灰階超聲成像原理

1、灰階超聲成像原理,,■ 一、灰階及回聲的概念,■ 二、灰階成像的三大基本要素,■ 三、灰階成像的三大步驟,■ 四、灰階超聲中常用術語及其調節(jié),一、灰階及回聲,一、灰階及回聲的概念,灰階（gray-scale）：灰色色調的數(shù)量，表示在圖上黑色到白色的之間的灰度（亮度）。,■ 目前超聲常使用256級灰階。,■ 回聲（echo）：對灰階的統(tǒng)稱。 根據(jù)灰階的不同，回聲可大致分為五種類型：,1、強回聲：灰度明亮，后方常伴聲影，如結石或

2、鈣化灶。2、高回聲：灰度較明亮，后方不伴聲影，如腎竇或血管瘤。3、等回聲：灰階強度呈中等水平，如正常的肝脾實質回聲。4、低回聲：透聲較好的暗區(qū)，如正常的淋巴結。5、無回聲：均勻的液體，如正常充盈的膀胱或膽囊。,強回聲：膽囊結石,高回聲：肝內血管瘤,等回聲：正常脾實質,低回聲：頸部淋巴結,無回聲：充盈好的膀胱,二、灰階成像三大基本要素,二、灰階成像的三大基本要素,A：水槽中的乒乓球照片,B：灰階超聲切面圖像,●為何會產生差別？,A

3、圖成像原理：乒乓球→視網(wǎng)膜→大腦皮層→完整圖像,B圖成像原理：探頭發(fā)射超聲波→乒乓球（介質）→接收回波信號顯像→切面灰階圖像,灰階成像三要素：,1、超聲波→振源（Ultrasound）,2、乒乓球壁→介質(Medium),3、接收回波的探頭→感受器(Receiver),振源,介質,感受器,1、聲源——超聲波,｛,電磁波：無線電波、X線、可見光等。,機械波,｛,波,次聲波：<20HZ,可聽波：20HZ——20KHZ,超聲波：&g

4、t;20KHZ,超聲波:聲源高速振動， 其頻率20000次 (Hz) 以上，超過人類的聽覺閾值，不能被人耳感受的的機械振動。,,,◆ 有關超聲波的物理量：,①波長（wavelength,λ ）：在傳播過程中一個完整周期內所通過的距離。,波長λ,② 聲速（ velocity of sound, c ）,單位時間內聲波在介質中傳播的距離稱聲速。其傳播速度在氣體中較小, 360 m/s左右；在液體和人體軟組織中較大，1500 m/s 左右

5、；在固體中最大，約為4500 m/s 左右。,■ 超聲儀器在設計時對于不同的軟組織，假定了一個相對平均的速度，即1540M/S.,③頻率（Frequency, f ）：,單位時間內單位振動的次數(shù)，亦超聲波通過介質中某點的疏密波的次數(shù)。,★波長、聲速與頻率之間關系密切，公式如下：,聲速 (c) 波長(λ)＝ ---------- 頻率 (f),,頻率低，波長長，穿透性好，透入深，分辨力低頻率高，波長短

6、，穿透性差，透入淺，分辨力高,■ 目前醫(yī)用超聲波的頻率：200KHZ——100MHZ。,■ 目前臨床超聲儀常用頻率：2MHZ——15MHZ。,醫(yī)用超聲頻率的應用范圍,,頻率范圍（單位：MHZ） 應用情況 2—5 腹部、心臟等檢查 5—10

7、 淺表器官、外周血管等檢查 10—30 皮膚、血管內、內窺鏡等檢查 40—100 聲學顯微鏡,◆ 有關超聲波的物理性能：,①方向性（指向性，direction ）,②反射（ reflection ） 與透射（

8、transmission）,超聲在傳播中，經過兩種不同介質的界面時，一部分能量由界面處返回第一介質，此即反射(reflection)。另一部分能量穿過界面，進入第二介質，此即透射 (transmission)。,◆ 探頭可接收的回波信號的強度與入射波 和反射界面之間的夾角有關，垂直入射（入射角為0），反射越多，探頭接收到的回波信號最強；入射角越大，反射越少，能返回的信號越弱。,③散射（ scattering ） 與繞射（di

9、ffraction）,繞射：如界面不大，可與超聲波波長相比，則聲波將繞過該界面繼續(xù)向前傳播。,散射：如物體的直徑小于超聲波的波長時，則聲波向物體的四面八方輻射。,■在人體結構中，散射主要發(fā)生在組織或 器官內部大小與超聲波長接近或更小的 微小結構上，如肝臟中的肝小葉，腎中 的腎小體，心臟中的心肌纖維、血液中 的紅細胞。,■超聲在工作中，是反射、透射、散射、 繞射的綜合運用。,④吸收（ ab

10、sorption ） 與衰減( attenuation),當聲波穿過介質時，由于“內摩擦 ”或所謂“粘滯性”，使聲能被吸收、 散射而逐漸減弱，聲波的振幅隨之減低，此即衰減。,吸收與衰減的多少和超聲的頻率、介質的粘滯性、導熱性、溫度及傳播的距離等因素有密切關系。,衰減程度的一般規(guī)律是： 骨 (或鈣化區(qū)) > 軟骨 > 肌腱 >肝、腎組織 >脂肪 > 血液 > 尿液與膽汁。

11、 一般而言，頻率增加1MHZ,同時深度增加1cm,超聲波的能量會衰減1dB.,聲能隨著透入距離增加而減弱,2、介質——傳播聲波的媒介物質,,①氣體和充氣的肺組織,②液體和軟組織,③骨骼和礦物化后的組織,,■超聲檢查中，人體組織就是超聲波傳播的介質。,回聲的強度為何不同？,“介質聲阻抗差”,聲阻抗（ acoustic impedance ）：介質的密度與超聲波在介質中傳播速度的乘積。,設：Z為聲阻，ρ為密度，c為聲速則：聲阻 (Z)＝

12、密度 (ρ) X 聲速 (c),●設定超聲波在介質中傳播速度為1540m/s, 則聲阻抗與介質的密度差相關?！窠橘|越硬，組織的聲阻抗越大?！褚话懵曌杩梗汗虘B(tài)>液體>氣體,■ 超聲波傳播過程中，所遇的組織界面不同，其 聲阻抗也不一樣，發(fā)生反射、折射等現(xiàn)象，反 射、折射等程度不一，與介質的聲阻抗差密切 相關。,■反射系數(shù)之大小決定在界面處兩介質聲阻之差。 設 Z1為第一介質之聲阻，Z2

13、為第二介質之聲阻 公式表之： 　　　　　　　　　　 Z1 - Z2　 聲強反射系數(shù) R1 = (----------)2　　　　　　　　　　　 Z1 + Z2,人體組織聲學類型：,(一)無反射型,液體內的界面無明顯聲阻抗差異，如假設有一界面，因其前后聲阻值相似，其反射系數(shù)為0或接近于0，超聲通過相應區(qū)域時無何反射。此乃液體的特點，故稱無回聲區(qū)或液性暗區(qū)。,（二）少反射型,超聲經過結構比較均勻

14、的實質組織如肝臟、脾臟、甲狀腺、睪丸等器官和組織時，在相應區(qū)域即或有些界面，但聲阻差較小，回聲較少，此即少反射型或稱低回聲區(qū)。,（三）多反射型,超聲經過結構雜亂的實質組織如乳腺時，因結構復雜，界面甚多，其前后聲阻差大，故反射較多且強，光點更為密集，回聲強度亦大，此稱多反射型或謂高回聲區(qū)。,（四）全反射型,在軟組織與含氣組織(如肺、腸腔)交界處，界面前后聲阻相差3000多倍，反射系數(shù)達 99.9％，接近于全部反射，故不能透入第二介質，使界

15、面后的組織結構則無法顯示，故稱全反射型。,3、感受器——探頭,探頭接收組織反射回來的信號后，經儀器處理放大，在示波屏上形成代表界面反射強弱的光點與波幅。,超聲，是利用超聲波在人體不同組織產生反射和散射等的回波中所攜帶的人體解剖形態(tài)信息，經處理形成灰度顯示圖像來診斷疾病的儀器。,三、灰階成像三大步驟,發(fā)送脈沖波,接收回波信號,電路處理灰階顯像,↓,↓,,,,利用逆壓電效應，將電信號轉換成機械能，發(fā)射超聲波,利用壓電效應，將回波聲

16、信號轉化成電信號，由探頭接收,電路轉換、數(shù)字掃描變換、后處理（像素亮度后處理、灰階變換、圖像平滑、復合視頻等）,探頭（probe）主要構成： 聲透鏡、匹配層、壓電陣子、吸聲塊。,壓電陣子,■ 是超聲換能器的核心?！?目前使用較多的是人造壓電陶瓷（PZT，鋯鈦酸鉛）?！?優(yōu)點：電-聲能轉換率高；性能穩(wěn)定，價廉，易于加工 可壓制成任意形態(tài)、尺寸（線陣、凸陣、矩陣等）

17、 非溶水性、耐濕防潮、機械強度較好■ 缺點：多晶體，使用頻率受一定限制 易脆性；受溫度影響大；老化性,■ 探頭制作過程中，將壓電陶瓷切割成多個振元， 每個振元又分成多個陣子進行排列?！?目前常用的是128振元。,壓電陣子與逆壓電效應： 電能轉換成機械能，發(fā)射超聲波。,◆ 將此晶體置于交變電場時，則可發(fā)現(xiàn)晶體 厚度有

18、所改變，出現(xiàn)強烈的壓縮或擴張。,壓電陣子與壓電效應： 機械能轉換成電能，由換能器接收。,◆ 在石英等晶體上施加壓力時， 晶體表面上即出現(xiàn)異名電荷。,聲透鏡,■ 位置：在探頭的匹配層與人體組織間；■ 材料：常用塑料或樹脂制成；■ 作用：聲聚焦和換能器的保護層；■ 原理：透鏡材料的聲速大于周圍介質聲速時聲束可 折射效應發(fā)生會聚。,匹配層,■ 是位于壓電振子前面的一層或多層的

19、聲學材料?！?作用：使高聲阻抗的壓電振子與低聲阻抗的人體組 織間達到阻抗匹配，以提高聲能的最大傳效率■ 發(fā)射不同頻率的聲波需要不同的匹配層。,吸收塊,■ 位置：位于壓電振子背后■ 材料：由鎢粉與環(huán)氧樹組成的強吸聲物■ 作用：防消除后向干擾；實現(xiàn)窄脈沖，提高縱向分力■ 原理：透吸收背向聲波，使之能量消耗。,,探頭,發(fā)射電路,控制電路,電源,接收電路,掃描電路,顯示器,,,,,,,,,,,,,,,,,四、灰階超

20、聲中常用 術語及其調節(jié),1、增益（gain）,◆增益是指接收機的放大倍數(shù)，為后處理過程?！糁饕槍夭ㄐ盘柕姆冗M行調節(jié)，用于改 變圖像亮度（回聲強度）?！粢话悴扇〗鼒鲐撛鲆婧瓦h場正增益。◆增益的過高或者過低都會造成漏診?！羝湔{節(jié)因人，因檢查的部位而異，也會受到 環(huán)境亮度（燈光）的影響?！粼跈z查過程中應該隨時進行調節(jié)。 如，看結石可適當調低增益，看囊腫調高增益。,2、時間增益控制（tim

21、e gain control，TGC）,◆TGC主要補償因深度造成的聲衰減。◆通過調節(jié)使灰階圖像亮度均勻平滑， 多有8—10組鍵組成?！糁饕菍鼒鲆种啤⑦h場抑制、遠場增強進行調節(jié)。 近場抑制：因皮膚等反射強，腹壁的 小病灶易被強回聲掩蓋。 遠場抑制：通常用于空腔含液性臟器的檢查， 如看充盈膀胱后壁的強反射。 遠場增強：用于降低近場或

22、中場引起的 如重度脂肪肝時，利于檢查遠場病灶。,3、深度（Depth）,◆聲束穿透介質的距離（深度）?！羯疃却髸r，幀頻降低，成像速度減慢?！羯疃容^大，遠場的分辨力降低， 深度較小，遠場的分辨力提高。◆觀察病灶時，應盡量將之顯示在比較合適的深度 進行觀察。較深位置的病灶應將其顯示在較淺的 位置觀察。,4、輸出功率（power）,◆改變探頭發(fā)射超聲波的總能量?！羰且环N前

23、處理?！舫鲇诎踩钥紤]，一般使用能得到滿意 圖像質量的最低能量輸出?！?婦產科胎兒檢查時，盡量使用低輸出功率 并縮短檢查時間。,5、動態(tài)范圍（dynamic range）,◆動態(tài)范圍，接收的動態(tài)回波信號的變化幅度。◆探頭能接收的最大有用信號電壓幅度與最小 有用信號電壓幅度之間的差異代表探頭接收 有用信號的能力或超聲儀的放大電路處理有 用信息的能力。◆動態(tài)范圍大，得到的回波信息量多，病灶的

24、包容量大，圖像分辨力高，圖像看起來更加 平滑。但是也可能造成噪聲信號進入而對有 用信號本身造成干擾，另外也會降低幀頻。 動態(tài)范圍小，雖幀頻提高，但是圖像看起來會 更加模糊。 ◆ 一般放置在80db左右。,6、聚焦（focus）,◆目前的電子探頭都是使用電子聚焦技術。◆在某個深度范圍內使反射或接收的超聲束變窄， 提高圖像的側向分辨力?！暨B續(xù)動態(tài)聚焦，由機器自動完成，是數(shù)字波束形 成器中采用的，

25、 可以對于接收聲束進行全程實 時動態(tài)聚焦，在整個掃差深度上都可以達到較 高的側向分辨力?！?探頭發(fā)射的聲束的聚焦，通過調節(jié)其數(shù)量、位 置及間距，可以實現(xiàn)圖像的優(yōu)化?！?聚焦數(shù)量過多，也會影響幀頻。,7、一鍵優(yōu)化,◆按下按鈕，超聲儀會自動對儀器的灰階超聲 的顯示進行調節(jié)?！舴奖悴僮?，提高效率?！舨⒉唤^對，實際操作中還是需要因人、因部位、 因環(huán)境等隨時進行調節(jié)。,8、幀頻（Frame rat

26、e）,◆幀頻，也叫超聲時間分辨率，是指每秒成像的幀數(shù)?！魩l越高，獲取圖像的時間越短，成像越快，圖像 的顯示也越平穩(wěn)?！舫上駧l大小與多聲束形成技術和探測深度相關。 多聲束成像技術可以提高幀頻； 探測深度越小，成像幀頻就越高?！粲绊憥l的因素：深度、焦點、動態(tài)范圍、 彩色取樣框大小。,實時成像：儀器每秒的速度達到24幀以上，可顯示各種靜 態(tài)及活動臟器，如心臟

27、及血管的搏動、胎心等。,9、分辨力（ Resolution ）,◆ 分辨力是指超聲檢查時能在熒光屏上被分別顯示 為兩點的最小間距?！?依方向不同可分為縱深分辨力與橫向分辨力 (depth resolution and lateral resolution)。,探頭頻率越低，分辨力越低探頭頻率越高，分辨力越高,10、諧波成像（Harmonic Imaging）,,◆諧波：由于聲波在人體組織內傳播過程產生的

28、 非線性以及組織界面入射\反射關系的非 線性，使得當發(fā)射聲波頻率為f0時，回波 （由于反射或散射）頻率中除有f0 （基波）， 還有2 f0、3 f0……（諧波）， 其中以二次 諧波（2 f0 ）的能量最大。,◆組織諧波成像：利用超寬頻探頭接收非線性的高

29、 頻諧波信號，將多頻率信號放大、 平均處理后再實時成像，由于接 收頻率的提高，對較深組織的分辨 力也有了提高，明顯增強了對細微 病變的顯現(xiàn)力。,◆二次諧波成像：儀器通過帶通濾波，只提取二

30、 次諧波信號進行成像。用于心 外臟器和組織的檢查。,11、邊緣增強（edge enhancement）： 將圖像相鄰像元(或區(qū)域)的亮度值(或色調) 相差較大的邊緣處加以強調予以突出處理。經邊 緣增強后的圖像能更加清晰地顯示出不同目標類 型或現(xiàn)象的邊界。,,12、伽馬校正（Gamma c