超声中的动态范围

发布时间：

2025-03-12 09:38

超声成像系统的动态范围

从定义来说，超声成像系统的动态范围和其它系统也是类似的：无非是可检测、显示的最大超声信号与最小超声信号之比。对于全数字超声成像系统而言，每个接收通道都有一个把模拟信号转换成数字的AD转换器，AD转换器的位宽是影响超声系统动态范围最主要的因素，很显然，AD的位数越宽（或者说可以表示的数越大），能够转换的最大信号与最小信号比例越大，动态范围也越大；此外，接收通道数，以及超声系统本身的本底噪声对超声系统的动态范围也有比较大的影响；

假定AD转换器位宽为N，接收通道数为K，本底噪声在某些情况下（比如我脸皮突然一厚的时候）可以忽略不计，那么最最理想情况下，系统动态范围应该是6.02*N+1.76+6*sqrt(K)；其中6.02*N+1.76是理想情况下AD贡献的动态范围，6*sqrt(K)是由通道提供的动态范围。目前超声最常用的AD位宽为10-14位，通道数64-256，按照最最理想的情况来算，各种通道数，AD位宽组合时，动态范围大概是这样的：

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结论：

对于从人体浅表，比如皮肤返回的超声波，信号强度大，超声系统不需要把信号放大，这时候系统里起主导作用的噪声是AD量化噪声，幅度小，所以系统动态范围可以接近理想值。
对于从人体中较深位置回来的超声波，信号强度很弱，超声系统一定要搞一个类似“扩音器”的东西把信号放大，同时，系统本底噪声也被一起放得很大，这个对系统动态范围影响是很大的。以我们的系统为例，相对于最理想情况损失大约在20-25dB。

超声图像的动态范围

绝大多数超声成像系统是用灰阶图来显示二维B 图像，灰阶图其实类似于黑白照片，是由黑到白，用0-255共256个由黑到白过度的色度来显示图像。不管超声图像实际动态范围多少，能够显示的灰阶也就是这256个，相应灰阶255（白色）对应图像里的最大信号，灰阶0（黑色）对应图像里的最小信号。

由于成像部位、病人身体条件不同，得到的超声图像实际动态范围差别往往比较大，为了充分利用灰阶，最好是让实际的最大信号显示灰阶为255，而实际的最小信号显示灰阶在0；为此大多数超声系统都会让超声医生根据实际的成像结果选择动态范围；

对于超声医生来说，善于调节动态范围还是比较重要的：

以下三张图，是保持其它条件不变，动态范围分别设为30dB, 50dB, 90dB得到的结果；

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第一张图，动态范围相对于实际的信号范围偏小了：一部分大信号成为亮白，而肌层里面本来应该有信号的地方已经变成全黑；

第三张图，动态范围相对于实际的信号范围偏大；整张图像有一些灰蒙蒙的，缺乏层次；

相对说来，第二张图设的50dB比较合适，没有明显的信号缺失，层次也得到了保证。

最后给两个动态范围调节的TIPS：

1. 动态范围选得太小，实际信号必然有一部分无法显示：部分强信号全显示为亮白，一些弱信号又压成了全黑。如果这部分信号恰好含诊断信息，那就比较糟糕；
2. 动态范围选得太大，256个灰阶只有一部分能用上，尽管信号不会丢失，也不是最优的显示效果，对诊断同样不利。
1. 病人身体条件不好，杂波比较多，可以适当把动态范围变小，甚至可以适度过小，特别是心血管检查；尽管可能会丢失一些信号，但是可以有效地抑制杂波；比如上面三张图，我相信有部分医生会觉得第一张图不错，因为血管腔里的一些杂波被抑制掉了；
2. 不同厂家显示的动态范围值差异很大，最好的办法是不去管显示值是多少，根据需要变大或者变小就可以了。

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