生物医学超声学 下PDF电子书下载

上册 1

第1章　绪论 1

1.1　概述 1

1.2　生物医学超声系统的分类 2

1.2.1　按超声的波形分类 2

1.2.2　按利用的物理方法分类 2

1.2.3　按医学超声设备的体系分类 2

1.3　生物医学超声学的发展历程及现状 5

1.3.1　超声诊断方面 5

1.3.2　超声治疗方面 13

1.4　生物医学超声学的发展趋势 15

参考文献 15

第2章　医学超声的物理基础 17

2.1　超声波的一般概念 17

2.1.1　机械振动与机械波 17

2.1.2　超声波的类型 20

2.1.3　常用超声学参量的定义 22

2.1.4　超声波的叠加、干涉、绕射和惠更斯原理 26

2.2　超声波的数学描述——波动方程及其解 27

2.3　界面上波的反射和透射 29

2.3.1　超声波垂直入射到平界面上的反射和透射 29

2.3.2　超声波倾斜入射到平界面上的反射和透射 30

2.3.3　平面超声波在曲界面上的反射和透射 33

2.3.4　超声波多层透射与声耦合 35

2.4　生物组织的超声特性 37

2.4.1　生物组织构成 37

2.4.2　超声衰减 37

2.4.3　生物组织超声特性的参数值 39

2.5　多普勒效应 42

2.5.1　声源至运动界面通路 42

2.5.2　运动界面至接收器通路 43

2.5.3　矢量公式 43

2.6　诊断超声的安全阈值 44

习题 45

参考文献 47

第3章　医用超声换能器 48

3.1　压电效应、压电方程与压电体参数 48

3.1.1　压电效应 48

3.1.2　压电方程 49

3.1.3　压电体参数 50

3.2　压电振子 54

3.2.1　压电振子的振动模式 54

3.2.2　压电振子的等效电路 57

3.2.3　压电振子的谐振特性 59

3.3　压电材料 61

3.3.1　压电单晶体 62

3.3.2　压电陶瓷 67

3.3.3　新型压电材料 73

3.4　诊断超声换能器的种类、结构与特性 79

3.4.1　诊断超声换能器分类 79

3.4.2　诊断超声换能器的结构 79

3.4.3　诊断超声换能器的特性 84

3.5　超声换能器的声场特性 86

3.5.1　换能器声场的指向性 87

3.5.2　单阵元换能器的超声场 90

3.5.3　多阵元换能器的超声场 95

3.6　治疗超声换能器 103

3.6.1　单阵元高功率换能器 104

3.6.2　多个自聚焦和阵元组合换能器 109

3.6.3　相控阵高功率治疗超声换能器 110

3.6.4　微型HIFU治疗换能器 114

3.7　超声换能器性能的测定 115

3.7.1　超声换能器频率特性的测定 115

3.7.2　超声声场分布的测定 117

3.7.3　超声辐射功率的测量 119

3.7.4　超声声场分辨率的测量 125

3.8　医用超声换能器新技术 126

3.8.1　二维阵列超声换能器 126

3.8.2　电容式微机械超声换能器 128

3.8.3　血管内超声换能器 130

习题 131

实验 132

参考文献 132

第4章　诊断超声信号、信道与指标 134

4.1　诊断超声信号与信道概述 134

4.2　超声发射信号形式及其特性 134

4.2.1　信号特性的表达方法 135

4.2.2　超声信号分类 135

4.2.3　超声信号特性 136

4.3　超声信号与系统的主要指标 142

4.3.1　动态范围 142

4.3.2　工作频率、频带宽度 144

4.3.3　系统基频、显示帧频 145

4.3.4　系统分辨力 147

4.3.5　发射功率、接收功率 152

4.3.6　灵敏度、信噪比 153

4.4　超声发射通道 153

4.4.1　单脉冲发射方式 153

4.4.2　连续正弦波发射方式 154

4.4.3　选通正弦波发射方式 155

4.4.4　调制波发射方式 155

4.4.5　数字发射激励方式 156

4.5　模拟超声接收处理通道 157

4.5.1　前置放大 157

4.5.2　时间增益补偿 159

4.5.3　对数压缩放大 161

4.5.4　信号检波、抑制与视频放大 167

4.6　数字超声接收处理通道 169

4.6.1　数字时间增益补偿 169

4.6.2　数字对数压缩方法 170

4.6.3　数字回波检波解调方法 171

4.7　接收相关处理与脉冲压缩技术 173

4.7.1　脉冲压缩技术基本原理 173

4.7.2　线性调频发射成像 175

4.7.3　相位编码发射成像 176

习题 180

实验 182

参考文献 182

第5章　生物组织超声参量的测量 183

5.1　超声速度的测量 183

5.1.1　脉冲透射法 183

5.1.2　脉冲回波法 184

5.1.3　驻波法 187

5.1.4　共振法 187

5.1.5　生物组织声速在体测量 188

5.2　声特征阻抗的测量 190

5.2.1　密度测量方法 190

5.2.2　垂直入射反射系数测量方法 190

5.3　超声衰减的测量 191

5.3.1　超声波在组织中的衰减 191

5.3.2　透射法 192

5.3.3　瞬态热电偶法 193

5.3.4　回波法 194

5.4　非线性声学参量B/A的测量 199

5.4.1　非线性声学参量B/A的定义 199

5.4.2　热力学测量法 200

5.4.3　有限振幅声波法 201

5.4.4　泵波——相位法 204

5.5　超声散射的测量 206

习题 208

实验 209

参考文献 209

第6章　超声成像原理与系统 210

6.1　超声成像概述 210

6.2　超声波束处理技术 211

6.2.1　凹面晶体 211

6.2.2　声学透镜 212

6.2.3　电子聚焦 212

6.2.4　可变孔径 226

6.2.5　动态变迹 228

6.2.6　非衍射波束 238

6.2.7　合成孔径波束处理 248

6.3　B型扫描成像 256

6.3.1　机械扇形扫描成像 256

6.3.2　电子线性扫描成像 258

6.3.3　相控阵扇形扫描成像 260

6.3.4　凸阵扇形扫描成像 266

6.3.5　宽带发射与动态频率扫描成像 266

6.3.6　多波束合成 269

6.4　M型超声成像 272

6.4.1　M型超声成像原理 272

6.4.2　全方向M型成像系统 275

6.5　其他扫描成像方法 278

6.5.1　C型扫描成像 278

6.5.2　F型扫描成像 279

6.6　数字扫描变换器与图像处理 280

6.6.1　DSC的工作原理 281

6.6.2　数字扫描图像处理 292

6.7　腔内超声成像 296

6.7.1　经腔泌尿道超声成像 297

6.7.2　经腔消化道超声成像 298

6.7.3　经直肠超声成像 299

6.7.4　经阴道超声成像 299

6.7.5　经食管心脏超声成像 300

6.8　眼科高频超声成像 301

6.8.1　高频超声传播特性与成像 301

6.8.2　眼科高频超声成像 303

6.9　血管内超声成像 305

6.9.1　血管内超声导管与成像 305

6.9.2　血管内超声成像数字扫描转换和图像处理 307

6.9.3　IVUS图像质量影响因素 307

6.9.4　采用横向滤波器消除血细胞散射噪声 311

6.9.5　以散射模型为基础的IVUS图像偏心校正 313

6.10　三维与四维超声成像 314

6.10.1　三维超声成像 314

6.10.2　扫描方式与图像数据的采集 315

6.10.3　三维图像的重建 315

6.10.4　三维图像的显示 316

6.10.5　四维超声成像 316

6.11　组织谐波成像 317

6.11.1　组织谐波成像原理 317

6.11.2　谐波的提取与成像方法 319

6.11.3　组织谐波成像的特点 321

6.11.4　应用举例 322

6.12　背向散射成像 324

6.12.1　背向散射积分成像 324

6.12.2　定量背向散射系数成像 325

6.13　全数字化超声成像系统 327

6.13.1　概述 327

6.13.2　全数字化超声关键技术 328

6.13.3　全数字化超声成像系统 333

习题 334

实验 336

参考文献 336

第7章　超声血流检测与成像 338

7.1　超声血流检测的物理学基础 339

7.2　超声血流运动信息提取 339

7.2.1　经典多普勒估计法 340

7.2.2　自相关估计法 349

7.2.3　自回归估计法 352

7.2.4　有限差分估计法 354

7.2.5　互相关估计法 355

7.2.6　宽带最大似然估计法 357

7.2.7　流速矢量的超声检测 358

7.3　距离选通技术与流速分布测量 360

7.3.1　超声束交叉域多普勒法 361

7.3.2　脉冲超声多普勒技术 361

7.3.3　伪随机码超声多普勒技术 365

7.3.4　流速分布测量 369

7.4　超声多普勒血流动态谱分析 372

7.4.1　超声多普勒血流动态谱概述 372

7.4.2　多普勒动态谱与其他成像模式的复合 372

7.5　超声多普勒血流成像 374

7.5.1　连续波超声多普勒血流成像 374

7.5.2　脉冲超声多普勒血流成像 375

7.5.3　实时二维彩色多普勒血流成像 376

7.6　能量多普勒血流成像 381

7.6.1　成像原理 381

7.6.2　PDI的特点 383

7.6.3　彩色M模式成像 384

7.7　彩色多普勒速度能量血流成像 384

7.8　其他 385

7.8.1　渡越时间式超声流速计 385

7.8.2　超声多普勒气泡检测 386

7.8.3　超声多普勒法在血压测量中的应用 387

7.8.4　经颅多普勒技术 388

7.8.5　横向多普勒 389

7.8.6　B-Flow成像 393

习题 394

实验 397

参考文献 397

下册 399

第8章　超声造影成像 399

8.1　超声造影剂 399

8.1.1　超声造影剂的发展 399

8.1.2　影响微泡稳定性的主要因素 402

8.1.3　微泡的结构 405

8.1.4　超声造影剂的制备方法 408

8.2　超声造影剂物理特性及成像基础 410

8.2.1　超声场中的超声造影剂 410

8.2.2　超声造影微泡的线性特性 411

8.2.3　超声造影微泡的非线性特性 414

8.2.4　微泡的破裂 415

8.3　纳米包膜造影微泡在声场中的理论振动模型 418

8.3.1 自由振动的无包膜空气微泡 418

8.3.2　纳米包膜微泡 420

8.3.3　厚膜微泡 422

8.3.4　微泡在声场中振动的建模仿真 423

8.4　超声造影成像方法 425

8.4.1　基波B模式成像 425

8.4.2　谐波B模式成像 425

8.4.3　谐波功率多普勒成像 426

8.4.4　脉冲逆转B模式成像 427

8.4.5　脉冲逆转多普勒成像 429

8.4.6　次谐波和超谐波成像 431

8.4.7　多脉冲释放成像 432

8.4.8　微泡破坏／间歇成像 434

8.4.9　其他微泡造影成像方法 436

8.4.10　各种谐波成像方法性能比较 437

8.5　微血管血流灌注检测及定量评价 438

8.5.1　微血管灌注评定的生理和病理 439

8.5.2　超声造影剂灌注检测成像技术 440

8.5.3　超声造影成像及灌注评定的相关操作 441

8.5.4　基于超声造影成像的微血管灌注评价方法 444

8.5.5　超声微血管灌注参量成像 456

8.6　超声分子成像 459

8.6.1　靶向超声造影剂 459

8.6.2　被动靶向的应用 461

8.6.3　主动靶向的应用 464

8.7　与超声造影微泡有关的其他问题 466

8.7.1　压力估计 466

8.7.2　增强高强聚焦超声的治疗作用 467

8.7.3　基因和药物的控制释放 467

习题 468

实验 468

参考文献 468

第9章　超声弹性成像技术 472

9.1　概述 472

9.2　生物组织模型 473

9.2.1　生物组织黏弹性力学模型 473

9.2.2　生物组织超声散射模型 474

9.3　超声弹性成像主要方法 476

9.3.1　振动幅度声弹性图 476

9.3.2　振动相位梯度声弹性图 478

9.3.3　组织压缩应变声弹性成像 478

9.3.4　多步压缩应变弹性成像 480

9.3.5　剪切波弹性成像 481

9.3.6　声辐射力成像 482

9.3.7　血管壁弹性成像 482

9.4　超声弹性成像的技术指标 483

9.4.1　对比度传输率 483

9.4.2　应变滤波器 484

9.4.3　空间分辨率 485

9.5　一维位移／应变估计 486

9.5.1　基本算法 486

9.5.2　其他一维弹性成像算法 494

9.6　二维位移／应变估计算法 500

9.6.1　区域匹配算法 501

9.6.2　基于光流的运动估计方法 505

9.6.3　小结 510

9.7　组织运动与声辐射力成像 510

9.7.1　声辐射力及声辐射力成像 510

9.7.2　振动声成像 511

9.7.3　组织谐波运动成像 515

9.7.4　声辐射力脉冲成像 516

9.7.5　声束序列及数据获取 517

9.8　血管弹性成像 518

9.8.1　基于相关反馈算法的动脉血管壁应变估计 519

9.8.2　以IVUS图像为基础的血管壁弹性成像 522

习题 527

实验 528

参考文献 528

第10章　超声图像处理 531

10.1　B型超声图像特性 531

10.1.1　噪声特性 532

10.1.2　纹理特性 533

10.1.3　分形特性 534

10.2　超声图像去噪和增强 535

10.2.1　中值滤波 536

10.2.2　小波滤波 536

10.2.3　基于偏微分方程演变的超声图像去噪增强 540

10.3　超声图像分割 545

10.3.1　基于Gabor滤波的边缘提取 545

10.3.2　模糊C均值聚类分割算法 546

10.3.3　基于统计模型的分割方法 547

10.3.4　Live wire分割模型 555

10.3.5　可动边界模型 557

10.4　超声图像配准 565

10.4.1　图像刚性配准 567

10.4.2　图像非刚性配准 571

10.4.3　超声图像与其他模态图像的配准及融合 574

10.5　超声图像三维重建及其可视化 576

10.5.1　超声图像数据三维重建 577

10.5.2　体绘制 581

10.5.3　面绘制 584

10.5.4　可视化软件包简介 588

10.6　体积测量 589

10.6.1　基于Freehand超声成像的体积测量方法 590

10.6.2　具有二阶连续性的三次样条测面体积估计法 591

10.7　超声图像特征提取与组织定征 595

10.7.1　纹理特征分析和分形维数估计 595

10.7.2　心脏运动估计及参数提取 596

习题 599

参考文献 599

第11章　超声生物效应 602

11.1　超声生物效应主要机理 602

11.1.1　热效应 602

11.1.2　空化效应 605

11.1.3　机械效应 609

11.1.4　理化效应 610

11.2　超声生物效应的应用及研究进展 612

11.2.1　超声诊断应用及进展 612

11.2.2　超声治疗应用及进展 613

11.3　超声生物效应的研究方法 625

11.3.1　超声照射的体内／体外实验 625

11.3.2　显微技术在超声生物效应研究中的应用 628

11.3.3　流式细胞术在超声生物效应研究中的应用 632

11.3.4　基因工程技术的应用 635

11.3.5　超声作用机制的蛋白质组学研究方法 638

11.4　超声造影剂与超声生物效应研究 640

11.5　研究举例：应用蛋白质组平台研究超声／抗癌药物／造影微泡诱导肿瘤细胞凋亡的协同作用 641

11.5.1　药物、超声协同诱导肿瘤细胞凋亡分析及蛋白质组差异分析 641

11.5.2　微泡、超声协同诱导肿瘤细胞凋亡分析及蛋白质组差异分析 642

11.5.3　微泡、药物或者携带药物的微泡型载体诱导肿瘤细胞的凋亡分析及蛋白质组差异分析 643

习题 644

实验 645

参考文献 645

第12章　治疗超声 649

12.1　治疗超声概述 649

12.2　治疗超声的热学机制 650

12.2.1　生物传热方程 650

12.2.2　热剂量的时间-温度关系 651

12.3　治疗超声的空化机制 652

12.3.1　瞬态空化 652

12.3.2　稳态空化 653

12.3.3　空化热效应 654

12.3.4　微泡声发射 654

12.4　超声治疗的工作方式和相关声场参数 655

12.5　治疗超声的非线性 657

12.5.1　非线性参量B/A 658

12.5.2　非线性波形畸变 659

12.5.3　声流 660

12.5.4　声辐射力 661

12.6　治疗超声的应用及其生物效应机制 661

12.6.1　生物组织的超声作用特性 661

12.6.2　理疗和相关应用的生物效应机制 662

12.6.3　高强度聚焦超声（HIFU）生物效应机制 664

12.7　治疗聚焦超声单阵元换能器焦点控制 669

12.7.1　Reyleigh-Sommerfeld积分 669

12.7.2　声强增益和焦点声强的经验计算 670

12.7.3　球面换能器轴向声压计算 671

12.7.4　单阵元换能器参数焦点性能 671

12.8　治疗聚焦超声相控阵换能器多焦点控制 674

12.8.1　相控阵矩阵方法和矩阵伪逆方法 675

12.8.2　平面矩形相控阵的声场计算方法 676

12.8.3　球面阵元相控阵超声手术治疗声场计算方法 676

12.8.4　环形阵相控阵和扇蜗形阵元相控阵相位控制方法 678

12.8.5　最大特征向量法相控阵超声场合成模式优化 680

12.8.6　基于遗传算法的相控阵超声场合成模式优化 682

12.8.7　球面阵元相控阵超声手术治疗焦点合成 685

12.8.8　球面线阵相控阵超声手术治疗焦点合成 688

12.9　高强度聚焦超声（HIFU）手术治疗的应用 690

12.9.1　HIFU系统概述 690

12.9.2　体外HIFU 690

12.9.3　经肠道HIFU 693

12.9.4　图像引导的相控阵高强度聚焦超声手术治疗系统 693

12.9.5　相控阵功率驱动系统结构与控制 694

12.9.6　三维运动定位系统 701

12.9.7　图像引导的治疗规划 702

12.9.8　HIFU组织损伤及图像监控 705

12.10　超声肿瘤温热治疗应用 709

12.11　高强度聚焦超声止血应用 710

12.12　高强度聚焦超声体外冲击波碎石应用 711

12.12.1　概述 711

12.12.2　临床应用冲击波碎石治疗系统 712

12.13　超声溶栓应用 714

12.13.1　概述 714

12.13.2　超声溶栓的应用方法 714

12.13.3　超声溶栓的机制 716

12.14　超声手术刀及相关应用 716

12.14.1　超声手术刀作用机制 716

12.14.2　超声手术刀结构及应用 718

12.14.3　治疗超声的其他应用 720

习题 721

实验 722

参考文献 722

第13章　医学超声波微器件与系统 728

13.1　超声波电机 728

13.1.1　超声波电机起源与发展历史 728

13.1.2　超声波电机的类型 731

13.1.3　超声波电机的特点 733

13.1.4　超声波电机在生物医学工程领域的应用 735

13.1.5　超声波电机的其他发展方向与研究热点 738

13.2　体内微型泳动机器人 742

13.2.1　微型机器人发展简史 742

13.2.2　管内有缆微型泳动机器人 744

13.2.3　管内无缆微型泳动机器人 745

13.2.4　管内无缆微型泳动机器人主要研究内容 747

13.2.5　管内无缆微型泳动机器人在线定位方法 747

13.3　微型超声波换能器 751

13.3.1　针状超声波换能器 751

13.3.2　压电薄膜超声波换能器 752

13.3.3　集成化超声波换能器 752

习题 752

参考文献 752

第14章　其他生物医学超声技术 754

14.1　超声全息成像 754

14.1.1　全息成像的基本方程 754

14.1.2　超声全息成像系统 756

14.2　超声显微镜 759

14.2.1　扫描声学显微镜 759

14.2.2　扫描激光声学显微镜 762

14.3　超声CT 763

14.3.1　CT技术的基本原理 763

14.3.2　渡越时间超声CT 764

14.3.3　衰减系数超声CT 765

14.3.4　超声衍射CT 765

14.4　热疗的超声无损温度检测 769

14.4.1　透射法超声无损测温 770

14.4.2　反射法超声无损测温 770

14.4.3　存在的问题和展望 776

14.5　微波热声成像 777

14.5.1　微波热声成像原理 777

14.5.2　扫描方式与图像重建方法 778

14.6　光声成像 782

14.6.1　光声成像原理 782

14.6.2　扫描方式与图像重建方法 783

14.7　超声空化的声学与光学检测及成像 786

14.7.1　超声空化瞬态过程 786

14.7.2　空化的声学检测 790

14.7.3　声致发光检测 796

习题 804

实验 804

参考文献 804