《医学超声影像学》总论.ppt

医学超声影像学总论,教学目的,掌握超声基本概念、超声物理特性、常用声学参数、人体对超声的作用。了解超声发展的历史、超声效应和图像伪差、超声相关常识和仪器及医学超声新技术。,第一节 概 述,医学超声影像学，以超声医学工程学的最新成就和人体解剖学、病理学等形态学为基础，与临床医学密切结合，可实时、无创获得活体器官、组织的断层解剖图像，达到诊断疾病的目的。医学超声还可进行超声理疗等治疗。介入超声及高强度聚焦超声的问世，使医学超声可对肿瘤等疾病进行介入或直接治疗，并行实时声像图监控及随访。,一、医学超声的主要功用,超声波是机械振动波，超声图像可反映介质中声学参数的差异，对人体组织有良好的分辨能力，有利于识别组织的细微变化。主要功用有：,形态学检测 功能学检测 组织特性检测 介入超声检测 医学超声治疗,二、超声诊断发展史（略）,第二节 医学超声诊断基础和原理 一、医学超声的物理特性,（一）超声波定义 声源振动频率 2万赫兹（Hz）的机械波为超声波。超声诊断所用声源振动频率一般为：110兆赫（MHz），常用为：2.55.0 MHz。,（二）超声波的主要物理量 1、波长（）在波的传播方向上，质点完成一次振动的距离，单位是mm。2、周期(T)质点完成一次振动的时间。,3、频率（f）单位时间内质点完成一个振动过程的次数，单位是赫兹（Hz）。,4、声速（c）单位时间内声波在介质中的传播距离,单位是m/s，人体软组织平均声速为1540m/s。c=f.并与介质的弹性（E）和密度（）相关,（三）超声波的方向性 直线传播。可获定向传播的超声波束。在相同声源直径的条件下，频率越高，波长越短，束射性或方向性越强。,（四）声源、声束、声场与分辨力 1.声源 能产生超声的物体称为声源，通常采用压电陶瓷、压电有机材料或混合压电材料组成。声源由超声换能器发出。,2.声束 从声源发出的声波，一般在一个较小的立体角内传播。其中心轴线称为声轴，为声束传播的主方向。声束两侧边缘间的距离称为束宽。,3.近场与远场 超声束各处宽度不等。在临近探头的一段距离内，束宽几乎相等，称为近场；远方为远场。,4.分辨力分基本分辨力和图像分辨力（1）基本分辨力：1）轴向分辨力 沿声束轴线方向的分辨力。其优劣影响靶标在深浅方向的精细度。分辨力佳则在轴向的图像点细小、清晰。通常用3-3.5MHz探头时，轴向分辨力在1mm左右。,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的分辨力。声束越细，侧向分辨力越好。,3）横向分辨力 指在与声束轴线垂直的平面上在探头短轴方向的分辨力（有称厚度分辨力）。,（2）图像分辨力 指构成整幅图像的目标分辨力。有细微分辨力和对比分辨力。,二、人体组织的声学参数（一）密度（）组织、脏器的声学密度，单位为g/cm3。,（二）声速（C）单位为m/s。一般固体物含量高者声速最高，含纤维组织（主要成分为胶原纤维）高者，声速较高，含水量较高的软组织声速较低，液体声速更低，含气脏器中的气体声速最低。,（三）声阻抗（Z）各种回声图像主要由声阻抗差别造成。系密度与声速的乘积，单位为g/cm2.s。,（四）界面 两种声阻抗不同物体接触在一起时，形成一个界面。接触面大小称为界面尺寸。尺寸小于波长时名小界面，反之称为大界面。,三、人体组织对入射超声的作用,（一）散射 小界面对入射超声产生散射现象，使入射超声的部分能量向各个空间方向分散辐射。返回至声源的能量甚低。散射来自脏器内的细小结构，临床意义十分重要。,（二）反射 超声波入射到比自身波长大的大界面时，入射声波的较大部分能量被该界面阻挡而返回，这种现象称之为反射。,大界面对入射超声产生反射现象，使入射超声能量的较大部分返回至声源。入射角与反射角相等。,（三）折射 组织、脏器声速不同，声束经过其大界面时，前进方向改变称为折射。（四）绕射 又名衍射。声束绕过物体后，又以原来的方向偏斜传播。,（五）衰减 系声波轴向振动与介质之间摩擦致能量消耗的结果，它与超声探头频率及声波运行距离有关。在正常及病理情况下，组织的衰减会发生变化。,（六）多普勒效应 当一定频率的超声波由声源发射并在介质中传播时，如遇到与声源作相对运动的界面，则其反射的超声波频率随界面运动的情况而发生改变，称之为多普勒效应（Doppler effect）。,1842年，奥地利数学家及天文学家克约斯琴.约翰.多普勒发现，当星球与地球近向运动时，光色向光谱的紫色端移位，表明光波频率增高；,向红色方向移位，表明光波频率降低。其差称为多普勒频移。这种物理学效应命名为多普勒效应。此亦适用于各种类型的波源和接受器之间的相对运动。,多普勒方程：fd=2fo(V.cosc)fd:多普勒频移；fo:发射频率；V:血流速度；:声束与血流夹角；c:超声波在介质中的传播速度。,实际应用中fo:即为换能器（探头）频率；c：超声波在人体软组织中的平均传播速度为1540m/s。,多普勒频移与声速成正比。为获得最大血流信号，应使声束与血流方向尽可能平行（角尽量小）。,四、人体组织的声学分型（一）无反射型：液性组织（如：血液、尿液、心包积液、胸水、腹水、胆汁、羊水等）。,（二）少反射型：基本均质的实质性组织（如：肝脏、肾脏、脾脏、心肌、瓣膜等）。,（三）多反射型：结构较复杂、致密，排列无一定规律的实质性组织（如：乳腺、心外膜、肾包膜、骨骼等）。,（四）全反射型：含气组织（如：肺、胃、肠等）。超声检查时使用偶合剂，就是为了防止探头与皮肤之间存在空气，影响探查。,五、超声诊断原理 高频脉冲发生器换能器（将电能转变为声能）组织界面（反射）换能器（将声能转变为电能）接受放大装置示波管显示系统（显示图像）。换能器即为超声检查用的探头。,六、超声的生物效应 产生超声生物效应的主要物理机制有：热机制、机械机制、空化机制。当超声剂量（声强）超出规定，将造成若干生物效应。,诊断用超声剂量（声强）的限定值，Ispta100mWcm2，一次超声照射时间 10-20分钟。,七、超声伪像,1.混响效应 声束扫查体内平滑大界面时，部分能量返回探头表面之后，又从探头的平滑面再次反射第二次进入体内。,为多次反射的一种。多见于膀胱前壁、胆囊底、大囊肿前壁，可被误诊为壁的增厚、分泌物或肿瘤等。,2.镜像效应 镜像效应亦可名为镜面折返虚像。声束遇到深部的平滑镜面时，反射回声如测及离镜面较接近的靶标后，按入射途径反射折回探头。,此时，在声像图上所显示者，为镜面深部与此靶标距离相等、形态相似的图像。镜像效应必须在大而光滑的界面产生，常见于横膈附近。一个实质性肿瘤或液性占位可在横膈两侧同时显示，较横膈浅的一处为实影，深者为虚影或镜像。,3.声影 声影指在常规DGC正补偿调节后，在组织或病灶后方所演示的回声低弱甚或接近无回声的平直条状区。系声路中具有较强衰减体所造成。,高反射系数物体（如气体）、高吸收系数物体（如骨骼、结石、瘢痕）下方具有声影，二者兼具则声影更明显。,4.高衰减结构 超声能量消耗甚多，其后方回声明显减弱，常见于肌腱、软骨、瘢痕之后，提高仪器“增益”仍可显示少量回声信号,5.后方回声增强 声束向深部传播时不断衰减，设计者为使图像显示均匀，加入了深度增益补偿（DGC）调节系统。后壁增强效应是指在常规调节的DGC系统下所发生的图像显示效应，,而不是声能量在后壁被其他任何物理能量所增强的效应。此效应常出现在囊肿、脓肿及其他液区的后壁，但几乎不出现于血管后壁。有些小肿瘤如小肝癌、血管瘤后壁，亦可略见增强。,6.旁瓣效应 旁瓣效应系指第1旁瓣成像重叠效应。声源所发射的声束具有一最大的主瓣，一般处于声源中心，其轴线与声源表面垂直，名主瓣。,主瓣周围有对称分布的数对小瓣，称旁瓣。旁瓣重叠于主瓣上，形成各种虚线或虚图。,7.部分容积效应 病灶尺寸小于声束束宽，或虽然大于束宽，但部分处于声束内，则病灶回声与正常组织的回声重叠，产生部分容积效应。,多见于小型液性病灶。例如，小型肝囊肿因部分容积效应常可显示内部细小回声（系周围肝组织回声重叠效应）。,第三节 医学超声常识及仪器,一、医学超声常识 超声诊断仪最基本的结构由探头、发射电路、接受电路、显示器和记录器组成。,(一)探头 1.压电换能器 超声探头的核心是压电晶体或复合压电材料，产生超声波是晶体的逆压电效应。,2.超声探头的种类与临床应用,凸阵探头用于腹部、妇产科检查。线阵探头用于外周血管、小器官检查。扇形探头用于成人心脏、小儿心脏检查。腔内探头分3种：经食管探头，用于心脏检查；经直肠探头，用于泌尿系检查；经阴道探头，用于妇产科检查。径向扫查探头用于血管内检查。,3.探头频率（1）单频探头：探头的标称频率（如3.5MHz），为发射时振幅最强的频率。（2）变频探头：同一探头可选择2-3种频率，探头频率可变。（3）宽频探头：发射时有一很宽的频带范围。,4.探头的分类 可分为机械探头、电子探头、术中探头、穿刺探头和穿刺引导装置、经腔内探头等。,（二）B型超声波主要功能键的使用和调节,1.增益（Gain）调整图像灵敏度，可以在30-90分贝之间变化，一般在50分贝左右。2.聚焦（Focus）可选择聚焦区数目，以取得观察区清晰图像。3.深度（Depth）在可能的深度范围内增加或减小深度，图像出现增大或缩小变化。,二、超声诊断仪器基本组成 超声诊断仪器发展很快，已有多种市售超声仪。,有：A型超声仪；B型超声仪；M型超声仪；频谱多普勒超声仪；彩色多普勒超声仪；彩色多普勒能量超声仪；三维成像超声仪；超声组织定征仪等。现多为多功能超声仪。,（一）A型超声仪 1.工作原理 为振幅调制，以超声的传播和反射时间为横坐标，以反射波幅为纵坐标，以波的形式显示回声图。当声阻抗差为零时，则呈现无回声段。,2.应用 目前仍可应用在：脑中线探测；眼球探测；胸腔积液探测；心包积液探测；肝脓肿探测。,（二）B型超声仪 1.工作原理 为辉度调制，为二维切面图。其工作原理与A型基本相同，都是应用回声原理作诊断，可直观地反映组织结构与病变的关系。,2.应用 A型超声基本已为B型替代，同时又是其他超声诊断的基础。M型、多普勒频谱法、彩色多普勒血流显像须在B型的二维图像上取得，才能更好地了解其回声来源。三维成像技术是应用二维图像由计算机重建而成,（三）M型超声仪 1.工作原理 为一维超声，是B型诊断仪的一种特型，采用辉度调制，在水平偏转板上加入一对慢扫描锯齿波，其横坐标表示时间，纵坐标表示距离。,2.应用 多用于心脏检查，可了解（1）心脏的前后方向结构层次；（2）测量心腔前后径及厚度；（3）观察运动轨迹；（4）测量心动功能。,（四）频谱多普勒超声仪 1.工作原理 应用多普勒效应，检测人体组织、器官的血流信息。与二维图像相结合能做出更准确的诊断。分为脉冲多普勒（PW）和连续多普勒（CW）。,2.应用 判断血流方向；判断血流性质；测定血流速度及压力阶差；评价心脏功能；检测异常分流、反流，并定量估测分流量及反流量；估测各房室腔内的压力；通过多普勒信号声调，估测血流性质。,（五）彩色多普勒（CDFI）超声仪 1.工作原理 用彩色编码技术显示血流影像。设定流向探头的血流为红色，背离探头的血流为蓝色，湍流为绿色。颜色的辉度与速度成正比。,2.应用 彩色多普勒成像系统所显示的最大血流速度的彩色图像十分清晰，与M型、二维超声和频谱多普勒超声结合，可获可靠的断信息。,（六）彩色多普勒能量超声仪 1.工作原理 彩色多普勒能量超声成像（CDE）与CDFI有所不同，CDFI能反映血流速度、加速度和方向变化，但这些信息受探测角度的影响较大。而CDE则堤取和显示多普勒信号的第三种参数：能量信号强度。,其频移能量强度关键取决于取样中红细胞相对数量的多少。CDE所显示的参数不是速度而是血流中与散射相对应的能量信号。,2.应用 能够显示较完整的血管网，特别是对微小血管和弯曲迂回的血管更易显示，能有效地显示低速血流和平均速度为零的灌注区。能对腹腔内脏器占住病变中的滋养血管、肿瘤血管和某些部位血流灌注提供重要信息。,（七）三维成像超声仪 1.工作原理 三维超声成像分为静态三维成像和动态三维成像，动态三维成像有时间因素(心动周期)。用整体显像法重建感兴趣区域准实时活动的三维图像，亦称四维超声心动图。静态与动态三维超声成像重建的原理基本相同，均系二维图像的三维重建。,2.应用 目前超声三维重建技术在心脏检诊中应用最多。在妇科、眼科、腹部疾病、血栓、血管成像等方面也在应用。,（八）超声组织定征仪 1.工作原理 是探讨组织声学特性和超声表现之间相互关系的基础与临床研究。通过定量提取人体组织中的有用的信息，做出解释与达到识别各种正常的病理组织，并对其鉴别和分析。,2.应用 对组织的声速、声衰减、声散射、组织弹性和回声强度等进行研究或应用,第四节 医学超声新技术,一、超声造影,新近出现的超声微泡造影剂是一种内含气体的微球，可通过静脉注射随血流到达机体各组织器官，并可用超声实时监控,心脏造影,超声微泡造影剂可作为一种空化核，在超声波的作用下将发生压缩和膨胀，当声能达到一定强度时，微泡可被瞬间击碎，产生“空化效应”，引起一系列生物学效应 声孔效应：是由于声空化伴随发生的冲击波、射流对细胞作用的结果，是“超声增强药物释放”和“超声基因疗法”的重要物理基础,图示超声波在体表照射胸部，微泡造影剂在超声波的照射下破裂，释放基因，经过毛细血管床进入病变区,超声波触发微泡进行基因转染示意图 超声波击碎微泡后产生的生物学效应为其增强基因转染提供了理论基础,毛细血管内皮间隙增宽，细胞膜通透性增加,基因及药物进入细胞,理想的包裹靶基因的超声微泡造影剂：其表面高分子材料，内含氟碳气体、目的基因、阳离子脂质体，其外壳还有靶向性物质连接位点,我们研制的3种超声微泡造影剂（白蛋白、表面活性剂、特别是高分子材料）,高倍镜下(400倍)所见的白蛋白微泡造影剂,图中最小刻度为10m,高分子材料-聚乳酸/羟基乙酸(PLGA)超声微泡造影剂，微泡大小均匀，直径1-2个微米,为进一步包裹基因等奠定了基础,含PE-NBD的表面活性剂类超声造影剂磷脂酰乙醇胺（PE）可以作为联接抗体的锚分子；荧光染料（NBD）发绿色荧光,将磷脂酰乙醇胺（PE）分子嵌入造影剂表面,为造影剂连接抗体及基因等奠定了基础,将荧光素包裹入微泡造影剂内,包裹有荧光素的微泡造影剂在超声波的作用下发生破裂，通过荧光显微镜可见微泡破裂释放的荧光,为造影剂包裹基因奠定了基础,采用研制的超声微泡造影剂，进行了显影效果的实验研究，获得了良好的显影效果,兔肝脏造影前,兔肝脏造影后,超声微泡造影剂介导VEGF基因（质粒）转染大鼠缺血心肌的实验研究,褐色颗粒显示VEGF蛋白表达较多,CD34染色显示毛细血管增生（超声照射+基因组）,显示VEGF蛋白表达弱,示毛细血管增生较少（单纯静脉注射基因组）,显示VEGF蛋白表达很少,示毛细血管增生很少（对照组）,证实可增强活体内治疗性基因的表达,UGT1025型超声基因转染仪,频率、强度、幅照时间、幅照部位可控，为进一步探索超声增强基因转染的最佳超声剂量、与组织损伤的关系奠定了基础,二、超声组织定征,超声组织定征（UTC）是探讨组织声学特性与超声表现之间的相互关系，进行超声组织性状分析的基础与临床应用研究。对心肌梗死、风心病、肝脏、乳腺等各脏器病变和物理治疗、生殖医学的诊断、监控有重要的临床应用价值,基本原理：组织结构、状态和功能变化，必然引起其超声传播特性变化。通过某种特定手段，从组织超声回波信号中分离、提取出能反映组织结构、功能、状态的量化参数，加以解释，达到辨别病变性质的目的 目前，UTC研究、应用范围有声速、声衰减、声散射、回声强度、组织硬度等方面。较有发展前途和实用价值的是进行回声强度检测的视频法和进行超声背向散射积分检测的射频法,视频法：应用计算机，开发软件，将回声图像转化为数字图象，进行回声强度（EI）定量分析的基础与临床应用研究 组织钙化或疤痕时，EI 明显增强，肥厚型心肌病、心肌淀粉样变性也可出现类似的变化,我们研制的“DFY型超声图像定量分析诊断仪”(下简称“定量仪”),对组织回声图像的具体的最大、最小、平均灰阶(GS)、分贝(dB)值进行了检测“定量仪”将超声图像转化为数字图像，获得每一像素点的具体数值。分辨率为660440像素(Pixel),256级GS(黑0-亮255),85个超声强度等级(0dB-85dB)。可连接于多种超声仪使用,操作、取样需标准化，所取二维图像以日常操作最佳图像为准。可将后心包作为回声幅度的上限参照，因其胶原含量极为恒定；回声幅度的下限可用左心室腔内的血液作为参照,射频法：超声束进入组织时，组织的细微结构可构成散射体，使超声波向各个方向散射，在入射声波呈180方向上单位体积和单位立体角的微分散射截面为背向散射，以背向散射系数表征。超声背向散射积分（IB）是将背向散射系数在测量频段内取其积分平均，是样品在声学上不均匀性的程度，对了解组织状态可提供有用信息,升级后的“定量仪”增添了更多功能 可行组织能量多普勒信号定量分析 可行彩色多普勒信号定量分析 可对组织声学造影进行监控分析 可用于超声微泡粒径分析 可用于测定微小血管血流速度 可用于组织、肿瘤血流灌注量定量分析,用“定量仪”定量造影前后的回声强度,造影后回声强度较造影前明显增强,DFY-II型超声图像定量分析诊断仪主界面,视频采集窗口界面,图像对比度、亮度调节窗口界面,数据打印、存贮窗口界面,对定量软件进行升级，使结果更方便、便捷,超声组织定征提取组织能量多普勒信号定量分析,结合微泡造影剂，并用“DFY型超声图像定量分析诊断仪”的能量多谱勒功能，检测肿瘤微血管发现用造影剂前，能量多谱勒不能检测肿瘤内的微血管信号，而使用造影剂后，微血管信号得以显现，此可用于肿瘤化疗或介入治疗后的微血流灌注评估以及肾移植后微血流评估,VX-2 肿瘤 显影前：多谱勒不能发现微血管信号,显影后：微血管面积占肿瘤面积的14%,ENU 肿瘤 显影前,显影后：微血管面积占肿瘤面积的74%,探讨计算机图像识别技术在超声微泡粒径分析中的应用价值，DFY型超声图像定量分析诊断仪对微泡的计数与粒径分析结果与Malvern粒径分析仪分析的结果高度吻合，分析结果准确、重复性好,经DFY软件初步识别处理后的图像,对图像进行二值化处理以备下步识别之用的图像,识别与标记微泡，并自动计算每个微泡的直径与微泡浓度的计算机图像,DFY定量仪分析单个超声信号在毛细管内的运动轨迹,DFY定量仪测定微小血管血流速度,DFY定量仪分析单个超声信号在大鼠直肠癌微小血管内的运动轨迹,DFY定量仪在器官肿瘤灌注量定量方面的研究,三、高强度聚焦超声 国产高强度聚焦超声（HIFU）治疗肿瘤系统（超声聚焦刀），系世界领先的具有我国自主知识产权的大型超声医疗设备，已销往国内外。,证实对肝癌、骨肿瘤、乳腺癌和软组织肿瘤治疗安全有效。还有超声消融；超声引导微波、激光、射频治疗肿瘤；超声微泡造影剂携基因治疗等。,乳癌HIFU治疗前,乳癌HIFU治疗后,骨肉瘤HIFU治疗前,骨肉瘤HIFU治疗后,Thank you,