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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/A658

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HIFU690

12.9.3 经肠道HIFU693

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CT763

14.3.1 CT技术的基本原理763

14.3.2 渡越时间超声CT764

14.3.3 衰减系数超声CT765

14.3.4 超声衍射CT765

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