成像雷达遥感地质灾害应用5篇

第一篇：成像雷达遥感地质灾害应用

成像雷达遥感地质灾害应用

张万超

（中国地质大学 信息工程学院 遥感与科学技术专业）

摘要：概述了合成孔径雷达技术的发展状况,对合成孔径雷达成像机理及特征做了简要介绍。结合SAR技术的发展阶段,简述了成像雷达遥感地质研究的技术理论,总结了国内外应用研究现状。同时对新兴起的新型成像雷达技术(极化雷达、干涉雷达)及其发展趋势也做了简单描述,重点突出了新型成像雷达技术在地质地震研究中的应用。最后提出了新型成像雷达技术在目前研究中存在的问题及对当前研究的改进措施,展望了他们未来的发展趋势。关键词:成像雷达遥感;地质应用;极化雷达;干涉雷达

成像雷达遥感,一般即指合成孔径雷达(syntheticapertureradar,SAR)遥感,其显著特点是主动发射电磁波,具有不依赖太阳光照及气候条件的全天时、全天候对地观测能力,并对云雾、小雨、植被、及干燥地物有一定的穿透性,此外,通过调节最佳观测视角,其成像的立体效应可以有效地探测目标地物的空间形态,增强地形地貌信息。这些独特的优势使得雷达遥感相对光学遥感,在地质学中得到了更为广泛的应用和深入发展。地质学是雷达遥感除了军事侦察以外最早的应用领域,起始于20世纪60年代美国在云雾覆盖、林木繁茂的南美开展的大规模机载雷达地质应用试验。随后美国、巴拿马、巴西等国家成功的进行了几次机载雷达遥感飞行,广泛地用于基础地质及矿产、油气资源调查。

进入20世纪80年代,机载雷达遥感已作为一种成熟的技术应用于地质探测中,美国、加拿大等国家相继开展了SAR制图、雷达地质研究等计划,取得了大量数据,对矿产资源和地质调查作出了很大贡献。在开展机载雷达地质研究的同时,星载雷达遥感也广泛应用地质研究。SeasatSAR及SIR-A/B等卫星、航天飞机雷达的相继升空,获得的包括从亚马逊河及印度尼西亚的热带雨林到北非和沙特阿拉伯的干旱沙漠地带等地区的大范围的雷达影像,提供十分丰富的地质构造、岩性、隐伏地质体等地质矿产信息。20世纪90年代,雷达遥感研究达到空前高潮,ALAMZ-SAR,ERS-1/2SAR,JERS-1/SAR及RADARSAT-1相继发射,以及航天飞机SIR-C/X-SAR二次成功的飞行,为雷达地质研究工作的进一步开展提供了丰富的数据源。当前,国际民用高分辨率合成孔径雷达卫星研究又向前跨进了一大步,EnviSat/ASAR,ALOS/PALSAR,TerraSAR-X,TecSAR,Cosmo-Skymed-X,RADARSAT-2等雷达卫星的相继升空,雷达遥感获取的信息量越来越丰富,同时数据处理方法和手段越来越完善,特别是新型成像雷达遥感技术(极化雷达、干涉干涉雷达)的出现,雷达遥感已经深入到地壳形变、地震孕育、板块运动及地面沉降测量等地质研究各领域。

1．地质体微波散射理论

目标的散射特性,是雷达图像解译的理论基础。地质体散射是电磁波与地质体相互作用的结果,雷达图像上的灰度数字值是相应地面地物的雷达后向散射回波强度在图像上的反映。可用如下的雷达方程来表示:

其中:Pt为雷达接收功率;Pr为雷达发射功率;G为天线增益;γ为波长;R为天线与目标地质体之间的距离;σ为后向散射系数,与地质体物理特性参数(表面粗糙度、复介电常数)等有关;A为目标地质体的雷达后向散射截面,是一个与雷达系统参数(波长、极化、发射功率、天线增益)及成像几何位置(入射角,天线到目标地质体的距离)有关的因子。显然,在雷达系统参数及成像几何位置不变的情况下,雷达图像上的后向散射强度仅随目标地质体物理特性参数后向散射系数而变化。如果在绝对尺度上已知k,就可把像元的灰度数字值DN(ij)直接与σ联系起来,生成一幅在绝对尺度上强度直接和后向散射系数有联系的图像(即绝对定标)。如果只知道k的相对变化,就只能生成一幅相对后向散射图像(即相对定标)。决定雷达图像后向散射强度的岩石表面性质主要是表面粗糙度和复介电常数。表面粗糙度取决于表面结构形迹,如沙、砾和卵石的颗粒及风化碎屑。除未固结的砾石、沙和粘土外,表面粗糙度和岩性之间并没有固定的关系。因此,不同岩性的岩石可能有相同的雷达回波。因此,在雷达图像上识别岩性,必须利用岩石的地貌表现和风化特征。

数是对表面物质电性的测量,它强烈地影响着物质吸收电磁波能量的能力,并影响着电磁波能量的反射率。物质的相对介电常数由实部和虚部组成,实部代表物质的介电常数,而虚部表示物质的损耗因子。复介电常数在很大程度上取决于表面物质的含水量,相对地质体而言,含水量极低。因此,复介电常数的实部与岩石类型、结构、密度和岩石化学成分有关,而虚部则变化较小。2．像雷达遥感在地质研究中的应用

在雷达遥感的发展过程中,单波段、单极化及多波段、多极化雷达图像在地质学中应用非常广泛;其所特有的全天候、全天时数据获取能力及对一些地物的穿透性能,已成功地应用于对地观测,如岩性识别、区域构造分析、矿产调查、地质填图等,给传统的地质学带来了新的活力。2.1形地貌分析 雷达遥感主动发射电磁波,以及全天时、全天候获取数据的能力,使其能在自然条件较为恶劣的地区,有效地进行地形地貌探测。雷达图像立体感强,地形起伏明显,对地形、地貌等信息有较强的表现力和较好的探测效果。

Rowland等应用ERS-1的雷达影像对阿拉斯加半岛和阿留申群岛的火山地貌进行研究,发现Aniakchak火山口附近一个结构均匀低侵蚀性的地质体单元,主要是一层厚重的低流动性火山碎屑沉积物,同时检测到了黑风岭地区可能的火山喷发残留物,确定了Veniamino高原冰川地区与火山相关联的一些崩滑带和洼陷地坑。Kervyn对坦桑尼亚西南部鲁夸裂谷近期-现今构造演化规律进行了研究,发现了很明显的构造演化特征,同时检测到与地质构造密切相关的其他典型地形地貌特征。基于光学-雷达(SIR-C/XSAR,RADARSAT-1)-数字高程模型(SRTM)数据集成,Allison等对诸如埃塞俄比亚阿法尔凹陷等干旱区进行了地质测图研究,绘制了第四纪阿法尔凹陷北部Erta!Ale火山山脉独特熔岩流的时空分布,解译并可视化了阿法尔凹陷中部Dobe地堑的组成部分扩展叠形扇,绘制了Tendaho峡谷两翼流纹岩流的形态确定结构。2.2岩性地层划分及地质构造解译

在雷达图像上识别和分析岩石类型,主要利用岩石的表面粗糙度、风化特点和地貌形态。不同岩性的岩石由于风化的作用会形成不同的地表形态,反映在雷达图像上则是不同的纹理。同时,雷达侧视成像方式对地表几何形态敏感,可对地质构造形成立体感较强的图像,从而能直观地分析地质构造;此外,通过主动发射电磁波能量的工作方式,可使特定方向上的构造得到增强而易于发现和识别。基于SIR-C/XSAR数据,Guo等在中国昆仑山西部阿克赛钦湖东北发现了一个火山群;进一步研究发现,LHV能够最有效的鉴别熔岩流(pahoehoe和aa熔岩)、冲积岩和基岩。Kusky等对埃及沙漠东南部Allaqi缝合带的岩石单元、结构和矿床活动区进行了研究发现,黑白SIR-C/XSAR影像刻画出控制矿化过程的植被、断层和褶皱的纹理特征,而多波段彩色复合图像(Chh-Lhh-LhvSIR-C/XSAR)对产生放射性矿化的一些椭圆形花岗岩体比较敏感,同时与航空相片和TM影像相比,SIR-C/XSAR数据传递更多的薄沙层覆盖下的岩石和结构信息。Mering等应用SPOT-全色和ERS-1雷达图像提取安第斯山脉中部地区的一些地质结构特征,除了一个微小左旋走滑断层,其余沿西北-东南走向的主要断层都是正常的。东北-西南走向的开口断层都是张裂缝,随着进一步向东北-西南走向延伸,西北-东南走向的主要断层形成一个包括活跃的火山区的伸展∀雁列式#模式。Raharimahefa等利用光学遥感和JERS-1/SAR数据,结合实地调查对马达加斯加东南部Betsimisaraka缝合带地质体结构和演化过程进行了研究进行了研究,结果表明,南部B.S.划分为前寒武纪基底岩石马达加斯加两部分,西部地区包括古代的岩石,而东部地区是一个太古板块,命名为Masora块。南部的B.S.包括高变质岩,记录强有力的变形和矿藏,包括铬,镍,和翡翠,海洋特征的材料是符合缝合带。

2.3隐伏活动构造及其他隐伏地质现象的探测

用雷达图像探测隐伏活动构造及其他隐伏地质现象,是基于探测区域地表粗糙度及复介电常数引起特征雷达回波这一机理,在图像上识别出这些测隐伏活动构造,主要是地表雷达回波的贡献。

1982年McCauley等首次利用航天飞机成像雷达SIR-A图像在非洲撒哈拉南部沙漠地区发现沙层覆盖下的属于第三纪中期至第四纪次地表残留古河道和古人类遗迹。接着利用SIR-C/X-SAR数据在该地区开展了进一步的研究,基于C-和L波段合成孔径雷达图像,第一次明确界定基岩单位(花岗岩和片麻岩)和与之有联系的破碎带[。在阿拉伯半岛,Abdallah等通过对L波段雷达数据初步判读,揭示泥沙覆盖的地质结构特征和古河道,进一步增进对当地区域河流地质地貌的了解。应用可见光、红外、雷达数据以及探地雷达,Blumberg等对西内盖夫、以色列、西奈半岛北部和埃及地区裸露和埋藏在沙土下面的古河道进行了研究,发现Halutza,Agur和Shunra沙丘是西奈半岛北部的沙丘的延续。L波段雷达数据能够探测到掩埋在地底下WadiMobra和Nizzana河道的延续,而可见光和红外影像很难检测到;雷达(L(HV),L(HH)andC(HH))的波长和极化方式能增强古河床和周围的河漫滩的对比度。

3新型成像雷达技术(极化雷达、干涉雷达)的地质应用 3.1极化雷达与干涉、差分干涉测量技术 3.1.1极化雷达(polarimetricSAR,PolSAR)多波段多极化雷达只能探测某种固定极化状态的后向散射回波,且大多为同极化,如HH,VV极化等,因此无法根据地物极化响应的特点合成有利于提取地物信息的极化图像,对地表的探测也只能是不完全的。为了克服多波段、多极化雷达的缺陷,极化雷达开始出现,极化雷达(PolSAR)也称全极化雷达,是20世纪80年代末90年代初出现并迅速发展起来的一种新型主动成像雷达。它近同时发射和接收H,V两种线性极化雷达脉冲,以Stokes矩阵或散射矩阵为基本记录单元,相干记录了地物HH,HV,VH,VV四种极化状态的散射振幅和相位,并可利用极化合成技术计算任意一种极化状态的后向散射回波,既有振幅信息,也有相位信息。因此,极化数据能提取更多的地物极化信息,如线性极化散射强度相同极化相位差!∀hh-vv、极化度,HH-VV同极化相关系数,总功率,同极化比,交叉极化比等。3.1.2干涉雷达及差分干涉测量

干涉雷达(interferometricSAR,InSAR)是雷达遥感的热点研究领域,它利用雷达信号的相位信息提取地球表面的高精度三维信息,主要应用于测量地面点的高程及其动态变化。干涉雷达通过两副天线同时观测或两次平行观测,获取地面同一景观的复图象对。由于目标与两天线位置的几何关系,遂在复图象对上产生了相位差,形成干涉纹图(interferogram)。干涉纹图中包含了斜距向上图象点与两天线位置之差的精确信息。因此,利用传感器高度、雷达波长、波束视向及天线基线距(baseline)之间的几何关系,可以精确地测量出图象上每一点的三维位置。

差分干涉测量(differentialSARinterferometry,DInSAR)技术是在雷达干涉测量的基础上发展起来的,单轨双天线或重复轨道都可以获取干涉SAR数据。在忽略大气影响,内部时钟漂移等因素的情况下,只要雷达观测期间地表的后向散射特性基本保持不变,则生成的干涉图通常包含如下信息:(1)相对轨道位置所引起的传播路程差。(2)地形所引起的立体路程差,同基线距有关,可通过DEM或另一幅干涉图消除地形影响。(3)数据获取时地形位移所引起的路程差,每个干涉条纹相当于沿雷达视向半个波长的位移量。通过消除掉前两方面的信息,剩下的第三个因素产生的干涉条纹信息可用于监测地表的动态变化。

差分干涉测量相位对地表形变比对地形高程变化更为敏感,当干涉测量技术对地形高程达到米级精度时,对形变测量能达到厘米或毫米精度。差分干涉测量技术在监测地表形变或动态变化方面(如地震地壳形变、火山、地表下沉、滑坡位移、构造运动等等),具有极其重要的研究意义。3.2化雷达、InSAR及DInSAR技术在地质研究中的应用3.2.1伏地质现象探测及地质测图

极化雷达和多波段雷达非常有利于沙漠地区的沙丘制图,主要是因为雷达卫星能够控制一些参数,如视角、波长和极化方式。在阿拉善高原阿尔腾敖包地区,L波段雷达能够穿透约1m厚的沙层并探测到次地表基岩信息,并且识别出今天风吹沙覆盖下的古河道和古湖盆。Blumberg研究发现,在大多数地区,长波段(P,L)比短波段(C)更具有优势,同极化(HH,VV)雷达数据能够很好的区分沙丘类型并进行制图,但是交叉极化方式在鉴别活跃和静止沙丘时能提供必要的植被信息。在埃塞俄比亚阿法尔凹陷等干旱地区,Allison等应用极化雷达影像进行了地质测图研究,绘制了第四纪阿法尔凹陷北部Erta!Ale火山山脉独特熔岩流的时空分布图,解译并可视化了阿法尔凹陷中部Dobe地堑的组成部分扩展叠形扇,识别了Tendaho峡谷两翼流纹岩流的形态确定结构。3.2.2面沉降和滑坡监测星载差分干涉测量(D-InSAR)在探测诸如地面沉降和滑坡监测等地面形变现象方面有很强的应用潜力,但是由于大气效应、相位失相关等因素影响,很难进行精确的测量。基于永久散射体技术(permanentscatterers,PS)的D-InSAR能够克服这些缺点,并且能够利用长时间序列的干涉数据。Colesanti等在南加州应用PS算法的研究表明,测量精度非常接近其理论极限(约1毫米),使得在一个复杂的地质断层带能够探测毫米量级的形变现象成为可能;更进一步的是,使用基于像素的PS分析方法能够在低相干地区选出相位稳定的雷达目标体。因此,只要有足够空间密度的孤立人造建筑或暴露的岩石,就能在植物覆盖地区进行空间干涉测量。Meisina等在OltrepoPavese地区(意大利北部,伦巴迪亚大区南部)亚区域尺度上应用PS-InSAR技术检测到从5~16mm/a的缓慢地面形变,这些形变由滑坡、粘土层土壤膨胀/收缩和地下水的抽取所导致;另外,还发现了一些以前人知的不稳定边坡和两个隆升区和沉降区。J.Mallorqu等采用了先进的DInSAR-相干像元技术(coherentpixelstechnique,CPT),研究了1993年以来塞古拉河(西班牙东南)由于过度抽取地下水而导致的沉降现象,结果显示研究区域内一些局部点沉降量达到8cm,但是受灾建筑物、水源井分布和岩层分布与沉降量并没有直接的关系。Stramondo等采用了干涉点目标分析(IPTA)技术对意大利首都罗马市进行地表形变研究,发现除了一些特殊局部地区地面沉降速率大于10mm/年外,整个城市总体上保持稳定。通过时间序列分析,结合台伯河流域冲积物岩石地层的详细地质和岩土工程调查资料,发现了控制该区域沉降的主要因素:地表负荷、载荷土层的压缩和粘性系数和土层厚度。

3.2.3火山监测

雷达干涉技术非常适用于活火山监测,能监测到火山每月几毫米的形变.因为重复飞行时间间隔较短,能对火山进行精确、实时的监测。意大利Etna火山是世界上最活跃的火山之一,为了精确地测量其喷发过程地面形变,Massonet等利用ERS-1卫星在火山喷发期间获得的雷达图像进行干涉处理,得到火山喷发期间不同时间间隔地表形变的等值线图,发现火山在喷发前产生膨胀,而喷发后又发生大面积收缩,整座火山在385d的喷发时间里缩小了11cm。Dzurisin等人基于干涉测量技术监测到ThreeSisters火山区中心的膨胀现象,进一步研究发现,自2001年夏天以来该地区平均每年的最大位移量为3~5cm,与2001-2004年期间连续GPS观测站所测的形变量基本吻合。应用基于小基线集(SmallBaselineSubse,tSBAS)技术的干涉测量方法,Tizzani等对加利福尼亚东部地区的LongValley火山进行了地表形变研究,测量结果清晰表明影响LongValley火山的位移现象具有随时间变化的3个不同的效应:1992-1997年隆起背景,1997-1998年紊乱现象,1998-2000年沉降阶段。此外,通过对LongValley火山形变时间序列的分析发现该区域的时间变形行为与检测到三阶段形变类型高度相关。在陶波火山区(TVZ)5个地热利用率比较高地区,利用雷达差分干涉测量数据对进行了地面形变监测,发现Ohaaki和Wairakei-Tauhara两个地热层均发生了不同程度的地面沉降,测量精度与大地水准测量数据相当。在智利Lazufre火山区,应用雷达干涉测量技术发现了一个45km宽的加长地面形变区,但是10a前并未发现有任何形变;进一步研究发现该区域在2003-2006年期间每年隆起高达3cm,影响范围约1100km2。虽然目前尚不清楚这是否会导致火山爆发,但是它的规模和较快的形变速率暗示一个潜在的巨大火山系统正在形成。

3.2.4地震同震形变监测

地表形变是发生地震最直接的表观现象,因此利用需达差分干涉技术测量地表形变对于地震学的研究具有重要的意义。

国际上利用DINSAR技术探测地震形变开始于20世纪90年代初。1992年美国加利福利亚附近发生Landers地震(Mw7.3),Massonnet等利用ERS-1所得到的SAR影像进行干涉处理,成功地测量了该地震造成的同震位错形变,并且探测到沿Garlock和Lenwood断层几毫米的位移,所得形变量的分布与用大地测量得到的位移以及弹性半空间位错模型所计算的结果一致。随后,Ohkura对Hyogoken-nanbu地震的同震形变场进行了研究,发现神户市和位于震中位置的淡路岛沿雷达视线方向分别发生了约0.6m和1.1m的地表位移。Pedersen等对冰岛地震带南部断层的同震滑移分布进行了研究,发现了两个长约15km,而且从地表一直延伸至地下约10km深处的近垂直方向的断层;在经历了纯粹的右旋走滑阶段之后,这两个断层滑移量分别达到最大值2.6m和2.9m。Funning等对1998年玻利维亚的Aiquile地震的地面形变场进行研究,首次精确定位了震中位置,并且确定了安第斯山脉中部的一个活动断层,基于弹性位错模型对大地测量的N-S走向断层的位移变化量进行了很好的解释。在西藏北部昆仑断裂带西缘,应用干涉合成孔径雷达对玛尼左旋外侧走滑地震(Mw7.5)的同震形变和滑动分布进行了研究,发现了一个总长度为170km断裂带,同时沿断裂带的两侧方向发生了非对称的位移,应用线弹性位错模型能够合理的解释玛尼地震的同震形变场[35]。1999年台湾集集大地震(Mw7.6)造成了沿南北方向分布的100km长的地表破裂带。基于GPS和InSAR数据的联合反演,发现了在深度为6.0~7.9km的断层滑脱面上有明显滑移,证实了在颇具争议的车龙辅断层几何上应该存在滑脱面。4．展望与发展趋势

地貌特征如海拔、坡度、地势起伏及灌溉系统能强烈影响雷达信号特征,同时,雷达侧视成像方式对地表几何形态敏感,可对地质构造形成立体感较强的图像,从而能直观地分析地质构造,揭示构造现象。但是,在丘陵和山区由于存在很大的几何和辐射畸变,阻碍了对雷达数据的解译,因此,今后地质雷达遥感发展的方向;发展有效的和适当的处理技术来消除由于地形起伏和地面坡度导致的阴影;应结合其他可见光遥感数据(TM,SPOT等),弥补雷达影像的一些缺陷,在解译过程中还可充分利用图像处理与增强技术,提高对岩性的分辨能力。

在过去的十多年里,已有相当多的SAR卫星如ERS-1/2,JERS-1,Radarsat-1,ENVISAT等获取了大量图像,并已经被成功用来做干涉应用。目前,D-InSAR技术与GPS水准测量等常用离散监测技术联合,用于高分辨率、高精度地捕获各种地球物理现象引起的地表位移已表现出了极大的潜力。但是时间失相干因素很大地限制了D-InSAR的广泛应用,而大气效应也会影响D-InSAR的测量精度。而PS-InSAR技术则在很大程度上解决了这两个难题,即使在无法获得干涉条纹的情况下,利用基于多时相SAR图像和相位稳定像元点集的PS技术也能取得毫米级的地表形变运动测量精度,因而PS技术大大增强了干涉测量的环境适应能力及其精度,是干涉研究领域的一项重大技术突破,具有巨大的实际应用潜力。

未来的D-InSAR将针对不同的观测任务进行进一步的优化和细化,针对地震变形研究、地形测绘、冰川运动、地震形变、地面沉降等各研究领域分别设计更完善的数据处理方法。今后D-InSAR技术尚急需解决如下一些关键性问题:提高轨道重复周期以减少时间去相干对观测结果的影响;对卫星姿态精确测量以保证干涉图和形变场的自动生成;任何时刻都能储存三个重复周期的数据;能够进行实时处理并能够自动分析异常形变。随着这些卫星系统稳定性问题的不断解决,未来的D-InSAR系统将在空间分辨率和时间分辨率、数据获取等方面大大改善,可望在今后较短时间内获得毫米级的地形变测量精度。可以预见,未来D-InSAR技术将地震活动带长期监测、火山运动研究、地面沉降观测、滑坡等地质灾害研究领域建立起属于自己的观测体系,并逐步发展成为常规的观测手段,更好地为人类服务。

第二篇：超声成像技术发展现状及应用

超声成像技术的发展现状及应用引言

超声成像以其使用安全、成像速度快、价格便宜和使用方便等优势在临床诊断中被大量使用，是临床诊断的重要工具之一[1]。随着超声在医学诊断领域的广泛而深入的应用，以及微电子技术、计算机技术、图像处理技术和探头技术等工程技术的进步，促进了超声诊断技术不断发展。不仅仪器的图像质量明显提高，而且诊断的模式和方法也更加丰富。国内外很多研究人员从事着超声的研究，使超声技术从模拟技术扩展到数字技术，即数字声束形成技术[2]；从低帧率成像扩展到高帧率成像[3]；从二维成像扩展到三维成像[4]；从线性技术扩展到非线性技术[5]，以适应临床不同的需求。本文着重对多普勒血流成像、三维成像技术和谐波成像技术作一下介绍，并对各自在临床方面的应用进行概括。超声多普勒成像技术

超声多普勒技术主要应用于心脏和血管疾病的诊断。它是无损诊断血管疾病的一种重要手段，对超声多普勒血流信号的分析处理可以为疾病诊断提供重要依据[6]。当超声源与人体内运动目标之间存在相对运动时,接收到的回波信号将产生多普勒频移,由此确定其运动速度大小、方向以及在断层上的分布。

2.1多普勒成像技术简介

目前应用于临床的有一维连续多普勒、一维脉冲多普勒、彩色多普勒、能量多普勒和多普勒组织成像[7]。下面就多普勒组织成像技术及其应用做一个简单的介绍。

多普勒组织成像技术[7]是将低速高振幅的心肌运动信息进行彩色编码显示心脏运动信息的图像诊断技术。该技术能够直观的观察心动周期内各时相的室壁运动方向，并定量分析心脏各节段的室壁运动速度。与传统超声目测分析室壁运动相比，能够更为客观地评价心脏的运动特点。但多普勒组织成像无法克服多普勒声束与室壁运动方向夹角所产生的影响[8]。

2.2 超声多普勒成像技术应用

关于超声多普勒成像技术的临床应用的报道有很多。学者经研究发现二维及

彩色多普勒超声对甲状腺良恶性肿瘤的鉴别有一定的诊断价值[9]。李斌采用彩色多普勒超声对子宫颈部肌瘤的声像图特征及其相应的生理、病理学基础作了相关的实验分析，得出彩色多普勒超声对子宫颈部肌瘤有很高的诊断价值[10]。也有人针对彩色多普勒超声和多层螺旋CT两种检查方式进行比较[11]。另外，超声多普勒成像技术也可用于心脏图像的动态三维图像[12]。三维超声成像技术

三维超声成像的概念最初由Baun和Greewood在1961年提出[13]。他们在采集一系列平行的人体器官二维超声截面的基础上，用叠加的方式得到了器官的三维图像。在这之后，很多人进行了这方面的研究工作。随着计算机技术和图像处理技术的发展，三维超声成像取得了明显的进展，一些实用的系统开始进入临床应用。

3.1 三维超声成像技术原理简介

三维超声成像技术包括数据获取、三维图像重建和三维图像的显示[14]。三维超声成像是在采集二维图像的基础上进行重建而成。

要获得理想而准确的三维图像，需要清楚地了解二维图像的位置及角度，还需尽快扫查以避免运动伪像。常用机械驱动扫查、自由扫查、一体化容积探头扫查等方式获取[15]。

获取二维图像数据后，便可形成三维立体数据库。当选择一个参考切面对三维立体数据库进行任意方向的切割和观察时，即可完成对感兴趣结构的三维重建与显示。常用的重建方法为[15]：基于特征的三维图像重构法、基于体素的三维图像重构方法。显示方式有：断面成像、表面成像、透明成像。

3.2 三维超声成像的优缺点

与传统二维超声成像相比，三维超声成像具有明显的优势。主要表现在以下几个方面[16]：直接显示脏器的三维解剖结构；可对三维成像的结果进行重新断层分层，从而能从传统成像方式无法实现的角度进行观察；可对生理参数进行精确测量，对病变位置精确定位。

无可厚非，三维超声成像还存在不足之处[16]。主要表现在三个方面：(1)成像速度慢；(2)空间分辨力低；(3)成像效果未达到临床诊断要求。

3.3 三维成像的应用

三维超声在产科领域的应用较早，技术也较成熟[14]。不仅可以对胎儿体表结构进行表面成像，还可利用透明成像对胎儿体内结构进行三维重建，从而对胎儿整体形态结构进行观察。在心血管疾病诊断中，可用于多种心脏疾病以及血管内疾病的检查。随着实时三维超声成像的研究成功，三维超声有望在心脏疾病检查中发挥更大的作用。另外，三维成像对慢性膀胱炎症、憩室、结石、凝血块等膀胱疾病的诊断，也显示出优越性[14]。当然，它的临床应用还有很多，如在肝脏疾病、肾脏疾病以及眼科疾病等方面的治疗中也取得不错的成效[17]，再次不一一列举。谐波成像技术

在谐波成像应用于临床之前，所有超声成像系统都是按照线性超声来设计的。非线性声学的理论和实验表明，有限振幅声波在传播过程中会产生非线性效应，因此可以利用人体组织产生的高次谐波进行成像[18]。当前应用较广的有造影谐波成像，组织谐波成像等。具有谐波成像和Doppler血流成像功能成为高端超声成像仪的主要标志。

4.1 组织谐波成像和造影谐波成像

临床上，由于肥胖、胃肠气体干扰、腹壁较厚或疾病等原因，约有20%-30%此类的病人被称为超声显像困难病人[18]。对于此类病人需要较低频率的超声检查以增加穿透力从而得到进一步的诊断研究，组织谐波成像便能解决此问题。

组织谐波成像是利用超声传播过程中由人体组织自身产生的高次谐波进行成像[19]。组织谐波成像和造影谐波成像都是通过提取回波信号中的高次谐波分量进行成像，但高次谐波产生的物理原理却不相同。造影谐波成像的原理如下

[20]：超声造影剂内存在大量的微气泡，若通过静脉注射造影剂，由于造影剂中的微气泡与周围血液的声阻抗差异较大，增强了超声束的后向散射信号，从而提高超声图像的对比度，改善图像质量。这种利用造影剂反射回波的二次谐波成像的方式称为造影剂谐波成像。

4.3 谐波成像应用

目前谐波成像技术在心脏和腹部疾病超声图像诊断方面的应用较为广泛。但谐波成像发射频率较低，接受频率较高，使得靶区图像分辨力降低。因此，此项技术尚处在初级应用阶段。国内对组织谐波成像研究仅限于临床应用研究，尚缺

少对该项技术在理论和实验方面的深入研究。国外已经开展了组织谐波成像模型的理论研究，取得了一些成果。比如Yadong Li研究了用于产生谐波B型超声图像的计算模型[21]。组织谐波成像已经被证实具有较好的影像解析度，它比基波图像有着更好的对比，造影剂二次谐波成像可以增强造影剂与周围组织的对比度，使成像更为清晰。展望

从早期超声诊断技术到目前的超声多普勒成像技术、三维成像技术和谐波成像技术的发展历程来看，超声图像诊断技术的发展目的是为了提高图像质量，准确反映疾病信息。超声成像技术在过去、现在和将来都是医学影像研究的重点内容之一。随着技术的发展、研究的深入，相信将会有更多新发现和新技术用于超声成像中。

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第三篇：MRS成像技术及临床应用总结

一

MRS成像技术 回波时间

 应用长、短TE确定的常规代谢物

-N-乙酰天门冬氨酸(N-acetyl asparte, NAA)

-肌酸（creatine, Cr)

-胆碱（choline, Cho)

-乳酸（lactate, Lac)

 仅短TE确定的代谢物

-脂质（lipids, Lip)

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

-肌醇（myo-inositol, mI)如何选择长、短TE  中等TE（144ms）PRESS用于肿瘤性病变。易于显示 Cho和Lac峰，两者是肿瘤性病变的主要代谢改变

 短TE（30-35ms）PRESS用于其他的病理状态 体素的位置和大小

 为提高1H MRS 敏感性，感兴趣区（ROI）要求有严格的边界，并避免来自邻近组织的干扰：

●血管、血液、空气、脑脊液、脂肪、坏死区、金

属、钙化

● 颅骨，ROI距其至少约5～10mm

● 邻近静脉窦

 体素越小，部分容积效应越小，但信噪比及空间分辨率降低 如何确定Lac峰（Lac与Lip 共振频率基本相同）

 严格匀场后，Lac的共振呈双峰线（doublet) 当TE为144ms时，Lac峰反转于基线下

 当选择长TE（270ms）时，Lip信号不再磁化，只能检测到Lac 二 MRS分析的主要代谢产物  NAA（N-乙酰门冬氨酸）：

主要存在于神经元及其轴突，可作为神经元的内标物，其含量可反映神经元的功能状态。含量降低表示神经元受损；峰值升高仅见于Canavan病（海绵状脑白质营养不良）。第一大峰。主要位于2.02ppm，正常浓度为6.5-9.7mmol，平均7.8mmol  胆碱化合物（Cho）

主要是自由胆碱、细胞膜翻转的标志物，反映细胞增殖，其峰值升高见于肿瘤、炎症、慢性缺氧，降低见于卒中、脑病（肝性脑病、AIDS）等位于3.20ppm，正常浓度0.8-1.6mmol，平均1.3mmol  肌酸类（Cr）此峰由肌酸、磷酸肌酸、-氨基丁酸、赖氨酸和谷胱甘肽共同组成；是脑细胞能量代谢的提示物，在低代谢状态下增加，而在高代谢状态下减低。第二大峰。3.03ppm、3.94ppm（PCr）附近；一般较稳定，常作为其它代谢物信号强度的参照物  乳酸（Lac）

正常情况下检测不到Lac峰。此峰出现说明细胞内有氧呼吸被抑制，无氧糖酵解过程加强；脑肿瘤中，Lac出现提示恶性程度较高；Lac也可见于无代谢的囊肿和坏死区内；位于1.32ppm，由两个共振峰组成，称为双重线；TE为135或144ms时反转  脂质（Lip）

见于一些肿瘤、梗死和多发硬化急性期的患者，其可能与急性髓鞘脱失有关。此峰见于坏死脑肿瘤中，提示坏死的存在；位于0.8-1.3ppm处，呈多峰；共振频率与Lac相似，可以遮蔽Lac峰；

 肌醇（mI）

胶质细胞的标记物，位于星形细胞中；髓鞘退变的产物，含量的升高与病灶内（尤其是慢性病灶内）的胶质增生有关； 波峰位置：3.56和4.06，可以用STEAM技术显示

三 MRS临床应用

目前应用于临床的MRS主要是1H、31P的波谱： 脑肿瘤—鉴别肿瘤和非肿瘤性病变、原发和转移鉴别、胶质瘤分级提示、提示理想的穿刺部位、评价肿瘤侵润和进展、评价治疗反应、放疗前定位、鉴别放疗后复发和放射性脑坏死 颞叶癫痫-定侧、定量 血管性异常—梗死 脑缺氧-HIE：评估预后 感染性病变--脑炎、脑脓肿

脑损伤-发现常规CT阴性的病变、评价疗效、预测后果 神经退行性疾病：老年性痴呆（AD）-早期诊断 代谢性疾病-线粒体脑病

脱髓鞘-脑白质营养不良、多发性硬化

疾病

NAA

Cr

Cho

Lac

Lip

肿瘤











MS







 脑肿瘤MRS表现

胶质瘤主要表现表现为NAA、NAA/Cr下降、Cho、Cho/Cr，Cho/NAA升高，Cr峰稍有变化

Cho峰的升高与肿瘤的恶性相关；Cr峰随肿瘤恶性程度的升高有降低趋势；Lip峰出现于大多数高级别的肿瘤中，特别是肿瘤坏死区或邻近坏死区；Lac峰多见于多形胶质母细胞瘤中，低级星形细胞瘤中出现此峰则预示肿瘤进一步恶变的可能；

 肿瘤与非肿瘤鉴别

Cho是颅内肿瘤最特异的标记物，Cho、Cho/Cr和Cho/NAA比率增长，强烈提示肿瘤。研究发现，Cho/NAA比率大于2.0时，敏感性和特异性分别为96%和70%，大于2.5时，敏感性为90%，特异性为86%  原发性肿瘤与转移瘤的鉴别

NAA和Cr的部分或完全缺失提示转移瘤。研究发现，如肿瘤周围显示Cho升高考虑为原发；无升高则可能为转移瘤所致水肿  神经退行性疾病MRS表现

阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease，AD)占痴呆的70%，发病率增高，早期诊断有意义；发展过程：正常老年—轻度认知障碍（MCI）---AD；可检测出海马尚未萎缩之前的早期表现；MRS诊断AD的敏感性为85%，特异性65%；对AD与正常老年人的鉴别诊断敏感性83%，特异性98%；和其他类型痴呆鉴别诊断敏感性82%，特异性65%  代谢性疾病MRS表现

MELAS综合征（伴有乳酸中毒和卒中的线粒体脑肌病）：以线粒体肌病、脑病、乳酸性酸中毒、中风样发作为特征； 体素置于病灶内-最常累及枕叶、基底节； MRS显示与梗死同样的异常； 急性期/亚急性早期：Lac升高。

 脑梗死MRS表现

早期诊断脑梗死：评价急性梗死的严重程度及其预后（NAA和Lac水平直接与缺血严重程度和细胞死亡的程度相关）；MRS在脑缺血数分钟即可显示Lac升高，早于ADC降低；NAA下降较ADC改变晚，开始于数小时（动物实验最早1小时），预示该区组织终将坏死；可恢复的缺血区Lac中度升高，NAA无变化、或仅轻度降低  癫痫MRS表现

颞叶癫痫（temporal lobe epilepsy，TLE)是难治性局灶性癫痫的主要原因 70%的TLE表现为以神经元丢失和胶质增生为特征的内侧海马硬化 MRS对癫痫的海马异常检测的敏感性高于cMRI 对癫痫的定侧提供了高敏感的方法

当cMRI正常或只显示一侧病变时MRS可提示双侧病变 TLE主要表现

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

(提示神经元丢失或功能障碍）

Cho和Cr（反应性星形细胞增生）

mI(反应性胶质细胞和星形细胞增生）

Lac和Lip(癫痫发作24小时内检测到，可持续存在7天）

正常人NAA/Cho+Cr比值的低限为 0.72，小于0.68 为异常；若两侧均低，双侧比值差别超0.07，低侧为异常侧，提示海马硬化

NAA/Cho+Cr比率被认为是TLE分析中最一致的参数，代表了TLE所致异常表现中最敏感指标，其定侧敏感性为87%，准确率为96%

第四篇：磁共振成像技术在泌尿外科的应用.

磁共振成像技术在泌尿外科的应用 讨论

磁共振成像是近年来开展的一种有价值的新技术，其优点在于参数多，可取任意方位成像，而且组织分辨率高，无创伤，不但能显示形态学的改变，亦可反映组织器官的功能性变化，有可能提供生化过程的信息和动态的定量资料。

mru的研究开始于1986年，henning首先用于神经系统疾病的诊断。我们体会mru存在一定的局限性：①不利于评价肾功能；②由于采用mip重建，必然有部分信息损失，造成对较小充盈缺损病变(如小的结石或肿瘤)的漏诊；③不能动态显影，肾盏显影图像较差；④输尿管下段与膀胱重叠部位的病变诊断较为困难；⑤检查费用较为昂贵。

mra是应用磁共振成像技术对血管和血流进行描述及其特征的显示。目前认为数字减影血管造影术是血管造影的金标准，但仅能显示血管内腔，对血流依赖性较弱，存在栓塞、血管损伤、腹股沟区血肿、感染及心肺并发症之可能。而mra可评价血管壁和血管周围组织，反映的是血流信息，属无损伤性检查。我们认为mra在泌尿外科主要用于以下3个方面：①磁共振静脉成像，可探查下腔静脉有无癌栓，为治疗方案提供有价值的依据。本组4例肾癌患者行磁共振下腔静脉成像未见癌栓，后均经手术证实。②筛选肾动脉狭窄。本组4例高血压患者肾动脉近段均未见狭窄，其中1例后经数字减影血管造影术检查发现肾动脉狭窄，即予手术切除。③可使术者掌握肾血管解剖情况，了解有无副肾动脉，可为捐肾者及肾切除患者手术方案的选择提供依据。本组4例肾癌患者术中均未发现副肾动脉，与术前mra表现一致。尽管mra优点明显，但亦存在一些限制：①检查时，患者需较长时间保持完全不动，呼吸稍粗即易造成伪影；②外科手术后钳夹血管即引起局部信号消失，产生明显伪影，影响分析；③对肾动脉远段显影较差；④存在一定假阳性，对病变范围有放大作用。

磁共振双成像是将mru及mra图像叠加而成，可三维立体多方位旋转观察，展示正常解剖结构的空间关系。在泌尿外科范围之内，mru和下腔静脉、腹主动脉双成像可以了解输尿管和下腔静脉、腹主动脉等腹膜后结构的相互关系，可明确诊断腔静脉后输尿管等解剖变异及先天性畸形。本组2例为排除腔静脉后输尿管行磁共振双成像，未见输尿管缠绕下腔静脉影像。与常规磁共振图像结合观察，磁共振双成像可以了解腹膜后肿瘤侵犯的范围及与输尿管、下腔静脉和腹主动脉的关系，为手术方案的制定提供可靠依据。目前影响磁共振双成像应用的主要问题之一为检查费用高，性能价格比尚不理想。相信随着技术和设备水平的不断提高，磁共振检查费用会逐渐下降。现代医学对影像学的要求越来越高，追求的目标是全面、快速、准确和无创。磁共振成像作为近年来一种有价值的新技术，已倍受临床注目。mru、mra及双成像技术不断得到开发和利用，在泌尿外科临床应用方面取得了较大发展，还需要进一步发挥其潜能。资料与方法

1.1 一般资料

泌尿外科疾病组31例，男18例，女13例，年龄9～75岁，平均51岁。病种包括上尿路结石11例，肾盂输尿管连接部梗阻4例，肾囊肿2例，肾癌4例，输尿管癌3例，膀胱癌2例，后尿道憩室1例，高血压患者4例(肾动脉狭窄1例)。正常对照组6例，男3例，女3例，年龄25～70岁，平均46.4岁。两组均采用美国ge公司生产的vectra 0.5 t超导型磁共振成像机。1.2 成像方法

mru成像方法：采用体线圈进行冠状位扫描后用最大强度投影法(mip)进行重建并多方位成像。扫描采用快速自旋回波(fse)，重复时间(tr)/回波时间(te)=6 000/200 ms，层厚5 mm，层间距0 mm，fov=35 cm，矩阵128×224，采集次数为5次。

mra成像方法：采用体线圈行与mru范围相同的冠状位扫描后用mip及多方位旋转形成多方位的三维血管图像。扫描采用梯度回波(gre)，tr/te=50/10 ms，激励角度(flip angle)=30°，fov=35 cm，层厚5 mm，层间距0 mm，矩阵128×224，采集次数为1次。

mru加mra成像方法：采集原始图像后，采用美国ge advantage windows工作站，迭加相应层面的mru和mra图像，即获得双成像图像。2 结果

正常对照组：4例行mru，仅见形态正常的膀胱呈高信号；2例行mra，可见正常走行、形态完整的下腔静脉、腹主动脉及肾动脉呈高信号，均无充盈缺损。

泌尿外科疾病组：①mru检查20例(不包括mr双成像3例)，其中上尿路结石9例(肾铸型结石3例，输尿管结石6例)，均表现为梗阻上方肾盂肾盏、输尿管扩张呈高信号，断端呈杯口状；肾盂输尿管连接部梗阻4例，均清晰显示患肾肾盂积水，肾盂输尿管连接梗阻部呈漏斗状；肾囊肿2例，呈相对孤立的类圆形、边界光滑的均匀高信号；输尿管癌2例，显示输尿管梗阻上方呈高信号，1例断端呈不规则漏斗状，另1例断端形态不规则；膀胱癌2例，示膀胱占位病变部分充盈缺损；后尿道憩室1例，膀胱左下后方有一3.5 cm×6.1 cm高信号，向后尿道前列腺部延伸。②mra检查8例，其中肾癌4例，下腔静脉成像未见低信号癌栓，亦未发现副肾动脉，均经手术证实；高血压4例，示肾动脉近段无狭窄，1例经数字减影血管造影术检查发现肾动脉远端狭窄。③mra加mru检查3例，其中肾积水及输尿管扩张各1例，为排除腔静脉后输尿管行磁共振双成像，未见输尿管缠绕下腔静脉影像，手术证实为输尿管结石；右侧输尿管癌1例，示输尿管下段梗阻，下腔静脉内未见低信号癌栓，后经手术证实。

我院自1997年10月～1999年7月分别采用磁共振水成像(mr urography，mru)和磁共振血管成像(mr angiography，mra)技术检查诊断泌尿外科疾病患者31例，其中mru加mra成像3例，效果良好，现报告如下。

第五篇：脑功能磁共振成像及其法医学应用前景

【摘要】脑功能磁共振成像是近年来磁共振成像技术的一项新发展。它不仅能清晰、准确地显示脑组织的解剖和

病理改变，还能同时观察到脑皮层功能活动时的信息，可无创、实时地对大脑的功能活动进行成像。为法医学领域中所涉

及的人体损伤程度鉴定和伤残等级评估以及对法医精神病领域中认知功能的界定．从单一形态学研究到形态与功能相

结

合的系统研究开辟了一条崭新的道路。本文就人脑的功能活动磁共振成像的概念、原理、优势、临床研究状况及法医学

应用前景进行综述。

【关键词】脑功能磁共振成像；法医病理学

【中图分类号】d919．1： r445．

2【文献标识码】b

【文章编号】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、脑功能磁共振成像的概念与原理

(一)概念

脑功能磁共振成像(functional mri，fmri1，是一种

新兴的影像学检查技术。它以脑功能活动时引起的血

氧浓度改变为基础，采用不同颜色直接实时地将脑功

能变化反映在mr图像上，突破了既往研究脑功能的黑箱技术，以往的影像学检查技术绝大部分是依赖于

被检组织形态学的改变，而功能性成像这一领域一直

为正电子发射体层摄影(positron emission tomographv．

pet)所独有。随着mr技术的发展，fmri能在特定的脑功能活动时或血液动力学变化时对脑组织进行实时的功能成像，对人脑在生理和病理状态下的功能活动

进行有效的评价。其时间分辨率和空间分辨率均较高，一次成像即可同时获得解剖和功能影像，是目前人们

用mr方法研究大脑皮层功能活动的最主要方法

ri为脑科学研究提供了直观有效的研究手段．为医

学影像学的研究和临床开辟了全新的领域 lli

(二)基本原理

神经活动与血流动力学变化之间的密切关联是

ri的基础。人体各种生理活动都由相应的大脑皮层

[作者简介] 蔡继峰，四川大学华西基础与法医学院病理教研室在读研究生，tel；+86—28-89592918：e-ma11：cj f-j1feng@163

． com

。292。