超聲基礎知識前言p.3UnrestrictedInternalUseCarestreamHealth,?2013超聲基礎知識

超聲的物理基礎超聲探頭超聲各種基本成像方式超聲的臨床應用領域超聲新技術p.4超聲的物理基礎一、聲波概念：聲波是一種機械振動，可以通過介質進行傳播。聲音的頻段0Hz20Hz

20KHz 1MHz

30MHz400MHz次聲頻段可聽見聲音超聲頻段地震波耳朵無損探傷圖像診斷聲學顯微鏡3.超聲的特性

超聲的反射：聲波在兩種介質中傳播時，由于兩者聲阻抗不同，在其分界面上一部聲能返回第一種介質，稱為反射。超聲的折射：一部份聲能穿過界面，進入第二種介質，繼續向前傳播，并且傳播方向發生偏離，稱折射。p.5UnrestrictedInternalUseCarestreamHealth,?2013超聲波的傳播p.6UnrestrictedInternalUseCarestreamHealth,?2013超聲波的傳播散射聲波在傳播過程中遇到小于聲波長的物體時出現向周圍散射現象。紅細胞和器官內的微小組織結構顯示（背向反射）。超聲波的衰減：超聲波的衰減與傳播距離成正比；與頻率的2/3方成正比。高頻衰減大，低頻衰減小（穿透力強）。

衰減的主要原因：反射、散射、聲束擴散、吸收。

超聲波的衰減超聲波在組織中的傳播速度超聲波在人體內不同組織的傳播速度是不同的；超聲儀設計時對于不同的軟組織假定了一個相對平均的傳播速度，即1540m/sp.9UnrestrictedInternalUseCarestreamHealth,?2013超聲波的物理特性

聲阻抗（Z）：為介質密度和傳播速度的乘積

Z=P.C

聲像圖中回聲水平的強弱主要取決于構成界面的組織相互間的聲阻抗差，差值越大，回聲越強。

界面：兩種聲阻抗不同的介質接觸在一起時，接觸的面稱為界面，大于波長的叫大界面，小于波長的叫小界面。

密度：不同介質有不同的密度。p.10超聲波的基本原理

頻率(f):一般指一秒鐘內聲源振動的次數，單位（HZ）。波長：在一次全振動中，波所傳播的距離稱為波長（λ）。波長與頻率的關系呈反比，頻率越高分辯力越高，穿透力越低波速：超聲波傳播的速度（C），單位為m/s

波長、頻率、波速的相互關系數為C=λ·f

λ＝C/f低頻 高頻分辨率更好穿透力：更強更弱更差p.11UnrestrictedInternalUseCarestreamHealth,?2013超聲基礎知識

超聲的物理基礎

超聲基本成像方式超聲探頭超聲的臨床應用領域超聲新技術超聲成像模式A模式（A超）：顯示界面回聲的幅度（Amplitude），稱為振幅調制型。A型：是以脈沖波的幅度來顯示回聲的高低，可用于測量組織界面的深度（距離）和反應界面的組織基本特性。用途：現用于顱腦和眼科檢查。探頭(())反射波A型顯示A模式（一維）B模式(Brightness)：

是一種亮度的模式，其圖像由單聲束傳播途徑中遇到的各個界面產生的系列回聲，在屏幕上以不同亮度的點所組成的直線構成。點的亮度代表接收到回聲的振幅。通過連續掃描，二維的剖面圖像不斷地被更新，這就是實時B模式。Line1Line2Line3Line4Line5Line6Line7Line8換能器監視器Line12345678BodyM型(Motion)顯示運動信息顯示特定的聲束方向上各回波點隨時間變化（運動）的情況。顯示圖中橫坐標是時間，縱坐標是探測深度M型顯示常被用于觀察心臟等運動的臟器深度時間取樣線p.17UnrestrictedInternalUseCarestreamHealth,?2013超聲基礎知識

超聲的物理基礎超聲基本成像方式超聲探頭超聲技術基本概念彩色多普勒成像技術超聲新技術探頭

結構：詳見右圖所示。壓電陶瓷：發射/接收超聲波；

聲透鏡：軸向聚焦；

背襯材料：防止產生超聲波反向振動；

匹配層：減少超聲傳播中的多重反射.壓電效應：是指具有壓電特性的材料(陶瓷、石英)

在受到外界壓力后，在其受壓端面產生電壓；在其端面施加交變電信號時，其端面會產生機械振動，發出聲波。工作原理：

主機通過電纜在基元上施加電信號，使基元振動，發出超聲波，超聲波經物體反射作用在基元上，使基元兩端產生電信號，通過電纜傳送至主機處理、顯示。

物體發射反射聲透鏡壓電陶瓷(基元)背襯材料襯套電纜匹配層超聲探頭也稱為換能器，它既是發射器，也是接收器。它和主機構成超聲設備最重要核心探頭PZT陶瓷純凈波晶體(８００倍放大)不不完整的晶格結構,多種結晶，隨機排列晶粒，最大70%偶極子極化排列完整的晶格不完整完美的晶格結構,晶粒一致，100完美的晶格結構,晶粒一致，100%極化排列%極化排列PZT陶瓷純凈波晶體p.20UnrestrictedInternalUseCarestreamHealth,?2013凸陣探頭線陣探頭相控陣探頭腔內探頭術中探頭容積探頭經食道探頭專用穿刺探頭腹腔鏡探頭血管探頭探頭的種類常用超聲波探頭相控陣三維腔內線陣凸陣探頭群p.22全系列域掃描探頭群（Zonare)晶片---陣元探頭的基本單元稱為陣元（晶片）。陣元能直接激勵而發射超聲信號，也能接收回波而輸出電信號。振子是由壓電材料經高溫燒結、電極化處理、打磨、加上電極等一系列加工后形成的壓電元件。為了提高各個陣元的性能，常把一個陣元再切割為幾個微元。三維容積掃描通過探頭在一定角度內往復運動（擺動）來產生若干個切面，每一個切面就是一幅二維圖像。將若干切面處理后，形成三維圖像。相控陣：相控陣探頭是電子探頭，通常在1-2cm的長度上分布128陣元。通過控制相控陣探頭每個陣元在發射和接收時的延遲時間（即改變相位），就可以實現聲束偏轉、電子聚焦等功能，從而進行扇掃。Abdominal凸陣探頭

凸陣探頭中各個換能器小陣元排列成一條弧線.

扇面成像,因此探測視野比較大.

適合檢查腹部臟器.線陣探頭

在線陣探頭中，換能器晶片被分割成許多小的陣元（如128或192），之間相互隔離，并排成一條直線。掃查圖形是矩形.近場分辨率好；探測的視野比較小；適合檢查淺表器官。探頭種類腔內探頭：用于經陰道或經直腸、經食道檢查。探頭種類特殊探頭：術中探頭、腹腔鏡探頭、穿刺頭。p.29UnrestrictedInternalUseCarestreamHealth,?2013超聲基礎知識

超聲的物理基礎超聲基本成像方式超聲探頭超聲技術基本概念彩色多普勒成像技術超聲新技術顯示器探頭（前端）操作界面探頭接口波束形成器（前端）探頭:發射/接收超聲信號

探頭接口:將探頭連接至波束形成器波束形成器：將回波信號濾過、排列、模/數轉換、數字處理形成原始圖像主機:信息處理/存儲操作界面:操作/控制/測量顯示器:顯示圖像超聲系統整體結構簡介主機（后端）超聲系統

延時線路脈沖發射/接收處理濾波器、對數放大器、時間增益控制DSC數字掃描轉換器監視器記錄設備錄像機 打印機彩色打印機圖象檔案管理

存儲硬盤、磁光盤主機探頭數字波束形成器:噪聲引入少,信號/噪聲比值高;數字延時精度高,控制易實現,聚焦精度高;可以配接電子相控陣探頭;集成度高,通道間一致性好;技術難度大,成本高.數字化超聲工作原理數字掃描轉換器DSC顯示中央處理器

(CPU)前置放大A/DA/D……A/DA/D數字延時線數字延時線…………數字延時線數字延時線前置放大………前置放大前置放大模/數轉換器數字波束形成器功率放大功率放大………功率放大功率放大發射波束形成器收發控制處理器專利技術探頭轉換開關合成檢波處理中間處理器……數字化數字化的標志是數字化處理裝置。前端數字化－全數字化后端數字化－部分數字化

數字化處理A/D延時處理顯示延時處理

數字化處理A/DΣ?目標數字化延時數字化疊加數字波束形成器探頭處理顯示通道（Channel）對接收通道而言，所謂的物理通道是指具有接收隔離、前置放大、TGC控制等信號處理功能的獨立的電路硬件--實際通道=發射通道）。在數字化多聲束形成器中，每一個物理通道（通過軟件控制被）分為多個虛擬通道=接收通道（或稱邏輯通道，形成不同的聲束）。透鏡焦點聚焦發散探頭發射的超聲束在一定的深度范圍內匯聚收斂，使之增強波束的穿透力和回波強度，許多超聲設備都有調整聚焦的功能，對感興趣的區域進行聚焦，從而使圖象分辨率更高，圖象更清晰。聚焦超聲系統的幾種聚焦方式：－只在發射端聚焦（接收端：自動聚焦）：保持較高的幀頻－發射和接收端聚焦：可使圖象質量更好，但是幀頻很低常用的聚焦方式：分段聚焦；動態聚焦；連續動態聚焦(CDF聚焦聲束聚焦通常分為兩類：聲學聚焦振元聲透鏡聚焦平凸形聲透鏡聚焦電子聚焦發射電子聚焦動態電子聚焦。2008年9月（2）電子聚焦2008年9月

電子聚焦，實質是對各振元采用延時激勵，即使每一激勵脈沖，經不同的延時后到達各陣元，使得這些陣元發射的聲場在某個既定的區域內，因相位相同產生相長干涉，而在另一區域內產生相消干涉，其關鍵是使各陣元發射的超聲波相位在焦點處相等（波程相等）會聚在一個區域，換能器輻射的波陣面等效一個凹面發射源（3）動態電子聚焦為了在整個探測深度的范圍內波束都能良好的會聚，則必須使發射波的焦距可變，這就是所謂的動態電子聚焦。由于發射波的焦距是隨發射激勵脈沖的不同延時而改變改變激勵脈沖的延時，就可調節焦距，從而獲得動態電子聚焦。382008年9月動態電子聚焦動態電子聚焦又可分為：等速動態電子聚焦和全深度分段動態電子聚焦。等聲速電子聚焦的實現方法是：通過計算機控制，以一定的速率改變發射和接收的延遲時間，使焦點隨發射波和接收同步移動，使整個探測深度的所有位置，都有良好的橫向分辨力但由于焦點的移動速度快，延時分級細，延時精度高，故電路設計帶來更高的要求。目前一種較為簡單實用的方法，是全深度分段動態電子聚焦：

如圖4-12所示。下面就討論這種聚焦方式。392008年9月40將所要探測的深度劃分成若干段。圖4-12中分四段：近場（N）、中場（M）、遠場1（F1）、遠場2（F2）。這四個焦距擬由聚焦延遲時間關系和傳播媒介質中聲速所確定。這種聚焦方式的優點是：分段數少（僅分四段），故延遲線分級數不多。由于每次發射只有一個固定焦點，故延遲線的轉換速度低，這就不僅放寬對元器件的要求，而且電路實現也較容易。缺點：顯示一行信息需經若干次不同焦點的發射與接收，其成像速度顯然降低，造成圖像閃爍傳統聚焦存在的問題接收聲束連續聚焦操作者需不斷調節焦點固定發射聲束聚焦增加一個焦點，幀頻下降一倍手動調整發射聚焦點易導致操作者之間的診斷差別>>>動態孔徑

采用多振元組合發射實現了電子聚焦和動態電子聚焦，但多振元組合發射、接收，又使換能器的有效孔徑增大，盡管這一結果使近場區增長，遠場也得到一定程度的改善，然而孔徑增大意味著近場區的分辨力降低。改進的辦法是，采用動態電子聚焦和可變孔徑相結合的方式工作。可變孔徑是在接收過程中實現的，對于近場，為縮小孔徑（提高分辨力），接收用較少的振元；對于遠場，為了擴大孔徑，接收用較多振元工作。這樣既保證了近場，也保證了遠場都有較高的分辨力。2008年9月通過窄孔徑，在近場聚焦中場通過寬孔徑，在遠場聚焦對每一深度聚焦動態接收孔徑評價圖像的客觀標準空間分辨率

Spatialresolution對比分辨率

Contrastresolution時間分辨率

Temporalresolution信噪比

Signal/Noise圖像均勻性

Imageuniformity圖像穿透力

penetration空間分辨率

分辨率是指對兩個靠近物體的識別能力。軸向（縱向）分辨率：是指沿超聲波束軸方向上可區分的兩個點目標的最小距離。軸向分辨率由超聲波束的波長所決定。一般來說，軸向分辨率為波長的2到4倍。

軸向分辨率高 低

側向分辨率高 低側向分辨率：是指對垂直于超聲波束軸方向上可區分的兩個點目標的最小距離。側向分辨率取決于超聲波束的寬度和波束聚焦情況。橫向分辨力：又稱厚度分辨力，指在與聲束軸線垂直的平面上的探頭軸方向上的分辨力p.45UnrestrictedInternalUseCarestreamHealth,?2013圖像分辨力：指構成整幅圖像的目標分辨力

細微分辨力：與接收放大器通道數成正比，而與靶標的距離成反比，（擴散）以顯示強信號，目前先進的超聲儀放大器通道數已192或更高（512），用以獲得-20db的細小光點的細微圖像對比分辨力：是指對兩個相似密度的物體的識別能力。46學習,學習,再學習!2023/2/1幀頻：是指單位時間內獲得圖象的幀數，高幀頻可以捕捉細小的信息。移動的物體低幀頻高幀頻幀頻幀頻

如果B模式深度=18cm

掃描線=256那么B模式的總深度為18cmx2x256=92.16m/frame二維幀頻：1520/92.16=16.39幀/秒如果CFM模式深度=9cm

取樣次數=4

掃描線=100所以CFM模式的總深度為9cmx2x100x4=288m/frame幀頻=1530/(92.16+288)=9.3幀/秒18cm256線超聲設備的動態范圍是其同時保留最大和最小回聲信號的能力。 動態范圍=20Log（最大回聲幅值/最小回升幅值）針對不同臟器檢查，適當調整動態范圍，有利于接收臟器內微弱回升信號，又能使邊界較強回聲信號不失真，使整幅圖像清晰，保證正確的診斷。低圖像恢階少，黑白分明，高恢階多，圖像柔和DynamicRangelowhigh接收信號動態范圍p.50動態范圍灰階：是圖像中像素的亮度等級，由黑到白分為256級。灰階級數愈高，其圖像對比分辨力愈好。灰階時間增益控制(TGC)通過補償，調節整幅圖像的亮度。它決定著圖像所顯示信息量的總量，是對接收信息的放大。增益（Gain）空間復合成像53幀平均FrameAveraging把前面的數幀圖像中的數據加到更當前幀，可以使每一幀圖像獲得更多的像數，高的幀平均使圖像平滑。有助于將短暫而突發的回聲改變消除掉.通過增強組織及結構的邊界灰階的差別，能將組織的 細微差異和邊界突顯出來，識別更容易。通過加強器官和血管間的介面來改變二維圖像的品質邊緣增強EdgeEnhance：021p.55UnrestrictedInternalUseCarestreamHealth,?2013超聲基礎知識

超聲的物理基礎超聲基本成像方式超聲探頭超聲技術基本概念彩色多普勒成像技術超聲新技術p.56UnrestrictedInternalUseCarestreamHealth,?2013多普勒（Doppler）多普勒技術：主要用于檢測心臟、血管內血液的流向，流速及流量。主要包括以下三種：

脈沖多普勒(PW)

高脈沖重復頻率多普勒(HPRF)

連續波多普勒

(CW).

多普勒概念運動的物體與靜止的物體對觀察者來說聽起來不一樣.觀察者聽起來,引擎的音調變高深莫測了.觀察者聽起來,引擎的音調變低了.飛機不動,引擎的音調也不變.多普勒效應：TXMRCVRCV如果接收體向著振動源運動，則接收到的頻率將高于發射頻率。

如果接收體背著振動源運動，則接收到的頻率將低于發射頻率。TXM振動源和接收體有相對運動時,所接收到的回聲頻率不同于振源所發射的聲頻率,其差別與相對運動的速度有關,這就是多普勒效應。

多普勒效應公式：2cos

?f。

C?

ΔfV(cm/s)=V血流V(cm/s):血流速度C(cm/s):聲速(1530m/s)(度): 血流與超聲波束之間的夾角Δf(Hz):多普勒頻移f。(Hz):超聲頻率

超聲波束血管角的調整：30°0.86633°0.8393.2%cos誤差變化70°0.34273°0.29217.1%夾角θ的最佳范圍：30－60°彩色多普勒的角度依賴性p.60UnrestrictedInternalUseCarestreamHealth,?2013彩色血流成像（CFM）

是在二維聲像圖上疊加彩色實時血流顯像。

每一個彩色的點表示小區域內血液流速的平均值。

不同的顏色代表血液流量的速度及檢測方式的不同。

通常，紅色表示迎向探頭的血流方向，藍色表示離向探頭血流方向。流速的大小,用顏色的亮暗表示;出現血流紊亂時，以紅藍混合色表示。

彩色血流成像（彩色多普勒）能量多普勒的原理能量多普勒基本原理：是取其紅細胞的能量總積分，配以紅色成為血流信息的圖像顯示。彩色亮度表示多普勒信號能量的大小。血流信號顯示與血流方向無關結果是彩色血流不再與角度依賴，與不與混疊相關稱之為能量多普勒(PDI).看起來也更敏感(沒有90度角的擔憂）

能量多普勒的原理及與彩色多普勒的區別二者的區別：彩色多普勒—速度信息，

能量多普勒—能量信息。

顯示與血流方向的關系：彩色多普勒—有關（紅迎蘭離），

能量多普勒—無關

顯示與角度及混疊的關系：彩色多普勒—有關

能量多普勒—無關發射反射接收發射探頭))))))))))))))))(((((((((((((((((發射接收脈沖多普勒與連續波多普勒的區別脈沖多普勒：

間斷發射/接收，獲取在取樣點處多普勒頻移信息并分析、顯示。主要用于檢測低速血流，所有探頭。連續波多普勒：

連續發射/接收，獲取在取樣區域內多點多普勒頻移信息，檢測出最高速度血流并顯示。主要用于檢測高速血流，一般心臟探都有。多普勒波包括以下含義(數據)－速度－速度范圍（寬度）－血流量大小－血流方向－血流的時間一個心跳周期寬的速度范圍逆流時間基準線慢快快迎向背向最高峰收縮舒張舒張結束多普勒波的含義時間彩色血流質量評價標準一、空間分辨力

空間分辨力系指對血管特定點瞬時速度的檢測，與采樣容積有關。采樣容積越小，越能反映特定點細微血流的瞬時真實血流速度。二、速度分辨力

速度分辨力系指對血流速度快速變化的對比分辨能力。在檢測高速血流時還有低速血流信號，或在高速血流后立即出現低速血流，均可適應其變化得清到晰顯像。這與壁濾器的自適應能力有關。三、動態分辨力（時間分辨率）

動態分辨力系指彩色成像的速率———幀速率。當彩色顯示角度變大，深度增加時，幀頻會降低，時間分辨能力變差，便無法觀察細小的異常血流。要處理好角度、深度與幀速率的關系。彩超血流質量評價標準四、敏感度

敏感度系指對低速血流檢測的能力及瞬時高速血流準確捕捉的能力。現已可檢測到直徑為0.2mm血管內的血流信號，可測到0.5mm/s的低速血流，并有良好的信噪比。五、圖像均勻性1.均勻性是指全程聲揚均勻一致，它與有效聲束直徑、發射脈沖能量的脈寬有關。在全圖像區域圖像的細微分辨都均勻一致（近場、中場、遠場）以及圖像中部及兩側邊緣在彩色顯示方式有穿透力高質量的二維灰階圖像。2.穿透力是指彩色血流顯像可達到的最大深度。彩色血流圖像的質量評價

從超聲工程技術及臨床應用實際效果兩個方面結合起來評定。其圖像質量取決于：①空間分辨力——細微分辨；②速度分辨力——對比分辮；③動態分辨力——速度分辨；④靈敏度——對低速血流檢測；⑤圖像均勻性及穿透力；⑥彩色顯示效果等方面；聲波在組織中非線性傳播時，產生多倍于發射頻率（基波）的信號——二次諧波，三次諧波——但聲能逐漸變弱：THI采用超寬頻帶的探頭，接收組織通過非線性傳播所產生的高頻信號及組織細胞的諧波信號，對多頻段信號進行實時平行處理，減弱淺層胸壁和肺組織產生的回聲，增強較深部心肌組織的回聲，改善圖像質量，提高信噪比。發射頻率=fo2fofo常規成像：接收信號頻率：

fo諧波成像：接收信號頻率：

2fo組織諧波顯像（TissueHarmonicImaging）3.5C2525410Harm.257574第一步第二步第三步第四步組織諧波顯像（TissueHarmonicImaging）THI應用增強心肌和心內膜顯示增強細微病變的顯現力增強心腔內聲學造影劑回聲；增強彩色多普勒信號，肝內血流信號增強效果十分明顯；幫助鑒別肝內血管，了解肝內細小血管病變。左室長軸基波發射/接收3.8M左室長軸純凈諧波發射：1.9M接收：3.8M基波和諧波對比消除基波形成的偽像p.72UnrestrictedInternalUseCarestreamHealth,?2013超聲基礎知識

超聲的物理基礎超聲基本成像方式超聲探頭超聲技術基本概念彩色多普勒成像技術超聲新技術超聲造影(Ultrasoniccontrast)超聲造影：

是用超聲造影劑（微氣泡）使散射（反射）回聲增強。造影劑在血液中產生背向散射，其回聲強度高，使血流顯示清晰，了解血管、臟器組織的微循環灌注情況，從而達到對某些疾病進行診斷與鑒別診斷的目的造影劑：直徑小于10um的小氣泡稱微氣泡，安全、低副作用、可自由通過毛細血管，穩定性好，能產生豐富的諧波。目前在中國市場上應用的是意大利的博萊科（Bracco)聲諾維（Sonovue).

造影劑的散射面積比同樣大小的固體粒子大109倍，可使背向散射的信號大大增強，可以突出感興趣區域的圖象，改善圖象的信噪比，提高顯象效果血液中有造影劑，可顯示小血管中極低速的血流正常組織與病變組織對造影劑反差存在差異，可提高腫瘤檢出率應用：心血管、胃腸、膽囊、輸尿管和宮腔等方面，從創傷性向非創傷性飛躍局限性：造影劑價格昂貴，不利廣泛應用；增強效果受注射劑量和推注時間的影響；增強持續時間有限，不利全面充分觀察分析病變情況作用肝臟造影

胎兒三維成像p.77UnrestrictedInternalUseCarestreamHealth,?2013胎兒四維成像p.78UnrestrictedInternalUseCarestreamHealth,?2013靜態/準靜態激勵的彈性成像利用探頭或者一個探頭-擠壓板裝置，沿著探頭的縱向(軸向)壓縮組織，使組織產生一個微小應變。利用復合互相關方法對壓迫前后反射的回波信號進行分析，估計組織內部不同位置的位移，計算出組織的變形程度，再以灰階或彩色編碼成像[5]。近年發展的實時組織彈性成像(real-timetissueelastograph，RTE)即將受壓前后回聲信號移動幅度的變化轉化為實時彩色圖像，彈性系數(反映組織抵抗彈性變形的能力)小的組織受壓后位移變化大，顯示為紅色；彈性系數大的組織受