超声无损检测成像技术（精选十篇）
超声无损检测成像技术 篇1
关键词：超声,无损检测,成像技术,SAFT成像
0 引 言
Sokolov于20世纪30年代提出了超声波检测的早期研究,在40年代出现的脉冲回波探伤仪器成为超声波检测技术的重要标识。20世纪50年代初,真正用于医学诊断的超声装置问世。60年代末,由于电子技术、计算机技术和信号处理技术的飞速发展,声成像研究恢复了生机。70年代形成了几种较成熟的方法,大量商品化设备上市,在医学诊断中得到极其广泛的应用,在工业材料超声检测中也逐渐得到应用[1]。现在,超声成像检测技术已经在很多领域发挥着重要的作用。
1 超声检测成像原理
超声成像就是用超声波获得物体可见图像的方法。由于超声波可以穿透很多不透光的物体,所以利用超声波可以获得这些物体内部结构声学特性的信息,超声成像技术将这些信息变成人眼可见的图像。由声波直接形成的图像称为“声像”,由于生理的限制,人眼是不能直接感知声像的,必须采用光学的或电子学的或其他方式转化为肉眼可见的图像或图形,这种肉眼可见的像被称为“声学像”,声学像反映了物体内部某个或几个声场参量的分布或差异。反过来,对于同一物体,利用不同的声学参量,例如声阻抗率、声速或声衰减等,可以生成不同的声学像。
2 各种超声成像方法
2.1 扫描超声成像[2]
扫描超声成像是超声检测数据的视图显示,最基本的超声扫描方式有A-扫描,B-扫描,C-扫描,D-扫描,S-扫描,P-扫描等,它们分别是超声脉冲回波在荧光屏上不同的显示方式。表1是以上扫描方式的显示方法和特点。
2.2 超声波显像
声波是力学波,它会改变传播介质中的一些力学参数,比如质点位置、质点运动速度、介质密度、介质中应变、应力等,液体中还引起辐射压力。利用这些参数变化可以使声波成为可见。1937年,Pohlman制成第一台声-光图像转换器[3]。到目前,最有效而常用的声波显示方法是施利仑法和光弹法。施利仑法的根据是声波导致介质密度变化,而后引起光折射率的改变。光弹法成像原理是超声引起应力,在各向同性固体中,应力产生光的双折射效应,光通过应力区后,偏振将发生变化。80年代,我国著名声学专家应崇福和他领导的小组用动态光弹法系统研究了固体中的超声散射,把这个方法的价值提到了新的高度。在他们的散射研究中,首次目睹了声波沿孔壁爬行,在材料棱边内部的散射和在带状裂缝的散射,还首次窥见了兰姆波和瑞利波,观察了前者在板端的散射,后者绕材料尖角的散射。他们提高了动态光弹法的显示清晰度,80年代前期的光弹照片质量之高在国际上已属罕见。
2.3 超声全息
超声全息是利用干涉原理来记录被观察物体声场全部信息,并实现成像的一种声成像技术和信息处理手段。扫描声全息大致分为两类,一类是激光重建声全息,它是用与入射波同频率的电信号与探测器的输出电信号相加,用叠加信号的幅度去调制荧光屏光点的亮度,在荧光屏上形成全息图。将全息图拍摄下来,再用激光照射全息图,获得重建像。另一类是计算机重建声全息,它是利用扫描记录到的全息函数与重建像函数之间是空间傅氏变换对的关系,直接由计算机计算而实现的重建[4]。
2.4 ALOK法成像
ALOK(Amplituen and Laufzeit Orts Kurren)法即幅度-传播时间-位置曲线法,原理如图1所示。一个自发自收的超声换能器在试样表面按照一定规则进行移动扫描,如果A点是试样内的缺陷,那么在位置1处接收到的回波信号中,在
2.5 相控阵法
超声相控阵技术来源于雷达电磁波相控阵技术,医用B超是最先采用超声相控阵技术的。20世纪80年代初,相控阵超声波技术从医疗领域跃入工业领域。20世纪80年代中期,压电复合材料的研制成功,为复合型相控阵探头的制作开创新途径。压电复合技术、微型机制、微电子技术、及计算机功率的最新发展,对相控阵技术的完善和精细化都有卓著贡献。
超声相控阵系统由超声阵列换能器和相应的电子控制系统组成。超声阵列换能器由许多小的压电晶片(阵元)按照一定形状排列而成的,其内部的各阵元可以独立进行超声发射或接收。在相控阵超声发射状态下,阵列换能器中各个阵元按照一定延时规律顺序激发,产生的超声发射子波束在空间合成,形成聚焦点和指向性[6],如图2所示。改变各阵元激发的延时规律,可以改变焦点位置和波束指向,形成在一定空间范围内的扫描聚焦[5,6]。
2.6 超声显微镜
超声显微镜是利用声波对物体内力学特性进行高分辨率成像研究的系统和技术,是20世纪80年代研制成功的重要的三维显微观察设备,它集现代微波声学、信号检测和计算机图像科学技术于一体,是一种典型的高科技产物。它可以对不透明材料内部层层递进行显微观察,直至表面以下几毫米甚至几十毫米的深度,可以获得丰富的信息;其次是对生物组织可以进行活体检查,可实现生物学家们长期盼望的“活检”[5]。
2.7 合成孔径聚焦成像(SAFT)
合成孔径聚焦(Synthetic Aperture Focusing Technique,SAFT)超声成像是20世纪70年代发展起来的一种比较有潜力的成像方法,它以点源探头在被测物体的表面上扫描,接收来自物体内部各点的散射声信号并加以存储,然后对不同接收位置上探头接收的声信号引入适当的延迟并进行叠加,以获得被成像点的逐点聚焦声学像。在超声检测中,常用聚焦探头来提高检测的分辨率。在焦点上超声波的束径b与声波波长λ、焦距F及探头尺寸D之间有:b=1.03λF/D,频率越高,探头的孔径越大,检测的分辨率就越高。合成孔径聚焦技术就是用信号处理的方法使小孔径的换能器阵列具有大孔径阵的指向特性的功能,实现高分辨率成像。当一个超声收、发的探头沿直线移动,每隔距离d发射一个声波,同时接收来自物体各点的散射信号并加以储存。根据各成像点的空间位置,对接收到的信号作适当的声时延或相位延迟后再合成得到被成像物体的逐点聚焦成像,这就是合成孔径聚焦成像技术[5]。SAFT成像的分辨率高,能在近场区工作,并能实现三维成像。
2.8 衍射时差法(TOFD)超声成像技术
TOFD(Time Of Flight Diffraction)检测技术通常采用一发一收并且角度相同的双探头模式,利用缺陷尖端的衍射波信号探测和测量缺陷尺寸。检测过程中,激发探头产生的宽角度纵波基本可覆盖整个检测区域[7]。TOFD对于焊缝中部缺陷检出率很高,容易检出方向性不好的缺陷,可以识别向表面延伸的缺陷,使用横向TOFD模式时,特别是在信号处理的帮助下缺陷定量很准,线形模式下的定量精度也可以接受,和脉冲反射法相结合时效果更好。
2.9 超声CT(Computed Tomography)成像
英国从事超声成像的专家P.N.T Wells在2000年的论文《超声成像技术的现状与未来》中指出:在最近的十几年里,有关超声成像技术的研究在医学成像领域至少占25%以上的份额,并且这种趋势还在继续增长。超声CT 技术发展于医学并取得了成功,此外还用于工业材料的无损检测、航空航天、军事工业及钢铁企业等高科技领域或部门;CT 还在地球资源勘探、地震预测预报、地质构造等方面有广泛而深入的应用[8]。超声CT 总的发展趋势是向着高速、清晰、可靠方向发展,即数据采集、成像速度更为快捷,重建图像具有更高的空间分辨率、密度分辨率,图像更为清晰、可靠。此外,如何在数据缺损时或根据很少的投影数据能够很好地重建图像,也是未来CT 必须解决的问题。重建三维图像是CT 的又一发展趋势[9]。
3 超声检测成像的发展方向
当今世界很多国家都越来越重视无损检测技术在国民经济各部门中的作用,超声无损检测成像技术大多有自动化和智能化的特点,超声成像是定量无损检测的重要工具,在各种探伤手段中,应用超声手段来检测缺陷是目前各国正在探索的一个重点。目前,人们仍在致力于很多方面的研究,如声逆散射理论、新成像机制、神经网络、模式识别等信号处理理论、优质超声探头和其他超声成像元件等。本文所阐述的几种成像技术只是众多进步的代表。超声无损检测技术伴随材料与工业技术的发展而发展,并随着人们对产品质量与安全性的不断重视而得到进一步提高。
参考文献
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超声无损检测成像技术 篇2
现如今的TOFD超声成像检测技术操作,已经在压力容器检测中得到了高度的肯定,为了在日后工作的开展上创造出更高的价值,必须加强探头的合理选择,这是非常基础的工作,而且产生的影响力较为突出。例如,针对75mm以下的工件进行检测分析,主要是通过单探头扫描的方式来完成的,或者可以在检测的过程中,结合相关的标准来进行灵活选择。值得注意的是,奥氏体材料、高衰减材料是比较特殊的材料,应坚持在探头的公称频率方面,以及晶片的尺寸方面,开展有效的调整,从而避免在TOFD超声成像检测技术的应用效果上造成不利影响。
3.2增益调整
就TOFD超声成像检测技术本身而言,在对压力容器开展检测的过程中,还需要在增益方面做出良好的调整。从客观的角度来分析,增益调整是TOFD超声成像检测技术的重要组成部分,而且在最终结果方面具备很大的影响力。在大多数的情况下,单个TOFD超声成像检测技术探头组的应用过程中,主要是在增益的设置过程中,将表面波的波高达到满屏高的40%-90%之间。通过开展这样的调整工作,能够促使TOFD超声成像检测技术的体系更加健全,在应对各项问题的处理过程中,不断的创造出更高的价值。
3.3技术测试
现如今的TOFD超声成像检测技术应用,对于压力容器检验产生的帮助是比较多的,而且整体上创造的价值相对突出。本文认为,TOFD超声成像检测技术的实施,还需要在测试力度上有所提升。例如,在TOFD超声成像检测技术的应用过程中,要充分考虑到压力容器的自我更新状态,以及压力容器的材料更新等等,不同工厂对于压力容器的需求存在很大的差异性。此种情况下,如果在TOFD超声成像检测技术的应用过程中,继续按照单一的标准来实施,不仅无法得到理想的成绩,还会导致压力容器检验的结果存在偏差和不足,最终造成的损失非常严峻。
4结语
我国在压力容器检测过程中,正在不断拓展TOFD超声成像检测技术发展的空间,以便创造更多的经济效益和良好的社会效益。日后,应继续在TOFD超声成像检测技术方面进行深入研究,不断提高我国压力容器检测水平。
参考文献:
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超声无损检测成像技术 篇3
【摘要】近年来，乳腺疾病发病率呈上升趋势，乳腺疾病筛查作用日益突出。超声检查具有无创、价格低廉等特点，是依据组织内部弹性特征不同而出现的一种新型超声技术，能对乳腺实行病变无创性检查，本文对弹性成像原理、图像分析方法、临床应用及展望等作一综述。
【关键词】弹性成像 超声 技术诊断
乳腺由腺体、腺管、脂肪组织组成，乳腺疾病发病率因人种、年龄、生育情况、内分泌等因索不同。超声可筛选乳腺肿块的良恶性，为乳腺癌普查提供了一种简便、安全而有效的检查方法。超声弹性成像技术是一种新的超声显像技术，通过检测施加外部压力所致组织变形和扭曲程度来反映被检测组织的弹性程度即硬度。采用自相关综合分析法，根据压迫前后回声信号移动幅度的变化获得图像，以灰阶或彩色编码表现，该技术为鉴别乳腺肿块的良恶性提供了新途径，提高了确诊率。
1UE的基本原理
1991年Ophir等首先提出“弹性成像”的概念。弹性成像的基本原理是根据各种组织的弹性系数（应力/应变）不同，在受外力压迫后组织发生变形的程度也不同，把受压前后回声信号移动幅度的变化转化为实时彩色图像；弹性系数小、受压后位移变化大的组织显示为红色，弹性系数大、受压后位移变化小的组织显示为蓝色，弹性系数中等的组织则显示为绿色，从而借图像色彩反映组织硬度。
2UE图像分析方法及其临床应用
2.1定性诊断
2.1.1弹性评分法
最早的评分法是源自日本Itoh评分系统（共5分），1分：病灶整体发生形变，弹性图整体为绿色；2分：病灶大部分形变，小部分无形变，弹性图为绿色和蓝色相间的网格状；3分：病灶边缘变形但中心无形变，弹性图中心为蓝色，周边为绿色；4分：病灶全部无变形，弹性图整体为蓝色；5分：病灶全体和周边均无变形，弹性图病灶和周边均为蓝色。其他还有日本筑波大学植野教授提出的5分法和罗葆明等的改良5分法等。
2.1.2弹性应变率比值法
UE技术的诊断与人工施加外力或与患者呼吸运动相关。弹性图评分可受操作者主观认识的影响，相同条件下不同操作者对同一病灶可给出不同评分。通过测量“应变率”（应变指数、弹性比值）可进一步减少上述影响因素的干扰，首先测量病变部位的平均应变值，然后将其与乳腺旁相似区域平均应变值相比较得出应变指数，此值即为应变率，反映病变组织相对硬度，恶性病变应变指数高于良性病变。面积比是分别测量病灶在弹性图及二维图的面积，软件自动算出二者面积比值，通过良恶性病灶面积比差异对病灶进行定性分析。
2.1.3面积比值法
面积比是将UE图上乳腺肿块面积与灰阶图像上面积相比，浸润性导管癌在UE图上大小较其在灰阶声像图上大，可能与恶性肿瘤周围的结缔组织增生反应而导致硬度增加有关。Leong等提出，将面积比的临界值设为1.2时，UE对恶性肿瘤的敏感性可高达100%，但对某些类型良性肿瘤的特异性较灰阶超声差，如无明显包膜形成的纤维腺瘤。孙卫健等对72例乳腺肿块患者进行UE研究，当面积比为1.5时，诊断乳腺恶性肿瘤的敏感性为82.8%、特异性为87.8%、准确性为81.1%。吴文娟等研究结果显示，弹性面积比值>1.5为界，UE诊断乳腺肿块良恶性的敏感性为82.4%，特异性为92.7%，准确性为90.3%。当前使用的二维超声仅能显示病灶形态、结构，对病灶与周围组织的关系显示不佳，但UE技术有较大优势，尤其是恶性病灶对周围组织牵拉形成的毛刺在弹力图上显示更清晰，且弹性应变率之比及面积比减少了操作者主观因素影响，为乳腺疾病提供了相对客观的诊断指标。
2.2定量诊断
2.2.1脉冲辐射力弹性成像
此技术通过超声给组织施加局部辐射压力，组织受到辐射力的推动产生一定纵向位移及横向位移应变，经检测组织单位时间内横向位移，反映出病灶硬度，以单位（m/s）表示剪切波传播速度。剪切波传播速度越快表示病灶质地越硬，恶性程度越大；剪切波传播速度越慢表示病灶质地越软，恶性程度越小。脉冲辐射力弹性成像技术包括声触诊组织成像技术和声触诊组织定量技术。
2.2.2剪切波弹性成像
剪切波弹性成像是利用声辐射力技术产生剪切波，然后通过超高速成像技术获得剪切波图像，将弹性成像图经过彩色编码后叠加在二维灰阶图上，较硬的组织显示为红色，较软的组织显示为蓝色。进行乳腺检查时可根据情况在0～180 kPa量程下调解。Tamer等研究结果显示，剪切波弹性成像技术可对乳腺良、恶性病变及囊性病变的相对硬度进行量化检测。黄炎等研究结果显示，利用弹性最大值诊断乳腺良恶性病灶，以60.12 kPa作为诊断界点时敏感度和特异度分别为90.5%和88.3%。
3结语
UE作为一种新的成像技术，正在不断探索与研究中，应用于乳腺、甲状腺等各种器官病变的诊断及鉴别诊断，进一步丰富了诊断信息，拓宽了超声诊断思路，使现代超声技术更完善。由于生物组织构成的复杂性及疾病组织病理特征的多样性，病变的弹性特征也呈现多样性，且不同超声弹性检测技术可能存在不同技术缺陷，因此要选择适当的测量方法优化弹性分级参数、辨别及分析伪像的产生。
参考文献：
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超声无损检测成像技术 篇4
1 超声波CT检测技术的主要原理分析
超声波CT检测技术的基本原理, 是通过超声脉冲进行发生超声弹性脉冲波, 这种脉冲波会被检测仪器接收, 通过观察脉冲波在砼内传播时所产生的变化, 来判断砼内是否存在不连续的区域, 或是出现破损, 从而做到无损检测。而通过对脉冲波的频率变化、波形变化以及反射变化, 来观察检测区域内桩基的密实度, 从而判断该桩基是否按照相关规定进行建设, 并且建设的质量也能够得到有效的检测。
在得到有关数据后, 需要将脉冲波的数据转变为图像, 从而得到更加直观的质量检测结果。此时就应用到了CT层析成像技术, 该技术主要是在得到数据后, 通过射线追踪和反演的迭代运算, 得出检测桩基的波速场, 通过波速场进行二维与三维图形的绘制, 绘制需要在计算机的帮助下进行。CT层析成像技术能够清晰的展现桩基内部的物理特征并进行几何成像, 能够直观的、清晰的感受到桩基的优缺点。
2 超声波CT成像技术的优势与局限性
2.1 无损性
超声波CT成像技术的主要优势, 就是在检测过程中不会造成桩基的损坏, 且由于超声波CT成像技术的高科技技术能力, 使得检测过程既没有破坏桩基, 还能够对桩基进行全面的检测, 通过较为简单的操作方式, 在较短的时间内, 得到桩基内部的检测结果, 既不影响工期, 还能够直观的看到桩基内部的问题。
2.2 便捷性
超声波是一种具有弹性的机械波, 能够通过物理检测探测和观察, 在固体介质的传输当中应用十分广泛, 而超声波CT成像技术在进行桩基检测过程中, 能够在仪器非常轻便、具有高度抗干扰能力的情况下进行检测, 且在检测过程中随时能够看到检测的图像结果, 做到结果直观可靠。
2.3 局限性
超声波CT成像技术在进行桩基检测过程中, 需要在桩内进行预埋管的预埋, 利用预埋管接收和传输声波, 因此在进行缺陷的显示时, 超声波的结果容易受到影响, 并在进行保存时不易保存, 此时检测时就需要经验丰富的检测人员进行判断, 或是检测的区域厚度较大时才能够有效成像。
3 超声波CT成像技术的检测方法
超声波CT成像技术在检测过程中, 主要以回波法、投射法两种方法进行检测, 而在得到相关参数后, 则通过PSD判别法、声速判断法、波幅判断法进行判断和检测。
3.1 检测方法
检测方法主要分为回波法和透射法。回波法是用于金属结构等均匀介质中的应用方法, 而本文所研究的桩基检测, 由于并非均匀材质, 则采用透射法进行检测, 通过透射法检测混凝土和钢筋建筑, 则要从建设阶段开始, 首先需要在桩基内部安放预埋检测管, 预埋检测管中需要放置足量的清水, 清水在桩基建设完成后, 将作为耦合剂利用于检测当中。接下来要在桩基外部找到声测管, 并在管的两侧放置超声波CT检测仪器, 主要分为超声波发射探头和接收探头, 并开始检测。首先发射探头发射出超声脉冲波, 并主要由接收探头进行接收, 随着超声波的主频率、波形、频谱等数据出现变化, 当超声波穿过桩基后, 就会出现一系列的参数, 并且随着超声波的不断穿过, 超声波就会出现散射、衰减等现象, 从而出现不同的数据和参数, 进而将桩基内部的缺陷情况、缺陷位置通过参数的形势进行表现。
3.2 判断方法
桩基是由混凝土、钢筋等组成的, 属于多孔非均质为基础的建设结构, 其建设质量与构成材料有非常大的关联。在通过超声波进行检测, 得到参数后, 还需要对这些参数进行判断, 选择出具有问题的参数并进行研究, 从而得出具体的图像。目前应用较为广泛的判断方法有三种, 分别是PSD判别法、声速判断法和波幅判断法。
(1) PSD判别法:PSD判别法:在进行桩基检测时, 超声波CT成像技术所要应用的声测管并非是与桩基完全平行的, 且在进行建设时, 桩基的混凝土均匀程度不同, 为此桩基本身的超声波检测时间就有所偏差, 所得参数也就有所差异。通过PSD判别法进行判断, 能够将参数中的偏差值排除, 仅仅将具有质量问题的参数保留, 从而准确的呈现出桩基的内部质量问题。
(2) 声速判断法:声速判断法利用了桩基自身具有的弹性模量性质, 将超声波的传播速度与弹性模量性质联系在一起, 利用判断桩体质量的波速、并与超声传播过程中波速变化较大的几率进行判断, 通过计算得出桩基出现密实度不同的位置, 从而判定桩基混凝土结构的质量。声速判断法的主要应用原理, 是观察和截取与桩基质量相同传播速度不同的参数位置, 将其判断为质量问题区域, 并进行成像。
(3) 波幅判断法:在桩基检测过程中, 波幅的接受主要指首次超声波发射后的波幅, 即首波波幅。如果桩基的内部质量差异非常大, 则会在检验过程中出现较大的波幅变动。通过检测波幅, 就能够较为直观的感受到桩基内部的不同质量和密实度, 因此波幅判断法是检测桩基过程中应用最为广泛的方法。
在桩基的检测过程中, 如果接收探头接收到的波幅不足平均能量的1/2, 就可以判断出此区域存在质量异常, 而如果该桩基的质量均匀, 桩基检测的波幅就是均匀和规则的, 能够观察到声时曲线为直线, 不存在折点, 也就意味着不存在质量问题, 但如果桩基内部某一深度出现质量缺陷, 则会导致波幅的明显变化, 主要以波幅衰减为主要现象。如果桩基内部的质量问题较为严重, 例如出现断桩、夹层等, 则会造成波幅出现不规则变化, 并且出现明显的波幅衰减。
4 总结
桩基是建筑建设的基础, 也是未来建筑安全使用的保障, 是建筑的“主心骨”。桩基在建设完成后, 需要通过高效的检测方法进行质量检测, 及时确认桩基的建造质量, 保障建筑建设的安全性。传播桩基检测方法是通过钻孔等方式进行, 检验结果具有局限性, 还对桩基造成了一定的损害。通过超声波CT成像技术进行检验, 不单单能够杜绝检验对桩基的损害, 还能够保证检验的科学性和可靠性, 最大限度的保障了桩基建设的质量。
参考文献
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超声无损检测成像技术 篇5
0 引言
超声检查应用领域随着其技术水平的不断提高，产科超声检查观察胎儿的项目也更加详细，四维超声成像具有任意平移和旋转的特征，能从任意角度对病变进行更细致的观察，使诊断更加准确、直观，使孕妇及临床医生容易接受，对围产医学、优生优育工作具有极其重要意义。
1 资料与方法
1.1 一般资料
2012 年4 月至2014 年12 月在笔者所在医院四维超声检查的孕周22~26 周，790 例孕妇的胎儿颜面部进行四维超声成像，并对成像结果进行记录，发现唇裂者四例，患者的平均年龄为26 岁，所有患者均入我院进行追踪随访，并在引产及产后得到证实。
1.2 方法
仪器为麦迪逊AccuvixV20 彩色多普勒超声诊断仪。四维容积探头，探头频率3.3~6.0 MHz，采集图像时，患者平卧位充分显露检查部位，首先用二维超声常规检查胎儿颜面部，观察胎儿唇部形态，然后再切换四维容积采集框，为使四维成像清晰，尽量避免探头移动和嘱咐孕妇不要动，为了增加感兴趣区部位羊水量，可通过孕妇改变体位获得，在胎位不正或枕前位孕妇，胎儿颜面部显示不清晰时，可让孕妇休息走动片刻或隔日再进行检查，在重建过程中，需调整X、Y、Z 轴在ABC 三断面上，选择感兴趣区域，以获得满意图像。
2 结果
790 例胎儿中能获取满意胎儿面部及唇部图像728 例，显示率约92%。约8%由于胎儿正枕前位，或者面部周围无羊水，紧贴宫壁或胎盘，胎头固定俯屈人盆等因素不能清晰显示胎儿颜面部。诊断唇裂4 例，所有胎儿均产后证实。正常胎儿口唇轮廓清晰完整，闭嘴时两唇间呈线状回声。张嘴时成“O”型，上唇上方可见鼻尖两侧鼻翼形成三角形，鼻子上唇横断面呈完整清晰的弧形光带。本组胎儿四维超声检查发现冠状面上唇连续性中断，横切面见胎儿类似牙槽突回声连续中断正常弧形消失。其中侧唇裂3 例(2 例为单侧唇裂，1 例为双侧唇裂)，1 例为正中裂( 上唇完全裂)，4 例唇腭裂患者有3 例合并羊水过多，最大液深85~93 mm，唇裂口5~12 mm，上颚裂开直通鼻腔，鼻翼塌陷，裂口处牙槽相对后缩形成“错位”征象。1 例合并侧脑室偏宽10 mm，1 例合并胎儿心律不齐。
3 讨论
超声无损检测成像技术 篇6
关键词：红外热成像技术；植物病害监测；侵染性病害；非侵染性病害；改进方法
中图分类号： S431.9文献标志码： A文章编号：1002-1302（2014）09-0001-04
收稿日期：2013-11-28
基金项目：国家自然科学基金（编号：3117169、31271874）。
作者简介：陈斌（1960—），男，江苏镇江人，博士，教授，研究方向为食品与农产品无损检测技术。E-mail：ncp@ujs.edu.cn。自然界中的植物在生长发育的过程中总是会遭受真菌、病毒等生物因素的侵染或干旱等不利非生物因素的影响，使得其生长发育受到阻碍，产量降低，品质恶劣，甚至造成死亡。如果及时对病害进行检测，尽可能在初期消除病害，则可以减少一定的经济损失，保证产品质量。
目前，判断植物是否受病害胁迫主要是通过人工感官判定和理化检测[1]，但是人工感官判定易受一些主客观因素的影响，而理化检测步骤繁冗，会造成植物体破损。红外热成像技术对温度具有高敏感性，能在线检测物体表面温度，在电气[2]、航空[3]和医学[4]等领域已有比较成熟的研究成果并已经被实际运用。随着热成像技术的进一步发展，其应用领域也在不断拓宽，例如红外热成像技术在植物病害检测中的应用就是一个新的方向，也将逐渐成为一个新的研究热点。
本文通过对近年来红外热成像技术在植物病害检测方面的研究进行归纳分析，并从4个不同方面进行介绍：（1）红外热成像技术用于植物病害检测机制的研究进展；（2）红外热成像在非侵染性病害，主要是干旱胁迫方面的研究进展；（3）红外热成像在侵染性病害，主要是病毒、真菌胁迫方面的检测研究进展；（4）红外热成像技术应用于植物病害检测领域所存在的问题及改进方法。通过以上分析，以期进一步推动红外热成像技术在植物病害监测领域的研究进展。
1红外热成像技术用于植物病害检测的机制
当植物遭受非侵染性病害时，膜结构遭到破坏，植物代谢紊乱，水分调节失调。党云萍等详细介绍了水分胁迫下气孔的运动特点及其机理[5]；Hirasawa等指出，水分胁迫会导致叶片气孔非均一性关闭[6]；Nayyar等指出，低温胁迫会促使内源ABA含量迅速上升[7]；马媛媛等介紹了低温胁迫会导致植物细胞水平功能紊乱[8]。
当植株遭受侵染性病害时，细胞膜透性会发生变化[9]，叶肉细胞内水分会更易丢失，从而引起控制气孔运动的保卫细胞水势变化[10]，使得气孔发生异质性开闭；此外，有些真菌会破坏表皮细胞而使气孔异常开放[11]，也有些真菌会分泌H2O2而使气孔异常关闭[12]，而遭受病原物侵害的植物本身也有系列防卫反应，如水杨酸（SA）[13]和脱落酸（ABA）[14]等物质的积累会引起气孔异质性开闭[15-16]。总体看来，植物不管是受到非侵染性病害还是侵染性病害胁迫，叶片气孔均会异常开闭。
植物通过蒸腾而散失的水分中90%以上是通过气孔散失的，气孔异质性开闭会直接引起气孔导度和蒸腾强度等生理指标的改变，使得叶片表面热量损失的程度大小改变，继而造成叶表温度异常变化[17]，而叶温变化常被用来监测诊断植株的受胁迫情况[18]。病情和病害种类不同，蒸腾强度会增强或降低[11]，继而病害部位温度与健康部位相比会下降或上升。
2红外热成像在植物病害检测中的应用
2.1红外热成像用于非侵染性病害检测
气孔变化对植物水分亏缺相当敏感，气孔导度值是一个很好的反映植物水分状况的参数，当植物遭受干旱胁迫时，气孔关闭，蒸腾作用下降，叶温升高，利用红外热成像技术可以获取植物冠层温度，从而间接反映植物水分胁迫，根据气孔导度值适时灌溉，可以避免叶片萎蔫而引起的作物产量下降，更重要的是，可以实时监测植物的水分状况，从而开展适时适量的灌溉预报，对于实现农作物生产可持续、稳产、高产具有一定的实际意义。
红外热成像技术可以用于估测气孔导度，Leinonen等利用热成像仪获取干旱胁迫下葡萄树的冠层温度，采用能量平衡、干参考面及干、湿参考面结合3种方法估算气孔导度[19]；Jones在利用热成像仪估测干旱胁迫下葡萄树的气孔导度时，提出新的计算被遮住叶片的胁迫指数的方法，从而为获取行间作物或树木干旱胁迫指数的方法研究做出了贡献[20]；Jones对红花菜豆植株进行不同水分浇灌，并基于热成像获取的冠层温度计算胁迫指数，结果表明该指数与气孔导度呈线性相关[21]；Zarco-Tejada等认为，热成像仪获得的冠层温度是用来估测气孔导度的最好参数[22]。总体看来，热成像仪能够遥感监测大面积作物，并快速获取其气孔导度值，从而做到及时灌溉，符合精细农业的发展理念[20]。
进一步研究发现，根据冠层温度制定最优灌溉制度有一定的局限性[23]，于是基于冠层温度的表征植物受水分胁迫程度的作物水分胁迫指数（CWSI）得到了广泛研究。Ben-Gal等对橄榄树进行了5水平灌水量处理，并根据冠层温度计算CWSI，发现CWSI与水分状况存在显著非线性关系[24]；程麒等对2个棉花品种进行4水平水分处理，发现CWSI与光合参数Pn、Gs、Tr呈极显著负相关关系[25]；Nielsen获取不同水分条件下大豆的CWSI，以指导大豆适时灌溉[26]。从这些研究可以看出，红外热成像能很好地监测植株是否受干旱胁迫，但无法得知其具体所需灌水量，并且各种外界干扰使得采集的红外热成像图效果不理想。表1列举了红外热成像仪在植物抗旱方面所做的研究进展，对于红外热成像仪在低温冻害、杂草等其他非侵染性病害方面的研究没有很大实际意义，这里不加赘述。
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2.2红外热成像技术用于侵染性病害检测
真菌和病毒等病原微生物对植物的侵染是一个主动的过程，它们可以通过本身所分泌的酶、毒素等来达到侵染的目的，也可以通过直接进入植物体内并大量繁殖而对植物造成伤害。此类病害具有传染性，一旦一株或小块区域植株遇害，如不采取措施，就会大面积传播。
在病原物侵染植物后，寄主植物光合作用速率降低，呼吸速率显著增加，体内水分状况以及植物激素水平发生明显变化；然后，植物叶片表现黄化、坏死、腐烂、萎蔫、畸形等可见症状。在日常管理中，一般可根据植株表现出的可见症状进行防治，但此时病害往往已经相当严重。若利用热成像技术，根据受侵染叶片在未显症状时的叶温变化，可以尽早检测出病
表1热成像仪在植物抗旱方面的应用
植物品种试验结果葡萄树利用冠层温度估测气孔导度胜过利用气孔计测量[19]葡萄树冠层温度能区分灌溉组与不灌溉组[23]葡萄树
不充分、调亏灌溉、局部根区干燥中调亏灌溉组冠层温度最高，受干旱胁迫最重[27]葡萄树
干旱初期，不灌溉组冠层温度明显高于充分灌溉[28]葡萄树、羽扇豆基于冠层温度的热指数与气孔导度强烈相关[29]葡萄树利用冠层温度估测气孔导度有优点也有缺点[30]红花菜豆利用不同方法计算胁迫指数，寻求最优方法[21]橄榄树
利用冠层温度计算气孔导度和CWSI，前者与其实测值、后者与其经验值相关性良好[17]橄榄树测量值与CWSI有强烈的非线性关系[24]棉花水分胁迫与水分胁迫指数（CWSI）成反比[25]棉花
裸露土壤对冠层温度影响大于叶面不同取向对其影响[31]棉花、大豆CWSI经验值可以用于指示水分胁迫情况[32]大豆
根据不同CWSI值进行灌溉以探索不同水分亏缺下的具体灌溉量[26]甘蔗
叶温是筛选耐旱品种的一个指标，耐旱品种的叶温平均较不耐旱品种低2.2 ℃[33]玉米
在干旱胁迫时，玉米苗期叶片温度变化可以显著反映玉米苗期的耐旱性[34]
害从而及时采取相应的防治措施，因此，应用热成像技术有望对侵染性病害实现早期检测，目前用红外热成像早期检测侵染性病害的情况见表2。表2红外热成像用于早期检测侵染性病害
品名生物因素试验结果（显症前）黄瓜叶霜霉病（Pseudoperonospora cubensis）感病区域温度比健康区域低0.8 ℃，1 d后症状可见[8]黄瓜叶枯萎病（Fusarium oxysporum）感病初期，脱落酸引起气孔关闭，叶温上升[13]苹果树结痂病（Venturia inaequalis）感病叶片局部区域温度下降，随着病情发展，最大温差增大[35]小麦叶锈病（Puccinia triticina）、叶斑病（Septoria tritici）感病组与健康组冠层温度相差不明显[36]烟草花叶病（tobacco mosaic virus，TMV）选用抗病烟草，感病区域温度高，8 h后出现可见病斑[37]烟草霜霉病（Peronospora tabacina）感病叶片温度比健康叶片高0.1～0.2 ℃[38]葡萄树霜霉病（Plasmopara viticola）感病部位温度升高，在夜间，感病部位气孔孔径增大[39]甜菜褐斑病（Cercospora beticola）感病叶片局部区域温度下降，约0.5d后，出现可见病斑[40]番茄叶花叶病（tomato mosaic virus，ToMV）感病叶片温度低于健康叶片0.5～1.2 ℃[38]
植物感病后，叶温在显症前会升高[37]或降低[36]，使得利用红外热成像技术对病害进行早期检测成为可能。热成像技术在侵染性病害检测方面的研究较少，如黄瓜[9]、烟草[38]和葡萄树[39]霜霉病，烟草[37]和番茄[38]花叶病，苹果结痂病[35]，小麦叶锈病[36]及甜菜褐斑病[40]，但仅有的这几个研究达成了一个共识，即红外热成像可以在病害显症前检测出病害（图1），至于该技术具体可以在何时检测出病害以及温度变化与病害程度的具体关系等都不十分明确。此外，Lenthe等针对田间小麦感染叶锈菌（Puccinia triticina）和壳针孢（Septoria tritici）的情况，利用热成像技术检测其冠层温度，发现病害区域同健康区域的冠层温度并无明显差异，这说明热成像技术并不适合用于任何植株的侵染性病害早期检测[36]。徐小龙对温室大棚中的番茄叶接种TMV，在显症前，热成像仪均
能观察到病害区域较正常区域叶温下降，但是采集黄瓜叶片热图像时选用棕色硬纸板作为背景色，为获取稳定热图像而进行变温试验，这无疑限制了热成像技术将来在大田病害检测中的推广应用[38]。綜合上述研究，在温室内，红外热成像能很好地将显症前的感病组同健康组区分开来，但将其投入到实际应用中还有必要作进一步研究与改善。
3红外热成像在植物病害检测中应用存在的问题及其改进方法3.1热红外成像研究领域存在的主要问题
热红外成像研究领域中存在的问题归纳起来有以下几点：（1）被动式热成像（不需要任何激励源）是热成像应用于植物病害检测研究的主要方法。但当被测物自身处于热平衡或其存在环境辐射温差很小时，仅靠热像仪往往无法获得所需的温度场信息[41]；（2）主动式热成像（加载如闪光灯、激光等激励源）虽然能克服被动式热成像的局限性，但加热或冷却又可能会破坏植物叶片的物理或化学性质[42]，而且叶片能量很容易达到平衡[43]，这样反而失去了主动式热成像的优越性；（3）光照、风吹等外部噪声易引起叶片表面温度分布不均匀，从而对病症区域产生干扰。因此到目前为止，关于热像仪在植物病害检测上的研究都是在可控条件下进行的，想要获得准确的热成像图，背景单一、控制温湿度以及远离强光和高温热源等这些条件是必须保证的。
3.2检测方法的改进
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3.2.1主动式热成像技术主动式热成像技术是从热传导方程出发，得出热波是随时间变化的温度场的结论，研究的是周期、脉冲、阶梯等变化性热源与媒介材料及几何结构之间的相互作用。当损伤部位与完好部位发射率差异很小时，主动式热成像较被动式热成像有明显的优势，目前它在食品行业的应用研究还只是停留在苹果早期机械损伤的检测研究中[44]，在植物病害的检测研究中尚无相关报道。
3.2.2红外图像处理技术物体缺陷部位与完好部位的热物性参数一般相差不大，所得的热图像往往缺少层次感，再加上红外探测器本身探测能力和空间分辨率的限制，以及易受外界环境随机干扰的特点，即使有通过主动式红外成像提高对比度[44]的方法，但得到的热图像仍然存在缺陷部位对比度差、图像边缘模糊、信噪比较低等缺点，有时甚至很难看清目标，因而有必要对红外热图进行图像增强处理。石颖桥阐述了基于小波分析的红外图像非线性增强算法，提出了针对弱红外图像的综合增强处理方法[45]；朱圣盼对感染黄瓜花叶病毒的西红柿植株进行了基于小波变换的红外图像处理[46]。
3.2.3热成像与光谱成像的结合使用红外探测器与可见光探测器的成像原理不同，两者得到的图像信息具有互补性。杨龙等从红外热成像与可见光图像融合的理论层面详细介绍了两者融合的主要关键技术[47-49]；Mōller等则从应用的角度利用红外热成像与可见光成像共同监测葡萄树的水分状况，以期指导作物适时浇灌[50]。
不能区分不同的病害是通过提高红外热成像的精度所无法改进的缺陷，结合能提供宽波段光谱信息的高光谱是一种有效方法。目前基于高光谱成像技术的植物病害识别的研究较多，如小麦病虫害[51]、茄子灰霉病[1]、水稻稻瘟病[42]以及烟草黑梗病[52]等。高光谱成像技术与红外热成像的结合使用已在航空远程监测中得到推广，在植物病害检测领域的研究已开始应用于棉花干旱胁迫状况等方面[53-54]。
4结语
红外热成像技术应用领域广泛，有着检测表面缺陷与内部缺陷、观测面积大、测量快速直观等优点，尤其适合于远程监控植物的蒸腾作用，有望对大面积水稻、小麦等农作物的生长情况、有无病虫害等方面提供可靠而及时的情报。目前，红外热成像技术在植物病害检测方面的应用研究处于初级阶段，存在很多的问题和局限性，但该技术能很好地对作物水分信息实时监控，能在显症前检测出侵染性病害，因而做好这2个方面的研究对于推动精细农业技术的发展意义重大。
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超声无损检测成像技术 篇7
l资料与方法
1.1一般资料
选取2009年12月-2013年12月我院收治的乳腺肿瘤患者192例, 共192个乳腺肿瘤, 均为女性, 年龄21~68岁, 平均年龄41岁。按年龄将患者分为21~35岁组、36~50岁组、51~68岁组, 所有病例均经手术病理证实, 其中乳腺癌66例, 良性肿瘤36例。所有病例均在术前行常规灰阶超声、超声“萤火虫”成像检查。
1.2仪器与方法
使用彩色多普勒超声诊断仪 (Aplio XG) 进行探查, 探头频率为7.5~13.0 MHz, 仪器配备Micro Pure成像软件系统。患者取仰卧位, 双手上举, 充分暴露双侧乳房, 以患者乳头为中心进行多切面连续放射状反复扫查, 观察肿块内钙化灶的有无、单簇直径、数目, 切换至“萤火虫”成像模式进行多角度检查, 同样观察钙化灶的有无、单簇直径、数目。按钙化的数目0~4、5~10和>10为标准分组, 将拥有相同范围钙化灶的患者分成3个组;单簇钙化灶分布直径按照<20mm和≥20 mm分别对患者进行分组。最后, 以病理结果为基础, 对两种检测方法检查出的伴有钙化肿瘤数目, 分别进行总数和不同年龄组的对比。
1.3统计学方法
应用SPSS 17.0统计学软件分析研究结果, 各组指标的数据资料以率 (%) 进行统计, 采用χ2检验, 以P<0.05表示差异具有统计学意义。
2 结果
2.1 萤火虫成像技术与常规超声检测乳腺微钙化的比较
在192例患者中, 无论是检测统计钙化灶的大小, 还是钙化灶的数目, 萤火虫成像技术全面优于常规超声。在<20 mm组, 萤火虫成像技术和常规超声在192例乳腺肿瘤患者中分别检出25例和22例, 差异无统计学意义 (P>0.05) ;在≥20mm组分别检出16例、51例, 差异有统计学意义 (P<0.05) 。按钙化的数目0~4个、5~10个和>10个为标准分组统计的人数见表1。<5个、5~10个组, 虽然萤火虫成像技术多于常规超声, 但是差异无统计学意义 (P>0.05) ;>10个组萤火虫成像技术检测患者的例数多于常规超声检测, 差异具有统计学意义 (P<0.05) 。
2.2 萤火虫成像技术与常规超声检测乳腺肿瘤的比较
在192病例中, 萤火虫成像技术检测到乳腺恶性肿瘤52例, 良性肿瘤31例, 常规超声检测到乳腺肿瘤41例, 恶性31例, 良性10例, 萤火虫成像技术优于常规超声 (P<0.05) , 见表2。将乳腺肿瘤按不同年龄组统计, 在21~35岁及36~50岁组, 虽然萤火虫成像技术检测到的病例数较多, 但是差异无统计学意义 (P>0.05) , 而在51~68岁组, 萤火虫成像技术明显优于常规超声组 (P<0.05) , 见表3。
3 讨论
乳腺微小钙化灶是诊断乳腺癌的重要标记之一[1]。目前普通超声还不是早期发现和评估微小钙化灶的可靠手段, 因为常规超声只是对实体瘤中微钙化灶比较敏感, 实体瘤能提供一个低回声背景, 从而改善微钙化灶的显像能力[2]。在正常乳腺组织中的微钙化灶, 因难以和实质形成反差, 往往难以被发现[3]。影响普通超声检测微钙化灶的因素还有很多, 如散斑噪声、相位偏差、系统空间分辨率、显现参数等。研究人员发现, 7.5 MHz以上的高频传感器能改善超声检测微钙化灶的能力, 但即便如此, 普通超声仍不能作为一种检测微钙化灶的可靠方法[3]。超声萤火虫技术能把非线性成像技术和相干斑抑制技术结合起来, 可以使钙化灶在一个蓝色的背景上凸显出来, 从而显著提高乳腺微钙化灶的检测能力。
在乳腺肿瘤中, 微钙化灶的个数越多, 分布直径越大, 则恶性率越高, 但是具体数目及分布直径的量化指标还存在争议。Le等[4]认为, 微小钙化个数为10~35个, 分布直径为20~30 mm对诊断乳腺癌有意义。姜洪等[5]认为1 cm2内钙化灶微小钙化灶数目≥5个, 可作为诊断乳腺癌的参考指标。本研究中, 萤火虫成像技术相比常规超声, 对于检测≥20 mm和钙化数目>10个均有明显优势, 说明萤火虫成像技术检测乳腺癌优于常规超声检测。这可能是由于乳腺恶性病变的病理类型, 多为浸润性导管癌和导管内癌, 在常规超声声像图中, 常表现为以低回声为背景的不均质实性结节或肿块[6], 分布于低回声背景中的微钙化灶往往容易检出[7], 但一些分布在病灶边缘与高回声交界处的微小钙化, 和分布在病灶内不均质回声区或高回声区内的微钙化, 却易被肉眼忽略。超声“萤火虫”成像将微钙化灶以外的组织都“屏蔽”为蓝黑色, 即使是在病灶边缘和高回声处的较小点状强回声, 也能为肉眼所捕获, 从而使检测到的微钙化灶分布直径和数目都有很大的增加。
将病理结果验证两种检测方法后, 证实了萤火虫成像技术提高超声检测乳腺癌的能力。而且在将患者按年龄分组后, 发现萤火虫成像技术, 可增强年龄>50岁患者的诊断率。这可能是因为: (1) 50~54岁为乳腺癌发病高峰, 样本量较大而容易显示有统计学意义; (2) 年龄>50岁的妇女, 腺体较致密且前后重叠, 高频超声对微钙化的显示率低。超声“萤火虫”成像通过弱化斑点, 并连接平滑组织和提取孤立高回声, 可显著提升微钙化点的亮度, 达10倍以上, 消除成像中的伪钙化点, 弥补传统高频超声较难分辨对比较弱的强回声、散在强回声光点及隐藏在腺体中的强回声的缺点, 提高了超声诊断微小钙化的效能。当然, 在年龄≤50岁的患者中, 虽然差异无统计学意义, 但萤火虫成像检测乳腺癌仍有比常规超声检出率高的趋势, 或者增大样本量后差异就可能具有统计学意义。
综上所述, 超声萤火虫成像技术秉承了普通超声无创、无放射性、便利等优点, 又可显著提高乳腺恶性肿瘤及微小钙化灶的检出率, 尤其是在50岁以上的患者对乳腺癌的超声诊断率较高, 是乳腺癌诊断的良好辅助工具之一, 值得临床推广。
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超声无损检测成像技术 篇8
1 资料与方法
1.1 实验动物分组及造模方法
健康家兔36只,由福建医科大学实验动物中心提供,体质量(2.4±0.1)kg,随机分为对照组10只,模型组26只。所有家兔均为麻醉后开胸,暴露冠状动脉左前降支,模型组家兔以无损伤线不全结扎左前降支,使其内径减少50%,对照组家兔仍以无损伤线穿过左前降支,但不结扎左前降支。所有家兔均于术后喂养4周。
1.2 仪器与方法
1.2.1 实验仪器
TKR-200C小动物呼吸机;GE VIVId-7DIMENSION超声诊断仪;EchoPAC-7多参数工作站。
1.2.2 实验方法
超声图像采集:所有家兔均于术后4周行腺苷超声心动图负荷试验(ASE)。家兔麻醉后于心电监护下穿刺耳静脉建立静脉通道输注腺苷,分为0、80、100μg(kg·min)3个剂量组,每个剂量组维持3 min。使用Vivid-7超声心动诊断仪,配备二维应变成像软件及EchoPAC-7多参数工作站。分别于各个剂量组第3分钟采集左室乳头肌短轴切面的二维超声图像。于该切面使用解剖M型超声测量射血分数(EF)。所有测量值取3次测量的均值。选取心率稳定的连续3个心动周期的动态原始图像储存,并传输到EchoPAC-7多参数工作站。
1.2.3 数据分析
进入EchoPAC-7多参数工作站,停帧并选取二维图像最为清晰的界面,按照提示到二维应变界面中。沿顺时针方向手动于心内膜取点,系统自动生成包含心内膜、中层及心外膜缘曲线,调整包绕曲线的宽度,使其与心肌厚度一致。系统将自动跟踪心肌组织运动变化,获得成功节段后,自动显示左室乳头肌短轴切面6个节段的应变曲线图。室壁的径向应变(RS)反映了室壁收缩期的增厚程度,局部心肌增厚时以正值表示,变薄时以负值表示。记录6个节段心肌的最大收缩期径向应变(PRS)。所有图像均由两个有经验的超声医师进行分析,取3个心动周期的参数平均值。
1.3 诊断标准
以冠状动脉造影为金标准,得出ASE结合STE诊断缺血心肌的敏感性和特异性。
1.4 统计学方法
采用Excel 2003进行统计分析,计量资料数据以均数±标准差(±s)表示,所有变量均经正态性检验服从正态分布。重复测量的计量资料采用方差分析,两两比较采用LSD-t检验。以P<0.05为差异具有统计学意义。
2 结果
2.1 家兔基本指标分析
负荷实验开始后,对照组及模型组家兔的心率及EF均随着腺苷剂量的增加而增大,但各剂量组间的差异无统计学意义(P>0.05)。见表1。
2.2 与冠脉造影结果对照
2.2.1 冠状动脉造影结果
模型组26只家兔中,4只家兔的左前降支狭窄程度在20%～30%,20只家兔的左前降支狭窄程度在75%～90%,2只家兔的左前降支狭窄程度≥95%。对照组10只家兔的左前降支均未见明显狭窄。以冠状动脉造影结果为金标准,以心肌缺血节段的PRS小剂量时增大,大剂量时反而明显减小为阳性诊断标准,ASE结合STE检测心肌缺血的敏感性为87.8%,特异性为87.8%。见表2。2.2.2 STE结果正常组和模型组各剂量组的PRS变化情况见图1～3和表3。正常组PRS均随着腺苷剂量的增加而增大,但增大不明显,各剂量组间无差异。模型组缺血心肌节段在腺苷0、80μg/(kg·min)时PRS随着剂量的增加而增大,与正常组同一剂量组的相应节段比较有差异;100μg/(kg·min)时反而减小,而且也明显低于正常组同一剂量组的相应节段。模型组正常心肌节段PRS在各剂量组的变化特点与正常组的心肌节段相同,且与正常组各剂量组间的比较差异均无统计学意义(P>0.05)。
2.2.3 冠脉不同程度狭窄家兔各剂量组时PRS的对应情况
见表4。两只狭窄程度在20%～30%的家兔缺血节段在腺苷0、80、100μg/(kg·min)时PRS随着剂量的增加而增大,但没有明显增大。两只狭窄程度≥95%的家兔缺血节段在腺苷0、80μg/(kg·min)时PRS随着剂量的增加而增大,但没有明显增大,100μg/(kg·min)时明显减小。其余12只家兔缺血节段在腺苷0、80μg/(kg·min)时PRS随着剂量的增加而明显增大,100μg/(kg·min)时明显减小。
注:与0μg/(kg·min)时模型组比较,#P<0.05;与80μg/(kg·min)时模型组比较,▲P<0.05;相同剂量时与正常组比较,*P<0.05
注:同组内与0μg/(kg·min)时比较,#P<0.05;同组内与100μg/(kg·min)时比较,*P<0.05
3 讨论
腺苷负荷试验应用于冠心病的诊断,缺血心肌的检测已经具有多年的历史。腺苷具有较强的血管扩张作用。其与心脏A2受体结合后,可产生显著的扩血管效应。而狭窄冠脉失去了储备功能不能扩张,导致血流由缺血区流向非缺血区,前者血流量下降,这称为“横向盗血”。同时,腺苷使血流量增加,跨狭窄段压力差增大,远端灌注压下降,心内膜血流量减少,心外膜血流量增加,这称为“纵向窃血”。窃血现象使狭窄血管供血区血流减少,暴露出潜在的心肌缺血,这是腺苷负荷试验的基本原理[1]。虽然以往的许多研究报道[2]均提到腺苷负荷试验具有较高的不良反应发生率,但由于腺苷半衰期短,不良反应消失快,且本身还具有心肌保护作用,大多数人尚能耐受[3]。本研究中,未出现因腺苷副作用而导致的家兔死亡事件。
STE是近年发展起来的测量心肌运动变形的新技术[4]。它是在高帧频二维灰阶超声图像的基础上,根据组织灰阶自动追踪感兴趣区内不同像素的心肌组织在每帧图像中的位置,并与上帧图像中的位置比较,从而分析得到心肌收缩舒张的形变信息,可更全面、准确地反映局部心肌的运动[5,6]。冠脉造影是公认的诊断心肌缺血的金标准,通过将试验结果与冠脉造影结果进行比较分析可增加试验结果的说服力[7,8]。本研究中,狭窄程度在20%～30%的家兔缺血节段在腺苷0、80μg/(kg·min)时PRS随着剂量的增加而增大,100μg/(kg·min)时PRS无明显增大。狭窄程度≥95%的家兔缺血节段在腺苷0、80μg/(kg·min)时PRS随着剂量的增加而增大,但没有明显增大,100μg/(kg·min)时明显减小。狭窄在75%～90%的家兔缺血节段在腺苷0、80μg/(kg·min)时PRS随着剂量的增加而明显增大,100μg/(kg·min)时反而减小。缺血心肌节段运动表现为随腺苷剂量增加而持续增高,说明心肌的氧供平衡尚好;表现为小剂量时增高,大剂量时恶化,表明心肌在低负荷时氧供平衡尚好,高负荷时氧供失衡,但如能及时解决氧供矛盾,尚能得到较好的恢复;表现为小剂量时增加但增幅不大,大剂量时明显恶化,表明心肌缺血严重,心肌储备低[9]。ASE结合STE的检测结果与冠脉造影相吻合,证实ASE结合STE技术是一种可行的检测缺血心肌的新方法。
本次研究结果提示通过与冠脉造影结果的对照,STE结合ASE是一种检测缺血心肌的简便有效的新方法,对冠心病患者的诊断、治疗及预后评判具有良好的指导意义。尽管STE作为一种新技术还存在对图像要求较高及重复性较差等局限性,但相信通过对其分析方法和的应用条件的不断规范及改进,仍具有广阔的临床应用前景。
摘要：目的 评价腺苷负荷超声心动图(ASE)结合二维斑点追踪显像(STE)对缺血心肌的诊断价值。方法 36只家兔分为两组,其中模型组26只,对照组10只。模型组家兔开胸并不全结扎左前降支,对照组家兔开胸但不损伤左前降支。1个月后行腺苷负荷试验,测量各节段心肌的最大收缩期径向应变(PRS),以冠脉造影结果为金标准,评价ASE结合STE诊断缺血心肌的敏感性和特异性。结果 对照组心肌各节段的PRS随着腺苷剂量的增加不断增大,差异无统计学意义(P>0.05)。模型组缺血节段心肌的PRS在80μg/(kg.min)时增加,而100μg/(kg.min)时PRS明显降低(P<0.05)。以冠脉造影结果为金标准,ASE结合STE识别缺血心肌的敏感性为87.8%,特异性为87.8%。结论 ASE结合STE可促进缺血心肌的检出,为心肌缺血的诊断提供许多有价值的信息。
关键词：腺苷,超声心动图,负荷试验,二维斑点追踪显像,缺血心肌,心血管造影术
参考文献
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超声无损检测成像技术 篇9
生物组织成分与结构的不同很大程度上造成了其力学特性的差异。例如正常肝脏组织的剪切模量在1KPa的数量级[1,2]。但在炎症反应中,由胶原纤维构成的疤痕组织将取代死亡的肝细胞,随着纤维化进程的发展,胶原纤维将连结肝脏中的管状结构,逐步增加组织硬度,使肝硬化的剪切模量上升到10KPa的数量级。超声技术可以非侵入地检测生物组织对力作用的响应,结合物理模型和信号处理技术,实现生物力学特性的测量和估计。
现实的问题是选用怎样的物理模型,来简化生物组织对力作用的响应。假设施加的激励只在短时间内起作用,即生物组织的力学状态仅取决于现时的负载,那么就可以忽略组织的粘性,而将其视为弹性体[3]。理论上,可以用一个9×9的劲度参数矩阵表征理想的弹性材料,当然测量所有81个参数并不现实。如果进一步将生物组织视为匀质的各项同性材料,那么只需用两个拉梅常数(LaméConstants),或由其导出的杨氏模量(Young’s Modulus)和泊松比(Poisson’s ratio)就可以完全表征该生物组织。
目前的超声弹性测量和成像方法大都只专注于组织的弹性,然而实际的测量和成像过程并不像假设的那么理想,生物组织的粘性并非总能忽略[4,5,6]。理论研究表明,在振动激励源的作用下,生物组织中可以观察到剪切波,随着振动频率的增加,组织的粘性特性逐步体现,表现为剪切波传播速度的增加。Oestreicher等人的研究初略地给出了人体组织的剪切模量和粘度值,分别为2.5KPa和15Pa·s,当振动频率升至25Hz,波速从剪切模量主导转换为粘度主导[7]。Zhang等人探讨了80～220Hz振动激励下牛肝中剪切波的传播,估算的波速为1.5m/s,剪切模量2.2KPa,粘度2Pa·s,振动频率175Hz时,波速从剪切模量主导转换为粘度主导[8],该数据与Klatt等人利用磁共振弹性成像得到的人体肝脏组织的相关数据吻合[9]。更多研究结果表明,在目前超声弹性成像系统使用的振动频率下,生物组织的劲度参数和粘度都与频率无关,两者均提供了重要的诊断信息[10]。
近二十年来,国际上的一些研究小组深入探讨了生物组织中振动的传播机制,提出了一系列超声检测组织力学特性的方法。这些方法既可以根据激励的时间特性划分为低频连续激励和瞬时激励两类[11],也可以根据激励的空间特性划分为外部激励源和内部激励源两类[12]。
Parker等人提出的声弹性成像(Sonoelastography)采用外部振动单元对生物组织施加连续的低频简谐振动,利用多普勒技术得到相应区域组织的振幅和相位信息,考察非正常的生物组织对检测结果的影响[13,14,15]。Fink等人提出的瞬时弹性成像(Transient Elastography,TE)则采用外部振动单元在生物组织表面施加一低频脉冲振动,结合互相关运算检测组织的位移,测量横波振动轴向的传播速度[16,17,18,19,20]。
除了外部振动单元,也可采用在生物组织感兴趣区域施加内部激励的方式成像。内部的振动激励可由生物组织自发产生,用于心脏和血管的弹性成像[21,22],也可借助声辐射力(Acoustic Radiation Force)实现[23]。生物组织的共振频率与其力学特性相关,Greenleaf等人提出的振动声成像(Ultrasound-stimulated Vibro-Acoustic Spectrography,USAE)采用两束频率相近的超声波束在生物组织内部产生连续的低频振动,继而用水听器观测相关区域的共振现象,成像生物组织的力学特性[24]。在此基础上,Konofagou等人则改用诊断超声探头观测组织共振,结合互相关运算跟踪生物组织在辐射力作用下的位移,提出了谐波运动成像(Harmonic Motion Imaging,HMI)[25]。内部的振动激励也可以是瞬时脉冲信号,Nightingale等人提出的辐射力脉冲成像(Acoustic Radiation Force Impulse,ARFI)既可以测量组织内部横波振动的传播速度,也可以得到生物组织中剪切模量的分布[26,27,28,29]。与之类似,Fink等人运用声辐射力激励生物组织特定区域,使激励源以超音速移动从而形成平面波波阵面,结合互相关运算检测组织位移,跟踪音爆现象(Sonic Boom)中马赫锥(Mach Cone)的传播,得到组织剪切模量,这种方法称为超音速剪切成像(Supersonic Shear Imaging,SSI)[30,31]。
本文的主要目的是对现阶段各种基于振动激励源的超声测量和成像方法进行综述。在接下来的部分中,将首先介绍相关的物理基础,诠释不同方法的内在联系,并在此基础上,介绍各种典型方法的实现原理和技术关键,最后探讨现阶段研究中的不足,对该领域未来的研究方向进行展望。
2. 物理基础
物理学研究的成果为组织弹性超声检测方法的设计提供了理论依据,具有非常重要的指导意义。本节将抛开这些方法研究中繁杂的设计过程和技术细节,着重揭示不同方法背后共同的物理本质。
2.1 生物组织力学特性的表征
如果将生物组织视为各向同性的匀质弹性体,
则可用两个拉梅常数,或其导出的杨氏模量和泊松比完全表征其力学特性。一阶拉梅常数λ表示组织的压缩性,二阶拉梅常数µ表示组织的剪切模量。拉梅常数与杨氏模量E和泊松比υ的转换关系为[32]:
通常认为生物组织不可压缩,将υ近似为0.5[10,14],可由式(2)得E与µ的简化关系:
现有的基于振动的超声弹性测量和成像技术,归根到底是探知生物组织的力学参数µ或E。通常可以借助组织应变的测量,结合力学参数与应变的关系加以实现。
2.2 力作用下的组织应变
力作用下均匀介质中质点的位移矢量方程既可以描述准静态力作用下的组织应变,也可以描述激励源为振动时的组织应变,是各种弹性测量和成像方法共同的物理基础。
理论上,若忽略体力(如重力)的影响,位移矢量方程表述为如下形式[33]:
其中ρ为质点处的介质密度,u表示质点位移。结合生物组织模型和振动激励的形式,可以确定方程的边界和初始条件,进而求解生物组织对力作用的响应。准静态情况下,施加的外力缓慢作用于生物组织,应变的测量总是在质点运动停止之后,因此ü为零;若将振动施加到生物组织,应变始终会随时间变化,因此ü不为零。
进一步假设生物组织不可压缩,则有。准静态力作用下方程(4)简化为:
仅考虑轴向的应力和应变,方程的解对应于应变(位移的导数)为常数的情况,这就构成了传统准静态压缩弹性成像(Elastography)[34,35,36]的物理基础。
当激励源为振动时,方程(4)右侧不为零,情况会复杂一些。方程左侧第一项为压缩波(Compressional Waves)对质点位移的贡献,第二项为剪切波(Shear Waves)的贡献。根据生物组织不可压缩的假设,第一项为零,压缩波的作用被忽略,方程化简为:
位移矢量u相关的应变幅度和相位可直接用于生物组织弹性的测量和成像,如声弹性成像(Sonoelasticity)[14]和振动声成像USAE[24];也可由测得的位移矢量u推导剪切模量µ,该方法在辐射力脉冲成像ARFI[26]和超音速剪切成像SSI中有所应用[30];还可以通过横波波速的测量间接地得评估组织的剪切模量µ,如瞬时弹性成像TE[16,20,37,38]和辐射力脉冲成像ARFI[27]。
2.3 剪切波与压缩波
剪切波和压缩波是生物组织中重要的机械波传播形式。前者仅与组织的剪切模量有关,反映了不改变传播媒介密度的剪切运动;后者与两个拉梅常数都有关,反映了传播过程中引起传播密度变化的运动。图1显示了振动激励下生物组织中机械波的三种传播形式,分别是压缩波、横向传播的剪切波和纵向传播的剪切波。
(a)生物组织中的振动激励源;(b)压缩波的传播;(c)横向传播的剪切波;(d)轴向传播的剪切波
压缩波沿质点振动方向传播,改变了媒介密度。横向剪切波不改变组织密度,但会使媒介中质点发生旋转,传播方向与振动方向垂直。剪切波还可以像压缩波一样沿轴向传播,此时质点并不发生旋转,由于组织的不可压缩性,媒介沿振动方向的压缩和伸展将同时造成其横向的伸展和压缩,从而形成轴向剪切波。值得注意的是横向和轴向的剪切波具有相同的传播速度,两者往往同时存在,将组织中的振动传播开去[10]。
进一步讨论压缩波和剪切波的传播速度,首先考虑压缩波引起的位移。已知矢量恒等式,压缩波情况下有,因此可以将式(4)简化为:
其中压缩波波速cp为:
继而考虑剪切波引起的位移。由于轴向和横向传播的剪切波均不改变媒介密度,因此,式(4)简化为:
其中剪切波波速cs表示为:
生物组织中压缩波波速大于剪切波波速若干数量级,可在弹性测量和成像中忽略其对组织位移的影响,即可假设组织中仅存在不改变媒介密度的剪切波,因而有。这与生物组织不可压缩的假设是一致的。此外,式(10)所示的波速公式表明生物组织的剪切模量决定了其中剪切波的传播速度,构成了基于剪切波波速的弹性测量和成像方法的物理基础。
2.4 声辐射力
生物组织中的剪切波只能在距离波源几个波长的有限区域中传播,基于剪切波的弹性成像技术只能测量振动激励附近组织的弹性参数[10]。由于超声波会在其传播路径上对媒介产生辐射力,因而利用该现象可以将振动激励施加到生物组织内部感兴趣区域,扩大超声弹性和成像方法的应用范围,在振动声成像USAE[24]、谐波运动成像HMI[25]、辐射力脉冲成像ARFI[26,27,28]和超音速剪切成像SSI[30]中得到了广泛的应用。
当超声垂直入射到具有吸收和散射特性的目标介质时,辐射力的方向与传播路径一致,大小由下式给出[23]:
其中Πa和Πs分别为目标介质的吸收和散射功率,γ和θ分别为散射强度和散射角,dA为目标介质轴面上投影的面积微元,〈E〉为平均声能量密度。
生物组织可以假设为众多直径远小于一个波长的瑞利散射子(Rayleigh Scatterer)的集合,声波传播产生的总辐射力等于其在每一散射子上辐射力的总和。对于单一的瑞利散射子,入射声波将均匀地向四面八方散射,式(11)中的积分项为0,辐射力化简为:
生物组织中吸收作用主导声波的衰减,可以进一步忽略散射项,将总辐射力简化为:
理论研究表明平面波条件下生物组织中的辐射力可以表述为[23,28]:
其中声辐射力F是一种体力,c为介质中的声速,α为组织的吸收系数,I为声强,也可以称为平均声能量流密度。
3. 典型方法
基于振动可实现生物组织力学参数的测量和成像,其本质在于应变的检测,并构建其与生物组织力学参数的关系。在一系列典型的成像方法中,振动源可以是连续的,也可以是瞬时的;激励可以由外部振动单元产生,也可以利用声辐射力施加到内部感兴趣区域。本节将具体介绍目前流行的六种超声弹性成像技术的实现原理。
3.1 声弹性成像(Sonoelasticity)
Parker等人提出的声弹性成像采用外部振动单元,在生物组织表面施加连续的低频简谐振动,利用多普勒技术,得到相关区域组织的振幅信息[13,14,15]。Sato等人则采用了类似的实验装置,提出了基于相位的声弹性成像[39]。
假设被测的健康组织具有均一的剪切模量µ,相关区域将以本征模式(Eigenmode)响应外部的振动激励,表现为振动幅度一致,相位变化均匀。非正常组织的出现使得方程(6)中µ随位置改变,引起组织应变幅度和相位的改变[13]。
假设介质中散射子的振幅ξ0、角频率ωb、相位φb,振动方程表示为:
结合多普勒频偏公式,可以得到超声回波信号:
其中s0为回波信号幅度,φ为传播造成的相移,调制指数mf与多普勒现象相关,定义为:
其中c为超声波声速,生物组织中通常为1540m/s。采用正交解调电路可得到与组织运动相关的两个多普勒信号:
其中Ji(x)为第i阶贝塞尔函数(Bessel Function)。从中可以看出解调后的多普勒超声信号具有直流分量和倍频频谱,分析d1(t)和d2(t)的频谱,可查阅贝塞尔函数表确定mf,进而得到所求的散射子振幅ξ0;也可分析d1(t)或d2(t)的基波分量得到相位φb。
3.2 瞬时弹性成像TE
Fink等人提出的瞬时弹性成像则采用外部振动单元在生物组织表面施加低频脉冲振动,通过跟踪剪切波的传播速度评估生物组织的弹性[16]。
图2为瞬时弹性成像早期的结构原理图。实验采用透射(Transmission)模式检测剪切波的传播,即将激励与检测单元放置于仿体对侧,因此接收到的回波实际上是超声探头与振动单元连线上组织随时间变化的RF信号。对该信号作互相关分析,即得到不同深度组织随时间变化的应变图。随着时间的推移,仿体的应变从振动源位置起沿轴线传播到超声探头后,又反射回去。通过测量应变传播的斜率,即可估算出反应剪切模量的剪切波传播速度。
透射模式在临床的应用中存在困难,之后提出的反射(Reflection)模式的瞬时弹性成像很好地解决了这个问题[20]。该方法将振动单元集成到超声探头上,但需要选择合适的参考平面,用以补偿探头振动带来的应变测量的误差。
与瞬时弹性成像相关的另一技术上的变形是Zheng等人提出的测量剪切波横向传播速度的方法[40]。该方法在振源附近一定横向距离的位置设置两条超声观察线,通过检测剪切波经过时的时间差异,估计剪切波波速,可用于肌肉弹性的研究[41]。此外,该研究小组的研究表明结合B型超声图像引导,可以提高瞬时弹性成像测量的精度,在肝组织纤维化的评估中有重要的临床应用价值[42,43]。
3.3 振动声成像USAE和组织谐波运动成像HMI
声辐射力的运用丰富了生物组织超声弹性测量和成像的研究。Greenleaf等人提出的振动声成像将连续低频振动施加到组织内部感兴趣区域,并采用水听器观测相关区域的共振[24],图3为USAE系统的结构原理图。根据式(14),声辐射力的大小正比于声强I。该方法利用这一关系,将两束频率相近的超声信号聚焦到生物组织感兴趣区域。拍现象使得聚焦区域的声强随时间周期性变化,因而辐射力也做相应的周期变化,聚焦处的生物组织以差频∆f振动。由于生物组织的力学特性决定了共振频率,共振频率的不同又会造成组织响应振动幅度和相位的差异,因此可以用水听器探测这些差异,借以表征力学特性。
USAE系统的结构使其在临床的应用中存在困难,针对这一缺点,Konofagou等人改用诊断超声探头观测组织共振,将振动的激励和检测单元置于待检生物组织的一侧,提出了谐波运动成像HMI。图4为HMI系统的结构原理图[25]。该方法同样采用拍现象在组织内施加连续的低频振动,区别在于采用了超声探头检测组织的共振响应。运用互相关运算分析采集到的RF信号,便可以得到检测线上生物组织随时间的应变图。
3.4 声辐射力脉冲成像ARFI
除了连续低频振动的方式,声辐射力也可短暂地作用于生物组织内部,其中一个经典的方法是Nightingale等人提出的辐射力脉冲成像ARFI[26,27,28]。事实上,该方法并不仅限于采用振动激励源来成像,也可在特定的感兴趣区域生成准静态的力作用,得到组织的应变分布[28]。本文讨论的重点是振动激励源条件下生物组织弹性的测量与成像。
当采用该方法检测波速时,需要首先选择一个感兴趣的测量区域;然后将可聚焦的超声探头转为激励模式,在测量区域附近施加一个短暂的振动;再将探头转为检测模式扫描测量区域,结合互相关分析即可得到应变图像,并由振动传播到测量区域的时间推算剪切波波速。式(6)表明由组织的位移可以计算剪切模量。根据这一关系,该研究小组进一步实现了剪切模量的二维成像[26]。事实上,无论是剪切波波速的测量,还是剪切模量成像的实现,关键都在于激励序列和检测序列的设计,以及组织应变的估计。
3.5 超音剪切成像SSI
质点在超音速振动时会产生音爆,Fink等人提出的超音剪切成像SSI利用声辐射力激励特定区域,使对应生物组织内的激励源以超音速移动以形成一个简单的波阵面,结合高帧率(5000帧/s[19])二维超声成像系统,跟踪马赫锥的传播,估计剪切模量。
图5为SSI系统的实现原理。与二维的ARFI系统类似,该方法采用了可聚焦的超声探头激励组织产生振动,继而检测组织对振动的响应。整个成像过程中超声探头在激励模式和检测模式间转换,区别在于该方法采用了不同的二维应变估计和剪切波波速测量方法。前者包括波束成形(Beamforming)、二维斑点跟踪(Speckle Tracking)、以及剪切模量估计三个关键步骤,后者则通过跟踪二维应变图中马赫锥的传播实现。
图5中的数据处理部分描述了二维应变图的计算流程。在每一检测时刻,超声探头从两个不同角度采集到左右两组RF回波信号。假设检测时超声信号垂直发射到生物组织,两组回波信号的接收角度关于发射信号对称,分别为α0和α1,且有α0=-α1。分别对前后时刻两组数据进行互相关分析,可以得到两组同一时刻组织运动引起的回波信号的时间偏移tα0和tα1,由式(20)和(21)计算x和z方向上生物组织的应变,即可生成二维应变图[37]。
在二维应变图的基础上可估计剪切模量µ。SSI法仅考虑了组织在xz平面中的应变,因而剪切模量µ的频域表达式为[30]:
其中F表示傅里叶变换,N则为估计中频谱线的个数。
4. 展望未来
生物组织力学特性的超声测量和成像是医学超声学研究的前沿课题。近二十年来,一些研究小组在该领域进行了广泛的研究,提出许多别具特色的方法。本文介绍了不同超声弹性测量和成像方法背后的物理本质,并对现阶段各种基于振动激励源的方法进行了综述。这些方法在一定程度上量化了组织的力学特性,与传统的超声成像技术相互补充,在生物医学的科学研究和临床应用中具有广泛前景。尤其是基于声辐射力和剪切波的声辐射力脉冲成像ARFI和超音剪切成像SSI,由于其检测过程无需操作者对目标组织施加力作用,可重复性高;测量结果受组织整体状态影响较小,局域性好,值得关注。
然而这些方法从提出到实际应用,仍有很多理论和实际的问题需要解决。例如,ARFI在肝纤维化评估[44,45]和肿瘤良恶性鉴别[46,47]中具有重要的应用价值,但在脾脏和移植肾等人体组织的应用中,多次测量的结果缺乏一致性[48]。其原因可能在于现有的研究忽略了生物组织结构参数的复杂性,未考虑超声传播过程中的衰减,夸大了聚焦区域的力作用。另一方面,人体的呼吸运动、
胃肠蠕动以及血液循环都会对被测组织造成额外的力作用,影响组织力学特性的测量。因此,如何在成像中完善辐射力的估计,探讨人体运动对生物组织力学特性测量的影响,可能是今后弹性测量和成像技术研究的重要方向。
此外,生物组织的病理状态可以表现为多种力学参数的改变,目前的弹性测量和成像技术大都忽视了生物组织的粘性,仅用剪切模量评估组织的力学特性。有学者探讨了ARFI中组织的位移峰值、到达峰值的时间、恢复时间和组织密度与杨氏模量的关系[49],但未涉及这些参数的成像,及其在疾病甄别中的价值。因此,如何进一步研究生物组织的力学特性参数,量化这些参数在疾病甄别中的价值,对弹性测量和成像技术的发展和应用至关重要。
致谢:
超声无损检测成像技术 篇10
1 自动化超声成像检测概述
1.1 自动化超声成像检测的含义及原理
1.1.1 自动化超声成像检测技术的含义
自动化超声成像检测技术是无损检测技术的一种, 所谓的无损检测技术, 顾名思义, 就是在不破坏被检测材料、零部件或设备的情况下, 应用以声、光、电、磁、力或变形为基础的检测技术和分析方法, 对原材料、半成品、成品零部件、设备中的零部件、相关设备的结构、几何关系、物理性能、状态特性以及各种工艺参数等加以测定, 并按一定的准则对其做出评价的过程。
1.1.2 自动化超声成像检测技术的原理
自动化超声成像检测技术的原理就是超声波进入物体并遇到缺陷时, 一部分声波会产生反射, 反射和接收器可对反射波进行分析, 就能异常精确地进行物体缺陷的检测。
1.2 自动化超声成像检测的特点
自动化超声成像检测具有如下几个方面的特点:
(1) 自动化超声成像检测设备可以确切的显示物体内部缺陷的位置和大小, 同时可以精确的测定材料的厚度。
(2) 自动化超声成像检测设备具有检测深度大、穿透能力强、灵敏度高、缺陷定位准确、速度快、使用方便、成本低以及对人体和检测对象无害的优点。
(3) 自动化超声成像检测设备在压力容器制造检测中的应用中潜力巨大而且应用的非常广泛。
2 自动化超声成像检测设备在压力容器制造检测中的应用
压力容器大多是在高温高压、低温高压或者高载荷下运行, 其运行环境条件十分恶劣。如果压力容器的相关部件在制造中留有缺陷或者在使用中产生新的裂纹不能及时被发现的话, 将会导致严重的事故。目前世界各国都在压力容器制造检测作为一项重要的检测工作, 并由国家设置专门的机构, 按照国家规定的法规和标准实施技术检验和监督检查。
压力容器制造检测的内容多种多样, 主要可以划分为外部检测、内外部检测及全面检测三种不同的检测方式。
(1) 外部检测, 其中外部检测主要包括如下检测内容, 首先, 检测其表面是否存在油污裂纹、变形、泄露、局部过热等不正常现象;其次, 检测安全附件是否齐全、灵敏、可靠;再次, 检测禁锢螺栓是否完好、全部旋紧;最后, 检测基础有无下沉、倾斜以及防腐层有无损坏等异常现象。
(2) 内部检测, 内部检测主要包括检验内表面的腐蚀磨损现象, 焊缝内部质量、测量壁厚。
(3) 全面检测, 全面检测的内容除了包括以上外部检测和内部检测的所有检测内容外, 还需要进行耐压试验、无损探伤检测、全部焊缝检测等全面的检测。
基于自动化超声成像检测设备的超声无损检测技术的使用, 是将超声波应用于薄到厚、由表及里的缺陷信息采集, 检查焊缝内部质量, 若测得壁厚小于容器最小壁厚时, 应重新进行强度校核, 提出降压使用或修理措施。基于自动化超声成像检测设备的超声无损检测技术在压力容器制造检测的应用中, 具有对缺陷定量评价迅速, 现场检查容易、解析方便、自动化程度高的特点, 目前这一技术在国内外的应用最为广泛, 同时由于基于自动化超声成像检测设备的超声无损检测技术可以及时准确的发现缺陷, 有针对性的消除隐患, 从而可以有效的保障压力容器的安全运行。
3 自动化超声成像检测设备在压力容器制造检测中的应用发展趋势
笔者个人认为, 随着电子信息技术和计算机科学技术的飞速发展, 自动化超声成像检测设备在压力容器制造检测中的应用发展上主要呈现如下几种应用发展趋势。
(1) 数字式、智能型超声探伤仪。目前所有的自动化超声成像检测设备上均配备有数字化功能, 数字式仪器将超声信号处理的研究成果融合到仪器中, 近年来研发的计算机插板式超声探伤仪, 将探伤仪做成计算机插板, 使通用的计算机成为超声检测仪器, 提高性能价格比。例如应用缺陷模式识别、模糊聚类技术等, 逐步使超声检测向实现智能化迈进。
(2) 计算机控制自动超声检测系统的应用。随着压力容器制造要求的不断提高, 对无损检测提出了高分辨率、高精度、高速度、高可靠性的要求, 超声检测设备的自动挂和仪器的计算机化就成了发展方向。两者的有效结合便促使了计算机控制自动超声检测系统的出现。
(3) 基于专用软件系统的应用。计算机在超声检测方面的另一个应用就是发挥软件计算在自动化超声成像检测设备在压力容器制造检测中的各种应用功能, 目前国外已经有相关的超声检测软件系统在实践中得到成功的应用。
(4) 超声成像技术的应用。超声成像有检测精度较高以及直观易懂的特点, 超声成像检测以超声C扫描为主, 同时还有B、P以及三维扫描。而且基于自动化超声成像检测技术的成像方式有超声综合孔径聚焦成像、振幅距离聚焦成像、超声计算机层析成像等各种成像设备。
4 结语
总之, 压力容器制造检测技术是一门专业性强, 而且要求较高的技术, 基于自动化超声成像检测设备的超声无损检测技术已经在压力容器制造检测中占据了非常重要的地位, 在现有基础上, 不断加强对基于自动化超声成像检测设备的超声无损检测技术的研究, 更好的促进新研究的技术成果在容器制造检测中的应用。
摘要：压力容器的检测工作是保证压力管道安全经济运行的一项非常重要的措施。自动化超声成像检测设备具有检测深度大、穿透能力强、灵敏度高、缺陷定位准确、速度快、使用方便、成本低以及对人体和检测对象无害的优点, 自动化超声成像检测设备的这些优点促使其成为国内外应用最广、使用频率最高且发展较快的一种无损检测技术, 其中该设备在压力容器制造检测中的应用更是广泛。本文从自动化超声成像检测设备的相关概念谈起, 然后就自动化超声成像检测设备在压力容器制造检测中的应用进行详细的说明, 最后对自动化超声成像检测设备在压力容器制造检测中的应用发展趋势进行描述。
关键词：自动化超声成像检测设备,压力容器,制造检测,特点,应用
参考文献
[l]王春茂.超声成像检测技术在压力容器检验中的应用[J].经验交流, 2010 (05) .[l]王春茂.超声成像检测技术在压力容器检验中的应用[J].经验交流, 2010 (05) .
[2]李福林.超声成像系统研究及其在工业检测中的应用[J].江苏大学学报, 2008 (11) .[2]李福林.超声成像系统研究及其在工业检测中的应用[J].江苏大学学报, 2008 (11) .
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