成像理论.ppt

泰山医学院,Taishan Medical University,放射学院,第二节 超声探测的物理基础,一、超声的发射与接收,产生超声波的具体方法很多，在医学超声诊断中大多采用压电晶片的超声换能方法来产生超声波,（一）压电效应,1880年法国物理学家居里兄弟发现。,压电效应（piezoelectric effect）：机械能与电能相互转换的物理现象。,具有压电效应的晶体称压电晶体，亦称换能器（transducer）。,正压电效应：对晶体两端施加压力或拉力时，晶体的两侧表面会出现异名电荷产生电场分布效应。,逆压电效应：当晶体的两端施加一交变电场时，晶体厚度有所改变，即晶体沿着电轴方向出现压缩或拉伸,压电晶体：自然生长的单晶体（石英、电气石）；人工培养的单晶体（硫酸锂、铌酸锂、酒石酸钾钠）,图8-10表示SiO,2,结晶形成的石英晶体的压电效应原理。,图8-10a表示晶体在无外力时，两侧不带电荷,超声仪器中广泛应用压电陶瓷材料，如钛酸钡、钛酸铅、锆钛酸铅等多晶体结构。,多晶体压电陶瓷的压电效应产生机制与单晶体石英有所不同，多晶体压电陶瓷由于其内部结构存在许多自发极化方向一致的小区域分子集团，类似于铁磁体的磁畴，或称电畴。经过人工对这种材料外加强极化电场处理后，使压电陶瓷中杂乱无章的电畴基本上转到与极化电场一致的方向；当极化电场除去后，电畴基本保持不变，而且成为很强的剩余极化。图8-11,处理后的材料再施加较小的交变电场时，这些电畴将发生转动，其长度将沿外电场方向发生交替变化。,在医学诊断中：,超声波发射是利用压电晶体的逆压电效应，即应用交变电压使压电晶体产生机械振动，振动频率与所加交变电场的振动频率一样，振动在弹性介质中的传播就形成声波；,超声波接收是利用压电晶体的正压电效应，即把超声反射波对压电晶体的机械压力转换为电信号,。,（二）超声探头,在医学超声中，能实现电能与声能相互转换的装置称为换能器，又称探头（probe）。其作用是产生和接收超声。,使用最多的是,压电式超声换能器,，利用逆压电效应将电能转化为晶体振动的机械能，使晶体振动而产生超声波，发射至需要检测的人体组织内。,接受超声时,，利用正压电效应将从人体组织返回的超声接收，并转化为电信号，由接收电路进行信息处理,实际工作中大多采用间歇脉冲工作方式，因此，同一探头可以分别完成发生和接收功能。,分类单晶片与多晶片,单晶片探头是最基本的结构：主体和壳体组成,1、探头主体 发射和接收超声的功能部分，由压电晶体、面材及背材构成。性能主要取决于晶片材料、晶片直径与厚度、面材前保护层的耦合、背材的阻尼吸收等,（1）面材（保护层）：,作用是防止压电元件与人体组织经常直接接触导致磨损、碰坏或氧化等。探头与人体组织接触的端面加有保护层。选用衰减小、高耐磨、柔顺性好的材料，其声阻抗应接近人体组织的声阻抗。通常将保护层兼作为声阻抗匹配层，其厚度为,/4,（2）压电晶片（压电振子）：,是探头的关键元件，决定探头电能与声能的互换能力。,材料：多采用锆钛酸铅，近年新材料聚氟乙烯用来制成薄膜探头,晶片几何形状和尺寸根据临床需要来确定,晶片厚度与工作频率相关，晶片越薄，频率越高。频率在110MHz时，一般单晶片圆形探头压电体的直径812mm左右，两面有涂银薄层，焊接导线作为电极。,（3）背材（阻尼吸声块）：,作用是吸收背向辐射的声能，最好使背向辐射的超声全部透进吸声块中并衰减掉，不再反射回压电元件。,背材由耐磨的环氧树脂薄膜、钨粉、二氧化钼、铁氧体、橡胶粉组成。,（4）声隔离：,通常在压电晶片、吸声块和壳体之间加软木、橡皮、尼龙等材料进行声隔离，消除金属制成的壳体与晶片之间产生的振动耦合对超声能量辐射的影响。,2、壳体 起支撑、密封、绝缘、承压、屏蔽以及保护压电元件的作用，也是探头与仪器的电气信号连接的插接部件。,（三）超声场能量的空间分布,不同的超声源、不同的传播条件将形成不同的超声能量分布。,超声场：在医学超声诊断中，将超声源能量作用的弹性介质空间称为超声场，用以描述波动状态。,理论上，一般根据医学物理学中的惠更斯菲涅尔原理为理论基础进行超声场的理论分析,1、点声源的超声场 对于单个振子，当它的尺寸极小时，可以将它看成是一个点声源。根据惠更斯菲涅尔原理，它所产生的超声场是没有指向性的球面波,图8-13,2、两个点声源的超声场 两个点声源所产生的超声场是由两个点声源子波叠加的结果，其超声场呈一定的指向性分布而形成声束，称为超声的指向性。,其指向性函数为：,式中，d表示两个点声源之间的距离，,表示点声源辐射声波的波长。,当,d=,时其指向性图案如图,8-14,所示，可见，此时点声源,S,1,，,S,2,在能量集中的主瓣旁边还出现了一些副瓣,3、圆形单晶片振源的超声场 圆形晶片处于发射状态时，就像一个往复振动的活塞，因此常称为圆形活塞振源，简称圆活塞或圆探头，它是医学超声诊断中常用的也是最基本的探头。,设定：,圆形晶面声源由无限多个点声源组成圆形晶面各点为同相位、同速率的振动声场中任一点M的声压是晶面所有点声源辐射到M点叠加的结果，其指向性如图815所示,图中，,通常称为主瓣的半扩散角。,超声传播方向上声能量密度最大的轴线称为声轴，其周围,-3dB（-50%）范围内的声场分布区称为声束，声束横截面的直径称为束宽。,当超声振源的线径远大于波长时，,超声波就集中成一束，并以,角扩散，所形成的超声场根据声程将其分为,近场和远场。图,8-16,近场:靠近振源的超声场，其瞬间声压和质点振速不同相，称为近场（菲涅尔区）,远场：距振源一定距离后的超声场，其瞬间声压和质点振速同相，称为远场（夫琅禾费区）,根据理论推导，近远场交界面离探头表面的声程L：,r是圆形晶片的半径,如果r,则可把忽略，则,（1）近场特性：圆晶片辐射场中，超声能量基本上集中在半径为0.96r的圆柱声束中，直到最后一个极大声强处。由（8-27）式可知，D越大，,越小，,L,越大。近场区是一个花瓣区，由于干涉和衍射是声压和声强起伏很大，不能用于超声诊断的死区，希望越短越好。,（2）远场特性：远场声源和声强比较平稳，可以用作超声诊断。在远场区中，当声程x5L时，声压P将随着距离x的增加而明显减弱。在2L处，声强变为原来的1/2，而声束半径增大为1.35r，半扩散角,可由下式计算：,一般要求半扩散角在,3.5以下。为减少远场扩散，常常对声束进行聚焦,上述讨论是连续波的讨论。,超声治疗主要利用大功率的连续超声波,医学诊断中常用脉冲超声波。脉冲超声波易于发射和接收，同时脉冲波的检测可以基本避免发射信号和反射信号的影响，提高了检测的灵敏度。,4、脉冲波的超声场,三种波形：单尖脉冲、具有几个周期的窄脉冲、方波调制脉冲,图8-17,对脉冲波的超声场用傅立叶变换进行分析，即将脉冲超声波分解为多个正弦（或余弦）波的叠加，从而通过分析各个频率的正弦波的声场分析脉冲波声场，即:,可见，脉冲超声波可以分解成一系列谐波分量，其最大能量发射的频率称为中心频率f,0,f,0,=1/,。脉冲持续时间,越短，中心频率,f,0,越高。一个脉冲的声能往往集中于中心频率附近，其总声压P将是n次谐波对应声压平方和的平方根，即：,上式表明，脉冲超声波的频率响应正是综合了各谐波分量频率响应特性的结果。另外，求宽频带脉冲超声波的近场长度和半扩散角时，应先求出各个谐波的近场长度和半扩散角，然后求其合成结果。,二、超声脉冲回波成像原理,医学诊断中超声脉冲回波成像：利用超声波在传播路径上遇到不均匀介质界面发生反射的物理特性。,向人体内发射超声波脉冲，当超声遇到人体组织和脏器界面时即有反射回波，检测这些回波信号并对其进行接收放大和信号处理，最后在显示器上出现。,连续波脉冲波,基本原理：超声脉冲回波法，就是把几兆赫至几十兆赫的高频超声脉冲发射到生物体内再接收来自生物体内的反射波（回波）。,超声脉冲回波法，通过检测回波脉冲就可以获得有关超声脉冲在介质内反射界面的位置信息和方位信息。,（一）基本原理,人体组织和脏器具有不同的声速和声阻抗，因而在界面上会反射超声波（又称回波）。,这些分界面两边介质的声学差异不大，所以大部分超声将穿过界面继续前进。当遇到第二个界面时，又将产生回波，并仍有很大部分超声能量穿过第二个界面继续前进；这样可以产生第三个、第四个回波。超声在组织中衰减，因此接收回波个数有限。,为了能分清回波个数和发射的先后次序，超声回波使用脉冲波束，即每发射一个脉冲接收几个回波，这种成像方法称为脉冲回波法。,脉冲回波测距，就是测定发射脉冲与回波之间的时间间隔t，算出反射界面与探头之间的距离。由于声脉冲通过同一路径一往一返，这时距离S即为：,c受频率的影响很小，通常忽略不计，生物组织取其平均值为1540m/s。,运用这个原理，将探头的扫描运动与显示器上光点的扫描运动巧妙配合，把回波信号作为光点的亮度调制信号，即用亮点来显示反射回波的界面，这样就构成不同的扫查与显示形式，从而制成相应各种形式的医用超声诊断仪器。,A-MODE，B-MODE，M-MODE，D-MODE,（二）成像参数,参数分类：声系统参数、图像特性参数、电气特性参数,1超声频率,指超声成像系统的工作频率。,两个方面作最佳选择：,从分辨力的角度来看，增高超声波频率，可以改善分辨力。频率越高，波长越短，则波束的指向性越好（近场距离大，而发散角小），横向和纵向分辨力都能提高。,从穿透深度的角度来看，工作频率越高，则衰减成正比地增加，必然使探测深度减小。若要求较大的穿透深度，就必须选用较低的工作频率。,工作中应在工作深度与频率之间取合理的折衷。,探测距离较大的不宜采用较高频率。如：肝脏、妊娠子宫等超声探测2-3.5MHz,要求深度不大的可以用较高频率提高分辨力。如眼球、乳腺等探查一般选7-10MHz。,另外，探测组织的距离不大，但衰减很快，即半衰距非常小或者超声穿透的界面较多,如颅脑、肺等，也不宜选用较高频率，一般1-2MHz,2脉冲重复频率,脉冲重复频率Fp：每秒超生脉冲发射的次数，它由电激励的频率所决定，即：Fp=1/T,T表示脉冲间隔时间，即脉冲发射周期，也是声波往返可利用的最大时间。,脉冲重复频率Fp 决定了仪器的最大探测距离。Dmax=cT/2,3脉冲宽度,脉冲宽度,指,超声波脉冲的持续时间。最小探测深度与脉冲宽度的关系密切。,探头即发射脉冲又能接受脉冲，只有当探头在发射脉冲停止以后，处于静止的期间，才能接收。,当反射波回到探头的时间大于脉冲宽度，发射脉冲与反射脉冲才可能被分别接收到。,最小探测深度：,实际上，Dmin比理论计算值大数倍。如果病灶处于Dmin内，则反射信号在脉冲尚未发射完就已返回探头，已无法接受而漏掉，所以，Dmin以内ude距离称为“盲区”,为了缩短盲区，只有缩短脉冲宽度,，但这样又可能使发射超声能量减少，影响灵敏度。,通常在适当缩短的同时，提高超声频率，使能量不至于减少，即缩短盲区，又不影响灵敏度。,4、穿透深度,指超声诊断仪发射的超声束可以穿透并能显示回声图像的被测介质深度，又称作用距离,影响穿透深度的主要因素：脉冲信号在传播途中的衰减。,提高仪器探测深度途径：,降低工作频率，但分辨率也降低提高接收机的灵敏度和扩大动态范围加大发射功率,5、帧频,指超声成像系统每秒钟可以成像的帧数F。,超声诊断：10帧/s静态成像系统,10帧/s 24帧/s，可以观察脏器运动情况，但图像闪烁，属准实时成像系统,25帧/s以上，能显示脏器运动状态，且眼睛察觉不出图像闪烁，称实时成像系统。实时成像系统用于观察动态脏器如心脏、胎心等的运动情况,超声在人体软组织中传播速度1540m/s，声波到达1cm的距离再返回出发点需要时间13,s。若要求穿透深度为Pcm，则形成一条声线需13P s。设每幅图像需N条线，则形成一幅图像时间13PN s，故帧频F就是每幅图像所需时间的倒数：,穿透深度、线数、帧数三者之积是一个常数。提高任何一个参数，以牺牲其他两个参数为代价。,谢谢！,