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超声成像基本原理简介
一.一、
二维声像图(twodimensionalultrasonograph,2DUSG)
现代超声诊断仪均用回声原理(图1-1-1、图1-1-2、图1-1-3、图1-1-4),由仪器得探头向人体发射一束超声进入体内,并进行线形、扇形或其她形式得扫描,遇到不同声阻抗得二种组织(tissue)
得交界面(界面,interface),即有超声反射回来,由探头接收后,经过信号放大与信息处理,显示于屏幕上,形成一幅人体得断层图像,称为声像图(sonograph)或超声图(ultrasonograph),供临床诊断用。
连续多幅声像图在屏幕上显示,便可观察到动态得器官活动。
由于体内器官组织界面得深浅不同,使其回声被接收到得时间有先有后,借此可测知该界面得深度,测得脏器表面得深度与背面得深度,也就测得了脏器得厚度。
回声反射(reflection)得强弱由界面两侧介质得声阻抗(acousticimpedance)差决定。
声阻抗相差甚大得两种组织(即介质,medium),相邻构成得界面,反射率甚大,几乎可把超声得能量全部反射回来,不再向深部透射。
例如空气—
软组织界面与骨骼
—
软组织界面,可阻挡超声向深层穿透。
反之,声阻抗相差较小得两种介质相邻构成得界面,反射率较小,超声在界面上一小部分被反射,大部分透射到人体得深层,并在每一层界面上随该界面得反射率大小,有不同能量得超声反射回来,供仪器接收、显示。
均匀得介质中不存在界面,没有超声反射,仪器接收不到该处得回声,例如胆汁与尿液中就没有回声,声像图上出现无回声得区域,在排除声影与其她种种原因得回声失落后,就应认为就是液性区。
界面两侧介质得声阻抗相差0、1%,即有超声反射,声阻抗为密度与声速得乘积,所以在病理状态下,超声检查就是一种极为灵敏得诊断方法。
超声成像(ultrasonicimaging)还与组织得声衰减(acousticattenuation)特性有关。
声波在介质中传播时,质点振动得振幅将随传播距离得增大而按指数规律减小,这种现象称为声波得衰减。
造成声衰减得主要因素为:
声吸收(acousticabsorption)、声反射(acousticreflection)、声散射(acousticscattering)与声束得扩散。
声衰减系数(α)得单位为dB/cm,在人体中,超声得弛豫吸收引起声衰减系数α与频率近似地成正比,即α=βf,式中β也为声衰减系数,但其单位为dB/cm·
MHz。
(式中f为所用得超声频率)
超声成像中因声衰减而需用种种办法作图像处理,使近程回声不致过强,远程回声不致过弱,虽然用了种种图像处理办法,仍不免出现因声衰减而引起得伪差。
二.多普勒频谱(spectrum)
多普勒频谱就是利用多普勒效应(Dopplereffect,)提取多普勒频移(Dopplershift)信号,并用快速富立叶变换(fastFouriertransform,FFT)技术进行处理,最后以频谱形式显示。
多普勒频移可用下列公式得出:
2VCosθ
fd=
±
——————fo
C
式中fd=
频移;
V=
血流速度;
C=
声速(1540m/s);
fo=
探头频率,Cosθ=
声束与血流方向得夹角余弦值。
测得了多普勒频移就可用上述公式,求得血流速度:
fdC
V=±
——————
2foCosθ
图1-1-5为颈动脉得多普勒频谱,频谱得横轴代表时间,纵轴代表频移得大小(用KHz表示),中间水平轴线代表零频移线,称为基线(baseline)。
通常在基线上面得频移为正,表示血流方向迎着换能器而来;
基线下面得频移为负,表示血流方向远离换能器而去。
频谱幅值
即频移大小,表示血流速度,其值在自动测量或手工测量时,可在屏幕上读出。
频谱灰度(即亮度)表示某一时刻取样容积内,速度相同得红细胞数目得多少,速度相同得红细胞多,则散射回声强,灰度亮;
速度相同得红细胞少,散射回声弱,灰度暗。
频谱宽度
即频移在垂直方向上得宽度,表示某一时刻取样血流中红细胞速度分布范围得大小,速度分布范围大,频谱宽,速度分布范围小,频谱窄。
人体正常血流就是层流,速度梯度小,频谱窄;
病变情况下血流呈湍流,速度梯度大,频谱宽。
频谱宽度就是识别血流动力学改变得重要标志。
从超声多普勒实时频谱上,可以得到许多有用得血流动力学资料。
如:
①
收缩期峰速(Vs);
②
舒张末期流速(Vd);
③
平均流速(Vm);
④
阻力指数(RI);
⑤
搏动指数(PI);
⑥
加速度(AC)与⑦
加速度时间(AT)。
多普勒频谱得获得有脉冲波与连续波二种。
脉冲多普勒得换能器兼顾超声得发射与接收,换能器在发射一束超声后,绝大部分时间处于接收状态,并利用门电路控制,有选择地接收被检测区血流信号,其优点就是有深度得定位能力,但它得缺点就是受尼奎斯特极限(Nyquistlimit)得影响,在测量高流速血流时,产生频谱得混迭(aliasing)现象(图1-1-6)。
连续波多普勒得换能器由二片相邻得晶片组成,一片发射超声,另一片接收超声,其优点为可测量高速血流而不发生频谱得混迭,但无深度定位功能,故只在测量高速血流时用。
三.彩色血流成像(colorflowimaging)或称彩色超声血流图(简称彩超)有三种:
(一) 彩色多普勒血流成像(colorDopplerflowimaging,CDFI)(图1-1-7)就是利用Doppler原理,提取Doppler频移(Dopplershift),作自相关处理,并用彩色编码成像(频域法
frequencydomain)。
常规把迎着换能器方向(即入射声束方向)而来得血流显示为红色,远离换能器(入射声束)而去得血流为蓝色。
血流速度快(即Doppler频移值大),彩色显示亮而色淡;
血流速度慢(即Doppler频移值小),彩色显示暗而色深。
把上述彩色血流叠加在二维声像图上能确定血流得方位、与周围组织器官得关系,从而作出疾病得诊断或帮助多普勒取样,以显示频谱作进一步对血流动力学得分析。
彩色多普勒血流显示得不足之处,主要就是:
① 显示得信号受探测角度得影响较大;
② 当显示得频移超过Nyquist极限时,图像色彩发生混迭,出现五彩镶嵌得血流信号。
(二) 彩色多普勒能量图(colorDopplerenergy,CDE)(图1-1-8)又称彩色能量血管造影图(colorpowerangio,CPA)
彩色多普勒能量图利用血流中红细胞散射得能量成像(能量法),即提取多普勒回波信号得能量(即强度),用积分法计算,然后也用彩色编码成像。
彩色多普勒能量图有以下几种优点:
① 不受探测角度得影响;
② 灵敏度提高3~5倍,能显示低流量、低流速得血流;
③血流可以显示平均速度为零得肿瘤灌注区;
显示得信号动态范围广;
不受尼奎斯特极限频率(Nyquistlimitfrequency)得影响,不出现混迭(Aliasing)现象。
彩色多普勒能量图得不足就是怕组织移动,本法显示信号得动态范围广,故对组织得微小移动也会出现闪烁伪像,对近心、近膈部位得诊断,闪烁伪像干扰尤为明显。
(三)
彩色血流速度成像
此法不用多普勒原理,而就是由计算机根据反射回声中红细胞群在某一时间内得位移(时域法,timedomain),用互相关原理计算出血流得方向与速度,再把信号伪彩色编码,成为彩色血流图。
此法可消除血管壁搏动回声得干扰,且不出现混迭。
四.三维超声成像
三维超声成像为20世纪90年代面世得新方法,近年来随着计算机技术得发展,三维超声成像不断改进,已有实时三维成像面世,但目前三维超声成像得实用价值尚待开发。
三维超声成像就是在二维超声得基础上,用机械得或电子得方法,甚或手动得方法采集立体得回声数据,用计算机加以重建显示。
其显示方式有:
(一)
表面三维显示
在液体
非液体界面作计算机识别,钩边、数据采集,最后显示其表面景观,如胎儿得脸面(图1-1-9)等。
(二)
透视三维显示
对体内灰阶差别明显得界面(如胎儿骨骼),由计算机界面识别,经数据采集、重建作三维显示。
透视三维可选取高回声结构作为成像目标,也可选取低回声区域作为成像。
(三)
血管树三维显示
用彩色血流图法显示脏器内得血管树并加以数据采集,经计算机处理,显示为三维血管树。
(四)
多平面重投影
从三维数据中沿任何倾斜角度提取切面二维图,或显示三个轴向得任何平面切面图与与之相应得一幅立体图。
第二节
超声诊断仪
一.超声诊断仪得组成
超声诊断仪基本得结构由三个部分组成:
探头(probe)
探头由换能器(transducer)、外壳、电缆与插头组成,换能器就是探头得关键部件。
通常由压电陶瓷构成,担负电↔声转换得作用,也即发射超声与接收超声得作用(图1-2-1)。
电路与显示器
由发射电路、接收电路、扫描电路与显示器(显像管)组成。
记录器
采用照相机、多幅照相机、视频图像记录仪(videoprinter)、录像机、彩色打印机或磁光盘记录,也可存储在工作站,以便在科内、院内或远程联网。
二.超声诊断仪得种类
(一)A型(A-mode)
这就是一种幅度调制(amplitudemodulation)超声诊断仪,把接收到得回声以波得振幅显示,振幅得高低代表回声得强弱,以波型形式出现,称为回声图(echogram)(图1-2-2),现已被B型超声取代,仅在眼科生物测量方面尚在应用,其优点就是测量距离得精度高。
(二)B型(B-mode)
这就是辉度调制型(brightnessmodulation)超声诊断仪,把接收到得回声,以光点显示,光点得灰度等级代表回声得强弱。
通过扫描电路,最后显示为断层图像
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