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医用超声新技术.ppt

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医学超声仪器原理,医用超声新技术,一、三维超声成像,三维超声比二维提供更充分的空间信息,在心肌损伤的定位、胸腹部肿瘤的检测、怀孕期的评估(持别是早期怀孕畸形的检测)等方面有重大的价值。,,三维超声扫查 机械扫描(如克雷茨公司的) ——旋转或摆动 电子扫描(如AI公司的)——方阵列三维探头 三维重建要求二维扫查要获得协调连续的部位平面,需要建立一些定位指针,以便能在水平或垂直方向上获得所需部位的切面图,计算机不断地将各个切面的位置记录下来,超声图像数据既可存入特别设计的三维图像存贮器中,也可以离线方式输入超声图像工作站,然后重建三维图。,,由于肋骨和肺叶的影响,在超声的心脏成像中,必须让探头通过适当的“窗口”采集所需三维数据。 在取得三维数据以后,进一步的问题便是三维重建和三维立体显示,超声三维影像重建的技术原理与其他成像仪器的三维影像重建类似,主要是通过计算机的数据处理来完成三维重建的。 目前已有多种立体重建方法,并且随着计算机软件的不断升级和硬件性能的更新与提高,三维影像的重建速度和精度也在不断改善。,1、三维重建技术,计算机进行三维重建的技术大致有以下几种: 1.坐标位移法 2.网格法 3. 静态三维成像这种方法 4. 动态三维成像腔内探头 5. 可旋转式透明三维灰阶图像,网格法三维图像重建,2、图形技术,取得三维数据后进一步问题便是三维重建和三维立体显示。在这些方面,超声三维成像的技术原理与一般三维成像并无显著区别。其中包括如下一些图形技术:,1.插值 2.多平面重投影 3.伪彩色 4.抗混迭、,5.自适应直方图均衡 6.分割 7.边界检测 8.数字解剖,二、组织谐波成像,组织谐波成像(Tissue Harmonic Imaging, THI)又称频谱合成成像或频率转换技术(FCT)。 人体组织对声波的反射具有一定的非线性高频率谐波能量,但相对较弱,普通超声成像是利用线形能量成像而将非线形成分滤掉。 非线性信号的频率即谐波频率为超声发射频率的2、4、8...倍,且随着频率的升高其能量逐渐减低。 组织谐波成像是利用超宽频探头接受这些非线性的高频谐波信号,将多频率信号放大、平均处理后再实时成像,由于接收频率的提高,对较深组织的分辨力也有了较大的提高,明显增强了对细微病变的显现力。,造影谐波成像,超声造影剂 (Ultrasound Contrast Agents,UCA) 造影谐波成像(Contrast Harmonic Imaging, CHI)是利用造影剂微泡(直径1~10微米)产生的较强的二次谐波信号进行成像,故又称为二次谐波成像(Second Harmonic Imaging, SHI)。,,利用回声(发射或散射)中的二次谐波所携带的人体信息形成的声像图称为超声谐波成像。不使用UCA的谐波成像称为自然谐波成像(Native Harmonic Imaging)或组织谐波成像(Tissue Harmonic Imaging)。 使用UCA的谐波成像称为造影谐波成像。,,临床应用表明,组织谐波成像,特别适用于显像困难的病人,那些由于肥胖,肺气过多,肋间间隙狭窄,腹壁较厚的病人,在超声诊断中常被称为显像困难病人,对这部分患者采用谐波成像,均可显示图像,因而改善了诊断能力。 造影谐波成像(CHI)能敏悉地显示各脏器内的细微血管,有利于鉴别肿瘤血管。谐波Doppler技术可检测甚低速血流。,三、影像处理技术,超声图像的处理新技术不断出现,使图像的质量有了明显的改善,对图像的分析水平也有了明显提高。,1、声学密度测定,声学密度测定(Acoustic Densitometry, AD)是以背向散射积分(Integrated Back Scatter, IBS)为基础的定量分析方法,主要用于对心肌、肾皮质、肝实质等组织的声反向特性的研究。声学密度测定是对小于超声波长的界面如细胞、微细血管、胶原纤维等产生的背向散射信号进行提取,计算出取样散射区域的功率谱(即回声信号强度的平方)的积分。取样时在二维图像上选择一个取样区,计算机自动将取样区内组织的声学密度参数(AD值)计算出来,动态边疆采集则可获得一组数据并绘制成曲线图。,,目前声学密度测定应用于心肌病变的报道较多,由于正常的密度随心动周期变化,其AD值也呈周期性变化,而疾病状态下心肌的AD值发生相应变化,例如急性心肌梗塞的局部AD值明显升高、慢性心肌梗塞区AD值也升高,梗塞区的曲率变化减小;肥厚性心肌病的AD值广泛降低,扩张型心肌病则AD值升高。声学密度测定对于一些超声回声信号接近、临床症状相似的疾病诊断方面有一定的帮助。但由于受超声发射时一些设置的影响,AD值也会发生变化,所以必须对AD值进行标准化,一般以血液、心包的AD值人微言轻心肌的标化值。,2、彩色室壁运动技术,彩色室壁运动技术(Color Kinesis, CK)是以自动边缘检测技术为基础,能自动识别和跟踪显示新内膜的组织-血液界面,并根据同步记录的心电信号,将心室收缩期与舒张期的内膜运动进行逐帧编码,以橙色表示收缩期的开始,以后逐帧由不同深浅色彩的橙色黄色绿色浅蓝色进行彩阶转换,当收缩期界面向外移动(即矛盾运动)时以红色显示,最后将所有彩色图像叠加在收缩末期的一帧图像中。,,测量的指标有心内膜移动的同模、面积百分比、速度等。如有节段性心肌运动异常,上楼指标将发生经。不足之处为该技术受一些因素的影响,如心脏水平与旋转运动、操作者的熟练程度、心率过快或过慢等。,3、多普勒组织成像,多普勒组织成像(Doppler Tissue Imaging, DTI)是一种检查心肌运动功能的新技术,它是通过对来自心肌组织的慢速的多普勒频移信号进行彩色编码,而过滤心腔内血流产生的高速、低振幅的信号,经相关处理后以彩色编码显示出来,能定量检测室壁运动状态。,多普勒组织成像的显示方式有三种:速度方式;加速度方式;能量方式。多普勒组织成像可由色彩的明暗程度直观地显示室壁的运动变化,也可对心肌运动进行定量测定,常用的指标有: 1.心肌运动速度; 2.心肌运动的速度阶差; 3.二尖瓣环的运动速度; 4.室壁收缩与舒张时间间期; 5.时间速度积分; 6.心肌运动速度曲线的斜率等。,,多普勒组织成像主要用于: 1.对心室功能的评价; 2.观察缺血性心脏病心肌局限性运动异常; 3.观察心肌病时心肌广泛的运动异常; 4.观察心脏传导与起搏异常。,4、全景超声成像彩阶,全景超声成像(Panoramic Ultrasound Imaging, PUI)是通过缓慢移动探头沿图像颊方向移动并进行连续扫查,由计算机将移动过程中的图像相关比较分析并自动拼接为一幅超宽视野的完整图像,图像冻结后可回放观察。 全景超声成像图像的视野宽广,对较小的体表均可良好成像,可对体积较大的器官或肿瘤等进行全面观察并测量,对腹部与浅表器官疾病的诊断有较大的帮助。影响图像质量的因素主要为组织器官的运动及较大的曲度等。,5、彩阶超声图像处理技术,在辉度调制的黑白B超中,最终在显示器上的结果是以亮度差异来反映影像结构的,我们把这个反映影像结构的亮度差异称作灰阶。由于回声幅度与反射界面两侧结构的声阻抗差异有关,它传递组织结构的重要信息。通常振幅信息的动态范围达60dB以上,而一般的显示器仅有20dB的亮度动态范围。为了不使有用的信息丢失,就要采用压缩技术(如对数放大器)将60dB的信号压缩为20dB,以匹配显示器的动态范围。这种经过幅度压缩处理的回声图,称为灰阶(灰度)显示回声图。,四、其他超声成像,尽管超声成像理论久已成熟,但受限于材料科学、加工技术、计算机运算速度和存储容量等方面的制约,一些超声成像的其他方法以及在新领域的开拓上,目前仍在不断地探索之中。并且在前述的常见诊断设备之中,也有许多尚待完善之处,诸如影像质量的提高、探测目标范围的拓宽、检测项目和计算功能的开发及精度的提高等,以至于世界上众多著名生产厂商每年都有新机型推出。,1、全数字型B型超声诊断仪,随着电子产品的数字化进程的加快,全数字化B超成了近年来B型超声诊断仪的发展方向。 目前已研制出全数字计算机信号处理的超声诊断系统,它采用软件控制,可随时加入新的软件程序以更新整机功能,并能够配接不同的探头系统,如机械扇扫探头、线阵探头、凸阵探头、相控阵探头、环阵探头、腔体探头等,可以显示B型、M型、脉冲和连续多普勒信号及两维彩色多普勒血流图,实现多参量、多方位综合诊断。,图4-22全数字式B超通道部分简化框图,,在全数字化B超系统中,每个换能器阵元所对应的接收通道都采用一个高速A/D转换器,直接对接收射频回波信号进行采样和量化,并采用计算机控制的高性能的数字式超声波束形成及控制系统。 这种系统与工作在射频下的高采样率A/D变换器及高速数字信号处理技术结合起来,就形成全数字式B超诊断仪的核心。,,全数字式B超与常规模拟B超有两大重要区别: 第一 在常规模拟B超中,延迟线采用多抽头的L-C模拟延迟线,靠电子开关控制,所以电路庞大,造价高,还会引起插入损耗、阻抗失配及开关瞬态造成的假象,且硬件系统不易调整延迟时间; 而在全数字B超中,采用全数字延迟线,延迟时间可用软件编程,在换用不同探头时,能自动配合或手动调整延迟时间至最佳。,,第二 是常规模拟B超在检波后才进行采样,采样率低。 而在数字化B超中,为提高影像质量、降低模拟失真而直接对射频进行采样。,2、非线性参量B/A断层显像法,超声波的传播本质上是非线形的 非线性参量B/A为一物理常数,是代表声传播非线性将就的一个基本参量,它反映的是声传播介质(人体组织)的物理特性(声衰减等)。 实验研究结果显示,B/A成像可清晰地将鱼的皮卵、脊骨心脏周围组织区分开来。目前B/A成像仪尚未应用于临床。,3、B型超声断层成像,超声探头发出超声波后,超声波在人体内传播时,人体组织产生的背向信号在到达探头之前会出现非均匀性衰减、声束的强度与宽度的变化、组织界面的镜面反向等 获得这些声速的变化或者声衰减的数据并以此为参量,用计算机再建出超声透射影像,这种成像技术即为超声计算机断层成像(US-CT)。 B型超声断层成像反映的是组织性质和状态信息,例如可对组织散射系数进行测定。有研究结果显示,对活体正常肝脏、肝硬化心脏肝转移性腺癌的北向散射系数检测与实际值十分接近。,,计算机断层成像理论和技术是建立在射线在被扫描物体中沿原来的射线方向传输的前提上,对X线或γ射线是没有问题的,然而当超声穿出组织时引起的折射和衍射会使超声波束偏离原来的指向,因此得到的衰减剖面影像可能不是沿着原来声速方向上的组织成分的真实数据显示,从而造成一定程度上的误差。这些方面的改善还有待于今后对非几何光学的影像重建理论研究,以及更佳工作参量的选取等方面的不断探索。这正是US-CT早在1974年问世并用于临床诊断但迄今未能广泛普及的主要原因。,4、超声显微镜,20世纪50年代,超声显微镜(Ultrasonic Microscope)的名称和原理即被提出 70年代中期已有2种形式的超声显微镜被研制出来, 一种为机械扫描式超声显微镜(Scanning Acoustic Microscope, SAM) 一种为激光扫描式超声显微镜(Scanning Laser Acoustic Microscope, SLAM)。 这是继光学显微镜(LM)和电子显微镜(EM)之后的又一类生物医学细微结构分析研究的有力工具。,,由于波的衍射作用,显微镜的分辨力大小主要决定于探测波的波长,波长越短,分辨力越高。 当声波的频率相当高时,声波波长可以小到与光波波长相比拟,甚至可以比可见光的波长短得多。,,超声显微镜是以水作为显微镜的声耦合媒质的,当声波的频率被提高到3×109Hz时,由于水中的声速不变,仍为1500m/s,此刻对应的声波波长λ=c/f=0.5μm。这比绿色的可见光波长0.55μm还要短一些。 按照分辨率d≈1/2λ=0.25μm,则超声显微镜在f=3GHz(3×109Hz)时,它的分辨力已能和光镜相匹敌。,,在用超声显微镜观察样品时,可以显示物体弹性性质的局部改变,一些影响传播的物理性质,如压缩系数、密度、粘性和弹性等改变均可反映到声像图中。 另外,它不用染色就能把生物材料的精细结构加以鉴别。还由于样品是处于水中进行声耦合,而且这种低功率的声波对生命物质的活性没有什么影响,所以对于细胞等生命物质的活动及性质的研究特别有利。,
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