北航系超声测量基础.ppt

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1、第七章、生物医学超声测量与成像,生物与医学工程学院,现代三大医学成像技术,医学成像技术X-CTMRIULTRASOUND生物医学工程学重要的分支之一。,什么是超声波？,频率低于20赫兹的机械波称为次声波。,大多数医学超声设备所用的频率在0.5-15MHz之间。超声波波长短，决定了其具有一些重要特性。,可听声波，频率在20-20000赫兹之间。,频率高于20000赫兹称为超声波。,超声成像ultrasonograghy,定义：利用超声波的物理特性和人体组织器官的声学特性相互作用而产生的信息，经处理后形成图形和曲线，借此进行疾病诊断的一种物理检查方法。,超声波成像的特点和优点,特点：对软组织的分辨

2、能力强 信息的显示有多种方法,特别适用于腹部脏器、心脏、眼科和妇产科的诊断，而对骨骼或含气体的脏器组织如肺部，则不能较好地成像,优点：无损伤、无痛苦、无辐射 实时、快捷、准确、方便,生物医学超声测量与成像,本章内容绪论(医学超声基础、组成、发展、仪器分类等）医学超声测量仪器（A、B、D、M等型号超声仪器原理）超声的物理基础(超声波的物理基础与基本物理量)超声波的产生与接收（压电效应、超声换能器构成及声场特性）生物组织的医学超声测量(超声参量(声速、声衰减、声特征阻抗等参量)的测量方法)现代超声成像技术(着重介绍B超成像技术),第1节 绪论,医学超声理论基础医学超声的组成医学超声的发展医学超声测

3、量仪器的分类医学超声测量过程生物组织的医学超声成像,1、医学超声的理论基础,医学超声是一门将声学中的超声学与医学应用结合起来形成的边缘学科。,8,理论基础：振动与波动理论,1-绪论,2、医学超声的组成,绪论,医学超声诊断,超 声,透 射transmission,反 射reflection,折 射refraction,衍 射difration,散 射scattering,衰 减attenuation,吸 收absorption,H U M A N B O D Y,U L T R A S O U N D,对应设备：医院中的普通B超/D超等等,绪论,医学超声治疗,超 声,ULTRASOUND,H U

4、 M A N B O D Y,热机制,力学机制,空化机制,对应设备：超声刀,绪论,3、医学超声的发展,法国科学家朗之万,绪论,4、超声测量仪器的分类,医学超声的包含有相当丰富。根据原理、任务和设备体系，可划分成很多类。,绪论,按用途可分为诊断超声和治疗超声两大类。按波形分有连续波超声和脉冲波超声设备。按物理特性分有回波式和透射式超声诊断仪。按医学超声设备的体系分类A型、M型、型、C型、D型和F型、超声CT、超声外科设备、超声全息诊断设备、超声显微镜、超声治疗设备。,A、B型仪器主要给出了探查区域内有关解剖结构和组织特性的信息；M型仪器和多普勒(D型)超声仪器反映体内运动界面和血液流动的动态变化

5、。3D 三维超声,目前医院最常用的设备主要包括：A型、B型、M型和D型(多普勒)超声诊断仪，另外还有C型、F型、三维超声也开始有利用。,绪论,5、医学超声成像过程,通过超声探头（换能器）产生压力波型（超声）声波在组织中传播接收换能器“听”反射波利用算法进行回波处理并成像,绪论,6、生物组织的医学超声特性,超声成像主要运用了超声传播特性与人体组织之间某些关系：人体不同组织中传播速度不同组织中声衰减系数，不同组织界面间的反射率，非线性参量等等。后面的学习中我们会从理论角度详细介绍上述关系。,绪论,第2节,常用医学超声测量仪器,1、A型超声,(Amplitude modulation mode）超声

6、,即幅度调制型超声,A超,利用超声波的反射特性，获得人体组织内有关信息，进行疾病诊断。,1.1 诊断疾病方式,1.2 A型超声诊断诊断原理,超声波-人体组织中传播-不同声阻抗界面反射回声-波形显示。,界面介质的声阻抗差大-回波幅高；反之则低,根据回声波幅的高低、多少、形状等对组织状态作为判断。,1.3 A型超声特点,临床上目前主要用此法测量组织界面的距离、脏器的直径，眼科及颅脑疾病的探查。,同时A型超声是实验室 常用的研究方法。,我们实验室的A型超声测量系统,1.4 A型超声局限性,回波图只能体现局部组织信息，无法反映解剖形态。,2、M型超声波诊断仪,M型超声-(Motion mode)超声,

7、带时间分辨特点的辉度型超声。,利用超声波的反射特性，获得人体组织内有关信息，进行疾病诊断。,2.1 诊断疾病方式,2.2 M型超声诊断诊断原理,首先把超声回波幅度大小转换为辉度(辉度调制型)，然后根据辉度随时间的变化对组织状态作为判断。,2.3 M型的临床应用,主要用于心脏及大血管检查，早期将之称为M型超声心动图。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,3、B型超声诊断仪,B型超声-(Brightness modulated Mode).因其成像方式采用辉度调制而得名。,主要利用超声波的反射特性，获得人体的解剖结构与组织内信息，进行疾病诊断。,3.1 诊断疾病方式,幅度调制

8、改为辉度调制;探头声束必须扫查;得到的是人体切面声像图,在A型之上建立的一种成像方式,3.2 B型超声原理,超目前使用最广泛的超声诊断仪，由于能得到人体内部脏器和病变的断层面，对脏器进行实时动态观察，非常直观。,B超仪器,心脏B超图像,3.3 B型超声的特点,B超图像与人体的解剖结构相似，能直观地显示脏器的大小、形态、内部结构，并可区分组织内成分(固态、液态、气态)。,B超成像速度快，能够观察心脏的运动功能、胎心搏动，以及胃肠蠕动等。,超声根据组织间声阻抗不同成像，对软组织的分辨力是X射线的100倍以上。,4、D型超声,D型超声（Doppler）超声 多普勒超声。,4.1 诊断方式 多普勒效应

9、：某一频率的波的波源与接收系统产生相对运动时，所接收到的波的频率会发生变化（即频移）。,4.2 测量原理,人体运动结构（心脏瓣膜）或散射子（血液红细胞）反射回来的超声波发生多普勒频移。检测目标的运动速度信息，分析显示人体内部器官运动状态。,4.3 D型超声在医学诊断中的应用,超声多普勒应用临床以来，应用价值愈加明显，以运动器官为主要研究对象的心血管科，成为不可或缺的诊断工具。,数字B超成像原理与设备结构图,关于数字超声设备各部分的原理与实现方法，我们在后面的内容中加以介绍。,第3节,超声的物理基础,3.1 超声波的一般概念,机械振动与机械波机械振动：物体沿着直线和曲线在某一平衡位置附近作往复周

10、期性的运动。机械波：振动的传播过程称为波动。机械振动在弹性介质中的传播过程称为机械波。,产生机械波必须具备以下两个条件：要有作机械振动的波源。要有能传播机械振动的弹性介质。,超声波是一种机械波,超声的物理基础,生物组织中的超声特性,人体结构对超声而言是一个复杂的介质，各种器官与组织、包括病理组织，随组织的类型和形状不同，生物组织的超声特性存在差异。声反射、折射、透射、散射；以及声强、声阻抗、声速和声衰减等特性在确定医学超声探测与成像技术的有用性方面起了至关重要的作用。,36,3.2 描述超声波的传播特性,传播特性：,波的透射、反射与散射 叠加、干涉、绕射等 障碍物的尺寸小于或近似等于超声波长时

11、，发生散射。散射是使超声扫描成像得以实现的最基本现象。由于散射波携带了被测介质的结构信息，散射波的分析和屏幕显示就反映了组织的结构状况。,超声的物理基础,3.2.1 超声波的反射和折射(透射),当波传播到两种介质的分界面时，一部分反射形成反射波，另一部分进入介质形成折射波。,38,反射和折射(透射),超声的反射和折射声符合反射定律(i=r)和折射定律(斯涅儿定律)：声在入射介质中的传播速度与折射介质中的传播速度之比，也就是入射角和折射角的正弦之比为一常数n,n=,3.2.2 散 射,当超声波遇到的障碍物的尺寸小于和近似等于波长时，则要发生散射。散射是使超声扫描成像得以实现的最基本现象。正是由于

12、散射波携带了被测介质的结构信息，对散射波的分析和屏幕显示就反映了组织的结构状况。,40,在研究散射时，散射截面S是一个重要的概念。它定义为由障碍物所产生的总反射功率与入射强度之比。,41,一般有以下三种情况：,设障碍物的尺寸D和波长的大小,当D时，散射截面S=1，只反射无散射。选用诊断用超声波时，为了提高图像分辨率，常视所要探查的对象加以选用比探查对象小得多的波长，绕射不显著，分辨率高。当D时，由散射形成的辐射范围分布在所有方向上，入射波绕着设置障碍物被衍射，绕射现象明显。当D与相当时，既反射又绕射，散射的辐射分布复杂。,42,镜面反射和散射,43,散射波的强度,在发生散射时，散射波的强度与障

13、碍物的大小有关，随障碍物直径与波长的比值增大而加强。单一障碍物散射对于入射波能量消耗不致妨碍超声检测；但有许多的散射中心时，入射波的能量将由此渐渐地被大量甚至全部散射殆尽。散射是引起超声衰减的重要因素之一。,44,3.3 描述超声波的物理量,声速C、波长、周期T、频率f、C=/T=f,声压声强声阻抗声衰减,超声的物理基础,下面主要介绍几个与人体组织超声测量与成像最相关的几个物理量。,3.3.1 组织中的声速,超声波从声源通过介质向周围传播，介质可以是固体、气体和液体，人体组织是超声波的传播介质。,46,声波的传播过程实质上是能量的传递过程,其传递速度的快慢与介质的密度、弹性模量有关。,对一定的

14、介质，弹性模量和密度为常数，声速也是常数。,声波在介质中单位时间内传播的距离,称为声速。,人体组织中的声速与相关因素,人体组织中的声速与下列因素相关组织的平均密度 组织的可压缩性 K（弹性模量）,47,人体组织结构复杂，软组织性质接近流体性质，超声波在大多数软组织内的传播速度亦相差不大，超声波在流体中的传播速度，平均声速C=1540m/s。,48,人体骨骼性质与固体相近，故其传播速度也相近，其声速为软组织中的三倍左右。在利用超声回波定位测距时，声速在保证测距精度上是一重要因素。在我们实验室的研究中，声速是描述软骨的退化和骨质疏松的重要指标。,超声波在人体各种组织中的传播速度,3.3.2 声压,

15、纵波在弹性媒质内传播过程中,媒质质点的压强是随时间变化的,媒质质点的密度时密时疏,从而使平衡区的压力时强时弱,结果导致有波动时压强(Pw)与无波动时压强(P0)之间有一定额压强差(PwP0),这一波动压强称为声压。,对于一无吸收媒质的平面波,有波动时压强的最大值与没有波动作用时各点压强的差值称为压强振幅(Pm),它可由下式确定：Pm=cVm 即：声压振幅Pm与媒质密度、质点运动速度的最大值V m 及波速c成正比。超声波由于其频率高，因而声压亦大。中等治疗剂量的超声波在组织中产生的附加声压约为2.6个大气压。超声治疗、超声美容都利用了声压。,3.3.3 反射率和透射率,斯涅尔反射、折射定律只讨论

16、了超声波倾斜入射到界面上时各种类型反射波和折射波的传播方向。波的反射率和透射率不仅与界面两侧介质的声阻抗有关，而且还与入射波的类型及入射角的大小有关。,52,声压反射率和透射率,超声波纵波倾斜入射到由声阻抗为Z1和Z2两种介质所构成的界面上时,53,声压透射率为,L为入射角，L为折射角,Pr反射波声压，Po入射波声压，Pt透射波声压,声压反射率为,不同生物组织界面的反射率,54,3.3.4 声 强,声功率：单位时间内，声波沿传播方向通过某一波阵面所传递的声能（单位：瓦）。,55,声强是表示声的客观强弱的物理量,它用每秒钟通过垂直于声波传播方向的1平方厘米面积的能量来度量。声强：通过单位面积(垂

17、直传过)的声功率称为功率密度或声强。用I表示，常用单位为W/m2（瓦/平方米）。,对于平面余弦波，其平均声强I为,式中，为介质的密度，c为介质中的声速，A为质点的振幅，为质点振动的圆频率,=2f.V=A为质点振动速度幅值,声强与声压平方成正比,与频率平方成正比，随着传播距离而衰减。,由于超声波的频率很高，故超声波的声强很大，这是超声波能用于医学诊断与治疗的重要依据。,诊断超声安全剂量阈值,诊断超声中，禁止使用过高的超声剂量以避免损害人体组织。当组织中超声剂量太小，小到接收信号不到检测阈值时，超声探查则失去意义。超声诊断安全剂量有待进一步研究和统一。,下表列出诊断超声安全剂量的分布范围安全限制（

18、FDA）,58,3.3.5 声阻抗,声阻抗是描述介质(弹性媒质)的声学特性的一个重要物理量,表示超声场中介质对质点振动的阻碍作用.,对于各向同性的均匀媒质中无衰减的平面自由行波来说,媒质中某点有效声压P与振动质点速度有效值V之比称为声阻抗率,它用Z表示：,声阻抗在数值上等于介质的密度与介质中声速c的乘积。,声阻抗率和电学中一个无限长、无损耗传输线的特性阻抗相似,其中声压相当于电压,振速相当于电流强度,声阻抗率相当于电阻。,人体正常组织的声阻抗率的平均值约为1.510 6 牛顿秒/米 3(Nsm 3),与超声测量有关材料的密度和声阻抗率则如表所示。,某些组织和材料中的声阻抗,3.3.6 超声衰减

19、,超声波在实际介质中传播时，声能随距离的增加而减少，能量的衰减不可避免。,62,生物组织对超声的衰减机制十分复杂。除组织对超声波的反射、散射等引起的能量的分散之外,组织对超声能量的吸收而造成的衰减不可忽视。,影响衰减的因素很多，主要分为两大类：,超声波在传播过程中在介质交界面发生反射、折射和散射超声波能量再分布。超声波在传播过程中部分能量被吸收转换成热能等其他能量。,人体组织中超声的衰减,人体软组织对超声波的吸收不仅与介质的物理特性有关，而且与其生理状态有关。临床实验可知，正常组织与病变组织对超声的吸收不同，癌组织对超声的吸收大，炎症组织次之，正常组织最小。,64,衰减随超声波频率的变化,研究

20、表明，超声波在生物组织中传播时的衰减不但决定于距离，还与频率有关。当超声频率在1MHz15 MHz范围内，超声波被人体组织吸收的系数几乎与频率成正比，其吸收衰减系数为0.5-3.5dB/(cmMHz)。几乎80%的超声波被胶原蛋白吸收。吸收衰减系数主要由超声频率、组织粘滞性等决定。,65,衰减规律描述,规律复杂，但一般情况下规律可表示为：A0是波的变量（例如质点速度，声压）在z=0时的峰值。Az是相同的变量在z位置的峰值。,66,衰减系数,0是媒质的幅度衰减系数，此处用每厘米衰减多少奈培做单位，即Np/cm。因此通常用衰减系数描述衰减，表示每厘米衰减多少奈培或分贝，即dB/cm。,67,人体组

21、织对超声波的衰减系数,3.4 超声生物效应,近20年来，研究人员在器官、细胞、分子等水平上对超声生物效应课题进行了广泛研究。超声生物效应问题十分复杂，取决于许多生物物理方面因素。这里仅对其基本的机理和规律加以简单阐述。,超声波对人体组织的几种生物效应,1、热机制被组织吸收的超声波对分子产生作用会导致两种基本的结果:分子振动和转动能量发生可逆转性的增加，这一点由组织温度上升所体现；分子结构永久性地被改变。,2、机械机制超声波在人体中传播时的振动和压力会对细胞和组织结构产生直接的效应。如细胞和细胞器可以会被高强度超声波产生的剪切力所粉碎。3、空化机制 声空化可以定义为充有气体和水蒸气的空腔在外场作用下发生振荡的任何现象。空化的机理相当复杂，在对声空化的研究中还有许多未知的领域,超声生物效应在很大的程度上取决于辐射超声的强度和持续时间。在一定的阈值范围内，超声对人体的损伤可以忽略不计，或起到治疗作用。目前的实用技术如：高强度聚焦超声治疗仪器、超声热疗治癌仪、超声手术刀、白内障超声乳化仪靶向超声、超声造影等等,作 业,查阅文献什么叫超声显微镜？超声显微镜的发展历程？目前最好的超声显微镜的分辨率？超声显微镜在科研方面的用途？,END,