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彩超基础
第一章彩色多普勒基础
第一节多普勒超声基础
一、多普勒基本概念
1、多普勒超声血流检测技术主要用于测量血流速度,确定血流方向,确定血流种类:
如,层流、射流等;获得速度、时间积分,压差等有关血流的参数。
2、多普勒方式表达血流速度的公式如下:
c(±fd)
V=―――――
2cosQfo
式中C为声速(1540m/s)fo:
发射频率(已知)
⑴:
COSQ是血流与声束夹角的余弦函数,当相对固定时,则fd与流速成正比,fd即影响流速值V。
⑵:
当多普勒入射角(Q)恒定时,频移fd仅决定于发射频率fo。
对于某一定的fd,fo越小,则可测的血流速度V就越大。
欲测高速血流,fo就应选择低频率的探头。
⑶:
当血流速度保持恒定时,如:
100cm/s(以及恒定的fo和C),那影响fd的参数只有COSQ,即频移的数值依赖于入射角的变化,而速度的数值与入射角无关。
Q角改变的一般规律:
a)当OO b)当900 c)当时Q=0或Q=1800时,COSQ=±1,即血流与声束在同一线上相向或背向运动,这时fd最大。 d)当时Q=900,COSQ=0时,即血流方向与声束垂直,此时fd=0,检不出多普勒频移。 3、三种多普勒方式 (1)连续波多普勒(CW) 采用两种超声换能器,一个发射恒定的超声波,另一个换能器恒定地接收其反射波(或后向散射波),沿声束出现的血流和组织运动多普勒频移全部被接受,分析,显示出来。 CW不能提供距离信息,即不具有距离选通性,不受深度限制,能测深部血流,无折返现象,可测高速血流。 连续波多普勒在取样线上有符号标记,其符号仅表示波束发射声束与接受声束的焦点,或声束与血流的焦点。 (2)脉冲波多普勒(PW) 采用单个换能器,在很短的脉冲期发射超声波,而在脉冲间期内有一个”可听期”。 脉冲多普勒具有距离选通能力,可设定取样容积的尺寸,并调节其深度、位置,利用发射与反射的间歇接受频移信号,测值相对准确,但检查深部及高速血流受到限制。 并受脉冲重复频率-PRF的影响,PRF越高,测量血流速度也越高。 多普勒频谱技术的分析基础是快速富里叶变换-FFT。 (3)高重复频率脉冲多普勒-HPRF 是在脉冲多普勒基础上改进,探头在发射一组超声脉冲波之后,不等采样部位的回声信号反回探头又发射出新的超声脉冲群,这样在一组声束方向上,若有一组超声脉冲向心腔内发射,第二组超声发射后,探头接受的实际上是来自第一组超声脉冲的回声,依次类推,相当于PRF加倍,频移也就增加一倍,扩大了血流速度测量范围。 二、多普勒血流频谱分析基础 1、多普勒血流频谱分析是给出一种显示,它的两个正交轴分别代表时间(水平轴)和频率(垂直轴),而相应的信号幅度则用密度或亮度表示。 2、为什么要频谱分析 (1)所有的血红细胞速度都不尽相同,在同一时刻,将产生许多频移,成为复杂波; (2)具有相同流速的红细胞的数量也不一样,产生的振幅信号强度也不尽一致; (3)又因血流脉动的影响,信号频率和振幅将随时间而变化。 所以,血流信息是随空间和时间而变化的复杂信息。 把形成复杂振动的各个简单振动的频率和振幅找出来,列成频谱图,成为频谱分析。 在心血管测量中,频率(频移)代表血流速度,振幅代表具有该流速的血细胞的数目。 在频谱图中,若横坐标代表频率,纵坐标代表振幅,由于频率与振幅的乘积即频谱曲线下的面积等于信号的功率,这种频谱图也称为功率谱。 3、在多普勒超声血流测量中,FFT技术是频谱分析的主要方式。 在频谱显示为: 速度/频率-时间显示谱图中有关概念: (1)谱图上“横轴”代表时间(时基),即血流持续时间,单位为秒;横轴线也代表零频移线,在基线上面谱图为正向频移,血流朝向探头;在基线下面则为负向频移,血流方向背离探头。 (2)“纵轴”代表速度(频移)大小,用KHZ表示(也可换算成速度); (3)“收缩峰”指在心动周期内达到收缩峰频率和峰速的位置; (4)“舒张期末”将要进入下一个收缩期的最末点; (5)“窗”为无频率显示区域; (6)“频带宽度”表示频移在垂直方向上的宽度,即某一瞬间采样血流中血细胞速度分布范围的大小,如速度分布范围大,频带则宽,若速度分布范围小频带窄。 (7)“频带灰阶”即信号幅度,表示血流速度相同的血细胞数目多少。 三、脉冲多普勒局限性 1、脉冲重复频率与最大测量速度 脉冲重复频率-PRF 为了正确显示频移大小和方向,PRF必须大于fd的两倍,即PRF>2fd,或写成fd<1/2PRF,1/2PRF称为尼套斯特频率极限,如果多普勒频移(或换算为血流速度)超过这一极限,会产生频率失真,或频率混淆(折返)。 所以要测量高速血流,PRF必须快。 2、脉冲重复频率与最大采样深度 最大采样深度dmax=C/2PRF 如脉冲重复频率(PRF)愈高,两个脉冲间隔时间愈短,采样深度也愈小, 反之则采样深度愈大。 3、距离测量与速度测量 最大测量速度Vmax与最大深度dmax的关系为Vmax·dmax≤C2/8f0(常数)所以 探测深度越深,则可测的速度范围便越小,两者互相抑约。 4、距离分辨力与速度分辨力 距离分辨力好(采样溶积小),则速度分辨力便低(频带愈宽),反之亦然。 ——速度和距离的测不准原理。 第二节彩色血流显像 一、彩超发展历史与临床应用 1、1983年11月Aloka公司在世界范围内首次推出适用于临床的彩超SSD-880,从此彩色血流显像技术实用化、商品化,这是彩色多普勒血流显像技术发展的起始阶段——首台彩色显像装置问世。 2、1989年以后彩色多普勒血流显像仪在技术上,功能上都有了很大的突破,多数都可达到全身性应用检查,他们的设计原理大致相同,基本上都属检测多普勒频移的范围。 这是彩超技术发展的第二阶段——改进和提高阶段,在这段时间,彩超的临床应用得到很大的发展,成为超声医学的重要阶段——彩色多普勒时代。 3、1990年以来,重要特征是以数字化技术为代表,采用了许多与传统方式不同的信息检测及波束形成技术,使彩超的性能有新的突破,图像质量有很大的提高。 这是彩超发展的第三阶段——由模拟数字混合处理到全数字化处理的发展阶段——即步入数字化时代。 4、1996年后形成具有综合图像形成及处理功能的全数字一体化工作站的彩色血流现显设备。 它不仅有极佳的图像质量,同时有极强的处理功能,并向三维立体显像方向发展。 这就是今日“彩超”的新面貌。 “彩超”的发展已进入第四阶段——全数字化多功能信息化时代。 二、彩色血流显像原理 1、彩色多普勒是使用一种运动目标显示器—MTI法,检测血细胞的动态信息,并根据血细胞的运动方向、速度、分散情况,调配红、蓝、绿三基色,变化其颜色亮度,叠加在二维灰阶图像上的彩色血流图。 MTI是彩色血流显像核心技术之一 MTI的滤波特性好坏与彩色显像质量直接相关。 从接受到的回声中,只分离出血流信号成分,而滤去非血流信息(心室壁,瓣膜)。 当用于TDI时,作用正相反。 2、自相关技术也是彩超的重要技术之一。 它用于分析血流信号相位差,并将两个相邻的回声进行复数相乘,再经A/D转换成数字信号进行运算。 多普勒信号属于随机信号。 随机信号不服从确定的规律,即便观察条件相同,各次察结果也不一样,根据过去已得知识不能准确预测其未来。 这种信号的特征只能通过统计结果来描述。 如对同一位置的采样线上的某一相同采样容积所获得的多普勒信息,必须用一些统计量来描述它在不同时刻的特征的总的结果,即不同时刻信号取值的相互关系,这就是自相关函数。 一般用均值,均方,方差和功率谱表征。 为了形成二维彩色血流图,保证显像质量,每帧图像应有32条采样线,每条采样线有256个采样点或64条采样线,每条线上128个采样点。 3、血流分散 分散是表示血流的紊乱情况(显示红细胞速度,方向的分散情况),当血流为层流时,红细胞以基本的恒定速度朝大致一样的方向移动,当血流处于乱流状态时,红细胞的移动速度,方向皆不相同,这就有必要显示“分散”,它正好对应于频谱多普勒的频带宽度。 频带窄=分散范围小,频带宽=分散范围大 4、彩色显示 经过MTI滤波器后测出的红细胞运动的动态信息,有方向、速度、分散三个因素组成 (1)彩色血流的特点是: 血流方向朝向探头,显示红色; 血流方向背向探头,显示兰色; 出现血流紊流时,以红蓝混合色表示 当高速血流超过最大显示频率范围时,(尼奎斯特频率极限)将出现与PW频谱同样的折返现象。 折返现象表现为几种色彩的套叠,如同炽光的光焰色。 (2)二维彩色血流图每帧采样点可达到64×256或32×512个,采样点多,能提高信噪比及敏感度, (3)彩色显像的角度范围一般从300-900选择,角度大则成像速度降低,帧频下降;检查血流的深度与彩色显像帧速度也有关,增加深度将减少帧数。 所以彩色血流显像的帧速率与采样点数,角度大小,探测深度是相互制约的。 在实际临床应用时注意到这点是必要的。 当其相互间的矛盾解决得越好,这说明该彩超设备的技术水平越高,而彩色血流显像必须要保证一定的帧速度率,最低可视帧频不能少于10—12帧/秒。 (4)在常规的PAL,NTSC制式的监视器显示中,必须和电视同步扫描,超声显示的帧数必须是50的约数,否则即为非同步扫描,将造成不稳定。 5、彩色显像的局限性: 彩色显像与PW同样,存在类似的问题, 显示深度受脉冲频率影响, 减少脉冲频率最大速度又受影响, 增加角度,每秒的成像速度也受影响。 6、小结: (1)彩色血流显像的基本构成及工作流程应包括: 由探头获取多普勒信息,经正交检波器,低通滤波,A/D转换,并将A/D转换后形成的数字信号输入到自相关器,计算出平均多普勒速度,血流分散和平均功率后而得到血流速度,方向和湍流的有关数据,进行彩色编码,并作彩色处理。 (2)在一定角度范围内形成若干条采样线,每条线上设置若干采样点,形成二维的彩色血流图后再与二维灰阶图像叠加,构成一幅完整的彩色多普勒血流图。 (3)彩超仪器有多种专门显示血流的彩色标尺(ColerBar或Colermap),常用的有速度、方差、功率方式。 (4)彩色血流显像可表示血流的存在,血流速度和方向及血流性质等,属于间接转换的二维显示方式。 (5)彩色多普勒能量图(CDE),不受声束与血流夹角的影响,不存在折返现象,它与血流中红细胞的浓度(数量)有关,对于低速血流灵敏度高,可更理想地显示血流的空间分布。 CDE不能表达血流的速度和方向。 第三节彩超、伪彩 一、彩色基础 1、在图像处理中应用彩色是由于人的眼睛能分辨几千种彩色色调和强度。 而人眼对灰度只有十几到二十级的分辨能力。 2、我们从一个物体上察觉的颜色基本上决定于物体反射的性质。 所有可见光都平衡反射时,则观察物体呈白色,若观察物体呈某种颜色,则该颜色的波长光波被反射。 3、各种彩色是不同波长的光混合的结果。 红色、绿色、兰色为三种基本颜色,即三基色。 基色叠加后构成二次色,如品红色(红加兰),青色(绿加兰),和黄色(红加绿)。 彩色电视接收机就是彩色光相加性质的一个例子。 二、彩超—彩色多普勒血流显像—CDFI 实时彩色显示血流方向,血流速度,血流分散; 在血流接近超声波束时(“近”流)用红色表示血流方向; 在血流远离超声束时(“远”流),用兰色表示血流方向; 多普勒频移的大小(流速)用不同强度的颜色色调表示; 多普勒频移分散(湍流)用绿颜色与红、兰混合色表示。 当血流速度增快,流量大,彩色多普勒成像的敏感度也提高。 三、伪彩—灰阶到彩色变换 对二维灰阶图像进行彩色编码处理,用于彩色增强—即伪彩,可以提高图像的分辨力,丰富影象层次,增加实感,提高B型超声对病理组织变化的可视度。 所以“彩超”主要对血流,“伪彩”主要对灰阶图像,即把不同等级的灰度变换为某种颜色—灰阶到彩色变换。 两者是不同的概念,应用领域亦不同,所以彩超与伪彩完全不同。 目前众多彩色血流显像仪均带有以灰阶为基础的“B”彩,其作用是增强显示图像的边界分辨力。 第二章超声仪器 第一节超声探头 一、压电换能器 超声探头的核心是压电晶体或复合压电材料。 为了向人发射超声波,并将经组织界面反射回来的信息转换为图象信号,能完成这功能的器件就是超声换能器。 当在晶片上加一机械振动时,则此时晶片将产生电苛——将机械能转变为电能,这种效应称为正电压效应,当在晶片是加一交变电信号,则此材料将产生与交变信号同样频率的机械振动——将电能转变为机械能,这种效应称为逆压电效应。 产生超声波是晶体的逆压电效应,或泛称为压电效应。 二、超声探头的种类与临床应用 线阵探头、凸阵探头——主要用于腹部、妇产、外围血管 扇形扫描探头——主要用于心脏 环阵扇形探头——主要用于腹部 探头是超声仪器的重要部件,使用时应避免探头摔打,牵拉导线,用不带腐蚀性的清洁剂擦洗探头残余耦合剂,仪器不用时应冻结图像。 特点比较 电子探头机械探头 噪声小、无震动噪声大、有震动 电子扇扫体积小体积较大 适用于腹部适用于心脏 继续发展停止发展 三、探头频率与振子 单频探头: 探头的标称频率(如3.5MHz),为发射时振幅最强的频率。 也是探头的工作频率。 变频探头: 通过面板控制,对同一探头可选择2——3种频率 (如3.5MHz.5.0Mhz)——探头频率可变。 宽频探头: 发射时: 有一很宽的频带范围, 如2MHz——12MH 接收时: 分三种情况 (1)选频接收: 在接收回声中选择某一特定的中心频率,保证能达到所要求的诊断深度,尽可能选择较高频率的回砀,以获得最佳的图像质量 (2)动态接收: 在接收时,随深度变化选取不同的频率,近场,中场达到好的分辨力和好的穿透力的要求 (3)宽频接收: 接收所有频率的回声在中近场包含不同频率回声取中频,远场只保低频取高频,在远场由于高频成分衰减,只保留稍低频率的回声。 四、高频探头: 当频率在40MHz——100MHz范围时,称之为高频超声探头,主要用于皮肤成像,冠状动脉内成像及眼部成像,如: 超声生物显微镜。 任何种类的探头晶片前面均有匹配层,探头匹配层可保护压电振子,减少声波的谐振,增加频宽,使声阻抗与皮肤相近,保证声波有效透入人体,保证纵向声波传播。 探头的压电振子保护层,振子引线,吸声层,探头及接插机构等是探头质量的重要因素。 五、振子数是超声探头的重要指标,也是决定整机具体使用结果的关键技术之一 超声探头由若干振子(阵元)组成,并与一定数目的通道对应。 振子数可用一定方法测得。 阵元与振子通道的关系: 一个阵元可以包括4-~6个振子 如256振子只有64阵元,一个阵元包括4个振子,256振子可与256个采集通道对应也可与64采集通道对应,即256振子,64采集通道。 振子数多(包括128、256、512、1024振子及通道)理论上成像质量越好,高密集探头使声束扫描线密度高,多方向同时接收回声信号,不需要进行插补处理,图像细腻,分辩力好。 在数字化波束形成中,接收回声时全部振子及通道均起作用。 第二节实时超声显像原理 一、超声诊断仪器类型 1、A型: 显示单超声束界面回声幅度,称为振幅调制型,以脉冲波的振幅来显示回声的强弱。 2、B型: 显示与超声束径向一致的切面回声图像,界面回声强弱由明暗度(灰阶)表示,它属于亮度调制型的二维图像。 3、M型: M型是一种单超声束超声心动图,显示心脏各层次的运动回声曲线,也是一种亮度调制型。 Y轴(垂直方向)代表界面深浅 X轴(水平方向)代表时间——时基扫描线 得出“位置——时间曲线”可用于心脏测量计算 二、电子线性扫描 将多个晶片组成一个线阵,用电子开关按一定时序,将激励电压;加至某些阵元换能器上,发射出束超声,同时由电子开关按一定时序去接通某阵元接收反射回超声信息。 由此形成声束扫描。 线阵扫描成像主要用于腹部妇科等部位脏器显像。 三、电子扇形扫描 电子扇形扫描是利用雷达天线相控阵扫描原理以实现人体超声成像 电子扇形扫描角度为80~90度,最大深度为20cm。 成像速率为30帧/秒常用于心检查 四、机械扇形、环阵扫描 机械扇形扫描由单晶体摆动,位置编码检测,驱动电机等构成,可获得30度~90度的扫描,每秒30帧成像速率,每帧128线的扇形图像,常用于心脏检查 环阵扫描可获得此机械扇扫更多的焦点,因此声场特性好,图像优于机械扇扫。 但由于机械磨损,噪声均随使用时间长而增大,寿命不及电子探头。 第三节超声仪器工作流程 超声诊断仪基本组成包括: 发射与接收单元(TX/RX),数字扫描转换部(DSC),超声图像显示,超声图像纪录,超声电源等。 一、发射/接收、电子聚焦 超声信息单元产生发射脉冲并施加到探头上,换能器由排列在一直线上的若干个振子组成。 一定数目的换能器振子按一定规律的组合发射/接收,进行顺序扫描。 超声波辐射人体内,辐射的超声波在人体中产生回波,并在探头上产生感应电压(换能器的正压电效应)。 这一感应电压被放大、对数压缩和检波,然后这些检波信号传送到数字扫描转换部件。 超声波是通过电子聚焦方式聚焦。 采用动态聚焦,三个焦点在深度方向上可设计确定。 二、数字扫描转换器(DSC) 数字扫描转换器是借助数字电路技术和存储媒介,把以不同扫描方式所获得的超声图像信息,通过数控IC存贮器存入超声信息,然后变成标准的电视扫描制式进行图像文字显示。 在DSC中对超声信息还要进行插补,以增加超声信息线密度。 DSC主体是IC图像存贮器,图像具有16、64级灰阶或256级灰阶。 DSC中也就是可将线性扫描、凸阵扫描、扇形扫描、圆形扫描等不同扫描格式变换成用标准电视制式显示,有利于图像质量的提高、显示稳定(克服图像闪烁)、记录装置的标准化。 DSC的另一作用可以使回声数据存入存贮器后进行图像插补处理,以增加信息密度,提高图像的清晰度。 在超声诊断仪的数字扫描转换器中,涉及到电子技术方面的概念、定义和公式, 在这里作一简要说明。 ①像素(像点、像元)。 图像中一个最小的基本单元叫做图像的像素或像点(Pixel)。 ②图像(Imaging)。 若干像点的集合便组成图像(也往往称影像)。 图像中像素愈多,其空间分辨率愈高。 ③灰阶(GreyScale)。 图像中像素的亮度等级,由黑到白可分为256级灰阶,但人眼一般只能分辨出16级左右灰阶。 所以B型超声诊断仪常采用64级灰阶。 灰阶级数愈多,其图像对比分辨率愈好。 一幅超声图像的质量,一般取决于像素的多少和灰阶级数。 ④存贮容量(MemoryCapacity)。 一个存贮器容量包括了像素与存贮位数的乘积。 如图像按N行(Row)、M列(Column)排列,则行与列的交点就构成了一个像素。 如256行、512列,则总像素为B=NM。 N、M一般表示为2的整倍数。 如27=128,28=256。 灰阶级数G=2m为存贮位数即比特(bit)。 通常超声诊断仪的存贮容量用B表示: 即B=NMm 如m=6bit,N=256,M=512 则B=256×512×6bit 这台超声诊断仪的图像具有B=256×512个像素和G=64级灰阶。 所以当m=4时, 则G=16;m=5时,则G=32;m=6时,则G=64;m=7时,则G=128;m=8时,则G=256。 由于显像屏幕的亮度正比于DSC中像素的灰阶值,故回声信号越强,对应的灰阶数也高,则显示的图像越亮,显像屏幕从相当于黑点的零级灰阶输了,变化到相当于白点的最高灰阶级输出。 ⑤标准电视制式。 目前电视制式有多种,但普通采用的有两种。 其一,是NTSC制式,规格是扫描525行,60场/30帧(隔行扫描),美国、日本、西欧一些国家采用;其二,是PAL制式,规格是扫描625行,50场/25帧(隔行扫描),我国采用的就是这种PAL。 凡属我国使用的电视机、录像机、摄像机等均为这种标准电视制式。 ⑥二维图像分辨力。 a.空间分辨力: 图像中像素的数目。 在一确定的图像显示区域,其像素越多,图像信息越密集,其空间分辨力愈好(如512×512,512×256像素)。 b.声束特性。 纵向半波长度越短(超声频率越高)其纵向分辨力愈好;横向声束(长轴、短轴或直径)越窄越细,其横向分辨力愈好。 c.对比分辨力: 图像的灰阶级数越多,其对比分辨力越好。 常用的64级灰阶、128、256级灰阶。 d.时间分辨力: 单位时间成像速度(即帧速率)越高,其时间分辨力愈好,愈能真实地反映运动脏器的瞬间变化情况。 第四节超声波束处理技术 一、声束聚焦及处理 1、凹面晶体 2、声学透镜 3、可变孔径 4、动态变迹 二、模拟声束聚焦 1、电子聚焦 2、动态电子聚焦 3、实时动态聚焦 4、跟踪镜聚焦 三、数字声束聚焦 第六节“彩超”的正确调节使用 一、“彩超”功能选择 在进行超声显像检查时,必需掌握基本方法, 即: 熟悉仪器性能,掌握基本手法; 全面正确分析、描述、并参考其他检查结果; 临床思维,提出临床检查结论。 若彩色血流及灰阶图像不佳时,在辅助调节项目中可调节黑白图像的γ补正和动态范围。 二、调节要领: 彩色多普勒基本操作: 调节滤波: 高速血流用高通滤波,低速血流用通滤波。 调节速度标尺: 根据所检测血流速度的高低选择相应的彩 色速度标尺。 取样容积选择: 使其与血管腔相宜。 消除彩色信号的闪烁: 选用适当的滤波条件和速度标尺,缩小取样框,屏隹呼吸。 受试者的体位: 进行心脏超声检查常规用的体位为左侧卧位30度或平卧位 若为了提高彩色血流显示的敏感度,去增加超声输出功率,增加显示阈值等是不可行,而应该加大彩色彩色血流增益,增加彩色血流的扫描密度,调节滤波及速度范围,调节脉冲重复频率(PRF),与彩色的平衡显示。 调节要领: 1、在进行多普勒频谱显示及彩色血流显示时,利用基线移位功能,可增大单向血流速度测量的量程,并克服折返现象,改变机线向上,使其向红色标尺方向调节,结果显示(负向频移)兰色增多,反之则红色增多。 2、正确把握彩色显示角度,深度及PRF的关系,避免“彩超”及PW的局限性,发挥其长处,使检测血流信息满足诊断要求。 3、选择彩超仪器中灰阶B超和彩色血流不同的频率显显像。 黑白图像使用高频,彩色图像使用低频,可使复合而成的图像能获得高分辨力,又能提高彩色血流的检出敏感度。 若有一个部位显示不清彩色血流应考虑以下内容: 彩色增益过小 超声频率过高 该处无血流或血流小于显示阈值 超声束与血流方向垂直 当然不是忘记打开彩色按钮 调节超声仪器工作条件(含彩超)使其达到最佳效果,不应忽略: 空间分辨力增高可改善图像质量,但帧频下降 时间分辨力提高,帧频增加,但空间分辨力会下降 选择适度的图像前后处理及动态范围 显示灰阶数越多,图像颗粒越细,灰度越大 三、操作及其他若干问题 彩超的作用是直观显示血流的动态信息,但不能取代M型。 彩超中的组织定征技术,可以间接分析组织结构,大致的组织病变鉴别。 不改变彩超仪器的内设工作条件或程序,面板上的接键可任意调动,关机后再开机时其预设条件会自动复原。 对彩超仪器来讲,通电开机后,计算机容量越大,内置功能越多,启动时间相对越长。 超声诊断仪将与CT、MRI、X射线显像及核医学优势互补,共同发展。 虽然非数字彩超与数字化彩超,在技术性能上有差异,非数字化彩超在临床应用中效果也很好。 计算机
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