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1 超音波影像 Ultrasonography 莊子肇副教授 中山電機系 1

2 典型超音波系統與影像 2

3 What is Ultrasound? Ultra sound 超 音波 一般聲頻 :15 Hz ~ 20 khz 超音波 :>20 khz 醫用超音波 :2 ~ 10 MHz 3

4 聲波 / 超音波特性 機械波 (Mechanical wave) 透過介質的局部振動傳遞波動 : 介質波 依介質振動和波傳遞方向的關係可分 縱波 : 介質為氣體 液體 橫波 : 固體 黏滯性強的液體 4

5 聲波的傳遞 5

6 波速 Sound velocity C: 聲波波速 λ: 波長 f: 頻率 空氣中聲波的速度? 6

7 傳遞介質的影響 波速會受到介質所影響 B: bulk blkmodulus, dl kg/m-sec k/ 2, 描述物質彈性 ρ: density, kg/m 3, 介質密度 7

8 人體各組織的波速 8

9 超音波在介質傳遞的特性 在不同介質中傳遞 頻率不變, 聲速與波長改變 反射 (Reflection) 折射 (Refraction) 散射 (Scattering) 衰減 (Attenuation) 9

10 簡單波反射示意圖 普物應該提過吧 10

11 Reflection 波進入不同的物質會產生反射 Acoustic impedance 11

12 其實跟電路震盪系統類似 Electrical circuit Charge (q) 電荷 Voltage (V) 電壓 Current (I) 電流 Resistance (R) 電阻 Pressure wave Displacement (d) 位移 Pressure (p) 壓力 Particle velocity (v) 介質粒子速度 Impedance (Z) 阻抗 Power (P = VI) 功率 Intensity (I = p 2 /Z) 能量 12

13 Reflection/transmission coefs. Conservations at interface Particle velocity Intensity Reflection coefficient Transmission coefficient 13

14 如果超音波直接由空氣進入人體 and 只有 30 db 的訊號進入人體, 有打跟沒打一樣! 再加上探頭 (PZT 材質, 阻抗超大 ) 14

15 做超音波檢查都需要潤滑劑 避免探頭與人體間的空氣造成過大反射 15

16 Refraction Incident θ i θ r Reflection Conservations at interface Z 1 = ρ 1 C 1 Reflection coefficient Z 2 = ρ 2 C 2 C 2 > C 1 Snell s Law θ t Refraction Transmission coefficient 16

17 Scattering 臨床超音波的波長? 17

18 Ultrasonic scattering in bio tissues 發生於波長大於散射源 (scatterers) 時 人體軟組織的散射源約小於 100 μm Rayleigh scattering 18

19 Ultrasonic scattering in bio tissues 超音波在隨機散佈的散射源中產生許 多散射 Backscattering Coherent interference of scatterers Linear summation of all scattering 散射的程度和散射源的大小與組織特 性有關 19

20 Speckle 為什麼超音波影像總是有點模糊? 20

21 Speckle noise 超音波散射會產生班點狀雜訊 (speckle) 影響低對比影像的判讀 與組織特性有關, 但與散射源的幾何 分佈無關 Multiplicative noise 一般超音波影像大約為 4.34 db 21

22 Attenuation 由組織吸收 (mainly) 和散射所造成! Attenuation coefficient (μ) Attenuation (of intensity) in soft tissue: 0.5~1 db/cm-mhz Dynamic range should be set carefully. Ex. What is the maximal depth for a 5 MHz US transducer with 60dB dynamic range? 22

23 Attenuation 23

24 超音波影像原理 24

25 超音波影像原理 超音波發射源 組織介面形成反射 接收器接收反射波 計算距離以形成影像 Pulser Display Received Signal Processing T/R switch Transducer 25

26 超音波影像原理 超音波發射源 組織介面形成反射 接收器接收反射波 計算距離以形成影像 Pulser T/R switch Transducer 26

27 超音波發射源與接收器 探頭 (probe, transducer) 壓電 (piezoelectric) 效應 電壓 機械波 Lead zirconate-titanates i ( 鋯鈦酸鉛, PZT) 發射訊號 : 電訊號 超音波 接收訊號 : 超音波 電訊號 27

28 壓電效應材料示意圖 形變 造成 電壓, 反之亦然 28

29 超音波探頭原理 雙向轉換 : 發射器與接收器相同! 29

30 Resonance in Piezoelectric materials 壓電材料產生的弦波訊號在自體產生 共振 Fundamental resonance frequency (f 0 ) 共振頻率與材料厚度有關 λ 0 = C/f 0 = 2d T 每個探頭都有自己的共振頻率 30

31 Resonance frequency of transducer Question. What is the thickness of the PZT layer in a 10-MHz ultrasound transducer? (sound speed in PZT = 4000 m/sec) 31

32 Matching layer 壓電材料與人體的阻抗相差數十倍 直接接觸 超音波無法有效送入人體 Matching layer 增加入射效率 單層或多層結構 根據中心頻率決定厚度 32

33 總算可以把超音波送入人體了 送入脈衝 (pulse), 等待回波 (echo) 根據回波的時間與強度成像 Pulse Echo Imaging 脈衝時間越短, 軸向解析度 (Axial resolution) 越好 Wide band signal 33

34 Axial resolution 34

35 Beam pattern formation 35

36 Beam properties Single-element transducer 近場 (near field, or Fresnel field) 振幅與相位隨位置變化快速 遠場 (far field, or Fraunhofer field) 振幅與相位變化小 Lateral beam width 隨深度增加 36

37 Transducer arrays 37

38 發射聚焦 38

39 接收聚焦 39

40 超音波探頭 40

41 超音波影像原理 超音波發射源 組織介面形成反射 接收器接收反射波 計算距離以形成影像 Received Signal Processing T/R switch Transducer 41

42 Acoustic Impedance ( 相對值 ) 與波速 水 (m/sec) 血液 心肌 脂肪 肝臟 腎臟 骨骼 鋁 空氣 超音波影像對比的來源! 42

43 超音波影像原理 超音波發射源 組織介面形成反射 接收器接收反射波 計算距離以形成影像 Display Received Signal Processing 43

44 超音波影像形成與應用 Amplitude (A) mode Brightness (B) mode Motion (M) mode Color Doppler 血流測定 44

45 A Mode 超音波影像 單方向發射超音波 接收反射波的時間換算成距離 反射波強度以振幅顯示 二維圖形 = 一維影像 45

46 A mode ultrasound 已經滿少見到了 46

47 B Mode 超音波影像 只是把振幅改用亮度顯示 從一個圖改為一條線 多條線掃瞄 二維影像 最常見到的臨床使用方式 47

48 B mode ultrasound 原理 A-mode 振幅轉換為影像亮度 48

49 B mode ultrasound 原理 Pulse repetition period (PRP): 大部分時間在收訊 49

50 B mode ultrasound 原理 Pulse repetition period Range of depth Given matrix size of a B-mode image, frame rate 根據待測物的條件決定 PRP 50

51 B mode image formation 51

52 B mode image formation 52

53 Frame rate and spatial sampling 53

54 B Mode 掃瞄時間 每條掃瞄線 = 2 x 距離 / 波速 40 cm ~ 0.5 msec 視覺暫留 ~ 1/16 sec 基本上是 real ltime imaging i 54

55 Real Time Imaging 重要性 Interactive ( 一邊看一邊移動 ) 目視判斷彌補影像品質的不足 不受器官運動的影響 心跳 胎兒 Apical four-chamber view 55

56 B mode ultrasound 56

57 M Mode 超音波影像 單方向發射超音波 + 亮度顯示 一維影像 隨時間做追蹤以檢視器官運動 二維 = 空間軸 vs. 時間軸 57

58 M mode ultrasound 58

59 Echo display mode 59

60 Color Doppler Ultrasound 都卜勒效應 (Doppler effect) f : the observed frequency V R : the velocity of the receiver er toward source V S : the velocity of the source toward receiver 60

61 Doppler Effect 靜止不動 移動物體 61

62 Color Doppler Ultrasound 假設物體 ( 如 : 血液 ) 運動速度與波 動方向有一夾角 θ, 超音波探頭所接收 到的回波頻率應為 f s f 62

63 Color Doppler Ultrasound 利用都卜勒效應檢視流速 介質速度改變超音波頻率 ( 波長 ) 假設角度已知 以聲音或色彩顯示頻率所換算的流速 63

64 Doppler Ultrasound 量測血液流速 64

65 Doppler Ultrasound 速度與速度隨時間的變化 65

66 Artifact 何謂假影 (Artifact)? 不應該有, 卻出現了 應該有, 卻出現在不對的位置 可能造成錯誤的診斷! 66

67 Refraction 67

68 Shadowing and enhancement High attenuation Low attenuation Shadowing Enhancement 68

69 Reverberation 69

70 Mirror image 70

71 Speed displacement Liver Fat 71

72 Ring down artifact 72

73 超音波的優劣勢 價廉 便利性 即時顯像 無放射性 合併治療潛力 (HIFU) 缺點 : CNR 較低 穿透深度受限 組 織不均勻度導致 body-type dependent image quality 73

74 超音波的發展 3D ultrasound imaging Harmonic imaging Contrast enhanced ultrasound Therapy (High Intensity Focused Ultrasound) Drug delivery 74

75 醫學影像系統 : 超音波影像 75

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