杨葳
（天津市医疗器械技术审评中心 天津 300191）
【摘要】 本文从超声波扫描成像的机理出发，通过介绍医学超声的基本情况，描述超声波成像技术的原理和特点，说明了超声波扫描成像系统模型的组成、体元回波模型及系统参量的确定方法，以期对改善超声成像的质量有一定的帮助。
【关键词】 超声波；扫描成像技术；医学领域；体元回波模型
【中图分类号】R445 【文献标识码】A 【文章编号】2095-1752（2015）24-0388-02
1.医学超声
1.1 超声波
将振动频率在20KHz以上的声波称为超声波，它超过了人类听觉的上限，不能引起正常人的听觉。在18世纪，来自意大利的生物学家斯帕兰扎尼发现夜间活动的蝙蝠确定障碍物的方法是靠一种人类听不到的尖叫声（即超声）来实现，当超声遇到不同距离、大小和形状的物体时，会返回不同的回波，从而帮助蝙蝠进行夜间飞行。
1.2 医学超声
从上世纪40年代开始，超声波技术逐渐在医学领域发挥作用。通过检测超声波中的纵波及其多普勒效应，可以对心脏活动、胎儿活动和血流状态进行有效的检查。用于医疗设备中的超声波的频率一般在1-5MHz，这样可以更好的达到探查深度和分辨率的要求。反之，若频率超过5MHz会使超声波在在人体内产生太大的衰减，从而达不到探查深度的要求；而低于1MHz时就满足不了分辨率的精度要求。在医学超声的实际应用中，不同频率的超声波用途是不同的。对于深部组织和器官的诊断多使用低频超声波，而高频超声波在诊断表浅部位时比较常用。超声波需要在介质中传播，不同介质中传播速度是不同的，由快到慢依次是固体、液体和气体。介质的声阻抗是该介质密度与超声速度的乘积。当超声波在不同的声阻抗相邻界面进行传播时，会出现大界面反射和小界面散射两种情况。前者发生在相邻界面的声阻抗大于0.1%且界面比波长明显大于的时候，越大的声阻抗差会产生越强的发射。相反，当界面比波长小时，会产生后者。
在医学领域中使用超声波进行诊断是非常便捷的，同时对人体不会产生损伤、伤痛，因此得到了人们的普遍重视。
2.超声波扫描成像技术
2.1 超声波扫描成像的原理
超声波本身的物理特性包括反射、散射、衰减以及多普勒效应等，这些成为医学超声应用的基础。对于人体的不同组织器官的声阻抗参数是不同的，即使是同一组织器官在正常与病变状态下的声阻抗参数也是不同的。使用超声波扫描成像的基础是获得从人体内反射与衰减而来的不同强度超声波，这是由于人体内不同深度的组织与器官的声阻抗和衰减特性是不同的，从而产生不同的反射与衰减。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆把这些回波信号收集起来进行处理，就可以得到相应的图形显示。图形可以直观反映出超声波信号在人体内反射的强弱和分布，从而帮助医生对人体器官和组织的形态或病变做出判断。
2.2 超声波扫描成像的特点
使用超声波可以穿透不透光的物体，获得其内部结构特性，并建立物体可见图像，这种方法即超声波扫描成像。超声波扫描成像已成为现代医学重要影像技术，帮助医生获得人体内部结构声学特性的信息。其优点包括：
（1）使用方便，对人体无损伤
超声波扫描成像的设备体积很小，可使用手持式探头对人体的某个部分进行扫描成像，使用方便。超声波为非电离辐射，进行医学超声检测时将功率调整为诊断范围，这对人体是没有损伤的。截止到目前，还没有发现医用超声波扫描成像会对人体产生危害。而且，相对于危险性较大的X射线，超声波诊断可用于对胎儿的检查。
（2）可准确鉴别人体软组织
X射线和超声波对骨骼和软组织的成像能力差别很大。X射线的成像方式是透射式，穿透力很强。拍摄时将X射线和接收底片分置于人体的两侧，X射线可穿透部分人体组织，从而在底片上显示出来。由于骨骼和软组织的电子密度显著不同，所以从底片成像效果上可以明显区分开骨骼和软组织。但是软组织各部分之间的差异就难以分辨了。超声波的成像方式是反射式的，穿透软组织的能力有限，会发生比较严重的衰减，通过界面返回的回波，可以形成软组织的界面成像，可见超声波对软组织的鉴别能力是较强的。
2.3 超声波扫描成像技术存在的问题
自超声波扫描成像技术诞生以来，结合日趋先进的计算机图像处理技术，通过计算机来控制每个与图像质量密切相关的参量（如声学透镜、声束孔径、超声基阵旁瓣和发射波形的形状等），使得超声成像的质量得到显著提高。
但是，超声成像技术仍然存在着一些问题。主要是图像的分辨率不够高，超声波回波中的有益信息非常有限，并混杂在大量信息中。另外，超声波在人体组织中传播时还存在衰减现象，声强随传播距离的增加而逐渐减弱。
3.超声波扫描成像系统模型
3.1 系统的组成
超声波扫描成像系统可以根据超声波的回波来观察人体组织的变化情况，通常由：超声波探头、发射超声波信号源、基本电路、回波信号处理和显示部分组成。超声波探头是超声波扫描成像系统主要部件，其功能是发射和接收超声波，进行电—声信号和声—电信号的转换。具体过程是将探头中发射的高频电信号，通过晶体振动转变为超声波，发射进人体组织内；在超声探头的晶体上接收反射回来的超声波，将超声波转变为高频电信号，由荧光屏上显示出来。
3.2 体元回波模型
超声波扫描成像系统中，成像方法是利用发射回波叠加来实现，即由最小的组织体元构成分辨体元，将若干个分辨体元与入射波相互作用之和即可看作超声波的成像作用。
用ue(t)表示分辨体元的入射波，ur(t)表示反射波。如果用hm(t)来表示被测分辨体元的冲击响应，则有ur(t)=ue(t)×hm(t)。如果用Hm(x,f)表示位于x处分辨体元的传递函数，用Ue(f)表示入射波的频率响应，用Ur(x,f)表示由该分辨体元反射的回波的频率响应，则上式可表达为Ur(x,f)=Ue(f)×Hm(x,f)。因为Hm(x,f)包含了位于x处分辨体元的频率响应，和超声波束的扩散作用，有Hm(x,f)=E(x,f)Q(x,f)Ha(x,f)其中：Q(x,f)表示位于x处的分辨体元的频率响应，E(x,f) 和Ha(x,f)分别表示波束在传播过程中的发散效应和波束往返的能量损失。
在实际中，E(x,f)可分解为两部分，即：E(x,f)=Ef(x,f)Eb(x,f)。式中Ef(x,f)表示入射超声波向x处传播过程中的波束扩散因子，Eb(x,f)表示介质回波由x处传出时的波束扩散因子。超声波在传播中的能量损耗因子Ha(x,f)主要是因为介质对超声波产生的吸收衰减作用。这种衰减作用表现为两方面：一是使超声波的波幅下降，二是使频率响应的相位发生变化。所以若假设超声波往返时的衰减相同，可将Ha(x,f)表示为：Ha(x,f)=e-2axe-j2θ(x,f) 。其中：a为衰减系数，一般为频率的函数；θ为相位延迟，一般是传输距离和频率的函数。对于分辨体元的频率响应Q(x,f) 可分解为两部分，它包括反射效应Hr(x,f)和散射效应Hs(x,f)。所以可表示为：Q(x,f)=Hr(x,f)×Hs(x,f)。
3.3 确定系统参量
接收到的回波中既包括所测试的人体组织的作用，还包括超声波探头和基本电路等的系统作用干扰。这时就要确定好系统的传递函数，以方便的从回波中获得组织信息。除了噪声的影响之外，超声波扫描成像还受到声电转换和生物组织的影响。声电转换系统的传递函数可用He(x,f)表示，生物组织的频率响应用Hm(f)来表示，则有：Ur(f)=Ue(f)Hm(x,f)He(f)。
若介质的频率响应或冲击响应是已知的，则系统的响应函数可以由测得的入射波和超声回波来确定，这个过程称为系统定征或探头定征。在系统定征中，首先确应一个近似全反射的平面（如玻璃、钢板等）来当作目标物。可将探头和目标物都浸入到蒸馏水中，要求蒸馏水已除去杂质和气泡，这样做的好处是可以去除路径上的能量损失。为了得到最强的超声回波，要将反射平面与探头轴线垂直，此时的传递函数为1。系统的传递函数就是回波的频率响应与入射波的频率响应之比，即 He(x,f)=Ur(f)/Ue(f)。
4.总结
目前，医学超声波扫描成像技术是已发展成为医学界最常用的诊断影像技术之一。由于超声波对人体没有危害，可以在人体组织内低衰减的传播，并且成本低廉，非常适合现代医学中的应用。此外，超声波扫描成像能实时提供影像，对人体软组织探测和心血管脏器的血流动力学观察有其独到之处，具有广阔的发展前景。
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论文作者:杨葳
论文发表刊物:《医药前沿》2015年第24期供稿
论文发表时间:2015/10/23
标签：超声波论文; 超声论文; 回波论文; 声阻论文; 医学论文; 频率论文; 软组织论文; 《医药前沿》2015年第24期供稿论文;