医学超声学课件第5章.docx
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医学超声学课件第5章
第五章生物组织超声参量的测量本章提要:
•介绍了超声应用中生物组织声速、衰减系数和声特性阻抗三个重要参量的测量原理和方法•重点介绍了交叉声束法的原理•给出了背向散射参数的定义
Chapter5MeasurementsofUltrasonicParametersforBio-Tissues生物软组织由脂肪、蛋白质、碳水化合物和糖等多种复杂成分组成。
从中找出反映组织性质和变化规律的敏感参量,是医学超声研究中一个重要目标。
已有的典型参数有1.超声传播声速c(测量的基准);2.声衰减系数(U-CT等);3.声阻抗(脉冲回波法)。
另外,还有背向散射参数、非线性参量等。
本章主要介绍上述三个参量的测量方法.第5.1节超声波速度的测量医学超声诊断的基准计算数据是超声声速,为了诊断上的简便,一般取平均声速值为c=1540m/s。
实际上不同软组织或同一软组织在不同条件下的传播速度是不同的,这也表现了生物组织的非均匀性。
因此测量各种生物组织的声速具有重要意义。
测量超声声速应在实际超声频率附近。
理想条件下,是在活体软组织中测量声速,但具有较大的难度,一般是离体条件下测量的结果。
各种测量方法如下所述。
一.脉冲透射法
(一)基本原理如图所示,是简单的平均速度测量原理:
发射接收Ac=d/t超声超声波换波换
(二)干涉法能器能器t,d测量原理:
使超声波在测量容器中产生干涉后,uuTR形成若干个完整的波形,测出此中的n个振动振动频率为:
f(周期为T)则:
t=n/f脉冲透射法声速测量基本原理代入基本公式就可以求得声速值。
(三)水浸式脉冲插入取代法与接收T换能器之间声程上插入厚度为D测量原理:
在浸于水中的发射T12的生物组织样品时,接收换能器接收到的声脉冲幅值以及在时域中的位置较未插入之前发生变化。
设样品和水中的声速分别为c和c,接收脉冲时移为△t,则样品声速sw为(时间相等原理):
CTT12BDcwc=sD−Δtcw水浸式脉冲插入取代法示意图
二.脉冲回波法
(一)基本原理AB发射与接测出介质的厚度d,以及回波来回传播所用的时间收超2t,则在介质A中的传播速度为:
声换能器t,dc=2d/2t=d/tuuR1R2
(二)回波叠加法脉冲回波法声速测量基本原理测量原理:
利用了相长干涉原理,当发射周期T等p,p一般等于2,则于或近似等于声波在样品中渡越时间的p(T=△tL1、3、5波叠加)倍时,各次反射回波将在换能器上叠加,精确调节发射周期T,使回波叠加幅度最大,达到“共振”。
则可通过周期T求得声波在样品中的渡越时间,已知样品尺寸,可算得声速c=样品尺寸/渡越时间。
(三)回波重合法测量原理:
利用两次测量回波精确重合方法,即当连续波振荡器的周期正好等于相邻两次反射回波之间的时间T,两次回波的每一波形对应重合(而不是相干重叠)则c=样品尺寸L(λ)/T(1/f)。
与回波重叠法不同,要使前一次回波衰减完之后,再发射另一串超声波,要消除两列剩余回波的相遇、干涉和叠加。
三.驻波法
(一)驻波比探测法吸声c)液测量原理:
在盛有生理盐水(声阻抗ρ材料11换样槽的一侧安置超声换能器,另一侧是消除驻波能品器L)的高吸声材料,将一定厚度的生物组织(密度ρ2置入声程中形成驻波,用热电探头测出驻波比SWR驻波法声速测量示意图则:
SWR=ρcρc11/22
(二)变距驻波干涉法测量原理:
改变换能器与反射板之间的距离,使其周期地形成驻波并经历极大值与极小值,测出声波波长λ,并且测出发射频率f,则:
c=λf四.共振法测量原理:
超声波换能器T发T收,改变f使其12L,共振,形成驻波,波长为:
2x,频率已知fL发射接收样品接收换能器信号为:
超声超声ρc波换波换LL1能器能器U2{}nmaxU=n22TT1+sin(πf/f)/sinh(αx)21L共振腔示意图f=c/2xLL
五.生物组织的在体测量
(一)交叉声束法原理(x,y,z)(x,y,z)TiTiTiRiRiRi如右图所示,由T到P到R的渡越时间为:
TRc?
1⎧⎫⎪⎪2222(y(z][(xx)y)z)++−−−⎪⎪TiTiTit=÷c⎨⎬i1⎪⎪(x,y,z)?
222⎪⎪P2+(y+(z]+[(x−x)−y)−z)RiRiRi⎩⎭发射接收换能器位置和声束偏转方向确定时,P点位 交叉声速法测量原理置和声程也就定了,由渡越时间可计算声速。
(二)局部声速测量TTRR1212AR,TBR,如右图所示,沿T1112TCR路径的渡越时间分别是:
t,C△y△y12211t,t,则渡越时间差△t为:
1222θθ00△t=(t-t)/2,(t=t)ACA12111122θC=△y/(2△tsinθ)000BcsinθsinθΔt001B===β△y/2ccd01采用交叉声速法测量局部声速的原理则:
C0={△y/(2β△t)}1/2
第5.2节超声特征阻抗的测量声特征阻抗定义:
Z=ρc。
声速已测定,这里重点是测密度。
一.密度测量法重量/体积=密度→声阻抗Z=ρc二.垂直入射反射系数测量法实际上是用P代替P(入射波声压幅度),并测出介质与水的r0i0/P,用界面反射声压幅度Prx,从而计算声压反射系数r=Prxr0Z代替Z。
x气Z−XPx0rxr==PZ+Xr0x0rZ+rX=Z−Xx0x0(1+r)Z=Xx0(1−r)
第5.3节超声衰减的测量超声衰减是生物组织测量中的重要参量。
引起超声衰减的因素有:
吸收、散射、声束扩散和界面反射等。
一.超声波在组织中的衰减衰减被表述为声压和声强在生物组织中传播时随距离增加的衰落。
即:
−αz− n2αzP(z)Pe,I(z),以及:
α(f),n1.0~1.18Ieβf====00目标是求得α或β。
二.透射法
(一)脉冲插入取代法基本思路:
在声程中置入不同厚度的同一软组织样品,通过改变接收电路中衰减器数值来补偿不同样品引入的声衰减,使示波器显示的信号幅度保持一致,通过不同厚度样品引起的声衰减值可以确定其声衰减系数。
(二)辐射压力法基本思路:
用教科书图5.14辐射压力法测量装置测量并计算声强:
I=Fc/(2Acosθ)首先测出初始声强I,然后将待测的生物组织样品盒放置在超声换能器和全反1
射声靶之间,测量超声波透射生物组织试样后的声强I,I可用声衰减系数α22表示为:
I1−2αd2=)=−ln(IIe,其中:
d是样品厚度。
则:
α21I2d1(三)共振法与测量声速中共振原理相同,对应f接收换能器的输出极大值为:
n1U2{}=nmaxUn22+1sin(πf/f)/sinh(αx)LαλΔf1=样品的超声吸收为:
=πfQn1三.瞬时热电偶法基本思路:
一方面用脉宽1s的矩形超声脉冲辐射生物组织和温度传感器,另一方面用热电偶的热电结测量这种温度的变化,当温度平衡之后,就可以用以下的公式计算吸收系数:
ρcJp=,其中:
ρ为样品密度;c为等压比热;J为热功当量;α2I(dT/dt)pI为声强;(dT/dt)为组织声吸收引起温升的时间变化率。
四.回波法大多数临床诊断仪都是基于脉冲回波法,因此用回波法测量衰减系数更具有重要性和实际意义,并且它经历了衰减(吸收、散射、扩散和反射)的全部过程。
超声信号基本上是一种非平稳随机信号。
(一)脉冲回波比较法用脉冲回波比较法测量超声波能量在生物组织中的衰减有两种方法:
1.是采用定标指数函数发生器产生一个可以和回波幅值拟合的指数曲线,根据指数发生器衰减系数α,就可以算出生物组织的声压和声强衰减系数。
脉冲接收示波器发射器放大器2.采用定标衰减脉冲与选定回波信号相匹配,从衰减定标得到相应的衰减量。
换能器同步简单的是采用时间深度补偿STC或发生器被测生TGC来粗略测量生物组织的衰减系数,物介质这是临床诊断医生常采用的方法。
比如介定标衰减脉冲或质厚度5cm,衰减器的衰减数为10dB,定标指数函数发生器则该介质的衰减系数为2dB/cm。
脉冲回波比较法测量衰减示意图
(二)对数谱差法假定回波信号为确定信号的前提下,有:
-2α(f)z回波信号:
X(f)eX(f)=0z2α(f)z−幅频特性:
H(f)e=z24α(f)z−功率谱:
S(f)H(f)S(f)eS(f)==zz00假定S(f)与S(f)是对应两个不同深度z和z的回波功率谱,z=d-z121221d)4α(f)z4α(f)(z+−−S(f)eS(f),S(f)eS(f)==111020对数谱差:
D(f)ln[S(f)]ln[S(f)]4α(f)d=−=12ln[S(f)]ln[S(f)]−D(f)12α(f),β==4d4fd(三)谱移法利用超声频率越高,组织衰减越大。
宽带超声脉冲通过组织时,随传播深度增加,中心频率下移和带宽变窄,并与衰减系数密切相关。
2−(ff)i1−2B==射高斯入波功率谱:
SAe,Bxi2πT2(ff)−i−24βfdB=反射衰减波功率谱:
SAee0y2−(ffr)−22B=−=令:
ff2βdB,则:
SAe0rri0fffri−ffir=β2高斯包络函数中心频移示意图2dB
(四)谱矩法∞∞−p4βfxp==−,=fS(f)df中心距:
M(ff)S(f)dfS是发射波原点矩:
M(z),(z)SSe,∫∫pzpczzzxx00∞fS(f)df∫2zMMM20121,)频率方差:
σ(,==−=平均频率:
S是接收波fzz2∞MMM000S(f)df∫z0∞4βfx−dffSe∫xM01=,从平均频率对x求微分,得:
f=∞M4βfx−0dfSe∫x0dMdM01MM−dMdMdf100dx1dx4βM,其中:
4βM,==−=−122dxdxdxM02MMM−21df04β=−2dxM0Md1dfdf)(dMMdx100dxdx,实际上:
ββ=−=−=−=−222dx4M4σMMMM1z1212)4()4(−−22MMMM0000
第5.5节超声背向散射的定义探索定量化超声诊断中组织定征的途径。
背向散射即反射回来的散射。
研究的目标是两个重要参量:
背向散射传递函数和背向散射系数。
书中图5.22测量装置的工作流程是:
激励源→超声波换能器→样品→反射波→放大器→选通门(选通样品或靶目标某一部分相应的散射回波信号)。
设:
激励源E(f),发射传递函数T(f),接收传递函数T(f)定义α系数(f)为平均背向散射trsS(R,f)为R处的散射体单位体积散射振幅(选通门)24=<>σ(f)|BST|eα(f)x0sG(f)放大器传递函数,A(R,f)样品内的传递衰减因子2Sh(2α(f))Δzzz有:
时域上的卷积(每经过一个系统)等于频域上的乘积2]()[2α(f)Δz4A(f)Δzzr22∫∫∫V(f)E(f)T(f)T(f)G(f)H(R,f)A(R,f)S(R,f)dV=strα(f)为组织衰减系 数rV门选散射元,H(R,f)声场速度势−−x为样品前界面到门选散射元02πf中心的距离∫∫H(R,f)2exp(jR)/Rds=cs00Δzcτ/2为门选散射元长度=∫∫V(f)E(f)T(f)T(f)G(f)H(R,f)|ds=A(f)为z处声束3db截面积−rz2z=s0z为样品在声轴上的距离定义背向散射传递函数BSTV(f)/V(f)=sr22∫∫∫H(R,f)A(R,f)S(R,f)dVr由于生物组织的非均匀性,超声声束BST(f,z)=∫∫传播具有距离的起伏性,另外散射路H(R,f)|dsz2z=s径的不确定性等,因此超声组织定征0仍属于目前的热门研究课题之一。
本章小结本章介绍的主要内容有:
1.介绍了超声应用中生物组织声速、衰减系数和声特性阻抗三个重要参量的测量方法和原理;2.重点介绍了交叉声束法的原理;3.给出了背向散射参数的定义。
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