生物醫(yī)學(xué)超聲學(xué)（上下）

前言

　　生物醫(yī)學(xué)超聲學(xué)是一門(mén)年輕并處于蓬勃發(fā)展中的交叉學(xué)科，也是生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)最重要的分支之一。為了滿(mǎn)足西安交通大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)的“生物醫(yī)學(xué)超聲學(xué)”課程的教學(xué)需要，編者于1992年在實(shí)驗(yàn)室多年科研教學(xué)工作積累和本人授課經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上編寫(xiě)了《醫(yī)學(xué)超聲學(xué)——原理與技術(shù)》一書(shū)。該書(shū)由西安交通大學(xué)出版社出版以來(lái)，一直在西安交通大學(xué)和相關(guān)兄弟院校教學(xué)中使用，大家提出了許多寶貴的修改建議。　　近十幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)外的科研人員對(duì)生物醫(yī)學(xué)超聲學(xué)所涉及的醫(yī)學(xué)超聲物理、換能器及材料、電子學(xué)、信息處理與計(jì)算、生物組織超聲定征、圖像處理、超聲生物效應(yīng)與治療等方面進(jìn)行了廣泛深入的研究，新的理論、方法不斷產(chǎn)生和發(fā)展，超聲診斷和治療設(shè)備不斷推陳出新，這大大拓展和豐富了生物醫(yī)學(xué)超聲學(xué)的內(nèi)容和應(yīng)用領(lǐng)域。在這種形勢(shì)下，非常有必要對(duì)這本教材的內(nèi)容進(jìn)行補(bǔ)充和修正，以便既能系統(tǒng)地反映生物醫(yī)學(xué)超聲學(xué)所涉及的基本原理和關(guān)鍵技術(shù)，又能反映當(dāng)前生物醫(yī)學(xué)超聲學(xué)的發(fā)展趨勢(shì)?！　”緯?shū)分為上、下兩冊(cè)，共14章。上冊(cè)包括前7章，可作為生物醫(yī)學(xué)工程專(zhuān)業(yè)高年級(jí)本科生教材。下冊(cè)包括后7章，可作為生物醫(yī)學(xué)工程專(zhuān)業(yè)研究生教材。全書(shū)也可作為從事生物醫(yī)學(xué)超聲研究人員和教學(xué)人員的參考書(shū)。第1章是緒論，簡(jiǎn)單介紹生物醫(yī)學(xué)超聲學(xué)的發(fā)展歷程和診斷、治療超聲設(shè)備的分類(lèi)；第2章對(duì)生物醫(yī)學(xué)超聲物理的基本內(nèi)容進(jìn)行了概念性和結(jié)論性的闡述；第3章內(nèi)容為生物醫(yī)學(xué)超聲換能器的原理、材料、分類(lèi)、結(jié)構(gòu)、輻射聲場(chǎng)與性能測(cè)試；第4章系統(tǒng)討論了描述醫(yī)學(xué)超聲信號(hào)與信道的主要指標(biāo)及其影響因素，介紹了典型超聲發(fā)射和接收處理通道的工作原理；第5章比較系統(tǒng)地介紹了各主要超聲參量測(cè)量的數(shù)學(xué)、物理原理和實(shí)驗(yàn)方法；第6章對(duì)超聲成像的掃描成像原理、波束處理、數(shù)字掃描變換和圖像處理等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了重點(diǎn)介紹；第7章系統(tǒng)介紹了超聲多普勒血流測(cè)量和彩色血流成像所采用的信號(hào)獲取與處理方法、儀器工作原理與結(jié)構(gòu)等；第8章介紹了超聲造影微泡的材料、結(jié)構(gòu)及其聲學(xué)特性，造影成像的數(shù)學(xué)、物理原理與信號(hào)處理方法，以及微血管灌注評(píng)價(jià)、分子成像等方面的內(nèi)容；第9章介紹了超聲彈性成像的數(shù)學(xué)、物理原理和方法；第10章的主要內(nèi)容為生物醫(yī)學(xué)超聲圖像處理；超聲生物效應(yīng)是治療超聲的重要基礎(chǔ)，越來(lái)越多地受到關(guān)注，因此第11章介紹了超聲生物效應(yīng)機(jī)制、影響因素及其研究方法；第12章主要介紹了治療超聲的基礎(chǔ)、原理和系統(tǒng)，其中對(duì)高強(qiáng)度聚焦超聲治療的焦點(diǎn)控制、系統(tǒng)構(gòu)成和治療規(guī)劃等進(jìn)行了詳細(xì)的論述。

內(nèi)容概要

本書(shū)分為上、下兩冊(cè)，上冊(cè)系統(tǒng)地介紹了生物醫(yī)學(xué)超聲學(xué)的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)，包括生物醫(yī)學(xué)超聲的物理基礎(chǔ)、換能器、信號(hào)與信道特性，以及超聲測(cè)量與成像的理論、系統(tǒng)和關(guān)鍵技術(shù)等；下冊(cè)主要介紹超聲造影成像、超聲彈性成像、超聲圖像處理、超聲生物效應(yīng)、治療超聲、醫(yī)學(xué)超聲波微器件，以及其他生物醫(yī)學(xué)超聲技術(shù)的基本理論、方法及應(yīng)用。全書(shū)共分為14章，每章后均配有習(xí)題和參考文獻(xiàn)供讀者練習(xí)、進(jìn)一步閱讀和思考。通過(guò)學(xué)習(xí)本書(shū)，讀者能夠?qū)ι镝t(yī)學(xué)超聲學(xué)的理論和方法有較全面的理解和掌握，并能夠開(kāi)闊視野進(jìn)而提高自己的業(yè)務(wù)水平?！　”緯?shū)可作為高等院校生物醫(yī)學(xué)工程及相關(guān)專(zhuān)業(yè)高年級(jí)本科生和研究生教材，也可供相關(guān)專(zhuān)業(yè)的研究人員和工程技術(shù)人員參考。

書(shū)籍目錄

上冊(cè) 　前言 　第1章 緒論 　　1．1 概述 　　1．2 生物醫(yī)學(xué)超聲系統(tǒng)的分類(lèi) 　　1．3 生物醫(yī)學(xué)超聲學(xué)的發(fā)展歷程及現(xiàn)狀 　　1．4 生物醫(yī)學(xué)超聲學(xué)的發(fā)展趨勢(shì) 　　參考文獻(xiàn) 　第2章 醫(yī)學(xué)超聲的物理基礎(chǔ) 　　2．1 超聲波的一般概念 　　2．2 超聲波的數(shù)學(xué)描述——波動(dòng)方程及其解 　　2．3 界面上波的反射和透射 　　2．4 生物組織的超聲特性 　　2．5 多普勒效應(yīng) 　　2．6 診斷超聲的安全閾值 　　習(xí)題 　　參考文獻(xiàn) 　第3章 醫(yī)用超聲換能器 　　3．1 壓電效應(yīng)、壓電方程與壓電體參數(shù) 　　3．2 壓電振子 　　3．3 壓電材料 　　3．4 診斷超聲換能器的種類(lèi)、結(jié)構(gòu)與特性 　　3．5 超聲換能器的聲場(chǎng)特性 　　3．6 治療超聲換能器 　　3．7 超聲換能器性能的測(cè)定 　　3．8 醫(yī)用超聲換能器新技術(shù) 　　習(xí)題 　　實(shí)驗(yàn) 　　參考文獻(xiàn) 　第4章 診斷超聲信號(hào)、信道與指標(biāo) 　　4．1 診斷超聲信號(hào)與信道概述 　　4．2 超聲發(fā)射信號(hào)形式及其特性 　　4．3 超聲信號(hào)與系統(tǒng)的主要指標(biāo) 　　4．4 超聲發(fā)射通道 　　4．5 模擬超聲接收處理通道 　　4．6 數(shù)字超聲接收處理通道 　　4．7 接收相關(guān)處理與脈沖壓縮技術(shù) 　　習(xí)題 　　實(shí)驗(yàn) 　　參考文獻(xiàn) 　第5章 生物組織超聲參量的測(cè)量 　　5．1 超聲速度的測(cè)量 　　5．2 聲特征阻抗的測(cè)量 　　5．3 超聲衰減的測(cè)量 　　5．4 非線性聲學(xué)參量B／A的測(cè)量 　　5．5 超聲散射的測(cè)量 　　習(xí)題 　　實(shí)驗(yàn) 　　參考文獻(xiàn) 　第6章 超聲成像原理與系統(tǒng) 　　6．1超聲成像概述 　　6．2 超聲波束處理技術(shù) 　　6．3 B型掃描成像 　　6．4 M型超聲成像 　　6．5 其他掃描成像方法 　　6．6 數(shù)字掃描變換器與圖像處理 　　6．7 腔內(nèi)超聲成像 　　6．8 眼科高頻超聲成像 　　6．9 血管內(nèi)超聲成像 　　6．10 三維與四維超聲成像 　　6．11 組織諧波成像 　　6．12 背向散射成像 　　6．13 全數(shù)字化超聲成像系統(tǒng) 　　習(xí)題 　　實(shí)驗(yàn) 　　參考文獻(xiàn) 　第7章 超聲血流檢測(cè)與成像 　　7．1 超聲血流檢測(cè)的物理學(xué)基礎(chǔ) 　　7．2 超聲血流運(yùn)動(dòng)信息提取 　　7．3 距離選通技術(shù)與流速分布測(cè)量 　　7．4 超聲多普勒血流動(dòng)態(tài)譜分析 　　7．5 超聲多普勒血流成像 　　7．6 能量多普勒血流成像 　　7．7 彩色多普勒速度能量血流成像 　　7．8 其他 　　習(xí)題 　　實(shí)驗(yàn) 　　參考文獻(xiàn) 下冊(cè) 　第8章 超聲造影成像 　　8．1 超聲造影劑 　　8．2 超聲造影劑物理特性及成像基礎(chǔ) 　　8．3 納米包膜造影微泡在聲場(chǎng)中的理論振動(dòng)模型 　　8．4 超聲造影成像方法 　　8．5 微血管血流灌注檢測(cè)及定量評(píng)價(jià) 　　8．6 超聲分子成像 　　8．7 與超聲造影微泡有關(guān)的其他問(wèn)題 　　習(xí)題 　　實(shí)驗(yàn) 　　參考文獻(xiàn) 　第9章 超聲彈性成像技術(shù) 　　9．1 概述 　　9．2 生物組織模型 　　9．3 超聲彈性成像主要方法 　　9．4 超聲彈性成像的技術(shù)指標(biāo) 　　9．5 一維位移／應(yīng)變估計(jì) 　　9．6 二維位移／應(yīng)變估計(jì)算法 　　9．7 組織運(yùn)動(dòng)與聲輻射力成像 　　9．8 血管彈性成像 　　習(xí)題 　　實(shí)驗(yàn) 　　參考文獻(xiàn) 　第10章 超聲圖像處理 　　10．1 B型超聲圖像特性 　　10．2 超聲圖像去噪和增強(qiáng) 　　10．3 超聲圖像分割 　　10．4 超聲圖像配準(zhǔn) 　　10．5 超聲圖像三維重建及其可視化 　　10．6 體積測(cè)量 　　10．7 超聲圖像特征提取與組織定征 　　習(xí)題 　　參考文獻(xiàn) 　第11章 超聲生物效應(yīng) 　　11．1 超聲生物效應(yīng)主要機(jī)理 　　11．2 超聲生物效應(yīng)的應(yīng)用及研究進(jìn)展 　　11．3 超聲生物效應(yīng)的研究方法 　　11．4 超聲造影劑與超聲生物效應(yīng)研究 　　11．5 研究舉例：應(yīng)用蛋白質(zhì)組平臺(tái)研究超聲／抗癌藥物／造影微泡誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡的協(xié)同作用 　　習(xí)題 　　實(shí)驗(yàn) 　　參考文獻(xiàn) 　第12章 治療超聲 　　12．1 治療超聲概述 　　12．2 治療超聲的熱學(xué)機(jī)制 　　12．3 治療超聲的空化機(jī)制 　　12．4 超聲治療的工作方式和相關(guān)聲場(chǎng)參數(shù) 　　12．5 治療超聲的非線性 　　12．6 治療超聲的應(yīng)用及其生物效應(yīng)機(jī)制 　　12．7 治療聚焦超聲單陣元換能器焦點(diǎn)控制 　　12．8 治療聚焦超聲相控陣換能器多焦點(diǎn)控制 　　12．9 高強(qiáng)度聚焦超聲(HIFU)手術(shù)治療的應(yīng)用 　　12．10 超聲腫瘤溫?zé)嶂委煈?yīng)用 　　12．11 高強(qiáng)度聚焦超聲止血應(yīng)用 　　12．12 高強(qiáng)度聚焦超聲體外沖擊波碎石應(yīng)用 　　12．13 超聲溶栓應(yīng)用 　　12．14 超聲手術(shù)刀及相關(guān)應(yīng)用 　　習(xí)題 　　實(shí)驗(yàn) 　　參考文獻(xiàn) 　第13章 醫(yī)學(xué)超聲波微器件與系統(tǒng) 　　13．1 超聲波電機(jī) 　　13．2 體內(nèi)微型泳動(dòng)機(jī)器人 　　13．3 微型超聲波換能器 　　習(xí)題 　　參考文獻(xiàn) 　第14章 其他生物醫(yī)學(xué)超聲技術(shù) 　　14．1 超聲全息成像 　　14．2 超聲顯微鏡 　　14．3 超聲CT 　　14．4 熱療的超聲無(wú)損溫度檢測(cè) 　　14．5 微波熱聲成像 　　14．6 光聲成像 　　14．7 超聲空化的聲學(xué)與光學(xué)檢測(cè)及成像 　　習(xí)題 　　實(shí)驗(yàn) 　　參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　第1章緒論　　1.1 概述　　生物醫(yī)學(xué)超聲學(xué)是一門(mén)將物理學(xué)中的聲學(xué)、電子信息工程、材料科學(xué)與生物醫(yī)學(xué)等學(xué)科相結(jié)合而形成的一門(mén)交叉學(xué)科，也是生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)最重要的分支之一。生物醫(yī)學(xué)超聲學(xué)不同于超聲醫(yī)學(xué)，前者是研究超聲波在生物組織內(nèi)的傳播規(guī)律，并加以利用以達(dá)到醫(yī)學(xué)診斷和治療的目的；而后者則是研究超聲波的醫(yī)學(xué)臨床診斷方法。兩者的結(jié)合共同推動(dòng)了超聲波醫(yī)學(xué)應(yīng)用的發(fā)展?！　≌駝?dòng)、波與場(chǎng)的理論是生物醫(yī)學(xué)超聲學(xué)的理論基礎(chǔ)。生物醫(yī)學(xué)超聲學(xué)又包括醫(yī)學(xué)超聲物理和醫(yī)學(xué)超聲工程兩個(gè)方面。醫(yī)學(xué)超聲物理研究超聲波在生物組織中的傳播特性和規(guī)律；醫(yī)學(xué)超聲工程則是應(yīng)用生物組織中超聲傳播的規(guī)律，設(shè)計(jì)制造用于醫(yī)學(xué)診斷和治療的超聲設(shè)備。二者相互依存，共同為生物醫(yī)學(xué)中出現(xiàn)的新問(wèn)題不斷地提供新的方法和設(shè)備?，F(xiàn)代醫(yī)學(xué)超聲系統(tǒng)和設(shè)備是通過(guò)不斷發(fā)展的材料科學(xué)、電子技術(shù)、信息處理方法、計(jì)算機(jī)技術(shù)、制造工藝等領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)，將超聲學(xué)理論應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的結(jié)晶，它是許多學(xué)科最新成就的完美組合。　　生物醫(yī)學(xué)超聲學(xué)一直在不斷地發(fā)展和完善，應(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴(kuò)展，但超聲在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用主要可包括超聲診斷和超聲治療兩大方面?！　〕暡ㄔ谏锝M織中傳播時(shí)，由于組織特性、尺寸的差異，引起聲波的透射、反射、散射、繞射及干涉等傳播規(guī)律和波動(dòng)現(xiàn)象的不同，從而使接收信號(hào)中幅度、頻率、相位、時(shí)間等參量發(fā)生不同的改變。超聲診斷主要利用超聲信號(hào)幅度、頻率、相位和時(shí)間等參量攜帶的生物組織信息對(duì)人體進(jìn)行測(cè)量、成像和診斷。超聲診斷正是通過(guò)對(duì)這些參量進(jìn)行測(cè)量和成像，來(lái)識(shí)別這種差異、判別組織性質(zhì)，進(jìn)而診斷許多器質(zhì)性和功能性疾病?！　‘?dāng)超聲能量作用于生物組織時(shí)，通過(guò)機(jī)械效應(yīng)、溫?zé)嵝?yīng)和理化效應(yīng)使這部分組織溫度升高，血液循環(huán)改善，代謝旺盛，組織軟化，pH變化，化學(xué)反應(yīng)過(guò)程加速，細(xì)胞活性增強(qiáng)。這些變化必然對(duì)這部分組織的機(jī)能狀態(tài)產(chǎn)生影響，同時(shí)也通過(guò)體液傳遞及神經(jīng)系統(tǒng)的反射活動(dòng)，對(duì)遠(yuǎn)距離器官產(chǎn)生影響。被超聲波輻照的組織、細(xì)胞所產(chǎn)生的生物學(xué)效應(yīng)直接與超聲波的聲強(qiáng)和作用時(shí)間有關(guān)。超聲治療主要利用生物體吸收超聲的特性，以及超聲波的生物學(xué)效能和機(jī)理達(dá)到超聲治療的目的?！　〕暤尼t(yī)學(xué)應(yīng)用幾乎涉及人體的每一個(gè)器官，以及每一個(gè)醫(yī)學(xué)的分支領(lǐng)域。對(duì)生物醫(yī)學(xué)超聲的研究正方興未艾，仍在不斷地深入和繼續(xù)，已經(jīng)有許多新的探索和發(fā)現(xiàn)，形成了許多專(zhuān)門(mén)的理論和方法，有的已獨(dú)立成為一門(mén)新的分支學(xué)科。

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