超声成像原理
超声成像原理
成像基本原理
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（二）超声成像的类型和显示方式 超声成像的主要类型有二维、M型和D型。其间成像技术和显示方式有所不同，分
述如下。 1.二维超声：常简称为B型超声。其采用多声束对选定切面进行检查，并以每条声
束的所有回声依各自的回声时间（代表深度)和强弱，重新组成检查切面的二维图像。 图像上的纵坐标代表回声时间即回声深度，而回声的强弱则用不同辉度的光点来表示， 故属于辉度调制型显示。在二维声像图上，根据组织内部声阻抗及声阻抗差的大小， 将人体组织器官分为四种声学类型
M型超声主要用于检查心脏和大血管。通过评估距离一时间曲线，可以检测房室和主 动脉径线，左右室壁和室间隔厚度，瓣膜运动幅度和速度以及左右室收缩功能等。
超声检查方法
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（四）超声成像的新技术
①组织多普勒成像：是应用多普勒效应，以频谱方式定量分析心肌局部运动的检查技术； ②彩色多普勒能量图：成像参数为血流中与散射相对应的能量信号，主要与红细胞相对数 量有关，从而为评估病变内血管和血流灌注提供重要信息； ③声学造影：原理是人为向血流内注人与血液声阻抗不同的微气泡，致血液的散射增强， 呈云雾状回声，从而为疾病的超声诊断提供新的信息； ④声学定量(AQ）：可实时自动检测血液与组织界面，主要用于心功能评估；应用AQ原理， 还可获得不同时相心内膜运动不同色彩的编码图，即彩色室壁动态分析图，用于检测室壁运动 异常；
成像基本原理
（二）超声成像的类型和显示方式
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超声设备与超声成像性能
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（一）超声设备
超声设备主要由换能器(常称为探头）、主机和信息处理系统、显示和记录系统组成。 换能器(探头)兼有超声波发生和回声接收功能。 按应用分类方式分类：有体外探头、体内探头、穿刺活检探头之分 按探头中换能器所用振元数目分类：有单元探头和多元探头之分； 按波束控制方式分类：则有线扫探头、相控阵探头、机械扇扫探头和方阵探头等； 按探头的几何形状分类：用在不同诊则有矩形探头、柱断部位的各型探头、弧形探头 类超生探头（又称凸型）、圆形探头等； 主机和信息处理系统负责设备运转，包括超声波的发射、接收，信息采集和处理。 显示和记录系统用于实时显示图像和资料保存。由显示屏(荧屏）、打印机、照相机、录 像装置组成。
超声成像原理课件
2024/6/7
《超声成像原理》PPT课件
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2、侧向分辨力
指在与声束轴线垂直的 平面上，在探头长轴方向上 的分辨力。能分辨相邻两点 （两个病灶）间的最小距离。
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超声仪器
探头原理
定义：是将电能转换成超声能，同时将也可将超声能转 换成电能的一种器件。
2024/6/7
2006年6月5日星期一
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收超声能 超声，转利 声能利换用 。量用成逆
转正超压 换压声电 成电能效 电效发应 能应射将 接将超电
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超声场特性 P171 1、声轴 2、声束 3、束宽 4、近场及特性 5、远场及特性
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（3）横向分辨率（厚度分辨力）：
指在与声束轴线垂直的 平面上，在探头短轴方向的 分辨力。为与侧向分辨力在 一平面上，是相互垂方向轴 线上的分辨力。
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谢谢各位
2024/6/7
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超声原理
彩色编码技术是由红、蓝 、绿三种基本颜色组成，当频 移为正时，以红色来表示，而 兰色则表示负的频移。
图像特征
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在显示屏上以不同彩色显示不
《超声成像原理》PPT课同件的血流方向和流速。 P1899
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超声仪器
探头原理
----压电效应P169
超声成像的基本原理
超声成像的基本原理超声成像是一种常见的医学影像检查技术，它利用声波的传播和反射原理来获取人体内部的结构和组织信息。
它不仅在临床诊断中起到了重要作用，还被广泛应用于产前检查、妇科、心脏检查等领域。
超声成像的基本原理是利用超声波在不同介质中的传播速度差异以及声波与物体之间的反射、散射和吸收等现象，通过探头将声波传入人体内部，然后接收反射回来的声波信号，再通过信号处理和图像重建等技术，最终形成人体内部的图像。
超声波是一种机械波，其频率通常在1-20MHz之间，相比于其他影像检查技术，它的频率较高，能够提供更高的分辨率。
超声波在人体组织中的传播速度与组织的密度和弹性有关，在不同组织之间传播速度存在差异，这是超声成像的基础。
在超声成像中，使用的探头中包含了一对发射和接收超声波的元件，称为压电晶体。
压电晶体可以将电能转化为机械振动，当外加电压作用于压电晶体时，它会产生超声波。
发射的超声波经过探头中的聚焦器后，进入人体内部。
超声波在人体内部的传播过程中，会发生反射、散射和吸收等现象。
当超声波遇到组织的界面时，一部分会被反射回来，而另一部分会穿过组织继续传播。
探头中的接收器会接收到反射回来的超声波信号，并将其转化为电信号。
接收到的电信号经过放大和滤波等处理后，会传输到计算机中进行信号处理和图像重建。
信号处理的过程包括时延校准、滤波、线性化等，这些步骤可以提高图像的质量和分辨率。
图像重建的过程是将接收到的信号转化为二维或三维图像，通过不同的算法和技术，将信号转化为具有空间分辨率的灰度图像。
超声成像的图像质量和分辨率受到多种因素的影响，包括超声波的频率、探头的形状和大小、探头与皮肤的接触情况等。
为了提高图像质量，可以使用不同频率的超声波、不同形状和大小的探头，并采取适当的探头皮肤接触技术。
超声成像具有无创、无辐射、易操作等优点，可以提供实时的图像，对于观察人体内部的结构和组织有着重要的临床价值。
然而，超声成像也存在一些限制，如对于深层组织的成像质量较差，对气体和骨骼的成像效果较差等。
超声成像原理
c、强回声：反射比较强，回声明亮，也可 伴有声影或多重反射。纤维组织（包 膜）、结石、钙化灶、气体。
d、高回声：回声强度介于等回声与强回声 之间。
e、无回声：均匀液体内无声阻抗差异的界 面既呈无回声暗区。胆汁、尿液、血液。
正常人体各种组织的回声表现：
1、强回声：气体、骨皮质、软骨组织、纤维结 缔组织
侧，图上为背，图下为腹。
2、纵切：图左为患者头侧，图右为患者足 侧，图上为背，图下为腹。
侧卧位： 1、横切：图左为患者左侧，图右为患者右
侧，图上为背，图下为腹。
2、纵切：图左为患者足侧，图右为患者头 侧，图上为背，图下为腹。
（三）图像分析的内容
观察分析超声图像时，首先应了解切面 方位，以便于认清所包括的解剖结构， 并注意分析以下内容 。
骨>肌肉>肝脾>肾、血液>乳腺>水>脂 肪>肺>空气
（四）超声波的特性
1、方向性：直线传播 2、声衰减现象：扩散、散射、组织对声
能的吸收 3、多普勒效应（Doppler效应）：声源
与接受体之间存在相对运动，产生频率 变化。
超声遇到活动的界面，散射或反射回声 的频率发生改变，又名多普勒频移。界 面活动朝向探头时，回声频率升高，呈 正频移；界面活动背离探头时，回声频 衰减低，呈负频移。频移的大小与活动 速度呈正比。
（4）光环——回声呈环状。
（5）光带——回声光点连续排列呈明亮的 带状或线状。
（6）声晕——结节外周呈1~2mm无回声 环形围绕者。肝癌。
（7）声影——声速经过声阻抗差别大及声 衰减系数较大的障碍物时，声能明显衰 减，后方出现条状暗区称为声影，多见 于结石、钙化及致密结缔组织回声之后。
三维超声成像的原理与应用
三维超声成像的原理与应用一、引言三维超声成像技术是一种通过超声波对物体进行扫描并生成三维图像的成像技术。
它在医学领域得到广泛应用，可以提供具有高分辨率和高对比度的图像，为医生提供更准确的诊断信息。
本文将介绍三维超声成像的原理和应用。
二、原理1.超声波的产生和传播–超声波是一种机械波，通过晶体或磁体中的电磁转换器产生，经过超声探头传到物体中，并通过转换器接收回来。
–超声波的频率通常在2-18 MHz之间，高频率可以提供高分辨率的图像。
2.超声波的反射和散射–超声波在物体中的传播过程中，会遇到不同组织的边界或结构，这些边界或结构会使超声波发生反射或散射。
–超声波的反射和散射信号可以被探头接收，并经过处理形成图像。
3.超声波的成像原理–超声波的成像原理主要是通过测量超声波的传播时间和强度来确定组织的位置和特性。
–通过测量超声波传播时间的差异，可以推断不同组织的深度。
–通过测量超声波的强度，可以获得组织的对比度信息。
三、应用1.临床应用–超声心动图•三维超声心动图可以提供更准确的心脏结构和功能信息，用于诊断心脏病变。
–产科超声•三维超声在产科领域可以提供更清晰的胎儿图像，用于胎儿畸形的检测和评估。
–肝脏超声•三维超声可以对肝脏进行全面的评估，包括肿瘤的检测和定位、肝血流动力学的评估等。
–乳腺超声•三维超声可以提供乳腺病变的更准确的形态、定位和大小信息，用于乳腺癌的早期诊断。
2.科研应用–细胞成像•三维超声可以在细胞水平上观察细胞的结构和功能，用于细胞生物学研究。
–动物模型研究•三维超声可以在动物模型中观察器官结构和功能的变化，用于研究疾病的发生和发展机制。
–肿瘤研究•三维超声可以对肿瘤进行全面的评估，包括体积测量、血流动力学分析等，用于肿瘤的研究和治疗监测。
3.工业应用–材料检测•三维超声可以对材料的密度、缺陷等进行评估，用于材料的质量控制。
–管道检测•三维超声可以对管道内部的泄漏、堵塞等问题进行检测，用于管道的维护和修复。
超声多普勒成像的基本原理
超声多普勒成像的基本原理
超声多普勒成像是一种利用声波的多普勒效应来观测物体运动和血流速度的成像技术。
它的基本原理如下：
1. 声波的传播：超声波是一种机械波，通过超声探头发射频率高达几百万赫兹的声波，并经由介质传播。
声波在介质中传播时，会与组织中的不同结构发生相互作用。
2. 多普勒效应：当声波与运动物体相互作用时，会出现多普勒效应。
多普勒效应是指当发射声波的源和运动物体之间有相对运动时，声波的频率会发生变化。
当物体远离声源时，声波频率降低；当物体靠近声源时，声波频率增加。
3. 血流速度测量：在超声多普勒成像中，探头会发射连续的超声波，它们经由组织传播并与血液相互作用。
通过测量声波的频率变化，可以计算出血流速度。
这是因为血液中红细胞的运动与组织之间存在相对运动，从而引起声波频率的变化。
4. 彩色多普勒成像：彩色多普勒技术可以将测得的血流速度信息以彩色显示在图像上。
不同颜色对应不同的血流速度，利用这一特性，医生可以在显示屏上直观地观察血流速度的分布和流动方向。
总的来说，超声多普勒成像利用声波的多普勒效应来观测物体运动和血流速度。
通过测量声波频率的变化，可以绘制出物体或者血流的速度分布图像，为医生提供重要的诊断信息。
医学超声成像的基本原理
医学超声成像的基本原理1.超声波的产生和传播超声波是一种高频机械振动的波动，其频率大于20kHz，超过了人耳的听觉范围。
超声波可以通过一些物质的压电效应产生，即通过将电能转化为机械能。
超声波在组织中传播时，遵循声波传播规律，会发生散射、吸收、衍射、反射等现象。
2.超声波在组织中的反射当超声波遇到体内组织的不同界面时，会发生反射现象。
组织中的声阻抗不同，导致超声波的一部分被反射回来。
超声波的反射信号被传感器接收后，经过处理，可以生成人体内部组织的图像。
3.超声成像系统的构成医学超声成像系统主要由发射器、接收器、传感器和图像显示器组成。
发射器负责产生超声波信号，接收器负责接收反射信号。
传感器通常是一种压电晶体，可以将机械振动转化为电信号。
接收器将接收到的反射信号转化为数字信号，并通过算法处理后生成图像。
图像显示器负责显示最终的图像结果。
4.超声图像的生成超声图像的生成基于回波时间法。
传感器发射的超声波束从探头焦点出发，透过人体组织，遇到不同的界面后被反射回来。
传感器接收到的反射信号的时间和幅度信息被记录下来，形成一幅图像。
图像的亮度或灰度反映了声波的强度或信号的幅度。
5.超声图像的特点和应用超声图像具有以下几个特点：首先，超声波在不同组织之间有较好的穿透性，可以通过体表得到人体内部器官的图像。
其次，超声波对生物体无辐射，不会对人体产生不良影响。
再次，超声波成像可以实时进行，方便医生进行实时观察和操作。
医学超声成像广泛应用于临床医学领域，例如：妇产科、心脏病学、腹部病学、乳腺病学等。
在妇科领域，超声成像可以用于妊娠检查、卵巢囊肿检查等；在心脏病学中，超声心动图可以用于检测心脏的大小、形态和功能等；在腹部病学中，超声成像可以用于检查肝脏、胰腺、胆囊等腹腔内脏器官。
总之，医学超声成像在临床医学中起到了极为重要的作用。
超声成像的的原理
超声成像的的原理
超声成像的原理是利用声波在物体内部的传播及其反射、散射、折射等规律，通过接收和处理声波的回波信号，对物体的内部结构进行成像。
具体原理如下：
1. 发射声波：超声成像系统通过发射器产生高频的声波，常用频率在2-18MHz 之间。
这些声波会以固定的速度在人体组织内传播，通常为1540m/s。
2. 声波的传播：声波在不同组织之间的传播速度会因组织的密度、弹性等特性而有所不同。
当声波从组织间传播时会发生反射、散射和折射等现象。
3. 回波接收：当发射的声波遇到物体内部的界面时，一部分声波会被界面反射回来，并由接收器接收。
接收器会将接收到的声波信号转化为电信号。
4. 信号处理：接收器接收到的声波信号经过放大、滤波等处理后，会进行时延和幅度分析，并将信号转换成图像。
5. 图像重建：通过多次发射声波和接收回波的过程，超声成像系统可以在不同的方向和位置上获取回波信号。
利用这些信号，系统可以通过计算和重建技术生成具有空间分辨率的二维或三维图像。
总的来说，超声成像利用声波在组织内的传播和回波反射的特性，获取物体内部结构的信息，并通过信号处理和图像重建技术生成可视化的图像。
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• 连续波
– 较早应用于医学超声诊断，但通常只利用连续波多 普勒技术检测任意大小的运动速度。
声速
声波在组织中的传播速度取决于： • 介质的硬度
– 介质微粒间具有大的吸引力(介质表现的越硬)，微粒 受周围微粒振动的干扰引起运动的加速度也越大， 从而声波在该介质中传播速度也越大 – 介质硬度由可压缩度表示
• 介质的密度
– 单个微粒的质量越大，受周围微粒振动的干扰引起 运动的加速度越小，从而声波在该介质中传播速度 也越小
c
1
声衰减
• 声强：垂直声束方向上，单位面积内每秒通过 的声能 • 声强衰减的影响因素：吸收、散射、声束扩散、 反射、折射 • 均匀介质内声衰减为指数衰减 • 衰减系数：单位距离内声强衰减的百分比系数
B-mode临床应用基础
• 利用超声波在生物组织中的传播特性， 不同的组织与器官具有独特的声像图特 征
– – – – – 液性结构为无回声暗区。 实质性结构为强弱不等的各种回声 均质性实质结构为均匀的低回声或等回声 非均质性结构为混合性回声 钙化或含气性结构则呈极强回声并伴后方声 影
M-mode
• 探头-超声换能器 • 基本电路部分：通常由主控电路、发射 电路、高频信号放大电路、视频信号放 大和扫描发生器组成 • 显示部分 • 用户控制部分
超声波的产生
• 原理：压电效应与逆压电效应
• 换能器种类：压电陶瓷、高分子复合材料、陶 瓷复合材料
探头
衍射（绕射）现象
• 超声发射波束可以看成探头表面无数点 源产生的无方向性球面声波的相干叠加 • 近场声束维持发射孔径的形状，而在远 场声束发生扩散 • 近场长度与孔径平方和频率成正比
I x I 0 exp x
I Ix
声衰减的对数表示
• 声衰减(dB)=-10log10(Ix/I0)=4.34x • u= 4.34 • 声衰减系数近似与频率成正比
– u=kf – k: dB/(m MHz)
• 与x-ray的区别:x-ray低频衰减大于高频衰 减 • 对脉冲波的影响？
部分声学参数值
超声频率选择依据
• 穿透力(声衰减) Vs 分辨率(波长)
– 高频：高分辨率、低穿透力 (浅表器官) – 低频：低分辨率、高穿透力 (腹部深部器官)
• 典型应用：
– 胎儿：1MHz (1.5mm) – 眼睛：10MHz (0.15mm) – 皮肤：20MHz (0.075mm)
医学超声诊断系统的构成
• 应用范围：消化系统，心血管系统，妇 产科，外科学，眼科学，神经学，泌尿 科，皮肤电装置产生的脉冲波发送到人体组织后，超声波 碰到不同深度的组织结构产生反射和散射，部分回 波被压电装置接收。利用不同深度产生的回波的不 同时延，获得不同组织界面的反射、声衰减、运动 目标的相位偏移等有用信息。
聚焦
• 未聚焦的换能器发射的声波空间分辨率 最好情况下与孔径的尺寸相当，而且远 场分辨率急剧下降 • 聚焦的目的：获得好的横向分辨率 • 聚焦的种类：
– 声透镜 – 曲面探头 – 电子聚焦
常用的超声成像模式
• • • • • A(Amplitude)型 B(Brightness)型 M(Movement)型 D(Doppler)型 CD(Color Doppler)型
• 运动组织的检查 • 典型应用：心脏检查
D-mode
• 典型应用：血流速度的定量检测
2 f 0 v cos fd c
CW Vs PW
CW 发射连续波 独立的发射和接收阵元 检测回波的频率偏移(多 普勒效应) 无频率混跌 无空间分辨力 PW 发射脉冲波 共用发射和接收阵元
检测不同时刻脉冲回波 的相位偏移 有频率混跌
有空间分辨力
CW
发射 接收
V
PW
CD-mode
• 典型应用：血流速度的定性检测（与Dmode相比）以及血流灌注的判断（与Bmode相比） • 超声诊断从形态学过渡到血液动力学， 同时获得人体解剖信息和功能信息
CD-mode原理
• 基础为脉冲多普勒技术 • 检测某采样容积内多普勒信号的平均频 率、频谱宽度和平均功率。 • 流速估计方法
声阻抗与反射
• 介质的声阻抗与介质的密度和声速成正比
Z
c
• 组织的声阻抗决定了超声束在两个介质界面上 的反射和入射能量比。 I I
Creflect I r I i
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医学超声成像原理
目录
• • • • • 什么是超声？ 医学超声诊断系统由哪些主要构成？ 超声波是如何产生的？ 有哪些常用的医学超声成像模式？ 小结
超声的基本特性
• 超声波是一种机械波 • 在生物系统中的超声波通常起作用的只 有纵波（纵波和横波的区别？） • 超声波的频率>20kHz
– 医学诊断超声频率通常在MHz和10MHz量级
A-mode
• 根据回波包络峰值确定不同界面的距离 • 应用较少（脑中线测量、眼科）
B-mode
• 通过声束扫描获得不同方位回波的幅度， 对不同方位的回波幅度利用亮度调制获 得两维的图像显示。
B-mode图像分辨率
• 轴向(axial)分辨率：超声束轴线上，能分辨两 点间的最小距离。与波长有关。只有当两点距 离大于波长的1/2时，超声才能分别产生两个回 声。 • 横向(lateral)分辨率：垂直于轴线平面上，能分 辨相邻两点间的最小距离。与超声束直径有关， 只有当超声束直径小于两点距离时，才能把这 两点显示出来。 • 厚度(elevational)分辨率：又称厚度分辨率与侧 向分辨率在一平面上，是相互垂方向轴线上的 分辨力。 • 时间(temporal)分辨率：帧频，显示图象的实时 程度。
Z 2 Z1
Creflect Ctransmit 1
声阻抗与折射
• 服从Snell定理
sin i
sin t
c1
c2
• 大部分生物组织声速都非常相近(~1500m/s)， 因此折射现象不严重。 • 超声图像通常接收反射信号成像，因此通常只 有垂直入射的信号才会产生有效回波。
– 自相关法（窄带彩色血流成像系统）
• 正交解调后的音频信号处理
– 互相关法（宽带彩色血流成像系统）
• 射频信号处理
小结
• 对人体无明显的危害（与X-ray,放射性核成像相比） • 快速、相对廉价、轻便（与X-ray, CT, MRI, r照相机相 比） • 实时成像（与其他许多成像方式相比） • 较好的分辨率（优于放射性核成像，劣于CT, MRI）； 根据超声声波波长获得的理论分辨率极限为(0.1~1mm)， 但由于脉冲长度（纵向）和声束宽度（横向）的限制 通常分辨率大于1mm。 • 能够显示大部分组织界面 • 由于强衰减和声阻抗差异，无法显象骨头或者空气区 域 • 利用Doppler效应可以实现组织运动成像和血流成像