灰阶超声成像原理讲述研究

■ 目前常用的是128振元。
压电阵子与逆压电效应：
电能转换成机械能，发射超声波。
◆ 将此晶体置于交变电场时，则可发现晶体
厚度有所改变，出现强烈的压缩或扩张。
压电阵子与压电效应： 机械能转换成电能，由换能器接收。
◆ 在石英等晶体上施加压力时， 晶体表面上即出现异名电荷。
声透镜
■ 位置：在探头的匹配层与人体组织间；
7、一键优化
◆按下按钮，超声仪会自动对仪器的灰阶超声
的显示进行调节。
◆方便操作，提高效率。
◆并不绝对，实际操作中还是需要因人、因部位、
因环境等随时进行调节。
8、帧频（Frame rate）
◆帧频，也叫超声时间分辨率，是指每秒成像的帧数。 ◆帧频越高，获取图像的时间越短，成像越快，图像 的显示也越平稳。 ◆成像帧频大小与多声束形成技术和探测深度相关。 多声束成像技术可以提高帧频； 探测深度越小，成像帧频就越高。 ◆影响帧频的因素：深度、焦点、动态范围、 彩色取样框大小。
超声经过结构比较均匀的实质组织如肝
脏、脾脏、甲状腺、睾丸等器官和组织时，
在相应区域即或有些界面，但声阻差较小，
回声较少，此即少反射型或称低回声区。
（三）多反射型
超声经过结构杂乱的实质组织如乳腺时， 因结构复杂，界面甚多，其前后声阻差大，
故反射较多且强，光点更为密集，回声强
度亦大，此称多反射型或谓高回声区。
●设定超声波在介质中传播速度为1540m/s,
则声阻抗与介质的密度差相关。
●介质越硬，组织的声阻抗越大。 ●一般声阻抗：固态>液体>气体
■ 超声波传播过程中，所遇的组织界面不同，其 声阻抗也不一样，发生反射、折射等现象，反 射、折射等程度不一，与介质的声阻抗差密切 相关。 ■反射系数之大小决定在界面处两介质声阻之差。 设 Z1为第一介质之声阻，Z2为第二介质之声阻 公式表之：
5、动态范围（dynamic range）
◆动态范围，接收的动态回波信号的变化幅度。 ◆探头能接收的最大有用信号电压幅度与最小 有用信号电压幅度之间的差异代表探头接收 有用信号的能力或超声仪的放大电路处理有 用信息的能力。 ◆动态范围大，得到的回波信息量多，病灶的 包容量大，图像分辨力高，图像看起来更加 平滑。但是也可能造成噪声信号进入而对有 用信号本身造成干扰，另外也会降低帧频。 动态范围小，虽帧频提高，但是图像看起来会 更加模糊。 ◆ 一般放置在80db左右。
探头（probe）主要构成：
声透镜、匹配层、压电阵子、吸声块。
压电阵子
■ 是超声换能器的核心。
■ 目前使用较多的是人造压电陶瓷（PZT，锆钛酸铅）。
■ 优点：电-声能转换率高；性能稳定，价廉，易于加工 可压制成任意形态、尺寸（线阵、凸阵、矩阵等）
非溶水性、耐湿防潮、机械强度较好
■ 缺点：多晶体，使用频率受一定限制 易脆性；受温度影响大；老化性 ■ 探头制作过程中，将压电陶瓷切割成多个振元， 每个振元又分成多个阵子进行排列。
实时成像：仪器每秒的速度达到24帧以上，可显示各种静
态及活动脏器，如心脏及血管的搏动、胎心等。
9、分辨力（ Resolution ）
◆ 分辨力是指超声检查时能在荧光屏上被分别显示 为两点的最小间距。 ◆ 依方向不同可分为纵深分辨力与横向分辨力 (depth resolution and lateral resolution)。
散射：如物体的直径 小于超声波的波长时， 则声波向物体的四面 八方辐射。
■在人体结构中，散射主要发生在组织或 器官内部大小与超声波长接近或更小的 微小结构上，如肝脏中的肝小叶，肾中 的肾小体，心脏中的心肌纤维、血液中 的红细胞。
■超声在工作中，是反射、透射、散射、
绕射的综合运用。
④吸收（ absorption ） 与衰减( attenuation)
③频率（Frequency, f ）：
单位时间内单位振动的次数， 亦超声波通过介质中某点的疏密波的次数。
★波长、声速与频率之间关系密切，公式如下：
声速 (c) 波长(λ)＝ ---------频率 (f)
频率低，波长长，穿透性好，透入深，分辨力低 频率高，波长短，穿透性差，透入浅，分辨力高
■ 目前医用超声波的频率：200KHZ——100MHZ。 ■ 目前临床超声仪常用频率：2MHZ——15MHZ。 医用超声频率的应用范围
灰阶成像三要素：
1、超声波→振源（Ultrasound） 2、乒乓球壁→介质(Medium)
3、接收回波的探头→感受器(Receiver)
振源
介质
感受器
1、声源——超声波
波பைடு நூலகம்
｛机械波 ｛
电磁波：无线电波、X线、可见光等。
次声波：<20HZ 可听波：20HZ——20KHZ
超声波：>20KHZ
超声波:声源高速振动， 其频率20000次 (Hz) 以上，
◆ 探头可接收的回波信号的强度与入射波 和反射界面之间的夹角有关，垂直入射（入 射角为0），反射越多，探头接收到的回波信 号最强；入射角越大，反射越少，能返回的 信号越弱。
③散射（ scattering ） 与绕射（diffraction）
绕射：如界面不大， 可与超声波波长相 比，则声波将绕过 该界面继续向前传播。
超过人类的听觉阈值，不能被人耳感受的的机械振动。
◆ 有关超声波的物理量：
①波长（wavelength,λ ）：在传
播过程中一个完整周期内所通过的距离。
波长λ
② 声速（ velocity of sound, c ）
单位时间内声波在介质中传播的距离称声速。 其传播速度在气体中较小, 360 m/s左右； 在液体和人体软组织中较大，1500 m/s 左右； 在固体中最大，约为4500 m/s 左右。 ■ 超声仪器在设计时对于不同的软组织， 假定了一个相对平均的速度，即1540M/S.
吸收块
■ 位置：位于压电振子背后 ■ 材料：由钨粉与环氧树组成的强吸声物
■ 作用：防消除后向干扰；实现窄脉冲，提高纵向分力
■ 原理：透吸收背向声波，使之能量消耗。
探头
发射电路 接收电路
控制电路 扫描电路
电源
显示器
四、灰阶超声中常用 术语及其调节
1、增益（gain）
◆增益是指接收机的放大倍数，为后处理过程。 ◆主要针对回波信号的幅度进行调节，用于改 变图像亮度（回声强度）。
■ 一、灰阶及回声的概念 ■ 二、灰阶成像的三大基本要素 ■ 三、灰阶成像的三大步骤 ■ 四、灰阶超声中常用术语及其调节
一、灰阶及回声
一、灰阶及回声的概念
灰阶（gray-scale）：灰色色调的数量，表示在图上黑
色到白色的之间的灰度（亮度）。
■
目前超声常使用256级灰阶。
■ 回声（echo）：对灰阶的统称。
6、聚焦（focus）
◆目前的电子探头都是使用电子聚焦技术。 ◆在某个深度范围内使反射或接收的超声束变窄， 提高图像的侧向分辨力。 ◆连续动态聚焦，由机器自动完成，是数字波束形 成器中采用的， 可以对于接收声束进行全程实 时动态聚焦，在整个扫差深度上都可以达到较 高的侧向分辨力。 ◆ 探头发射的声束的聚焦，通过调节其数量、位 置及间距，可以实现图像的优化。 ◆ 聚焦数量过多，也会影响帧频。
声能随着透入距离增加而减弱
2、介质——传播声波的媒介物质
①气体和充气的肺组织 ②液体和软组织 ③骨骼和矿物化后的组织
■超声检查中，人体组织就是超声波传播的介质。
回声的强度为何不同？
“介质声阻抗差”
声阻抗（ acoustic impedance ）：
介质的密度与超声波在介质中传播速度的乘积。 设：Z为声阻，ρ为密度，c为声速 则：声阻 (Z)＝密度 (ρ) X 声速 (c)
（四）全反射型
在软组织与含气组织(如肺、肠腔)交界处，
界面前后声阻相差3000多倍，反射系数达
99.9％，接近于全部反射，故不能透入第二
介质，使界面后的组织结构则无法显示，故
称全反射型。
3、感受器——探头
探头接收组织反射回来的信号后，经仪器
处理放大，在示波屏上形成代表界面反射强
弱的光点与波幅。
超声，是利用超声波在人体不同组织产生反射
和散射等的回波中所携带的人体解剖形态信息，
经处理形成灰度显示图像来诊断疾病的仪器。
三、灰阶成像三大步骤
发送脉冲波
利用逆压电效应，将电信号 转换成机械能，发射超声波
↓
接收回波信号
利用压电效应，将回波声信号 转化成电信号，由探头接收
↓
电路处理灰阶显像
电路转换、数字扫描变换、 后处理（像素亮度后处理、灰 阶变换、图像平滑、复合视频等）
■ 材料：常用塑料或树脂制成； ■ 作用：声聚焦和换能器的保护层； ■ 原理：透镜材料的声速大于周围介质声速时声束可 折射效应发生会聚。
匹配层
■ 是位于压电振子前面的一层或多层的声学材料。
■ 作用：使高声阻抗的压电振子与低声阻抗的人体组
织间达到阻抗匹配，以提高声能的最大传效率
■ 发射不同频率的声波需要不同的匹配层。
强回声：胆囊结石
高回声：肝内血管瘤
等回声：正常脾实质
低回声：颈部淋巴结
无回声：充盈好的膀胱
LV
二、灰阶成像三大基本要素
二、灰阶成像的三大基本要素
A：水槽中的乒乓球照片
B：灰阶超声切面图像
●为何会产生差别？
A图成像原理：
乒乓球→视网膜→大脑皮层→完整图像
B图成像原理：
探头发射超声波→乒乓球（介质）→接 收回波信号显像→切面灰阶图像
当声波穿过介质时，由于“内摩擦 ”或所 谓“粘滞性”，使声能被吸收、 散射而逐渐 减弱，声波的振幅随之减低，此即衰减。 吸收与衰减的多少和超声的频率、介质的 粘滞性、导热性、温度及传播的距离等因素有 密切关系。