1、医学成像技术的现状 当今世界已进入信息时代，而人们所获得的信息约有70是从视觉感知的，因此，信息图像化已成为当代信息科学发展的方向之一。成像技术就是讨论如何把人类周围物理世界(包括人类本身)的信息变成图像的一门科学技术。人体成像用于诊断已有很长历史,现已成为医学诊断技术中最活跃的研究领域之一，其目的是为了将人体内部结构显示在监示器的屏幕上。值得注意的是，计算机体层技术(CT)的诞生和发展，正在改变医学成像的面貌。作为一种新型的诊断装置，它能够观察到有先兆性的疾病，这比改进某些诊断手段使之能在疾病的有效治疗期作出确诊显得更为重要。现代医学成像系统1、X 线成像 测量穿过人体的X 线；2、核医学成
2、像 有选择地测量摄入体内的放射性药物放射出的射线；3、超声成像 测量人体内的超声回波；4、磁共振成像 测量构成人体组织的元素原子核的磁共振信号；5、热成像 测量体表的红外信号和体内的微波辐射信号；6、光学成像 直接利用光学及电视技术，观察人体部分器官的形态。超 声 成 像 超声成像是采用脉冲回波技术，利用超声波在组织界面处的反射特性，显示人体脏器的二维或三维图形的成像技术。测量方法属于解剖学测量范畴，其目的是了解器官的形态和组织状况。超声诊断具有对人体无损，实时成像等特点。它是继X线成像技术后，在医学上发展最为迅速，应用又十分广泛的成像方法。本章主要介绍超声成像的基本原理、各类医学超声诊断仪的
3、基本结构及工作原理。超声成像的发展简史 众所周知，超声是指超过人耳听力范围(20000H。以上)的高频声波。它最早应用于1917年，成功地用脉冲回声法探测潜艇；并于1921年发展成声呐。1942年把超声工业探伤原理应用到医学领域，开始用连续超声波来诊断颅脑疾。l946年提出A型诊断原理，超声回波技术用于医用诊断仪。20世纪50年代推广应用了A型脉冲回声诊断仪，用反射法探查疾病获得了成功。1950年产生了第一张人体组织横切面的超声影像图，从此超声进入图像显示的领域，并于1954年将8型超声诊断应用于临床实践。1970年下半年开始，B超显像仪在内科临床上应用普及。1980年代中后期彩色多普勒超声显
4、像仪的出现及计算机图像处理技术的应用，为超声诊断开创了更广阔的领域。超声波成像的声学基础一、超声波 超声和声的物理特性在本质上是一致的，两者都是机械波。它是由介质中的质点受到机械力的作用而发生周期性的振动产生的。超过人耳听阈上限的声波，即大于20千赫的称超声波（Ultrasonic wave）简称超声，临床常用的超声频率在210 MHz之间。超声波有三个基本物理量，即频率（f），波长（），声速（c）。三者的关系是：c=f或=c/f，传播超声波的媒介物质叫做介质。超超 声声 透透 射射transmission 反反 射射reflection 折折 射射refraction 衍衍 射射difrat
5、ion 散散 射射scattering 衰衰 减减attenuation 吸吸 收收absorption H U M A N B O D Y U L T R A S O U N D超声波成像的声学基础二、传播特性散射、绕射声波的绕射声波的绕射：当障碍物的直径等于或小于2，超声波将绕过该障碍物而继续前进，这种现象称为绕射（Diffraction），故超声波波长越短（即频率越高），能发现障碍物越小，也就是说分辨力越好，超声图象也越清晰，不过对组织的穿透力较差。所以临床上高频探头多应用于儿童和浅表器官的检查。声波的散射：声波的散射：超声波在介质中传播过程中，如遇到小界面D 远小于声波波长的声阻抗界面
6、时，则接收入射声束中能量并成为新的二次声源，使得声波能量向四面八方发射，这种现象称为声波的散射 声阻抗 介质中任意点的密度与该点处声波的传播速度C 之积为此介质在该点处的声阻抗，以Z表示，即Z=C。它是表征介质的声学特性的一个重要物理量。声阻抗的变化将影响超声波的传播。声阻抗是采用反射回波法进行超声诊断的物理基础。人体组织的声学特征l无回声（无反射型）胆汁、尿液、血液l低回声（少反射型）肝、脾l强回声（多反射型）血管壁、结石l极强回声（全反射型）肺、胃肠道肝肝胆汁胆汁胆囊壁胆囊壁回声类型超声诊断仪的基本组成及构造 超声诊断仪均由三个组成部分组成：超声换能器(Ultrasonic transdu
7、cer)部分、基本电路部分和显示部分（一）超声换能器 医用超声换能器是将电能转换成超声能，同时也可将声能转换成电能的一种器件，它是超声仪器中的重要部件。正压电效应 逆压电效应 一、聚焦换能器 聚焦换能器：由于非聚焦换能器，其声束在远场以外随距离的增大而扩散，而大尺寸的声束不利于超声检测，使图像的横向分辨率降低，影响图像质量，所以产生了聚焦换能器。1声透镜聚焦一、聚焦换能器 2电子聚焦 二、基本电路 超声诊断仪的基本结构大致相同，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。超声诊断仪的基本组成（三）显示器(Diplayer)从人体反射回来的超声信息最终是从显示器或记
8、录仪上显示的图象中提取的。常见的显示器是阴极射线管，它由电子枪、偏转系统和荧光屏组成。示波管 超声脉冲回波成像原理 超声脉冲回波成像原理，是根据超声波在传播途径上遇到介质的不均匀界面时能发生发射的物理特性，向人体内发生超声脉冲；由于人体组织和脏器具有不同的声束和声阻抗，使超声波在界面上发射回波，检测出这些回波信号，对其进行放大和处理，最后在显示器上显示，即可得到脉冲回波的图像。脉冲回波成像基本原理图超声诊断仪基本原理方框图http:/ 指探头与仪器连接后，实际辐射超声波的频率，即ls内超声波振动的次数：一般来说，超声工作频率并不等于探头的标称频率，但由于它们相差并不显著，习惯上标称频率称作仪器
9、的超声工作频率。医学诊断用的超声工作频率一般是1.25MHz、25MHz、5MHz、10MHz和15MHz。仪器工作频率的选择，主要考虑两方面的因素。首先，从探测人体组织的最大深度说，要求选择较低的超声工作频率，因为超声工作频率低，则衰减慢；其次，从分辨率的角度来说，频率增高，波束的方向性就好，横向分辨率提高，但衰减也成比例地增加 在具体应用中，对探测深度和分辨率应两者兼顾。探测距离较大时，不宜采用较高频率。但探测距离不大时，可以选用较高频率以提高分辨率。通常B超仪器的工作频率，在0515MHz范围内，根据不同需要选择。超声脉冲重复频率 由于脉冲工作方式的超声仪器每一次的超声发射和接收都是在一
10、个周期内完成的。每秒钟有多少个周期，发射和接收就重复多少次，即每秒钟超声脉冲重复发射的次数，也就是探头激励脉冲的频率。脉冲重复频率FC决定了仪器的最大探测距Dmax，这是由于Dmax=0.5ct式中：c为超声波在人体中传播的平均速度；t为声波往返一次所需的时间。当脉冲重复频率确定后，其脉冲周期T也即被确定，即，T是声波往返可利用的最大时间，考虑显示器扫描的逆程时间，应有 tT 因此，有 Dmax 0.5ct 应当说明的是，最大探测距离并不等于仪器的探测深度，探测深度受发射功率、接收机灵敏度等因素影响，而最大探测距离只是设计中允许设定探测深度的最大值。脉冲重复频率不可取太高，否则将限制仪器的最大
11、探测距离；但也不可取太低，否则将影响图像的帧频或线密度。总之，脉冲重复频率的选择应综合考虑。超声波显像仪的FC值通常为24kHz。CFCF穿透深度 穿透深度是指超声成像系统的作用距离。它应满足处于相当深度上的各种组织或器官成像的需要。影响超声作用距离的主要因数是超声脉冲信号在传播路径上的衰减。尽管通过降低超声的工作频率、增加超声发射频率可以扩展穿透深度，但受到相关因素的限制。最有效而又可行的方法是提高接收回波信号的灵敏度，这就要求仪器要有足够大的增益和极小的噪声。理论上最大穿透深度限制在300个波长左右，通常选择超声工作频率的200个波长作为作用距离。脉冲持续时间 指探头受电激励后产生超声振动
12、的长短。它是影响超声系统纵向分辨率的主要因素之一。因此，希望在施加于探头的电激励脉冲结束后，探头产生超声振动的时间越短越好，最好是当激励脉冲一结束振荡即停止。发射脉冲持续时间与超声工作频率、探头阻尼特性等因素有关。降低超声工作频率、加大探头阻尼都可以缩短脉冲持续时间。分辨率 分辨率是指超声诊断仪对被检组织相邻回声图的分辨能力，分为纵向分辨率和横向分辨率。纵向分辨率表示在声束轴线方向上，对相邻回声图像的分辨能力。可以用两回声点之间的最小可辨距离来表示，其值越小则纵向分辨率越高。纵向分辨率与发射超声频率、脉冲持续时间及接收机增益等多种因素有关。发射超声频率越高(声波的纵向分辨率极限为声波的半波长)
13、、脉冲持续时间越短，纵向分辨率越高。横向分辨率表示在垂直于声束轴线的平面上，对相邻回声图像的分辨能力。其值越小，则横向分辨率越高。影响横向分辨率的因素更多，如声束的直径、显示器件性能、换能器的一些因素，但最主要的因素是声束的直径。对圆形振子而言，横向分辨率与超声波长、振子半径以及检测点到换能器的距离有关，目前利用聚焦声束，一般可使系统横向分辨率达到2mm以下。B B超图像由不同亮度超图像由不同亮度的像素构成，像素亮度的像素构成，像素亮度由反射回声的强弱所决由反射回声的强弱所决定。定。黑色：没有反射黑色：没有反射灰色：中等反射灰色：中等反射白色：反射较强白色：反射较强 像素在屏幕上形成不像素在屏
14、幕上形成不同亮度的层次，既为灰同亮度的层次，既为灰阶阶。灰阶灰阶图像帧频 指成像系统每秒钟内可以成像的帧数。20帧s以上的成像系统，称实时成像系统，低于这个帧数的称为静态或慢速成像系统。实时成像系统可用于观察动态脏器如心脏与胎儿等的运动情况，所以在实时成像系统中帧频是一个很重要的参数。A型超声波诊断仪M型超声波诊断仪B型超声波断层显像仪医学超声波诊断仪 A型超声诊断仪是1947年出现的幅度调制式的仪器，我国于1958年开始生产。A超的同步电路产生几百Hz到2KHz的正负电脉冲，使发射电路产生持续1.55s的高频电脉冲。探头在高频电脉冲的激励下，产生超声振动，发射超声波。超声波在人体内传播，遇到
15、不同组织的界面时，产生反射波回波。探头接收反射波后，将其转换成电脉冲，进入接收电路，再通过检波和放大等电路，送到示波器的垂直偏转板上，而示波器的水平偏转板上加载的是时基锯齿波，即扫描电压。因此，示波器的荧光屏上的横坐标代表超声波的传播时间，一般13.33s为一大格；而纵坐标显示的是回波的幅度与形状。A型超声波诊断仪A型超声图 A超可以应用于医学各科的检查，尤其对眼科和妇科疾病方面的病灶深度、大小、脏器厚薄以及病灶的物理性质等检查比较方便准确。但A超的回波图只能体现局部组织信息，无法反映解剖形态，现已被M超和B超取代。A超主要用途主要用途A型超声仪器工作原理方框图 同步电路（主控振荡器）产生同步
16、脉冲来同时触发发射电路和扫描电路，使两者同时工作。发射电路在同步电路发出的触发脉冲作用下，产生高频振荡波，一方面将此波送入放大电路进行放大，加至示波器的垂直偏转板上显示发射波；另一方面激励探头产生一次超声振荡，并进入人体。人体组织反射回来的微弱的回波信号经探头接收并转换成电脉冲后，由接收电路放大、检波后，送至示波器的垂直偏转板上并显示出来。另外，在同步脉冲作用下，在示波器的水平偏转板上加时基锯齿波电压扫描电压，使荧光屏上显现出回波的波形与变化。M型超声波诊断仪是继A超之后发展出的辉度调制式仪器，诞生于1954年，至今临床上还在使用，目前主要用于心脏疾病的诊断，尤其用于观察心脏瓣膜的活动情况。M
17、超与A超有共同之处，即都是利用探头向人体发射超声脉冲并接收反射脉冲。不同的是M超的发射波和回波信号加到了示波器的栅极或阴极。信号的强弱控制了到达荧光屏的电子束的强弱，反映到荧光屏上就是光点的明暗，即辉度调制。M型超声波诊断仪 示波器的水平和垂直偏转板都被加入锯齿波电压，垂直偏转板上的锯齿波与发射脉冲同步，水平偏转板上的锯齿波频率要低于它。因此荧光屏上光点在垂直方向的距离表示探测深度，在水平方向的移动表示时间的进行，光点的亮度表示回波信号的强弱。M超常用于检测心脏疾病，当心脏收缩和舒张时，其各层组织的界面与固定放置于人体表面的探头之间的距离随时改变，导致光点随之移动，在水平扫描电压下，光点水平展
18、开，描绘出各层组织结构的活动曲线图，因此也叫超声心动图，它能显示心脏各部分结构的活动情况、动态变化、心室排血量以及可以得出室间隔、动脉等结构的定量数据等，是临床心脏疾病诊断中比较准确实用的工具。M型超声心动图的产生原理 上图是M超的简要方框图。其原理与A超基本相同，只是同步电路控制发射电路与深度扫描电路同时工作，回波信号为辉度调制。为便于测量，原来采用照相机将图像照相后再进行测量的方法逐渐淘汰，现在一般采用由微机控制，利用CRT电视监视器显示图像，并能够储存和自动测量的超声心动图仪。M型超声心动图的产生原理方框图 M型超声诊断仪B型超声波断层显像仪 B超采取超声发射、回波信号接收处理和成像显示
19、的基本结构点是：(1)B超为辉度调制，它将回波信号放大处理后送到显示器的Z轴上，进行辉度调制，使显示器的光点亮度随着回波信号大小变化，所以称辉度调制型或亮度调制型。(2)B型扫查方式是二维的。B超波束的发射方向不是固定不动的，而是作平行移动或作扇形转动，形成一扫查平面。因而可重建人体的二维断层图像，所以超声切面声图像。超声影像图超声影像图B超扫描制式及分类l手动式B型超声诊断仪l高速机械扇形扫描B型超声诊断仪l高速电子线扫B型超声诊断仪l高速电子扇扫（相控阵）B型超声诊断仪手动式B型超声诊断仪 机械扫描是由电机带动探头作直线移动、往复摆动或旋转，从而产生机械直线扫描、机械扇形扫描和机械圆形扫描
20、三种扫描图像。其中，直线扫描多用于腹部疾病诊断；扇形扫描适用于心脏和腹部；圆形扫描时，将探头置于人体体腔（如食道、胃肠、阴道及泌尿道等）或血管内，从而获得某个腔道的圆周扫描断层图像。高速机械扇形扫描B型超声诊断仪 与机械扫描不同，电子扫描仪的探头是由许多小换能器（小探头）排列而成，每个小探头称为阵元，各阵元的距离相等。用电子开关按一定时序激励各阵元组发射与接收超声脉冲，回波信号经处理后，到达CRT显示器进行辉度调制，扫描过程中探头静止不动，而超声波束的发射与接收是沿一定方向匀速移动的，移动线和声束方向构成的断面就是所得图像。在探头长度一定的情况下，图像的质量主要决定于阵元的数量。阵元的数量越多
21、，垂直扫描线就越多，图像就越清晰，有的探头可包括256个小探头。高速电子线扫B型超声诊断仪 如果对探头各阵元加上依次延迟一定时间的激励脉冲，则各阵元所产生的脉冲也相应延迟，这样，总的叠加波束方向出现相位改变而产生扇形图像。此种探头体积小，无噪声和振动，寿命比较长，但价格相对较高。电子扇扫（相控阵）B型超声诊断仪 为了提高检测功能和图像质量，B超中应用了许多先进的技术。应用数字图像技术，可以随时冻结超声断层图像并进行观察、分析、测量及拍照等，还可以将有意义的图像存储下来；应用数字扫描技术，可以使用电视监视器显示图像与文字；采用电子聚焦、声聚焦和动态聚焦可变孔技术，能使图像分辨率提高，可达到2mm
22、。总之，通过B超的图像能较清晰地观察到人体多种器官的动态变化，是心脏、腹部器官、妇产科临床诊断的首选辅助工具。B型超声诊断仪中的几种新技术超声探头与扫查方式超声探头与扫查方式v常规探头：常规探头：扇型、线阵型、凸弧型扇型、线阵型、凸弧型v专用探头专用探头：腔内探头（食管、直肠、阴道）：腔内探头（食管、直肠、阴道）术中探头术中探头 穿刺探头穿刺探头探头类型探头类型超声扫查方式示意图超声扫查方式示意图线阵型线阵型扇型扇型凸弧型凸弧型凸弧型凸弧型探头扫查探头扫查凸弧型凸弧型B B超切面超切面扇型探头扫查扇型探头扫查扇型探头扇型探头B超切面超切面线阵型探头扫查线阵型探头扫查线阵型线阵型B超切面超切面B型超声诊断基础型超声诊断基础B型超声诊断是通过对一系列切面声像图的分析而作出的。分析内容：分析内容：外形边界回声内部回声后方回声比邻关系活动度和活动规律硬度排空功能 超声诊断肝囊肿一般较容易，内径在5mm左右即被超声显示。
