医用超声波（一）

什么是超声波

         除了我们没法听到它的“声音”以外， 超声波跟我们熟悉的声波没有太大的区别。当声波的频率到了20千赫兹以上，超过了正常人能感知的范围，这种声波就被称为超声波了。同理，如果声波的频率低于人类能听到的范围，那就是次声波了。所以在其他物理特性上，超声波跟声波是基本一样的。超声波/声波是一种机械波，纵波和压力波。它是通过粒子的振动来传播的，而粒子的振动会持续产生相对高压和低压的区域（如下图），其振动方向和传播方向是一致的，所以超声波的传播是需要介质的。在不同的介质下，超声波的速度是不一样的，例如在空气中的速度大约为340米每秒，在人体中约为1540米每秒，在真空中速度为0。超声波有较广泛的应用，特别是在医疗领域，超声波作为一种无放射性的手段可以协助医生对病人进行更好的诊断。后面将会详细展开。

  

图片来源于https://www.physicsclassroom.com/class/sound/u11l1c.cfm

 

如何产生超声波

         超声波的产生和声波的产生是基于相同原理的。对于声波，我们通常用电话为例子。说话的时候声音（机械能）转变为电信号（电能）传播到另一头，然后听的时候电信号就重新转变成声音。这跟超声波的产生和接收过程是一模一样的，它们的原理就是压电效应。压电效应就是某些材料，例如石英在受到机械压力时，其表面会产生一定程度的电压；而如果我们在它表面施加电压，它又会产生一定的机械形变。那么通过精密的电信号控制，我们就可以产生和接收超声波了。目前PZT是最为普遍的用于超声波仪器的材料。而在仪器的正常运作里，超声波通常会以脉冲（pulse）而非连续(continuous wave)的形式出现，所以一般情况下，PZT收到电脉冲信号，产生一段超声波，然后开始监听，接收陆续返回的超声波信号并将它们转变为相应的电信号然后作进一步的数据处理，周而复始直到完成扫描。

 

图片来源于CONQUEST IMAGING

 

超声波在人体内的传播

         前面提到超声波在人体里的速度大约为1540米每秒，这其实是一个平均值，也是大多数情况下超声波仪器所用的标定速度。在后面会提到，超声波成像会依赖于对超声波速度的估计，准确与否会对图像质量产生直接影响。那么对于不同的器官组织，这个传播速度是不一样的。例如在大脑里约为1510米每秒，在肝脏和肾脏里约为1560米每秒，在肌肉里是1570米每秒等等，这些都没有与平均值有很大的差别。但是在脂肪里超声波速度只有约1440米每秒，这个速度差异就使得对于肥胖的病人，超声波图像的质量会明显下降，所以这种情况下，仪器会对速度重新标定或者进行动态调整。

         超声波既然是一种波，那它在人体的传播过程中也会和各种组织器官产生与波相关的物理现象，这些现象是利用超声波进行成像的基础。主要是透射，反射，散射和折射。当PZT发出超声波遇到人体器官/组织时，部分的波可以穿透并沿着原来的方向继续往人体身体深处传播，这就是透射并且过程中波的能量会被部分吸收；剩余部分的波沿着相反的方向返回并被PZT接收，那么这部分就是反射波，这些反射波的信号就是成像的主要原材料；而散射回来的波的能量通常非常小，折射的波则会对成像形成干扰。基本上超声波透射的能力和器官/组织对超声波的吸收能力决定了超声波能“看”到多深，由于频率越小，超声波的穿透能力越强，所以当医生需要看得更深的时候，往往会使用工作频率低一点的探测器（Transducer），但是频率低通常又会造成影像的质量下降，这是需要作出的权衡后面讲到探测器的时候也会详细提到。

        

医疗超声影像简介

         随着研究的深入和医疗需要，超声波影像从只有1D到现在可以到3D/4D，超声波仪器现在也可以支持多种的成像模式来迎合不同病人和医生的需要。下面介绍一下主流的几种的成像模式。

　　A-mode: 就是所说的1D，是最简单的模式。探测器沿着某一方向发射出一簇超声波，然后仪器呈现的是反射信号与深度之间的方程，图像跟我们平常在示波器上看到的信号都差不多。A-mode是早期超声波仪器主要的模式，现在用得较少，但还可在手术中用于引导治疗肿瘤的高能量波。

       B-mode：B在这里是brightness，这种模式下，探测器会扫描一片区域，然后生成灰度的2D图像，这也是现在最常用的模式之一。颜色越浅（白），即代表反射信号越强，一般是器官/组织的表面，颜色越深（黑），即反射信号越弱。

        

图片来源于CONQUEST IMAGING

 

         M-mode：M在这里是motion，运动模式下，仪器进行快速的B-mode扫描和成像，那么医生可以看到器官运动的情况，这对于心脏相关的诊断尤为重要。

         Doppler-mode: 多普勒模式，该模式得名于利用多普勒现象来对移动的物体进行速度测量。多普勒模式下，医生可以监测到血液的流动情况和方向来确定血管可能出现的病变。

         Color Doppler：这个模式可以简单理解为B-mode/M-mode + Doppler，即在2D灰度图像的基础上，利用doppler模式和颜色标定来显示出血管的位置，血液流量，流速和方向。

        

 

 　　图片来源于CONQUEST IMAGING

         3D/4D：3D模式就是可以呈现出器官/组织的3D影像。至于4D，就是实时的3D图像。虽然很多高级的超声波仪器都部署了3D和4D模式，但一般情况用得不多。

 

这个系列第一篇就到这里吧，后面我会继续更新仪器方面的，成像方面以及硬件（signal path）方面相关的内容。这个主要是我个人的笔记来记录下这方面的知识，自己涉及这个领域时日尚浅，如果出现不严谨甚至是错误的地方，希望大家能慷慨指出，我会非常感谢并加以纠正。