能转变为机械能逆压电效应：电能转变为机械能 极化方向电场方向电能电能机械能机械能正压电效应正压电效应逆压电效应逆压电效应2024/8/431生物医学工程基础四生物医学图象如果施加较小的交变电场，压电陶瓷的长度就会周如果施加较小的交变电场，压电陶瓷的长度就会周期变化，这种变化的频率与外加交变电场的频率一期变化，这种变化的频率与外加交变电场的频率一致。致。超声发射探头就是这种电致伸缩效应，将电压转变超声发射探头就是这种电致伸缩效应，将电压转变为声压，并向人体发射为声压，并向人体发射而利用压电效应而利用压电效应接收超声波接收超声波。2024/8/432生物医学工程基础四生物医学图象压电材料压电材料Piezoelectric materials种类：压电晶体，如石英等；压电晶体，如石英等；压电陶瓷，如钛酸钡、锆钛酸铅等；压电陶瓷，如钛酸钡、锆钛酸铅等；压电半导体，如硫化锌、碲化镉等。压电半导体，如硫化锌、碲化镉等。2024/8/433生物医学工程基础四生物医学图象对压电材料特性要求对压电材料特性要求转换性能。要求转换性能。要求具有较大压电常数具有较大压电常数。机械性能。压电元件作为受力元件，希望它的机械强度高、机械性能。压电元件作为受力元件，希望它的机械强度高、刚度大，以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率。刚度大，以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率。 电性能。希望具有电性能。希望具有高电阻率高电阻率和和大介电常数大介电常数，以减弱外部，以减弱外部分布电容的影响并获得良好的低频特性。分布电容的影响并获得良好的低频特性。 环境适应性强。温度和湿度稳定性要好，要求具有环境适应性强。温度和湿度稳定性要好，要求具有较高较高的居里点的居里点，获得，获得较宽的工作温度范围较宽的工作温度范围。 时间稳定性。要求压电性能不随时间变化时间稳定性。要求压电性能不随时间变化2024/8/434生物医学工程基础四生物医学图象t换能器换能器回波信号回波信号六、超声成像工作方式：六、超声成像工作方式：A型型2024/8/435生物医学工程基础四生物医学图象六、超声成像工作方式六、超声成像工作方式：M型型2024/8/436生物医学工程基础四生物医学图象六、超声成像工作方式六、超声成像工作方式：B型型2024/8/437生物医学工程基础四生物医学图象换能器换能器C型平面型平面六、超声成像工作方式六、超声成像工作方式：C型型2024/8/438生物医学工程基础四生物医学图象皮肤皮肤血管血管六、超声成像工作方式：六、超声成像工作方式：D型（型（多普勒血流成像）多普勒血流成像）2024/8/439生物医学工程基础四生物医学图象多普勒血流测量原理多普勒血流测量原理当发射超声传入人体某一血液流动区，当发射超声传入人体某一血液流动区，被红细胞散射返回探头，回声信号的频被红细胞散射返回探头，回声信号的频率可增可减，朝向探头运动的血流，探率可增可减，朝向探头运动的血流，探头接收到的频率较发射频率增高，背离头接收到的频率较发射频率增高，背离探头的血流则频率减低。这种接收频率探头的血流则频率减低。这种接收频率与发射频率之差称与发射频率之差称多普勒频移或差频。多普勒频移或差频。2024/8/440生物医学工程基础四生物医学图象多普勒血流测量原理多普勒血流测量原理多普勒频移（多普勒频移（多普勒频移（多普勒频移（F F F Fd d d d）与）与）与）与( ( ( (发射频率（发射频率（发射频率（发射频率（f f f fo o o o）、血流速度）、血流速度）、血流速度）、血流速度（V V V V）、超声束与血流间夹角（）、超声束与血流间夹角（）、超声束与血流间夹角（）、超声束与血流间夹角（）的余弦）的余弦）的余弦）的余弦) ) ) )成正成正成正成正比，比，比，比，与声速（与声速（与声速（与声速（C C C C）成反比，公式为：成反比，公式为：成反比，公式为：成反比，公式为：式中式中式中式中F F F Fd d d d、coscoscoscos均可测得，均可测得，均可测得，均可测得，f f f fo o o o及及及及C C C C为已知，可以计算为已知，可以计算为已知，可以计算为已知，可以计算出出出出V;V;V;V;声束与血流方向平行时可记录到最大血流速声束与血流方向平行时可记录到最大血流速声束与血流方向平行时可记录到最大血流速声束与血流方向平行时可记录到最大血流速度，声束与血流方向垂直时则测不到血流信号。度，声束与血流方向垂直时则测不到血流信号。度，声束与血流方向垂直时则测不到血流信号。度，声束与血流方向垂直时则测不到血流信号。V2024/8/441生物医学工程基础四生物医学图象超声多普勒回波信号的频谱超声多普勒回波信号的频谱2024/8/442生物医学工程基础四生物医学图象声谱图声谱图2024/8/443生物医学工程基础四生物医学图象系统框图系统框图血流血流测量测量流速剖面流速剖面形成形成B型型成像成像探头谱分析谱分析2024/8/444生物医学工程基础四生物医学图象六、六、B超显像原理超显像原理波束形成波束形成电路电路图像图像存储器存储器坐标变换坐标变换电路电路DSC部件部件探头探头显示器显示器2024/8/445生物医学工程基础四生物医学图象2024/8/446生物医学工程基础四生物医学图象DP-9900全数字超声实验系统全数字超声实验系统 (1)RF(1)RF信号采集信号采集信号采集信号采集 探头的参数探头的参数探头的参数探头的参数: :探头名称探头名称探头名称探头名称: 35C50HA: 35C50HA原来名称原来名称原来名称原来名称:CA3.5/R50:CA3.5/R50标称频率标称频率标称频率标称频率(MHz):3.5MHZ(MHz):3.5MHZ半径半径半径半径 (mm) :50 (mm) :50阵元间距阵元间距阵元间距阵元间距 (mm) : 0.498 (mm) : 0.498阵元数量阵元数量阵元数量阵元数量:128:128最大角度为最大角度为最大角度为最大角度为7373度度度度 2024/8/447生物医学工程基础四生物医学图象A/D图像存储、图像存储、处理与显示处理与显示模拟延迟线模拟延迟线回波信号回波信号换能器换能器阵元阵元S模拟波束形成器模拟波束形成器A/DA/D数字延迟线数字延迟线回波信号回波信号换能器换能器阵元阵元数字波束形成器数字波束形成器图像存储、图像存储、处理与显示处理与显示SA/D=模拟模拟 / 数字数字波束形成器2024/8/448生物医学工程基础四生物医学图象 波束形成器波束形成器 # P 波束形成器波束形成器 # 3 波束形成器波束形成器 # 2 回波信号换能器阵元123N换能器阵元数换能器阵元数NA/D物理通道数物理通道数 ZS 波束形成器波束形成器 # 1 A/D #1A/D #M波束形成通道数波束形成通道数 M波束形成器数波束形成器数 P 物理通道数物理通道数 Z 阵元数阵元数 N 波束形成通道数波束形成通道数 M 波束形成器数波束形成器数 P 一个声束由17个振元合成发生,文件链接2024/8/449生物医学工程基础四生物医学图象换能器换能器阵元阵元回波回波信号信号 波束形成器波束形成器 # 1 波束形成器波束形成器 # 4 # 1# 4 波束形成器波束形成器 # 2 波束形成器波束形成器 # 3 # 3# 22024/8/450生物医学工程基础四生物医学图象B超的横向分辨率决定因素超的横向分辨率决定因素:声束宽度决定声束宽度决定声束宽度决定声束宽度决定扫描线之间的距离扫描线之间的距离扫描线之间的距离扫描线之间的距离等于振元中心间距等于振元中心间距等于振元中心间距等于振元中心间距d d半个振元中心间距半个振元中心间距半个振元中心间距半个振元中心间距d(DP-9900d(DP-9900半间距扫描半间距扫描半间距扫描半间距扫描) )四分之一个振元中心间距四分之一个振元中心间距四分之一个振元中心间距四分之一个振元中心间距d d2024/8/451生物医学工程基础四生物医学图象2024/8/452生物医学工程基础四生物医学图象2024/8/453生物医学工程基础四生物医学图象(2)(2)高通滤波高通滤波高通滤波高通滤波 ( (滤除直流分量滤除直流分量滤除直流分量滤除直流分量) )(3)RF(3)RF信号正交移频信号正交移频信号正交移频信号正交移频2024/8/454生物医学工程基础四生物医学图象(4)(4)低通滤波低通滤波低通滤波低通滤波采用积分梳状滤波器采用积分梳状滤波器采用积分梳状滤波器采用积分梳状滤波器( (设计滤波器设计设计滤波器设计设计滤波器设计设计滤波器设计) ) 滤波器的阶数n62滤波器的通带截止频率过大阻带截止频率过小 2024/8/455生物医学工程基础四生物医学图象滤波器的阶数n138获得了足够大的阻带衰减 2024/8/456生物医学工程基础四生物医学图象2024/8/457生物医学工程基础四生物医学图象 (5) (5) 数据抽取数据抽取数据抽取数据抽取: : 进行进行进行进行1616倍抽取倍抽取倍抽取倍抽取 2024/8/458生物医学工程基础四生物医学图象(6)(6)图象灰度的对数线性变换图象灰度的对数线性变换图象灰度的对数线性变换图象灰度的对数线性变换实质实质实质实质: : 图象增强算法的点处理方法图象增强算法的点处理方法图象增强算法的点处理方法图象增强算法的点处理方法2024/8/459生物医学工程基础四生物医学图象超声回波超声回波信号采样点信号采样点电视显示电视显示象素点象素点 坐标变换坐标变换 数据插补数据插补(7)坐标变换坐标变换2024/8/460生物医学工程基础四生物医学图象2024/8/461生物医学工程基础四生物医学图象彩色多普勒超声图象（心脏）彩色多普勒超声图象（心脏）2024/8/462生物医学工程基础四生物医学图象彩色多普勒超声图象（肾脏）彩色多普勒超声图象（肾脏）2024/8/463生物医学工程基础四生物医学图象小型化小型化2024/8/464生物医学工程基础四生物医学图象我国的超声仪我国的超声仪2024/8/465生物医学工程基础四生物医学图象B超图象（超图象（Fetal profile）2024/8/466生物医学工程基础四生物医学图象B超图象（超图象（Fetal profile）2024/8/467生物医学工程基础四生物医学图象正常颈动脉分叉正常颈动脉分叉2024/8/468生物医学工程基础四生物医学图象颈动脉狭窄颈动脉狭窄2024/8/469生物医学工程基础四生物医学图象静脉瓣静脉瓣2024/8/470生物医学工程基础四生物医学图象Gallbladder2024/8/471生物医学工程基础四生物医学图象八、超声医学成象的新进展八、超声医学成象的新进展造影谐波成象造影谐波成象造影谐波成象造影谐波成象组织多普勒成象组织多普勒成象组织多普勒成象组织多普勒成象多维成像多维成像多维成像多维成像2024/8/472生物医学工程基础四生物医学图象BeforeDuringAfterSANSVCRAARAARAASVCSVCABC2024/8/473生物医学工程基础四生物医学图象3D Freehand2024/8/474生物医学工程基础四生物医学图象3D Freehand2024/8/475生物医学工程基础四生物医学图象三维成像三维成像2024/8/476生物医学工程基础四生物医学图象医学成像方式功能比较医学成像方式功能比较-12024/8/477生物医学工程基础四生物医学图象医学成像方式功能比较医学成像方式功能比较-2功功能能特特点点X线机线机XCT磁共振磁共振同位素同位素超声超声 透视透视 拍片拍片 无创、无电离辐射无创、无电离辐射 断层成像断层成像 实时、动态实时、动态 形态、功能与定征形态、功能与定征 设备价格便宜设备价格便宜结构形态结构形态 血流测量血流测量 组织定征组织定征断层断层结构结构 设备简单设备简单 电离辐射电离辐射 影像重叠影像重叠断层摄影断层摄影电离辐射电离辐射非实时非实时断层摄影断层摄影设备昂贵设备昂贵非实时非实时断层摄影断层摄影分辨力低分辨力低放射性药放射性药物物 断层断层 结构结构 代谢代谢 功能功能代谢代谢功能功能2024/8/478生物医学工程基础四生物医学图象医学成象的发展趋势医学成象的发展趋势多维成象（多维成象（多维成象（多维成象（Multi-Dimensional ImagingMulti-Dimensional Imaging）多模式成象（多模式成象（多模式成象（多模式成象（Multi-Modality ImagingMulti-Modality Imaging）多种图象模式的融合多种图象模式的融合多参数成象多参数成象多参数成象多参数成象(Multi-Parameter Imaging)(Multi-Parameter Imaging)图象归档与通信系统（图象归档与通信系统（图象归档与通信系统（图象归档与通信系统（Picture Archiving and Picture Archiving and Communication System: PACSCommunication System: PACS）2024/8/479生物医学工程基础四生物医学图象生物医学工程基础四生物医学图象