超超 声声 基基 础础 知知 识识 20201414年年3 3月月1111日日一、声波一、声波1. 概念：声波是一种机械振动，可以通过介质进行传播。概念：声波是一种机械振动，可以通过介质进行传播。 潜艇潜艇海洋海洋0Hz 20Hz 20KHz1MHz 30MHz 400MHz 次声波次声波 可听见声音可听见声音超超声声 红外线红外线 耳朵耳朵无损探伤无损探伤 图像诊断图像诊断 声学显微镜声学显微镜2. 声音频谱声音频谱3. 超声的特性超声的特性 超声的折射：超声从甲介质进入乙介质时，传播方向发生偏离。超声的折射：超声从甲介质进入乙介质时，传播方向发生偏离。 超声的反射：超声在遇到两种介质界面时，传播方向在一种介质中发生偏转。超声的反射：超声在遇到两种介质界面时，传播方向在一种介质中发生偏转。 传播速度：传播速度： 超声在水中的传播速度超声在水中的传播速度1530米米/秒秒 超声在空气中传播速度超声在空气中传播速度344米米/秒秒( 20C )三棱镜三棱镜折射折射镜子镜子反射反射声波在软组织中的传播速度声波在软组织中的传播速度 声波在软组织中的速度取决于所通过的介质的密声波在软组织中的速度取决于所通过的介质的密度及硬度度及硬度.其在骨骼其在骨骼,血液血液,软骨的的传播速度各不软骨的的传播速度各不相相算机用来计算声能量所走过的距离。算机用来计算声能量所走过的距离。 安全、无辐射。适用于胎儿诊断。安全、无辐射。适用于胎儿诊断。 设备可移动，成本低。设备可移动，成本低。 实时成像实时成像 通过扫描角度变化，获得更佳的图像。通过扫描角度变化，获得更佳的图像。 多普勒检测血流量信息。多普勒检测血流量信息。二、超声原理二、超声原理超声频率与波长：超声频率与波长： C / f超声波波长；超声波波长；C超声波声速超声波声速 f 超声波频率。超声波频率。波长：一个波的长度。波长：一个波的长度。频率：单位时间内的周数（重复次数）频率：单位时间内的周数（重复次数） 探头远近低频低频高频高频分辨率分辨率更好更好穿透力：穿透力：更强更强3. 超声波的衰减：超声波的衰减：超声波的衰减与传播距离成正比；与频率的超声波的衰减与传播距离成正比；与频率的2/3方成正比。方成正比。高频衰减大，低频衰减小（穿透力强）高频衰减大，低频衰减小（穿透力强）高频衰减大，低频衰减小（穿透力强）高频衰减大，低频衰减小（穿透力强）三、超声模式三、超声模式 在监视器上显示的超声图像是二维图像，这与在监视器上显示的超声图像是二维图像，这与CT和核磁共振所形成的图像相同。和核磁共振所形成的图像相同。超声图像有以下几种模式：超声图像有以下几种模式：回波振幅Line 1Line 2Line 3Line 4Line 5Line 6Line 7Line 81. A模式模式：是一种振幅的模式。它在显示上形成垂直偏转的曲线图。：是一种振幅的模式。它在显示上形成垂直偏转的曲线图。2. B模式模式：是一种亮度的模式。其图像由不同亮度的点所组成的：是一种亮度的模式。其图像由不同亮度的点所组成的直线构成。点的亮度代表接收到回声的振幅。通过连续扫描，二直线构成。点的亮度代表接收到回声的振幅。通过连续扫描，二维的剖面图像不断地被更新，这就是实时维的剖面图像不断地被更新，这就是实时B模式。模式。探头换能器监视器Line 1 2 3 4 5 6 7 8 3. M模式：模式： M模式中的模式中的M表示运动，表示运动，M模式通过模式通过B模式图象来显示一个光标，然后在以时间为模式图象来显示一个光标，然后在以时间为轴线的波形图上表示其运动状态。通常轴线的波形图上表示其运动状态。通常M模式用于检测心脏及胎儿的心率。模式用于检测心脏及胎儿的心率。TransducerTransducerTransducerTransducerLine 45 t1Line 45 t2Line 45 t3Line 45 t4t 1 2 3 4 5 6 7.4. D模式（多普勒模式）（后面详述）模式（多普勒模式）（后面详述）四、探头四、探头 用于超声的探头也称为换能器，是用来产生和检测超声波的部件，即换能器既是发射器，用于超声的探头也称为换能器，是用来产生和检测超声波的部件，即换能器既是发射器，也是接收器。它是超声设备最重要的部分。也是接收器。它是超声设备最重要的部分。1. 结构：结构： 详见右图所示。详见右图所示。 其中：压电陶瓷发射其中：压电陶瓷发射/接收超声波；声透镜轴向接收超声波；声透镜轴向 聚焦；背衬材料防止产生超声波反向振动；聚焦；背衬材料防止产生超声波反向振动； 2. 压电效应：是指具有压电特性的材料压电效应：是指具有压电特性的材料(陶瓷、石英陶瓷、石英) 在受到外界压力后，在其受压端面产生电压；在其在受到外界压力后，在其受压端面产生电压；在其 端面施加交变电信号时，其端面会产生机械振动，端面施加交变电信号时，其端面会产生机械振动， 发出声波。发出声波。3. 工作原理：工作原理： 主机通过电缆在基元上施加电信号，使基元振动，主机通过电缆在基元上施加电信号，使基元振动，发出超声波，超声波经物体反射作用在基元上，使基元发出超声波，超声波经物体反射作用在基元上，使基元两端产生电信号，通过电缆传送至主机处理、显示。两端产生电信号，通过电缆传送至主机处理、显示。 声透镜压电陶瓷(基元)背衬材料衬套电缆物物体体发射反射五、超声扫描方式五、超声扫描方式1. 概述：概述：超声设备在医学临床上有多种诊断方式。超声设备在医学临床上有多种诊断方式。凸阵：也称弯曲线阵，与线阵的区别在于凸阵：也称弯曲线阵，与线阵的区别在于 基元是弯曲的。用于腹部和妇产科。基元是弯曲的。用于腹部和妇产科。特点： 近、远场视野宽线阵：用于小器官、血管及术中。线阵：用于小器官、血管及术中。特点： 孔径大 近场视野宽 旁瓣影响小2. 电子扫描方式电子扫描方式 探头的许多基元通过电子控制产生扫描波束并且通过延时线对波束进行聚焦。探头的许多基元通过电子控制产生扫描波束并且通过延时线对波束进行聚焦。 线阵线阵凸阵（含微型凸阵）凸阵（含微型凸阵）相控阵相控阵相控阵：相控阵： 相控阵方式是通过连续变换延时线来得到产生超声波束的不同角度。主要用于心脏。相控阵方式是通过连续变换延时线来得到产生超声波束的不同角度。主要用于心脏。延时线扫描超声波束相控阵探头 通过延时线聚焦3、机械三维探头：、机械三维探头： 马达控制探头基元偏转马达控制探头基元偏转 （腹部、小器官、腔内）（腹部、小器官、腔内） 4、心脏三维探头：、心脏三维探头： 六、超声系统六、超声系统 延时线路延时线路脉冲发射脉冲发射/接收接收 处理处理滤波器、对数放大滤波器、对数放大器、时间增益控制器、时间增益控制 D S C数字扫描转换器数字扫描转换器监视器监视器记录设备记录设备录像机 打印机 彩色打印机图象档案管理图象档案管理 存储存储硬盘、磁光盘硬盘、磁光盘主机主机探头探头七、名词解释七、名词解释通过窄孔径，在近场聚焦中场通过宽孔径，在远场聚焦对每一深度聚焦动态接收聚焦动态接收聚焦透镜焦点聚焦 发散1. 聚焦聚焦 许多超声设备都有调整聚焦的功能，对感兴趣的许多超声设备都有调整聚焦的功能，对感兴趣的区域进行聚焦，从而使图象分辨率更高，图象更清晰。区域进行聚焦，从而使图象分辨率更高，图象更清晰。超声系统的几种聚焦方式：超声系统的几种聚焦方式：只在发射端聚焦（接收端：自动聚焦）：保持较高的帧频发射和接收端聚焦：可使图象质量更好，但是帧频很低常用的聚焦方式：分段聚焦；动态聚焦；连续动态聚焦常用的聚焦方式：分段聚焦；动态聚焦；连续动态聚焦(CDF）3. 帧频帧频帧频是指单位时间内帧频是指单位时间内获得图象的帧数。获得图象的帧数。高帧频可以捕捉细小高帧频可以捕捉细小的信息。的信息。移动的物体低帧频高帧频2.宽频是指探头的工作频率范围比较宽。宽频是指探头的工作频率范围比较宽。 宽频带探头是实现变频的基础。宽频带探头是实现变频的基础。宽频带探头是实现变频的基础。宽频带探头是实现变频的基础。变频是一种新技术：改变同一个探头的变频是一种新技术：改变同一个探头的频率。若目标区域在近场，可以选用高频率。若目标区域在近场，可以选用高频率；若目标区域在远场，可以切换到频率；若目标区域在远场，可以切换到低频率。低频率。4. 分辨率分辨率 分辨率是指对两个靠近物体的识别能力，即对图象的区分。分辨率是指对两个靠近物体的识别能力，即对图象的区分。轴向（纵向）分辨率轴向（纵向）分辨率：是指沿超声波束轴方向上可区分的：是指沿超声波束轴方向上可区分的 两个点目标的最小距离。两个点目标的最小距离。轴向分辨率由超声波束的波长所决定。轴向分辨率由超声波束的波长所决定。一般来说，轴向分辨率为波长的一般来说，轴向分辨率为波长的2到到4倍。倍。 轴向分辨率高低 侧向分辨率高低侧向（横向）分辨率：侧向（横向）分辨率：是指对垂直于超声波束轴方向上可是指对垂直于超声波束轴方向上可 区分的两个点目标的最小距离。区分的两个点目标的最小距离。侧向分辨率取决于超声波束的宽度和波束聚焦情况。侧向分辨率取决于超声波束的宽度和波束聚焦情况。灰度（对比度）分辨率：灰度（对比度）分辨率：是指对两个相似密度的物体的是指对两个相似密度的物体的 识别能力。识别能力。灰度分辨率几何分辨率平衡平衡几何分辨率高灰度分辨率差几何分辨率高灰度分辨率差几何分辨率高灰度分辨率差几何分辨率高灰度分辨率差超声伪像超声伪像 声像图伪像（伪差，声像图伪像（伪差，artifact）是指超声显示的断层图）是指超声显示的断层图像与其相应解剖断面图像之间存在的差异。这种差异表现像与其相应解剖断面图像之间存在的差异。这种差异表现为声像图中回声信息特殊的增添、减少或失真。为声像图中回声信息特殊的增添、减少或失真。 伪像（伪差）在声像图中十分常见伪像（伪差）在声像图中十分常见。理论上讲几乎任理论上讲几乎任何声像图上都存在一定的伪像（伪差）。而且，何声像图上都存在一定的伪像（伪差）。而且，任何先进任何先进的现代超声诊断仪均无例外的现代超声诊断仪均无例外，只是伪像在声像图上表现的只是伪像在声像图上表现的形式和程度上有差别而已。形式和程度上有差别而已。 识别超声伪像是很重要的识别超声伪像是很重要的。一方面，一方面，可以避免可以避免伪像可伪像可能能引起的误诊和漏诊引起的误诊和漏诊；另一方面，还可以利用某些特征的另一方面，还可以利用某些特征的伪像伪像帮助诊断帮助诊断，提高我们对于某些特殊病变成分或结构的提高我们对于某些特殊病变成分或结构的识别能力。我们不仅善于识别超声伪像的种种表现，还有识别能力。我们不仅善于识别超声伪像的种种表现，还有必要了解这些伪像产生的物理基础。必要了解这些伪像产生的物理基础。Johann Christian DopplerJohann Christian Doppler1803-1853数学家数学家现代天体物理学就是基于他现代天体物理学就是基于他1842年发现年发现的著名的多普勒原理的著名的多普勒原理.八、多普勒（八、多普勒（Doppler）多普勒概念多普勒概念 运动的物体与静止的物体对观察者来说听起来不一样运动的物体与静止的物体对观察者来说听起来不一样.飞机不动飞机不动,引擎的音调也不变引擎的音调也不变.观察者听起来观察者听起来,引擎的音调变高深莫测了引擎的音调变高深莫测了.观察者听起来观察者听起来,引擎的音调变低了引擎的音调变低了.多普勒原理多普勒原理 当声波遇到红细胞时，当声波遇到红细胞时，回声信号与声波频率相同回声信号与声波频率相同但当红细胞运动时，但当红细胞运动时，反射信号将是较低频的信号。反射信号将是较低频的信号。当红细胞向另一方向运动时，当红细胞向另一方向运动时，反射信号将是较高频反射信号将是较高频的信号。的信号。你可以认为由于红细胞的运动拉伸或压缩了声波，从你可以认为由于红细胞的运动拉伸或压缩了声波，从而改变了它的频率。而改变了它的频率。多普勒仪器测量这种改变以便能确定其速度。多普勒仪器测量这种改变以便能确定其速度。 多普勒技多普勒技术在超声在超声诊断中非常有价断中非常有价值。主要用于。主要用于检测心心脏、血管内血液的流向，、血管内血液的流向，流速及流量。流速及流量。主要包括以下三种：主要包括以下三种：- 脉冲多普勒脉冲多普勒(PW)- 高脉冲重复高脉冲重复频率多普勒率多普勒(HPRF) - 连续波多普勒波多普勒 (CW). TXMRCVRCV如果接收体向着振如果接收体向着振动源运源运动， ，则接收接收到的到的频率将高于率将高于发射射频率。率。 如果接收体背着振如果接收体背着振动源运源运动， ，则接收接收到的到的频率将低于率将低于发射射频率。率。TXM1. 多普勒效应：多普勒效应：振动源和接收体有相对运动时振动源和接收体有相对运动时,所接收到的回声频率不同于振源所发射所接收到的回声频率不同于振源所发射 的声频率的声频率,其差别与相对运动的速度有关其差别与相对运动的速度有关,这就是多普勒效应。这就是多普勒效应。2. 多普勒效应公式：多普勒效应公式：2cos f。 C fV(cm/s)=V 血流V (cm/s): 血流速度血流速度C (cm/s): 声速声速(1530m/s) (度度): 血流与超声波束之间的夹角血流与超声波束之间的夹角 f(Hz): 多普勒频移多普勒频移 f 。(Hz): 超声频率超声频率超声波束血管 角角的调整：的调整：30 0.86633 0.839 3.2%cos 误差变化误差变化70 0.34273 0.292 17.1%夹角夹角的最佳范围：的最佳范围：3060脉冲多普勒模式脉冲多普勒模式 PW脉冲多普勒脉冲多普勒:探头发射出一组超声波之后，在一选择性的时间后开始接受回声信号，探头发射出一组超声波之后，在一选择性的时间后开始接受回声信号，并利用其频移信号成分组成灰阶频谱。并利用其频移信号成分组成灰阶频谱。关键词关键词取样容积（取样容积（SV）：）：三维立体的取样体积，三维立体的取样体积，调节范围在调节范围在1-16mm优点：定位准确优点：定位准确缺点：缺点：受脉冲重复频率的限制，受脉冲重复频率的限制，测量速度受限，小于测量速度受限，小于3m/s。大于大于3m/s的速度出现频率的速度出现频率失真。失真。脉冲重复频率（脉冲重复频率（PRF）：每秒发射脉冲群的次数（）：每秒发射脉冲群的次数（PRF=1/Td）频率失真：频率失真：脉冲重复频率（脉冲重复频率（PRF）的）的1/2是尼奎斯特是尼奎斯特极限，如果多普勒频移超过这个极限，极限，如果多普勒频移超过这个极限，脉冲多普勒所检测出频率改变就会出现脉冲多普勒所检测出频率改变就会出现大小和方向的伪差大小和方向的伪差频率失真频率失真连续多普勒模式连续多普勒模式 CW连续多普勒：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的回声信号均被记录下来。探头连续地发射和接收脉冲波。多普勒超声束内所有的回声信号均被记录下来。缺点：定位不准确缺点：定位不准确关键词关键词：高速血流：高速血流 优点：优点： 可以测量高速血流，现在最高可以测量高速血流，现在最高15m/s。 对于定量分析心血管系统中的狭窄、对于定量分析心血管系统中的狭窄、 返流和分流性病变，是一个非常重返流和分流性病变，是一个非常重 要的优点要的优点高脉冲重复频率多普勒高脉冲重复频率多普勒 HPRF HPRF 高脉冲重复频率多普勒：高脉冲重复频率多普勒：介于脉冲多普勒和连续多普勒之间的一种技术介于脉冲多普勒和连续多普勒之间的一种技术, ,是脉冲多普勒基础上的改进是脉冲多普勒基础上的改进. .探头在发射一组超声脉冲波之后探头在发射一组超声脉冲波之后, ,不等取样部位的回声信号返回探头又发射出新的不等取样部位的回声信号返回探头又发射出新的超声脉冲波超声脉冲波, ,在一个选择性的时间在一个选择性的时间接受多个回声信号，并利用其频移信号成分组成接受多个回声信号，并利用其频移信号成分组成灰阶频谱。灰阶频谱。特点：特点：定位没有定位没有PW准确，测量速度比准确，测量速度比PW高高测量速度没有测量速度没有CW高，定位比高，定位比CW准确准确 彩色血流成像：彩色血流成像：将多普勒频移信号将多普勒频移信号,进行彩色编码进行彩色编码叠加在二维声像图上，实时显示叠加在二维声像图上，实时显示彩色血流。彩色血流。每一个彩色的点表示小区域内血每一个彩色的点表示小区域内血液流量的平均值。液流量的平均值。特点：特点：1、红蓝两种颜色代表血流方向。、红蓝两种颜色代表血流方向。通常，红色表示迎向探头的血流通常，红色表示迎向探头的血流方向，蓝色表示离向探头血流方方向，蓝色表示离向探头血流方向。向。2、色调代表血流的速度的大小。、色调代表血流的速度的大小。流速越高，色调越高即色彩越亮；流速越高，色调越高即色彩越亮；流速越低，色调越低即色彩越暗。流速越低，色调越低即色彩越暗。 彩色多普勒彩色多普勒 CFM缺点：缺点：当频移超过尼奎斯特极限时，频率当频移超过尼奎斯特极限时，频率失真，出现彩色逆转，红蓝倒置。失真，出现彩色逆转，红蓝倒置。尼奎斯特极限尼奎斯特极限=脉冲重复频率（脉冲重复频率（PRF）的）的1/2能量多普勒（能量多普勒（PDI）能量多普勒：能量多普勒：对多普勒信号的能量大小进行彩色编码，不受角度的限制，有效对多普勒信号的能量大小进行彩色编码，不受角度的限制，有效的观察脏器的灌注情况，提高对低速血流敏感性的观察脏器的灌注情况，提高对低速血流敏感性解剖定性诊断解剖定性诊断解剖定性诊断解剖定性诊断实时自动轨迹包络测量实时自动轨迹包络测量g 我们追求什么我们追求什么? * 图象的品质图象的品质-优异的图象质量优异的图象质量 * 提高诊断的功能提高诊断的功能-和临床相结合的新技术功能和临床相结合的新技术功能 * 操作方便性操作方便性-人体工程学设计人体工程学设计承诺承诺: 每年一个新突破每年一个新突破 把突破性技术移植到系列平台把突破性技术移植到系列平台 给超声用户提供最先进的产品给超声用户提供最先进的产品定义定义: 解决临床相关问题解决临床相关问题 表现在图像质量上表现在图像质量上 有广泛的临床应用有广泛的临床应用GE 超声超声您的建议永远是我们突破的源动力您的建议永远是我们突破的源动力THANK YOU .