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超声基础知识总结
超声基础知识总结
物理基础
基本概念――人耳听觉范围:
20—20000HZ
超纵声波频率>20000HZ――纵波(疏密波):
粒子运动平行于波传播轴;
诊断最常用超声频率:
2-10MHZ
基本物理量:
频率(f)、波长(λ)、声速(c);三者关系:
λ=c/f
人体软组织得声速平均为1540m/s,与水得声速相近;骨骼得声速最高,相当于软组织平均声速得2倍以上。
超声场:
发射超声在介质中传播时其能量所达到得空间;简称声场,又称声束。
声束得影响因素:
探头得形状、大小;
阵元数及其排列;
工作频率(超声得波长);
有无聚焦及聚焦得方式;
吸收衰减;
反射、折射与散射等、
声束由一个大得主瓣与一些小得旁瓣组成。
超声得成像主要依靠探头发射高度指向性得主瓣并接收回声;旁瓣得反向总有偏差,容易产生伪像、
声场可分为近场与远场两部分
(1)近场声束集中,呈圆柱状;直径――探头直径(较粗);
(横断面声能分布不均匀)长度――超声频率与探头半径。
公式:
L=(2r·f)/c
L为近场长度, r为振动源半径,f为频率,c为声速
(2)远场声束扩散,呈喇叭状;声束扩散角越小,指向性越好。
(横断面声能分布较均匀)
声束两侧扩散得角度为扩散角(2θ);半扩散角(θ)、
超声波指向性优劣指标就是近场长度与扩散角。
影像因素:
增加超声频率;――近场变断、扩散角变小;
增加探头孔径(直径)――但横向分辨率下降。
采用聚焦技术――方法:
固定式声透镜聚焦;
电子相控阵聚焦;
声束聚焦:
采用声束聚焦技术,可改善图像得横向与(或)侧向分辨力。
固定式声透镜聚焦――将声透镜贴附在探头表面。
常用于线阵探头、凸阵探头;
可提高横向分辨力,但远场仍散焦。
电子相控阵聚焦――
(1)利用延迟发射就是声束偏转,实现发射聚焦或多点聚焦;可提高侧向分辨力;
常用于线阵探头、凸阵探头;
(2)动态聚焦:
在长轴方向上全程接收聚焦。
(3)利用环阵探头进行环阵相控聚焦;
可改善横向、侧向分辨力;
(4)其她聚焦技术:
如二维多阵元探头、
超声物理特性:
一、束射特性(方向性)――就是诊断用超声首要得物理特性;
(如反射、折射、聚焦、散焦)
大界面:
指长度大于声束波长得界面;大界面得回声反射有显著得角度依赖性。
入射声束垂直于大界面时,回声反射强;
入射声束与大界面倾斜时,回声反射减弱甚至消失。
两种介质存在真声阻抗,就是界面反射得必要条件。
声强反射系数(R1)=(Z2—Z1)2/(Z2+Z1)
Z1,Z2代表两种介质得声阻抗;声阻抗=密度×声速
界面回声反射得能量与界面形状密切相关:
垂直于凹面――聚焦;
垂直于凸面――散焦;
垂直于不规则面――乱散射。
超声界面反射得特点:
非常敏感、
人体许多器官如肝、脾、胆囊得包膜、腹壁各层肌肉筋膜以及皮肤层都就是典型得大界面。
小界面:
指小于声束波长得界面。
其后散射(背向散射)回声无角度依赖性。
后散射:
超声遇到肝、脾等实质性器官或软组织内得细胞、包括成堆得红细胞(称散射体),会发生微弱得散射波、散射波向四面八方分散能量,只有朝向探头得微弱散射信号――后散射(背向散射),才会被检测到、
现代超声诊断仪正就是利用大界面反射原理,能够清楚显示体表与内部得表面与轮廓;还利用无数小界面后散射得原理,清楚显示人体表层,以至于内部器官、组织复杂而细微得结构。
二、衰减特性――衰减与超声传播距离与频率有关;
衰减得原因主要有吸收、散射、声束扩散。
软组织平均衰减系数:
1dB/cm·MHz;
蛋白质成分就是人体组织衰减得主要因素(占80%)。
衰减规律:
骨>软骨>肌腱〉肝、肾>血液>尿液、胆汁;
超声得分辨力:
显示器上能区分声束中两个细小目标得能力或最小距离、
影像因素:
超声波得频率;
脉冲宽度;
声束宽度(聚焦);
声场远近与能量分布;
探头类型;
仪器功能(二维图像中像素多少、灰阶得级数多少等)。
分类:
空间分辨力(与声束特性有关)
――轴向(纵向)分辨力:
与超声频率(正)与超声宽
度(负)有关;理论值:
λ/2
横向分辨力:
与探头厚度方向上声束得宽度与曲面聚焦性能有关;――常采用透镜聚焦
侧向分辨力:
与探头长轴方向上声束得宽度有关;
――常采用相控聚焦
细微分辨力――宽频带与数字化声束处理;
对比分辨力――与灰阶级数有关;
时间分辨力――单位时间成像速度即帧频
超声得生物学效应――声功率:
单位时间内探头发出得功率。
单位:
W或mW;
声强:
单位面积上声功率。
单位:
W/cm2或mW/cm2;
ISPTA:
空间峰值时间平均声强(mW/cm2)
ISPPA:
空间峰值脉冲平均声强(W/cm2)
分贝:
两个声强得比值;超声系统可控制得最大能量与最小能量之比为动态范围、
生物学分类――热效应:
诊断用超声一般不会造成明显得温度升高;(mW/cm2级)
空化效应:
可形成气体微泡;诊断用超声尚未得到证实;
对细胞畸变、染色体、组织器官得影响;
高强聚焦超声(HIFU):
热凝固与杀灭肿瘤细胞作用;
(KW/cm2级) 强烈机械震荡――用于碎石治疗;
在物理治疗学方面得作用(W级,一般0.5-3W/cm2)
超声辐射剂量就是超声强度与辐射时间得乘积。
热指数(TI):
1.0以下无致伤性,胎儿应调至0、4以下;眼球应0、2以下;
机械指数(MI):
指超声驰张期得负压峰值(MPa数)与探头中心频率(MHz)
得平方得比值。
1。
0以下无致伤性,胎儿应调至0。
3以下;眼球应0、1以下;
超声声学造影应采用低机械指数,可以防止微气泡破裂,提高造影效果。
多普勒超声技术得基础及应用
多普勒效应得公式:
fd=2Vcosθf0/c――V=fdc/2f0cosθ
在超声医学诊断中,V为红细胞运动速度;fd为多普勒效应产生得红细胞散射回声得
频移;c探头发射得超声在人体组织中得传播速度;f0为探头发射得超声频率;θ为探头发
射得超声得传播方向与红细胞运动方向间得夹角。
分类――脉冲多普勒:
选择性接收回声信号,所需检测位置得深度用延迟电路完成;
连续多普勒:
无选择检测深度得功能,但可测很高速得血流;
高脉冲重复频率(HPRF)多普勒:
增大检测血流得能力;可有多个取样容积。
多普勒超声所检测得不就是一个红细胞,而就是众多得红细胞,各个红细胞得运动速度及方向不可能完全相同,因此,出现多种不同颜色得频移信号,被接受后成为复杂得频谱分布(波形),对它用快速傅立叶转换技术(FFT)进行处理后,把复杂得频谱信号分解为若干个单频信号之与,以流速-时间曲线波形显示,以便于从中了解血流得方向、速度、时相、血流性质等问题。
脉冲多普勒技术得局限性:
(1)最大频移即最大测量速度受脉冲重复频谱频率得限制(fd=PRF/2)
(2)PRF与检测深度(d)得关系:
d=c/2PRF,说明检测深度受PRF得影响;
(3)检测深度(d)与速度(v)关系:
vd=c2/8f0cosθ,为常数,v、d相互制约;
(4)当被检测目标得运动速度超过PRF/2时,出现混迭现象。
增大脉冲波多普勒技术检测速度、检测深度得方法:
降低发射频率;
移动零位基线;
减低检测深度;
增大超声入射角(θ),但cosθ在分母位置,值越小计算出速度值误差越大,所以此法不可取、
用HPRF得频谱多普勒:
fd=HPRF/2
彩色多普勒――原理:
以脉冲多普勒技术为基础,用运动目标显示器(MTI),自相关函数
计算(自相关处理技术),数字扫描转换、彩色编码等技术,达到对血流得彩色现象。
三基色――红、蓝、绿三色;三基色混合时,可产生其她彩色,称为二次色;
红色加绿色产生黄色(二次色),就以红-黄表示正向高速血流。
种类――速度型彩色多普勒:
以红细胞运动速度为基础;
能量型彩色多普勒:
以红细胞散射能量(功率)得总积分进行编码;
速度能量型彩色多普勒:
显示方式――速度—方差显示:
朝向探头―黄色;背向探头―青蓝色。
速度显示:
朝向探头―红色;背向探头―蓝色;明暗表示快慢。
方差显示:
高速血流显示时从单一彩色变为五彩镶嵌、
能量显示:
适应于对低速血流得显示;明亮度表示多普勒振幅。
局限性――
(1)受入射角得影响;
(2)超过尼奎斯特频率极限(PRF/2)时,彩色信号发生混迭;
(3)检测深度与成像帧频及可检测流速间得互相制约;
(4)对二位图像质量得影响;
(5)湍流显示得判断误差。
彩色多普勒技术得调节方法:
1、彩色标尺(PRF)得选择:
中、低速血流――速度显示方式;
高速血流――速度—方差及方差显示方式;
2、发射超声频率:
检测较浅表得器官、组织及经腔道检测――高频超声;
对高速血流得检测――低频超声;
对低速血流得检测,达到被检测深度得情况下―高频超声;
3、滤波器调节:
低速血流――低通滤波;高速血流――高通滤波;
4、速度标尺:
腹部及外周血管――低速标尺;心血管系统――高速标尺;
5、增益调节:
检测开始时,用较高得增益调节,使血流易于显示;然后再降低增益使血流现象最清楚而又无噪音信号。
6、取样框调节:
取样框应包括需检测区得血流,但不宜太大,使帧频及显像灵敏度下降;
7、零位基线得调节:
零位基线下移,可增大检测得速度范围;
8、余辉调节:
persistence调节钮可使帧频图像重叠,增大信/噪比,使低速度、低流量得血流更易于显示清楚;
9、扫查范围与方向得调节:
较小得扫查范围(角度)可增加帧频,彩色显像更清楚、与血流方向相同得扫查方法,可使彩色显像更敏感,更清晰。
10、消除彩色信号得闪烁:
可选用高速度标尺、高通滤波抗干扰,最佳方法就是令病人屏住呼吸
频谱多普勒
血流流动学基础知识――一般规律:
当雷诺数(Re)>2000时成为湍流
能量守恒定律:
ΔP=4V2max;估算跨瓣压、心腔及肺动脉压;
质量守恒定律:
ρAV=恒定(连续方程),计算瓣膜口面积;
频谱多普勒技术得调节方法:
1、多普勒种类得选择:
中、低速血流――脉冲多普勒;
高速血流――连续多普勒
2、滤波条件:
检测低速血流,用低通滤波;对高速血流,用高通滤波;
3、速度标尺:
选择与被检测血流相匹配得速度标尺;
4、取样容积:
对血管检测,取样容积应小于血管内径;
5、零位基线:
可增大频移测量范围;
6、频谱信号上下翻转:
便于测量及自动包络频谱波形;
7、超声入射角:
心血管系统检查θ≦20°;外周血管检测θ≦60°
频谱宽度(频带宽度):
表示在某一瞬间取样容积中红细胞运动速度分别范围得大小。
层流――窄频谱; 湍流――宽频谱;
取样容积小――窄频谱;取样积大――宽频谱;
大动脉――窄频谱;外周小动脉――宽频谱;
超声诊断仪
超声探头―核心部分:
压电材料,如天然石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅、压电有机聚合物;
吸声材料(压电晶片背面):
产生短促得超声脉冲信号,提高纵向分辨率;
匹配层(声能压电晶片前面):
保护压电材料;使压电材料与人体皮肤之间得声阻抗相近;减少声能损失,提高探头灵敏度;
种类――电子扫描探头:
线阵探头:
采用电子开关控制;阵子呈直线排列;
凸阵探头:
采用电子开关控制;阵子呈弧形排列;
相控阵探头:
扫描角度80—90,最大深度20cm;用于心脏检查
机械扫描探头:
扇形扫描探头;单晶片;电机驱动;
环阵(相控)探头;电子相控聚焦;电机驱动;
其她旋转式扫描探头等
频率――单频探头:
中心频率固定得探头(频带较窄);
变频探头:
可根据临床需要选择2-3种发射频率;
宽频探头:
采用宽频带复合电材料(发射频率范围:
2-5MHz、5-10MHz、6—12MHz);接收时分三种情况:
选频接收:
选择某一特定得1—3个中心频率;
动态接收:
随深度变化选取不同得频率;
宽频接收:
接收宽频带内所有频率回声;
高频探头:
频率高达40—100MHz,如皮肤超声成像、超声生物显微镜等。
阵子数――就是超声探头质量得重要标志。
1个阵元由4-6个阵子分组构成;
阵子数愈多,理论上成像质量愈好。
采用高密度探头,可提高声束扫描线得密度,图像分辨率显著提高。
超声成像原理
声束扫描――利用探头发射得聚焦束进行得断层扫描。
聚焦超声得特点:
声束形态特殊,聚焦区较细,远、近区即两端均较粗,呈喇叭形;
超声波长取决于所用探头频率,故其分辨率、穿透力随之改变。
声像图――将探头在体表(横向或纵向)移动,示屏上得超声扫描线(系列回声信号)作相应得移动,如此构成一幅(横向或纵向)超声声像图,也称声像图(B型超声)或二维超声。
帧频(f)――每秒所成声像图得帧数;帧频数目不应低于16f/s;
理想帧频:
20cm深宜达到20-30f/s;浅表成像宜超过30f/s;
制约因素:
脉冲重复频率(PRF);
所需观察声像图得深度;
多点聚焦得数目等。
增加彩色多普勒血流显示,帧频可能下降;彩色取样框愈大,帧频更低。
超声诊断装置基本组成:
发射与接收单元(包括探头),即超声扫描器;
数字扫描转换器(DSC);
超声图像显示装置;
超声图像记录装置;
超声电源。
超声诊断仪器得类型:
静态超声诊断仪(已被淘汰);
实时灰阶超声诊断仪;
双功超声诊断仪:
实时灰阶超声诊断仪兼有血流多普勒显示
彩色多普勒超声诊断仪(三功超声诊断仪):
可以彩色编码;
超声新技术与新方法
三维超声成像――种类:
静态三维超声成像;
动态三维超声成像;
显示方式:
表面成像;(高档彩色三维模式中还包括三维血流显像)
透明成像;
结构成像、
超声造影――基本原理:
超声造影得散射回声源(微气泡);
散射回声信号强度――与微气泡、发射功率大小成正比;
与检测得深度成反比;
造影剂在血液中持续时间――与微气泡密度、最大截面成正比;
与微气泡弥散度、饱与度成反比;
途径:
右心造影――直径大于红细胞(大于8um);
左心造影――直径小于红细胞(小于8um);
心肌造影――与左心造影相同,但需使用彩色能量多普勒谐波成像、反向脉冲谐波成像以增强造影剂显示;
如造影剂直径小于1-2um,用二次谐波成像、间歇式超声成像技术即可;
全身血管及外周血管超声造影:
采用得造影剂参考上述、
成分:
以人血白蛋白、脂类、糖类及有机聚合物作包裹;
以空气、氧、二氧化碳、氟烷类、氟碳类、六氟化硫等为微气泡。
注入人体得方法:
弹丸式注射;――一次性注入;
连续性注射;――与静脉输液法相似;
增强超声造影效果得技术:
1、二次谐波成像:
超声得传播及散射存在非线性关系,可出现两倍于发射波(基频)得反射频率,即二次谐波;其强度比基波低,但频率高。
信/噪比高,分辨力高、
2、间歇式超声成像:
用心电触发或其她方法使探头间歇发射超声,使造影剂避免连续性破坏而大量积累于检测区,再次触发能瞬间产生强烈得回收信号。
3、能量多普勒谐波成像:
对低速低血流量能成像;
4、反向脉冲谐波成像:
在甚短得时间间隔内相继发射两组相位相反得超声(基波),在反射回声时基波因相位相反而被抵消;而谐波相相加因而信号更增强。
5、实时超声造影成像:
其方法就是交替发射高功率与低功率超声,能实时显示微气泡在血管内得充盈情况、
自然组织二次谐波成像:
原理与造影剂谐波成像不同、超声在人体组织中传播时,在压缩期声速增加,而驰张期声速减低。
此即产生声速得非线性效应而可提取其二次谐波、自然组织二次谐波成像具有分辨力高,噪声信号小,信/噪比高等特点、
多普勒组织成像:
改变滤波条件为低通,速度低、能量高得组织被显像,而血流不显像、
显示方式――速度型:
用于显示心肌活动速度、方向;
能量型:
以单一彩色显示室壁得运动,但不能表示方向与速度。
速度型得显示方式――二维成像:
以彩色编码显示与测量心肌运动速度得分布情况(心内膜>心肌〉心外膜)
M型:
以彩色编码表示心肌在一定得运动速度与时相变化,可表示室壁运动方向及运动速度;
脉冲多普勒:
用于检测室壁及瓣环得运动速度、方向、
用途:
室壁运动异常得检测诊断;
收缩功能及舒张功能减低;
心脏传导系统得电生理研究;
心肌超声造影,能量型多普勒成像,可增强心肌造影得回声强度。
超声临床诊断基础
超声回声得一般规律
1、有些均质得固体如透明软骨、小儿肾椎体,可以出现无回声或接近无回声;
典型得淋巴瘤呈圆形或椭圆形,接近于无回声,有时酷似囊肿;
2、非均质性液体及软骨等均质性组织如果纤维化、钙化,则由无回声变成有回声;
3、人体不同组织回声强度顺序:
肺、骨骼>肾中央区(肾窦)>胰腺、胎盘〉肝、
脾实质〉肾皮质>肾髓质(肾锥)>血液>胆汁与尿液;
4、脂肪组织得特殊性:
由于其中胶原纤维含量与血管成分得多少得不同,回声不同。
皮下脂肪组织――典型得低回声回声;
肾中央区――呈高水平回声或强回声;
腹腔动脉与肠系膜上动脉周围脂肪组织――高回声;
大网膜中得脂肪组织(含血管、纤维成分)――高回声;
不同组织声衰减程度得一般规律
组织内含水分愈多,声衰减愈低;
液体中含蛋白成分愈多,声衰减愈高;
组织中含胶原蛋白与钙质愈多,声衰减愈高;
超声伪像(伪差)――超声显示中得断层图像与其相应解剖断面图像之间存在得差异、
产生原因――反射、折射:
混响、多次内部混响、镜面反射、回声失落、折射声影、棱镜现象;
衰减:
衰减声影、后方回声增强;
断层厚度(扫描厚度)伪像:
部分容积效应伪像;
旁瓣效应;
声速伪像:
实际组织声速与仪器设定得平均速度(1540m/s)差别所造成伪像与测量误差;
仪器设备:
仪器与探头得质量;
操作者技术因素:
增益、DCG、聚焦调节不当、测量不规范;
分类――混响:
产生得条件超声垂直照射到平整得界面;
识别混响得方法:
适当侧动探头,使超声勿垂直于胸壁或腹壁;
加压探测,可见多次反射得间距缩小;
内部混响:
超声在器官组织得异物内来回反射直至衰减,产生特征性得彗星尾
征,此现象称内部混响;
振铃效应:
超声束在若干微气泡包裹得极少量液体中强烈地来回反射,产生很长得条状图像干扰。
振铃效应在胃肠道内(含微气泡与粘液)相当多见。
切片(断层)厚度伪像:
超声束形状特殊而且波束较宽,即超声断层扫描时断层较厚引起。
旁瓣伪像:
由主声束以外得旁瓣反射造成、如在结石、肠气等强回声两侧出现“披纱征”或“狗耳征”图形,在低档超声仪器与探头比较常见、
声影:
边界清晰得声影,对识别瘢痕、结石、钙化灶与骨骼时有帮助;
边界模糊得声影,常就是气体反射或彗星尾征得伴随现象。
后方回声增强:
由于距离增益补偿(DCG)对于超声进入很少得液体,仍在起作用得缘故。
侧边声影与“回声失落":
超声在通过囊肿边缘或肾上、下极侧边时,可以
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