第一篇：成像雷達遙感地質災害應用

成像雷達遙感地質災害應用

張萬超

（中國地質大學 信息工程學院 遙感與科學技術專業）

摘要：概述了合成孔徑雷達技術的發展狀況,對合成孔徑雷達成像機理及特征做了簡要介紹。結合SAR技術的發展階段,簡述了成像雷達遙感地質研究的技術理論,總結了國內外應用研究現狀。同時對新興起的新型成像雷達技術(極化雷達、干涉雷達)及其發展趨勢也做了簡單描述,重點突出了新型成像雷達技術在地質地震研究中的應用。最后提出了新型成像雷達技術在目前研究中存在的問題及對當前研究的改進措施,展望了他們未來的發展趨勢。關鍵詞:成像雷達遙感;地質應用;極化雷達;干涉雷達

成像雷達遙感,一般即指合成孔徑雷達(syntheticapertureradar,SAR)遙感,其顯著特點是主動發射電磁波,具有不依賴太陽光照及氣候條件的全天時、全天候對地觀測能力,并對云霧、小雨、植被、及干燥地物有一定的穿透性,此外,通過調節最佳觀測視角,其成像的立體效應可以有效地探測目標地物的空間形態,增強地形地貌信息。這些獨特的優勢使得雷達遙感相對光學遙感,在地質學中得到了更為廣泛的應用和深入發展。地質學是雷達遙感除了軍事偵察以外最早的應用領域,起始于20世紀60年代美國在云霧覆蓋、林木繁茂的南美開展的大規模機載雷達地質應用試驗。隨后美國、巴拿馬、巴西等國家成功的進行了幾次機載雷達遙感飛行,廣泛地用于基礎地質及礦產、油氣資源調查。

進入20世紀80年代,機載雷達遙感已作為一種成熟的技術應用于地質探測中,美國、加拿大等國家相繼開展了SAR制圖、雷達地質研究等計劃,取得了大量數據,對礦產資源和地質調查作出了很大貢獻。在開展機載雷達地質研究的同時,星載雷達遙感也廣泛應用地質研究。SeasatSAR及SIR-A/B等衛星、航天飛機雷達的相繼升空,獲得的包括從亞馬遜河及印度尼西亞的熱帶雨林到北非和沙特阿拉伯的干旱沙漠地帶等地區的大范圍的雷達影像,提供十分豐富的地質構造、巖性、隱伏地質體等地質礦產信息。20世紀90年代,雷達遙感研究達到空前高潮,ALAMZ-SAR,ERS-1/2SAR,JERS-1/SAR及RADARSAT-1相繼發射,以及航天飛機SIR-C/X-SAR二次成功的飛行,為雷達地質研究工作的進一步開展提供了豐富的數據源。當前,國際民用高分辨率合成孔徑雷達衛星研究又向前跨進了一大步,EnviSat/ASAR,ALOS/PALSAR,TerraSAR-X,TecSAR,Cosmo-Skymed-X,RADARSAT-2等雷達衛星的相繼升空,雷達遙感獲取的信息量越來越豐富,同時數據處理方法和手段越來越完善,特別是新型成像雷達遙感技術(極化雷達、干涉干涉雷達)的出現,雷達遙感已經深入到地殼形變、地震孕育、板塊運動及地面沉降測量等地質研究各領域。

1．地質體微波散射理論

目標的散射特性,是雷達圖像解譯的理論基礎。地質體散射是電磁波與地質體相互作用的結果,雷達圖像上的灰度數字值是相應地面地物的雷達后向散射回波強度在圖像上的反映。可用如下的雷達方程來表示:

其中:Pt為雷達接收功率;Pr為雷達發射功率;G為天線增益;γ為波長;R為天線與目標地質體之間的距離;σ為后向散射系數,與地質體物理特性參數(表面粗糙度、復介電常數)等有關;A為目標地質體的雷達后向散射截面,是一個與雷達系統參數(波長、極化、發射功率、天線增益)及成像幾何位置(入射角,天線到目標地質體的距離)有關的因子。顯然,在雷達系統參數及成像幾何位置不變的情況下,雷達圖像上的后向散射強度僅隨目標地質體物理特性參數后向散射系數而變化。如果在絕對尺度上已知k,就可把像元的灰度數字值DN(ij)直接與σ聯系起來,生成一幅在絕對尺度上強度直接和后向散射系數有聯系的圖像(即絕對定標)。如果只知道k的相對變化,就只能生成一幅相對后向散射圖像(即相對定標)。決定雷達圖像后向散射強度的巖石表面性質主要是表面粗糙度和復介電常數。表面粗糙度取決于表面結構形跡,如沙、礫和卵石的顆粒及風化碎屑。除未固結的礫石、沙和粘土外,表面粗糙度和巖性之間并沒有固定的關系。因此,不同巖性的巖石可能有相同的雷達回波。因此,在雷達圖像上識別巖性,必須利用巖石的地貌表現和風化特征。

數是對表面物質電性的測量,它強烈地影響著物質吸收電磁波能量的能力,并影響著電磁波能量的反射率。物質的相對介電常數由實部和虛部組成,實部代表物質的介電常數,而虛部表示物質的損耗因子。復介電常數在很大程度上取決于表面物質的含水量,相對地質體而言,含水量極低。因此,復介電常數的實部與巖石類型、結構、密度和巖石化學成分有關,而虛部則變化較小。2．像雷達遙感在地質研究中的應用

在雷達遙感的發展過程中,單波段、單極化及多波段、多極化雷達圖像在地質學中應用非常廣泛;其所特有的全天候、全天時數據獲取能力及對一些地物的穿透性能,已成功地應用于對地觀測,如巖性識別、區域構造分析、礦產調查、地質填圖等,給傳統的地質學帶來了新的活力。2.1形地貌分析 雷達遙感主動發射電磁波,以及全天時、全天候獲取數據的能力,使其能在自然條件較為惡劣的地區,有效地進行地形地貌探測。雷達圖像立體感強,地形起伏明顯,對地形、地貌等信息有較強的表現力和較好的探測效果。

Rowland等應用ERS-1的雷達影像對阿拉斯加半島和阿留申群島的火山地貌進行研究,發現Aniakchak火山口附近一個結構均勻低侵蝕性的地質體單元,主要是一層厚重的低流動性火山碎屑沉積物,同時檢測到了黑風嶺地區可能的火山噴發殘留物,確定了Veniamino高原冰川地區與火山相關聯的一些崩滑帶和洼陷地坑。Kervyn對坦桑尼亞西南部魯夸裂谷近期-現今構造演化規律進行了研究,發現了很明顯的構造演化特征,同時檢測到與地質構造密切相關的其他典型地形地貌特征。基于光學-雷達(SIR-C/XSAR,RADARSAT-1)-數字高程模型(SRTM)數據集成,Allison等對諸如埃塞俄比亞阿法爾凹陷等干旱區進行了地質測圖研究,繪制了第四紀阿法爾凹陷北部Erta!Ale火山山脈獨特熔巖流的時空分布,解譯并可視化了阿法爾凹陷中部Dobe地塹的組成部分擴展疊形扇,繪制了Tendaho峽谷兩翼流紋巖流的形態確定結構。2.2巖性地層劃分及地質構造解譯

在雷達圖像上識別和分析巖石類型,主要利用巖石的表面粗糙度、風化特點和地貌形態。不同巖性的巖石由于風化的作用會形成不同的地表形態,反映在雷達圖像上則是不同的紋理。同時,雷達側視成像方式對地表幾何形態敏感,可對地質構造形成立體感較強的圖像,從而能直觀地分析地質構造;此外,通過主動發射電磁波能量的工作方式,可使特定方向上的構造得到增強而易于發現和識別。基于SIR-C/XSAR數據,Guo等在中國昆侖山西部阿克賽欽湖東北發現了一個火山群;進一步研究發現,LHV能夠最有效的鑒別熔巖流(pahoehoe和aa熔巖)、沖積巖和基巖。Kusky等對埃及沙漠東南部Allaqi縫合帶的巖石單元、結構和礦床活動區進行了研究發現,黑白SIR-C/XSAR影像刻畫出控制礦化過程的植被、斷層和褶皺的紋理特征,而多波段彩色復合圖像(Chh-Lhh-LhvSIR-C/XSAR)對產生放射性礦化的一些橢圓形花崗巖體比較敏感,同時與航空相片和TM影像相比,SIR-C/XSAR數據傳遞更多的薄沙層覆蓋下的巖石和結構信息。Mering等應用SPOT-全色和ERS-1雷達圖像提取安第斯山脈中部地區的一些地質結構特征,除了一個微小左旋走滑斷層,其余沿西北-東南走向的主要斷層都是正常的。東北-西南走向的開口斷層都是張裂縫,隨著進一步向東北-西南走向延伸,西北-東南走向的主要斷層形成一個包括活躍的火山區的伸展?雁列式#模式。Raharimahefa等利用光學遙感和JERS-1/SAR數據,結合實地調查對馬達加斯加東南部Betsimisaraka縫合帶地質體結構和演化過程進行了研究進行了研究,結果表明,南部B.S.劃分為前寒武紀基底巖石馬達加斯加兩部分,西部地區包括古代的巖石,而東部地區是一個太古板塊,命名為Masora塊。南部的B.S.包括高變質巖,記錄強有力的變形和礦藏,包括鉻,鎳,和翡翠,海洋特征的材料是符合縫合帶。

2.3隱伏活動構造及其他隱伏地質現象的探測

用雷達圖像探測隱伏活動構造及其他隱伏地質現象,是基于探測區域地表粗糙度及復介電常數引起特征雷達回波這一機理,在圖像上識別出這些測隱伏活動構造,主要是地表雷達回波的貢獻。

1982年McCauley等首次利用航天飛機成像雷達SIR-A圖像在非洲撒哈拉南部沙漠地區發現沙層覆蓋下的屬于第三紀中期至第四紀次地表殘留古河道和古人類遺跡。接著利用SIR-C/X-SAR數據在該地區開展了進一步的研究,基于C-和L波段合成孔徑雷達圖像,第一次明確界定基巖單位(花崗巖和片麻巖)和與之有聯系的破碎帶[。在阿拉伯半島,Abdallah等通過對L波段雷達數據初步判讀,揭示泥沙覆蓋的地質結構特征和古河道,進一步增進對當地區域河流地質地貌的了解。應用可見光、紅外、雷達數據以及探地雷達,Blumberg等對西內蓋夫、以色列、西奈半島北部和埃及地區裸露和埋藏在沙土下面的古河道進行了研究,發現Halutza,Agur和Shunra沙丘是西奈半島北部的沙丘的延續。L波段雷達數據能夠探測到掩埋在地底下WadiMobra和Nizzana河道的延續,而可見光和紅外影像很難檢測到;雷達(L(HV),L(HH)andC(HH))的波長和極化方式能增強古河床和周圍的河漫灘的對比度。

3新型成像雷達技術(極化雷達、干涉雷達)的地質應用 3.1極化雷達與干涉、差分干涉測量技術 3.1.1極化雷達(polarimetricSAR,PolSAR)多波段多極化雷達只能探測某種固定極化狀態的后向散射回波,且大多為同極化,如HH,VV極化等,因此無法根據地物極化響應的特點合成有利于提取地物信息的極化圖像,對地表的探測也只能是不完全的。為了克服多波段、多極化雷達的缺陷,極化雷達開始出現,極化雷達(PolSAR)也稱全極化雷達,是20世紀80年代末90年代初出現并迅速發展起來的一種新型主動成像雷達。它近同時發射和接收H,V兩種線性極化雷達脈沖,以Stokes矩陣或散射矩陣為基本記錄單元,相干記錄了地物HH,HV,VH,VV四種極化狀態的散射振幅和相位,并可利用極化合成技術計算任意一種極化狀態的后向散射回波,既有振幅信息,也有相位信息。因此,極化數據能提取更多的地物極化信息,如線性極化散射強度相同極化相位差!?hh-vv、極化度,HH-VV同極化相關系數,總功率,同極化比,交叉極化比等。3.1.2干涉雷達及差分干涉測量

干涉雷達(interferometricSAR,InSAR)是雷達遙感的熱點研究領域,它利用雷達信號的相位信息提取地球表面的高精度三維信息,主要應用于測量地面點的高程及其動態變化。干涉雷達通過兩副天線同時觀測或兩次平行觀測,獲取地面同一景觀的復圖象對。由于目標與兩天線位置的幾何關系,遂在復圖象對上產生了相位差,形成干涉紋圖(interferogram)。干涉紋圖中包含了斜距向上圖象點與兩天線位置之差的精確信息。因此,利用傳感器高度、雷達波長、波束視向及天線基線距(baseline)之間的幾何關系,可以精確地測量出圖象上每一點的三維位置。

差分干涉測量(differentialSARinterferometry,DInSAR)技術是在雷達干涉測量的基礎上發展起來的,單軌雙天線或重復軌道都可以獲取干涉SAR數據。在忽略大氣影響,內部時鐘漂移等因素的情況下,只要雷達觀測期間地表的后向散射特性基本保持不變,則生成的干涉圖通常包含如下信息:(1)相對軌道位置所引起的傳播路程差。(2)地形所引起的立體路程差,同基線距有關,可通過DEM或另一幅干涉圖消除地形影響。(3)數據獲取時地形位移所引起的路程差,每個干涉條紋相當于沿雷達視向半個波長的位移量。通過消除掉前兩方面的信息,剩下的第三個因素產生的干涉條紋信息可用于監測地表的動態變化。

差分干涉測量相位對地表形變比對地形高程變化更為敏感,當干涉測量技術對地形高程達到米級精度時,對形變測量能達到厘米或毫米精度。差分干涉測量技術在監測地表形變或動態變化方面(如地震地殼形變、火山、地表下沉、滑坡位移、構造運動等等),具有極其重要的研究意義。3.2化雷達、InSAR及DInSAR技術在地質研究中的應用3.2.1伏地質現象探測及地質測圖

極化雷達和多波段雷達非常有利于沙漠地區的沙丘制圖,主要是因為雷達衛星能夠控制一些參數,如視角、波長和極化方式。在阿拉善高原阿爾騰敖包地區,L波段雷達能夠穿透約1m厚的沙層并探測到次地表基巖信息,并且識別出今天風吹沙覆蓋下的古河道和古湖盆。Blumberg研究發現,在大多數地區,長波段(P,L)比短波段(C)更具有優勢,同極化(HH,VV)雷達數據能夠很好的區分沙丘類型并進行制圖,但是交叉極化方式在鑒別活躍和靜止沙丘時能提供必要的植被信息。在埃塞俄比亞阿法爾凹陷等干旱地區,Allison等應用極化雷達影像進行了地質測圖研究,繪制了第四紀阿法爾凹陷北部Erta!Ale火山山脈獨特熔巖流的時空分布圖,解譯并可視化了阿法爾凹陷中部Dobe地塹的組成部分擴展疊形扇,識別了Tendaho峽谷兩翼流紋巖流的形態確定結構。3.2.2面沉降和滑坡監測星載差分干涉測量(D-InSAR)在探測諸如地面沉降和滑坡監測等地面形變現象方面有很強的應用潛力,但是由于大氣效應、相位失相關等因素影響,很難進行精確的測量。基于永久散射體技術(permanentscatterers,PS)的D-InSAR能夠克服這些缺點,并且能夠利用長時間序列的干涉數據。Colesanti等在南加州應用PS算法的研究表明,測量精度非常接近其理論極限(約1毫米),使得在一個復雜的地質斷層帶能夠探測毫米量級的形變現象成為可能;更進一步的是,使用基于像素的PS分析方法能夠在低相干地區選出相位穩定的雷達目標體。因此,只要有足夠空間密度的孤立人造建筑或暴露的巖石,就能在植物覆蓋地區進行空間干涉測量。Meisina等在OltrepoPavese地區(意大利北部,倫巴迪亞大區南部)亞區域尺度上應用PS-InSAR技術檢測到從5~16mm/a的緩慢地面形變,這些形變由滑坡、粘土層土壤膨脹/收縮和地下水的抽取所導致;另外,還發現了一些以前人知的不穩定邊坡和兩個隆升區和沉降區。J.Mallorqu等采用了先進的DInSAR-相干像元技術(coherentpixelstechnique,CPT),研究了1993年以來塞古拉河(西班牙東南)由于過度抽取地下水而導致的沉降現象,結果顯示研究區域內一些局部點沉降量達到8cm,但是受災建筑物、水源井分布和巖層分布與沉降量并沒有直接的關系。Stramondo等采用了干涉點目標分析(IPTA)技術對意大利首都羅馬市進行地表形變研究,發現除了一些特殊局部地區地面沉降速率大于10mm/年外,整個城市總體上保持穩定。通過時間序列分析,結合臺伯河流域沖積物巖石地層的詳細地質和巖土工程調查資料,發現了控制該區域沉降的主要因素:地表負荷、載荷土層的壓縮和粘性系數和土層厚度。

3.2.3火山監測

雷達干涉技術非常適用于活火山監測,能監測到火山每月幾毫米的形變.因為重復飛行時間間隔較短,能對火山進行精確、實時的監測。意大利Etna火山是世界上最活躍的火山之一,為了精確地測量其噴發過程地面形變,Massonet等利用ERS-1衛星在火山噴發期間獲得的雷達圖像進行干涉處理,得到火山噴發期間不同時間間隔地表形變的等值線圖,發現火山在噴發前產生膨脹,而噴發后又發生大面積收縮,整座火山在385d的噴發時間里縮小了11cm。Dzurisin等人基于干涉測量技術監測到ThreeSisters火山區中心的膨脹現象,進一步研究發現,自2001年夏天以來該地區平均每年的最大位移量為3~5cm,與2001-2004年期間連續GPS觀測站所測的形變量基本吻合。應用基于小基線集(SmallBaselineSubse,tSBAS)技術的干涉測量方法,Tizzani等對加利福尼亞東部地區的LongValley火山進行了地表形變研究,測量結果清晰表明影響LongValley火山的位移現象具有隨時間變化的3個不同的效應:1992-1997年隆起背景,1997-1998年紊亂現象,1998-2000年沉降階段。此外,通過對LongValley火山形變時間序列的分析發現該區域的時間變形行為與檢測到三階段形變類型高度相關。在陶波火山區(TVZ)5個地熱利用率比較高地區,利用雷達差分干涉測量數據對進行了地面形變監測,發現Ohaaki和Wairakei-Tauhara兩個地熱層均發生了不同程度的地面沉降,測量精度與大地水準測量數據相當。在智利Lazufre火山區,應用雷達干涉測量技術發現了一個45km寬的加長地面形變區,但是10a前并未發現有任何形變;進一步研究發現該區域在2003-2006年期間每年隆起高達3cm,影響范圍約1100km2。雖然目前尚不清楚這是否會導致火山爆發,但是它的規模和較快的形變速率暗示一個潛在的巨大火山系統正在形成。

3.2.4地震同震形變監測

地表形變是發生地震最直接的表觀現象,因此利用需達差分干涉技術測量地表形變對于地震學的研究具有重要的意義。

國際上利用DINSAR技術探測地震形變開始于20世紀90年代初。1992年美國加利福利亞附近發生Landers地震(Mw7.3),Massonnet等利用ERS-1所得到的SAR影像進行干涉處理,成功地測量了該地震造成的同震位錯形變,并且探測到沿Garlock和Lenwood斷層幾毫米的位移,所得形變量的分布與用大地測量得到的位移以及彈性半空間位錯模型所計算的結果一致。隨后,Ohkura對Hyogoken-nanbu地震的同震形變場進行了研究,發現神戶市和位于震中位置的淡路島沿雷達視線方向分別發生了約0.6m和1.1m的地表位移。Pedersen等對冰島地震帶南部斷層的同震滑移分布進行了研究,發現了兩個長約15km,而且從地表一直延伸至地下約10km深處的近垂直方向的斷層;在經歷了純粹的右旋走滑階段之后,這兩個斷層滑移量分別達到最大值2.6m和2.9m。Funning等對1998年玻利維亞的Aiquile地震的地面形變場進行研究,首次精確定位了震中位置,并且確定了安第斯山脈中部的一個活動斷層,基于彈性位錯模型對大地測量的N-S走向斷層的位移變化量進行了很好的解釋。在西藏北部昆侖斷裂帶西緣,應用干涉合成孔徑雷達對瑪尼左旋外側走滑地震(Mw7.5)的同震形變和滑動分布進行了研究,發現了一個總長度為170km斷裂帶,同時沿斷裂帶的兩側方向發生了非對稱的位移,應用線彈性位錯模型能夠合理的解釋瑪尼地震的同震形變場[35]。1999年臺灣集集大地震(Mw7.6)造成了沿南北方向分布的100km長的地表破裂帶。基于GPS和InSAR數據的聯合反演,發現了在深度為6.0~7.9km的斷層滑脫面上有明顯滑移,證實了在頗具爭議的車龍輔斷層幾何上應該存在滑脫面。4．展望與發展趨勢

地貌特征如海拔、坡度、地勢起伏及灌溉系統能強烈影響雷達信號特征,同時,雷達側視成像方式對地表幾何形態敏感,可對地質構造形成立體感較強的圖像,從而能直觀地分析地質構造,揭示構造現象。但是,在丘陵和山區由于存在很大的幾何和輻射畸變,阻礙了對雷達數據的解譯,因此,今后地質雷達遙感發展的方向;發展有效的和適當的處理技術來消除由于地形起伏和地面坡度導致的陰影;應結合其他可見光遙感數據(TM,SPOT等),彌補雷達影像的一些缺陷,在解譯過程中還可充分利用圖像處理與增強技術,提高對巖性的分辨能力。

在過去的十多年里,已有相當多的SAR衛星如ERS-1/2,JERS-1,Radarsat-1,ENVISAT等獲取了大量圖像,并已經被成功用來做干涉應用。目前,D-InSAR技術與GPS水準測量等常用離散監測技術聯合,用于高分辨率、高精度地捕獲各種地球物理現象引起的地表位移已表現出了極大的潛力。但是時間失相干因素很大地限制了D-InSAR的廣泛應用,而大氣效應也會影響D-InSAR的測量精度。而PS-InSAR技術則在很大程度上解決了這兩個難題,即使在無法獲得干涉條紋的情況下,利用基于多時相SAR圖像和相位穩定像元點集的PS技術也能取得毫米級的地表形變運動測量精度,因而PS技術大大增強了干涉測量的環境適應能力及其精度,是干涉研究領域的一項重大技術突破,具有巨大的實際應用潛力。

未來的D-InSAR將針對不同的觀測任務進行進一步的優化和細化,針對地震變形研究、地形測繪、冰川運動、地震形變、地面沉降等各研究領域分別設計更完善的數據處理方法。今后D-InSAR技術尚急需解決如下一些關鍵性問題:提高軌道重復周期以減少時間去相干對觀測結果的影響;對衛星姿態精確測量以保證干涉圖和形變場的自動生成;任何時刻都能儲存三個重復周期的數據;能夠進行實時處理并能夠自動分析異常形變。隨著這些衛星系統穩定性問題的不斷解決,未來的D-InSAR系統將在空間分辨率和時間分辨率、數據獲取等方面大大改善,可望在今后較短時間內獲得毫米級的地形變測量精度。可以預見,未來D-InSAR技術將地震活動帶長期監測、火山運動研究、地面沉降觀測、滑坡等地質災害研究領域建立起屬于自己的觀測體系,并逐步發展成為常規的觀測手段,更好地為人類服務。

第二篇：超聲成像技術發展現狀及應用

超聲成像技術的發展現狀及應用引言

超聲成像以其使用安全、成像速度快、價格便宜和使用方便等優勢在臨床診斷中被大量使用，是臨床診斷的重要工具之一[1]。隨著超聲在醫學診斷領域的廣泛而深入的應用，以及微電子技術、計算機技術、圖像處理技術和探頭技術等工程技術的進步，促進了超聲診斷技術不斷發展。不僅儀器的圖像質量明顯提高，而且診斷的模式和方法也更加豐富。國內外很多研究人員從事著超聲的研究，使超聲技術從模擬技術擴展到數字技術，即數字聲束形成技術[2]；從低幀率成像擴展到高幀率成像[3]；從二維成像擴展到三維成像[4]；從線性技術擴展到非線性技術[5]，以適應臨床不同的需求。本文著重對多普勒血流成像、三維成像技術和諧波成像技術作一下介紹，并對各自在臨床方面的應用進行概括。超聲多普勒成像技術

超聲多普勒技術主要應用于心臟和血管疾病的診斷。它是無損診斷血管疾病的一種重要手段，對超聲多普勒血流信號的分析處理可以為疾病診斷提供重要依據[6]。當超聲源與人體內運動目標之間存在相對運動時,接收到的回波信號將產生多普勒頻移,由此確定其運動速度大小、方向以及在斷層上的分布。

2.1多普勒成像技術簡介

目前應用于臨床的有一維連續多普勒、一維脈沖多普勒、彩色多普勒、能量多普勒和多普勒組織成像[7]。下面就多普勒組織成像技術及其應用做一個簡單的介紹。

多普勒組織成像技術[7]是將低速高振幅的心肌運動信息進行彩色編碼顯示心臟運動信息的圖像診斷技術。該技術能夠直觀的觀察心動周期內各時相的室壁運動方向，并定量分析心臟各節段的室壁運動速度。與傳統超聲目測分析室壁運動相比，能夠更為客觀地評價心臟的運動特點。但多普勒組織成像無法克服多普勒聲束與室壁運動方向夾角所產生的影響[8]。

2.2 超聲多普勒成像技術應用

關于超聲多普勒成像技術的臨床應用的報道有很多。學者經研究發現二維及

彩色多普勒超聲對甲狀腺良惡性腫瘤的鑒別有一定的診斷價值[9]。李斌采用彩色多普勒超聲對子宮頸部肌瘤的聲像圖特征及其相應的生理、病理學基礎作了相關的實驗分析，得出彩色多普勒超聲對子宮頸部肌瘤有很高的診斷價值[10]。也有人針對彩色多普勒超聲和多層螺旋CT兩種檢查方式進行比較[11]。另外，超聲多普勒成像技術也可用于心臟圖像的動態三維圖像[12]。三維超聲成像技術

三維超聲成像的概念最初由Baun和Greewood在1961年提出[13]。他們在采集一系列平行的人體器官二維超聲截面的基礎上，用疊加的方式得到了器官的三維圖像。在這之后，很多人進行了這方面的研究工作。隨著計算機技術和圖像處理技術的發展，三維超聲成像取得了明顯的進展，一些實用的系統開始進入臨床應用。

3.1 三維超聲成像技術原理簡介

三維超聲成像技術包括數據獲取、三維圖像重建和三維圖像的顯示[14]。三維超聲成像是在采集二維圖像的基礎上進行重建而成。

要獲得理想而準確的三維圖像，需要清楚地了解二維圖像的位置及角度，還需盡快掃查以避免運動偽像。常用機械驅動掃查、自由掃查、一體化容積探頭掃查等方式獲取[15]。

獲取二維圖像數據后，便可形成三維立體數據庫。當選擇一個參考切面對三維立體數據庫進行任意方向的切割和觀察時，即可完成對感興趣結構的三維重建與顯示。常用的重建方法為[15]：基于特征的三維圖像重構法、基于體素的三維圖像重構方法。顯示方式有：斷面成像、表面成像、透明成像。

3.2 三維超聲成像的優缺點

與傳統二維超聲成像相比，三維超聲成像具有明顯的優勢。主要表現在以下幾個方面[16]：直接顯示臟器的三維解剖結構；可對三維成像的結果進行重新斷層分層，從而能從傳統成像方式無法實現的角度進行觀察；可對生理參數進行精確測量，對病變位置精確定位。

無可厚非，三維超聲成像還存在不足之處[16]。主要表現在三個方面：(1)成像速度慢；(2)空間分辨力低；(3)成像效果未達到臨床診斷要求。

3.3 三維成像的應用

三維超聲在產科領域的應用較早，技術也較成熟[14]。不僅可以對胎兒體表結構進行表面成像，還可利用透明成像對胎兒體內結構進行三維重建，從而對胎兒整體形態結構進行觀察。在心血管疾病診斷中，可用于多種心臟疾病以及血管內疾病的檢查。隨著實時三維超聲成像的研究成功，三維超聲有望在心臟疾病檢查中發揮更大的作用。另外，三維成像對慢性膀胱炎癥、憩室、結石、凝血塊等膀胱疾病的診斷，也顯示出優越性[14]。當然，它的臨床應用還有很多，如在肝臟疾病、腎臟疾病以及眼科疾病等方面的治療中也取得不錯的成效[17]，再次不一一列舉。諧波成像技術

在諧波成像應用于臨床之前，所有超聲成像系統都是按照線性超聲來設計的。非線性聲學的理論和實驗表明，有限振幅聲波在傳播過程中會產生非線性效應，因此可以利用人體組織產生的高次諧波進行成像[18]。當前應用較廣的有造影諧波成像，組織諧波成像等。具有諧波成像和Doppler血流成像功能成為高端超聲成像儀的主要標志。

4.1 組織諧波成像和造影諧波成像

臨床上，由于肥胖、胃腸氣體干擾、腹壁較厚或疾病等原因，約有20%-30%此類的病人被稱為超聲顯像困難病人[18]。對于此類病人需要較低頻率的超聲檢查以增加穿透力從而得到進一步的診斷研究，組織諧波成像便能解決此問題。

組織諧波成像是利用超聲傳播過程中由人體組織自身產生的高次諧波進行成像[19]。組織諧波成像和造影諧波成像都是通過提取回波信號中的高次諧波分量進行成像，但高次諧波產生的物理原理卻不相同。造影諧波成像的原理如下

[20]：超聲造影劑內存在大量的微氣泡，若通過靜脈注射造影劑，由于造影劑中的微氣泡與周圍血液的聲阻抗差異較大，增強了超聲束的后向散射信號，從而提高超聲圖像的對比度，改善圖像質量。這種利用造影劑反射回波的二次諧波成像的方式稱為造影劑諧波成像。

4.3 諧波成像應用

目前諧波成像技術在心臟和腹部疾病超聲圖像診斷方面的應用較為廣泛。但諧波成像發射頻率較低，接受頻率較高，使得靶區圖像分辨力降低。因此，此項技術尚處在初級應用階段。國內對組織諧波成像研究僅限于臨床應用研究，尚缺

少對該項技術在理論和實驗方面的深入研究。國外已經開展了組織諧波成像模型的理論研究，取得了一些成果。比如Yadong Li研究了用于產生諧波B型超聲圖像的計算模型[21]。組織諧波成像已經被證實具有較好的影像解析度，它比基波圖像有著更好的對比，造影劑二次諧波成像可以增強造影劑與周圍組織的對比度，使成像更為清晰。展望

從早期超聲診斷技術到目前的超聲多普勒成像技術、三維成像技術和諧波成像技術的發展歷程來看，超聲圖像診斷技術的發展目的是為了提高圖像質量，準確反映疾病信息。超聲成像技術在過去、現在和將來都是醫學影像研究的重點內容之一。隨著技術的發展、研究的深入，相信將會有更多新發現和新技術用于超聲成像中。

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第三篇：MRS成像技術及臨床應用總結

一

MRS成像技術 回波時間

? 應用長、短TE確定的常規代謝物

-N-乙酰天門冬氨酸(N-acetyl asparte, NAA)

-肌酸（creatine, Cr)

-膽堿（choline, Cho)

-乳酸（lactate, Lac)

? 僅短TE確定的代謝物

-脂質（lipids, Lip)

-谷氨酰胺和谷氨酸（glutamine and glutamate, Glx)

-肌醇（myo-inositol, mI)如何選擇長、短TE ? 中等TE（144ms）PRESS用于腫瘤性病變。易于顯示 Cho和Lac峰，兩者是腫瘤性病變的主要代謝改變

? 短TE（30-35ms）PRESS用于其他的病理狀態 體素的位置和大小

? 為提高1H MRS 敏感性，感興趣區（ROI）要求有嚴格的邊界，并避免來自鄰近組織的干擾：

●血管、血液、空氣、腦脊液、脂肪、壞死區、金

屬、鈣化

● 顱骨，ROI距其至少約5～10mm

● 鄰近靜脈竇

? 體素越小，部分容積效應越小，但信噪比及空間分辨率降低 如何確定Lac峰（Lac與Lip 共振頻率基本相同）

? 嚴格勻場后，Lac的共振呈雙峰線（doublet)? 當TE為144ms時，Lac峰反轉于基線下

? 當選擇長TE（270ms）時，Lip信號不再磁化，只能檢測到Lac 二 MRS分析的主要代謝產物 ? NAA（N-乙酰門冬氨酸）：

主要存在于神經元及其軸突，可作為神經元的內標物，其含量可反映神經元的功能狀態。含量降低表示神經元受損；峰值升高僅見于Canavan病（海綿狀腦白質營養不良）。第一大峰。主要位于2.02ppm，正常濃度為6.5-9.7mmol，平均7.8mmol ? 膽堿化合物（Cho）

主要是自由膽堿、細胞膜翻轉的標志物，反映細胞增殖，其峰值升高見于腫瘤、炎癥、慢性缺氧，降低見于卒中、腦病（肝性腦病、AIDS）等位于3.20ppm，正常濃度0.8-1.6mmol，平均1.3mmol ? 肌酸類（Cr）此峰由肌酸、磷酸肌酸、?-氨基丁酸、賴氨酸和谷胱甘肽共同組成；是腦細胞能量代謝的提示物，在低代謝狀態下增加，而在高代謝狀態下減低。第二大峰。3.03ppm、3.94ppm（PCr）附近；一般較穩定，常作為其它代謝物信號強度的參照物 ? 乳酸（Lac）

正常情況下檢測不到Lac峰。此峰出現說明細胞內有氧呼吸被抑制，無氧糖酵解過程加強；腦腫瘤中，Lac出現提示惡性程度較高；Lac也可見于無代謝的囊腫和壞死區內；位于1.32ppm，由兩個共振峰組成，稱為雙重線；TE為135或144ms時反轉 ? 脂質（Lip）

見于一些腫瘤、梗死和多發硬化急性期的患者，其可能與急性髓鞘脫失有關。此峰見于壞死腦腫瘤中，提示壞死的存在；位于0.8-1.3ppm處，呈多峰；共振頻率與Lac相似，可以遮蔽Lac峰；

? 肌醇（mI）

膠質細胞的標記物，位于星形細胞中；髓鞘退變的產物，含量的升高與病灶內（尤其是慢性病灶內）的膠質增生有關； 波峰位置：3.56和4.06，可以用STEAM技術顯示

三 MRS臨床應用

目前應用于臨床的MRS主要是1H、31P的波譜： 腦腫瘤—鑒別腫瘤和非腫瘤性病變、原發和轉移鑒別、膠質瘤分級提示、提示理想的穿刺部位、評價腫瘤侵潤和進展、評價治療反應、放療前定位、鑒別放療后復發和放射性腦壞死 顳葉癲癇-定側、定量 血管性異常—梗死 腦缺氧-HIE：評估預后 感染性病變--腦炎、腦膿腫

腦損傷-發現常規CT陰性的病變、評價療效、預測后果 神經退行性疾病：老年性癡呆（AD）-早期診斷 代謝性疾病-線粒體腦病

脫髓鞘-腦白質營養不良、多發性硬化

疾病

NAA

Cr

Cho

Lac

Lip

腫瘤

?

?

?

?

?

MS

?

?

?

? 腦腫瘤MRS表現

膠質瘤主要表現表現為NAA、NAA/Cr下降、Cho、Cho/Cr，Cho/NAA升高，Cr峰稍有變化

Cho峰的升高與腫瘤的惡性相關；Cr峰隨腫瘤惡性程度的升高有降低趨勢；Lip峰出現于大多數高級別的腫瘤中，特別是腫瘤壞死區或鄰近壞死區；Lac峰多見于多形膠質母細胞瘤中，低級星形細胞瘤中出現此峰則預示腫瘤進一步惡變的可能；

? 腫瘤與非腫瘤鑒別

Cho是顱內腫瘤最特異的標記物，Cho、Cho/Cr和Cho/NAA比率增長，強烈提示腫瘤。研究發現，Cho/NAA比率大于2.0時，敏感性和特異性分別為96%和70%，大于2.5時，敏感性為90%，特異性為86% ? 原發性腫瘤與轉移瘤的鑒別

NAA和Cr的部分或完全缺失提示轉移瘤。研究發現，如腫瘤周圍顯示Cho升高考慮為原發；無升高則可能為轉移瘤所致水腫 ? 神經退行性疾病MRS表現

阿爾茨海默病（Alzheimer’s disease，AD)占癡呆的70%，發病率增高，早期診斷有意義；發展過程：正常老年—輕度認知障礙（MCI）---AD；可檢測出海馬尚未萎縮之前的早期表現；MRS診斷AD的敏感性為85%，特異性65%；對AD與正常老年人的鑒別診斷敏感性83%，特異性98%；和其他類型癡呆鑒別診斷敏感性82%，特異性65% ? 代謝性疾病MRS表現

MELAS綜合征（伴有乳酸中毒和卒中的線粒體腦肌病）：以線粒體肌病、腦病、乳酸性酸中毒、中風樣發作為特征； 體素置于病灶內-最常累及枕葉、基底節； MRS顯示與梗死同樣的異常； 急性期/亞急性早期：Lac升高。

? 腦梗死MRS表現

早期診斷腦梗死：評價急性梗死的嚴重程度及其預后（NAA和Lac水平直接與缺血嚴重程度和細胞死亡的程度相關）；MRS在腦缺血數分鐘即可顯示Lac升高，早于ADC降低；NAA下降較ADC改變晚，開始于數小時（動物實驗最早1小時），預示該區組織終將壞死；可恢復的缺血區Lac中度升高，NAA無變化、或僅輕度降低 ? 癲癇MRS表現

顳葉癲癇（temporal lobe epilepsy，TLE)是難治性局灶性癲癇的主要原因 70%的TLE表現為以神經元丟失和膠質增生為特征的內側海馬硬化 MRS對癲癇的海馬異常檢測的敏感性高于cMRI 對癲癇的定側提供了高敏感的方法

當cMRI正常或只顯示一側病變時MRS可提示雙側病變 TLE主要表現

NAA,NAA/Cr,NAA/Cho,NAA/Cho+Cr

(提示神經元丟失或功能障礙）

Cho和Cr（反應性星形細胞增生）

mI(反應性膠質細胞和星形細胞增生）

Lac和Lip(癲癇發作24小時內檢測到，可持續存在7天）

正常人NAA/Cho+Cr比值的低限為 0.72，小于0.68 為異常；若兩側均低，雙側比值差別超0.07，低側為異常側，提示海馬硬化

NAA/Cho+Cr比率被認為是TLE分析中最一致的參數，代表了TLE所致異常表現中最敏感指標，其定側敏感性為87%，準確率為96%

第四篇：磁共振成像技術在泌尿外科的應用.

磁共振成像技術在泌尿外科的應用 討論

磁共振成像是近年來開展的一種有價值的新技術，其優點在于參數多，可取任意方位成像，而且組織分辨率高，無創傷，不但能顯示形態學的改變，亦可反映組織器官的功能性變化，有可能提供生化過程的信息和動態的定量資料。

mru的研究開始于1986年，henning首先用于神經系統疾病的診斷。我們體會mru存在一定的局限性：①不利于評價腎功能；②由于采用mip重建，必然有部分信息損失，造成對較小充盈缺損病變(如小的結石或腫瘤)的漏診；③不能動態顯影，腎盞顯影圖像較差；④輸尿管下段與膀胱重疊部位的病變診斷較為困難；⑤檢查費用較為昂貴。

mra是應用磁共振成像技術對血管和血流進行描述及其特征的顯示。目前認為數字減影血管造影術是血管造影的金標準，但僅能顯示血管內腔，對血流依賴性較弱，存在栓塞、血管損傷、腹股溝區血腫、感染及心肺并發癥之可能。而mra可評價血管壁和血管周圍組織，反映的是血流信息，屬無損傷性檢查。我們認為mra在泌尿外科主要用于以下3個方面：①磁共振靜脈成像，可探查下腔靜脈有無癌栓，為治療方案提供有價值的依據。本組4例腎癌患者行磁共振下腔靜脈成像未見癌栓，后均經手術證實。②篩選腎動脈狹窄。本組4例高血壓患者腎動脈近段均未見狹窄，其中1例后經數字減影血管造影術檢查發現腎動脈狹窄，即予手術切除。③可使術者掌握腎血管解剖情況，了解有無副腎動脈，可為捐腎者及腎切除患者手術方案的選擇提供依據。本組4例腎癌患者術中均未發現副腎動脈，與術前mra表現一致。盡管mra優點明顯，但亦存在一些限制：①檢查時，患者需較長時間保持完全不動，呼吸稍粗即易造成偽影；②外科手術后鉗夾血管即引起局部信號消失，產生明顯偽影，影響分析；③對腎動脈遠段顯影較差；④存在一定假陽性，對病變范圍有放大作用。

磁共振雙成像是將mru及mra圖像疊加而成，可三維立體多方位旋轉觀察，展示正常解剖結構的空間關系。在泌尿外科范圍之內，mru和下腔靜脈、腹主動脈雙成像可以了解輸尿管和下腔靜脈、腹主動脈等腹膜后結構的相互關系，可明確診斷腔靜脈后輸尿管等解剖變異及先天性畸形。本組2例為排除腔靜脈后輸尿管行磁共振雙成像，未見輸尿管纏繞下腔靜脈影像。與常規磁共振圖像結合觀察，磁共振雙成像可以了解腹膜后腫瘤侵犯的范圍及與輸尿管、下腔靜脈和腹主動脈的關系，為手術方案的制定提供可靠依據。目前影響磁共振雙成像應用的主要問題之一為檢查費用高，性能價格比尚不理想。相信隨著技術和設備水平的不斷提高，磁共振檢查費用會逐漸下降。現代醫學對影像學的要求越來越高，追求的目標是全面、快速、準確和無創。磁共振成像作為近年來一種有價值的新技術，已倍受臨床注目。mru、mra及雙成像技術不斷得到開發和利用，在泌尿外科臨床應用方面取得了較大發展，還需要進一步發揮其潛能。資料與方法

1.1 一般資料

泌尿外科疾病組31例，男18例，女13例，年齡9～75歲，平均51歲。病種包括上尿路結石11例，腎盂輸尿管連接部梗阻4例，腎囊腫2例，腎癌4例，輸尿管癌3例，膀胱癌2例，后尿道憩室1例，高血壓患者4例(腎動脈狹窄1例)。正常對照組6例，男3例，女3例，年齡25～70歲，平均46.4歲。兩組均采用美國ge公司生產的vectra 0.5 t超導型磁共振成像機。1.2 成像方法

mru成像方法：采用體線圈進行冠狀位掃描后用最大強度投影法(mip)進行重建并多方位成像。掃描采用快速自旋回波(fse)，重復時間(tr)/回波時間(te)=6 000/200 ms，層厚5 mm，層間距0 mm，fov=35 cm，矩陣128×224，采集次數為5次。

mra成像方法：采用體線圈行與mru范圍相同的冠狀位掃描后用mip及多方位旋轉形成多方位的三維血管圖像。掃描采用梯度回波(gre)，tr/te=50/10 ms，激勵角度(flip angle)=30°，fov=35 cm，層厚5 mm，層間距0 mm，矩陣128×224，采集次數為1次。

mru加mra成像方法：采集原始圖像后，采用美國ge advantage windows工作站，迭加相應層面的mru和mra圖像，即獲得雙成像圖像。2 結果

正常對照組：4例行mru，僅見形態正常的膀胱呈高信號；2例行mra，可見正常走行、形態完整的下腔靜脈、腹主動脈及腎動脈呈高信號，均無充盈缺損。

泌尿外科疾病組：①mru檢查20例(不包括mr雙成像3例)，其中上尿路結石9例(腎鑄型結石3例，輸尿管結石6例)，均表現為梗阻上方腎盂腎盞、輸尿管擴張呈高信號，斷端呈杯口狀；腎盂輸尿管連接部梗阻4例，均清晰顯示患腎腎盂積水，腎盂輸尿管連接梗阻部呈漏斗狀；腎囊腫2例，呈相對孤立的類圓形、邊界光滑的均勻高信號；輸尿管癌2例，顯示輸尿管梗阻上方呈高信號，1例斷端呈不規則漏斗狀，另1例斷端形態不規則；膀胱癌2例，示膀胱占位病變部分充盈缺損；后尿道憩室1例，膀胱左下后方有一3.5 cm×6.1 cm高信號，向后尿道前列腺部延伸。②mra檢查8例，其中腎癌4例，下腔靜脈成像未見低信號癌栓，亦未發現副腎動脈，均經手術證實；高血壓4例，示腎動脈近段無狹窄，1例經數字減影血管造影術檢查發現腎動脈遠端狹窄。③mra加mru檢查3例，其中腎積水及輸尿管擴張各1例，為排除腔靜脈后輸尿管行磁共振雙成像，未見輸尿管纏繞下腔靜脈影像，手術證實為輸尿管結石；右側輸尿管癌1例，示輸尿管下段梗阻，下腔靜脈內未見低信號癌栓，后經手術證實。

我院自1997年10月～1999年7月分別采用磁共振水成像(mr urography，mru)和磁共振血管成像(mr angiography，mra)技術檢查診斷泌尿外科疾病患者31例，其中mru加mra成像3例，效果良好，現報告如下。

第五篇：腦功能磁共振成像及其法醫學應用前景

【摘要】腦功能磁共振成像是近年來磁共振成像技術的一項新發展。它不僅能清晰、準確地顯示腦組織的解剖和

病理改變，還能同時觀察到腦皮層功能活動時的信息，可無創、實時地對大腦的功能活動進行成像。為法醫學領域中所涉

及的人體損傷程度鑒定和傷殘等級評估以及對法醫精神病領域中認知功能的界定．從單一形態學研究到形態與功能相

結

合的系統研究開辟了一條嶄新的道路。本文就人腦的功能活動磁共振成像的概念、原理、優勢、臨床研究狀況及法醫學

應用前景進行綜述。

【關鍵詞】腦功能磁共振成像；法醫病理學

【中圖分類號】d919．1： r445．

2【文獻標識碼】b

【文章編號】1007—9297(2004)04—0291—0

4technology of functional magnetic resonance imaging of brain and appucation prospects in forensic medicine． ca i ji一，0 tao，pan hong-fu，et ．forensic pathology department，school ofleg~l medicine，sichuan university,chengdu

61004

1【abstract】technology of functional magnetic resonance imaging of brmn(fmrib)is a new approach developed in the

resent years． it can not only show clearly and accurately the changes of tissues，autopsy and pathology of the brain，but also

show the information of the activity of the brain in time without harm． it can be widely used in forensic medicine such as injury

gradated evaluation，disability evaluation and cognition in forensic assessment in psychiatry providing a new method from pure

morphological study to morphology-function combination study．this article reviewed the fmrib conceptions，principles，advan—

tages，the conditions of clinical study and application prospects in forensic medicine

．

【key words】functional magnetic resonance imaging of brain；forensic medicine

一、腦功能磁共振成像的概念與原理

(一)概念

腦功能磁共振成像(functional mri，fmri1，是一種

新興的影像學檢查技術。它以腦功能活動時引起的血

氧濃度改變為基礎，采用不同顏色直接實時地將腦功

能變化反映在mr圖像上，突破了既往研究腦功能的黑箱技術，以往的影像學檢查技術絕大部分是依賴于

被檢組織形態學的改變，而功能性成像這一領域一直

為正電子發射體層攝影(positron emission tomographv．

pet)所獨有。隨著mr技術的發展，fmri能在特定的腦功能活動時或血液動力學變化時對腦組織進行實時的功能成像，對人腦在生理和病理狀態下的功能活動

進行有效的評價。其時間分辨率和空間分辨率均較高，一次成像即可同時獲得解剖和功能影像，是目前人們

用mr方法研究大腦皮層功能活動的最主要方法

ri為腦科學研究提供了直觀有效的研究手段．為醫

學影像學的研究和臨床開辟了全新的領域 lli

(二)基本原理

神經活動與血流動力學變化之間的密切關聯是

ri的基礎。人體各種生理活動都由相應的大腦皮層

[作者簡介] 蔡繼峰，四川大學華西基礎與法醫學院病理教研室在讀研究生，tel；+86—28-89592918：e-ma11：cj f-j1feng@163

． com

。292。