四、超声成像

1. 基本物理概念

声波是纵波，机械波，需要介质传播，不能在真空中传播。不需要介质传播的是电磁波。

超声波是高于人类听觉范围的声波，频率大于20kHz。决定超声波频率的是脉冲发生器。

频率分类：

• 次声波（低于人听觉频率的声波）：频率 < 20 Hz。

• 可闻声：频率 20 Hz–20 kHz。

• 诊断超声的频率：2MHz 到 12MHz。

超声波在组织中传播速度：1540m/s。 声速：介质越硬传得越快（声速排名：骨骼 (4080) > 肌肉 > 血液 > 软组织 (1540) > 脂肪 > 肺 (气体) (330)，固体>液体>气体）。

声阻抗 \(Z = \rho c\), 单位Rayl。

反射：入射角=0，反射系数 \(R = (\frac{Z_2 - Z_1}{Z_2 + Z_1})^2\)，不为0。

衰减：超声在介质中传播，其能量将随着距离的增大而减小。

• ①吸收：最主要因素。声能转化为热能。吸收与频率成正比。
• ②反射：镜面反射和漫反射（粗糙界面）。
• ③散射：遇到比波长小的颗粒（如红细胞）。瑞利散射：散射强度 \(\propto f^4\)。频率翻倍，散射强16倍。

衰减系数： 软组织中约为 \(0.5 dB/(cm \cdot MHz)\)。肌肉中为... 血液组织中为...

距离若题目描述为成像5cm，则需×2。

斯涅尔折射定理： \(\frac{\sin\theta_1}{c_1} = \frac{\sin\theta_2}{c_2}\)。

分贝： 功率/强度比：使用 10 log。振幅/电压比：使用20 log。

2. 成像原理

①机器给探头通电，利用逆压电效应让晶体振动，向人体发出高频声波脉冲。随后探头立刻切换模式，利用正压电效应等待接收从体内弹回来的微弱声波。

②声波在人体内传播时，每当遇到不同组织的交界处，因为两边的声阻抗（硬度/密度）不同，声波就会发生反射。阻抗差越大，反射回来的回声就越强；如果没有阻抗差，声波就直接穿过，没有回声。

③处理与成像：看时间算深度，回声回来得越晚，说明物体越深；看强弱算亮度，回声越强，屏幕上的点就越亮。

• 无回声图像呈黑色（如囊肿/液体）。 代表液体，声波穿透好，无反射。

• 高回声图像呈亮白色。 代表强反射组织（如骨骼、结石、钙化、富含胶原的隔膜）。

• 弱反射图像发生在软组织间，灰色。

3. 超声换能器

压电效应：

• ①发射时：逆压电效应将电压（电能）转换为声能（机械能）。

• ②接收时：正压电效应将声能转换为电压（电能）。

• ③核心材料：PZT（锆钛酸铅）。

PZT晶体： 核心元件，通过压电效应实现声-电能的互转。通常厚度为1/2波长。

匹配层：

• ①作用：最小化 PZT 与组织间的声阻抗差异，减少界面反射，增加透射效率。

• ②最佳阻抗：Z组织< Z匹配层 < Z_PZT。最佳Z为组织和PZT的几何均数，即二者乘积开根号 \(Z_{match} = \sqrt{Z_{PZT} \cdot Z_{tissue}}\)。

• ③最佳厚度：1/4 波长，这使得从匹配层/组织界面反射回来的波，与晶体表面的反射波相位相反（差180度），两者发生相消干涉，从而抵消反射，最大化透射能量。

• 如果没有匹配层，换能器与组织之间就会有很大的声阻抗偏差，导致大的反射或者说是传输少。

单匹配层最匹配的声阻抗= \(\sqrt{Z_{PZT} \cdot Z_{tissue}}\)

双匹配层最匹配的声阻抗 (需查阅具体几何级数公式，通常为三者间过渡)

背衬材料：

• ①作用：吸收背向声波，增加阻尼，减少周期数n，缩短脉冲持续时间（SPL）。

• ②提高了轴向分辨力。

声透镜： 聚焦声束，改善横向分辨力。

外壳与屏蔽： 保护内部并屏蔽干扰。

扇形、线性相控阵：电子引导；环形相控阵：电子聚焦

脉冲模式的工作频率由以下方程决定：\(f=c/2d\)，d为晶体厚度，c代表的是晶体材料内部的声速。

4. 分辨力

分辨力是分辨两个物体的能力。

轴向（纵向）分辨力：

• 在超声波束的轴线方向（传播方向）上，能够区分两个前后相邻物体的最小距离。数值越小，分辨力越好。

• 值是空间脉冲长度的一半=SPL/2，单位是距离单位。

• SPL取决于脉冲包含的周期数n和波长λ：SPL = nλ = 声速×脉冲持续时间（PD）。

• 波长越短，SPL 越短，轴向分辨力越好（数值越小）。

• 同义词： 径向、轴向、深度方向、范围。

• 影响因素： 频率、波长、传播速度、衬底材料、激励脉冲等。

横向分辨力：

• 在垂直于声束的方向上，能够区分两个左右相邻物体的最小距离。

• 公式：横向分辨力等于该深度处的横向声束直径。

• 同义词： 方位角的、肩并肩的、横断的、角度方向的。

• 影响因素： 频率、口径、焦距、多个发射焦点、并行处理等。

5. PRP 与 PRF

这两个参数决定了超声成像的时间特性和最大深度。

PRF：脉冲重复频率。一秒钟内发射脉冲的次数 (3.85KHz-77KHz)。

PRP：脉冲重复周期。从一个脉冲开始到下一个脉冲开始的时间 (单位: ms或μs，μs更常见)。

PRP主要由成像深度所决定，它等于成像深度（以厘米表示）乘以13μs／cm。 \(PRP = ID (cm) \times 13 \mu s/cm\)

脉冲重复频率是脉冲重复周期的倒数。\(PRF=1/PRP\)

6. 近场与远场

焦点： 近场结束、远场开始的点。这是声束最窄的地方。横向分辨力最佳点。这也是声强最大的地方。焦点处的波束宽度是探头直径的一半。 两倍焦距处的波束宽度为探头直径。

改变焦距： 棱镜、弯曲元件（凹面凸面，易被破坏）、电子调焦（波束合成，改变每个阵元相位）、镜子。变焦只影响近区。 影响固有焦距的主要有两个参数：工作频率和晶体直径。频率越高、晶体直径越大，焦距越深。

近场（菲涅耳区）： 从探头表面开始，到声束最窄点（焦点）之间的区域。在这个区域内，声束逐渐收敛（变窄）。这是成像质量最好的区域，因为声束比探头直径窄，横向分辨力好。近场长度 \(NFL = \frac{D^2}{4\lambda}\) （D为换能器直径）。

远场（夫琅禾费区）： 焦点以外的区域。在这个区域，声束开始发散（变宽）。随着深度增加，声束越来越宽，横向分辨力迅速下降（变差）。

7. ABM超声

A型超声（Amplitude Mode，幅度调制） 是所有超声成像的物理基础，其本质可以看作是一台声学示波器。当探头向体内发射脉冲后，系统接收到的原始射频（RF）回波信号经过放大和包络检波处理，剔除高频载波，只保留幅度的轮廓。在显示屏上，水平轴（X轴）利用回波的飞行时间（t=2d/c）对应组织深度，而垂直轴（Y轴）则直接反映回波信号的电压强度。因此，A超显示的不是解剖图像，而是一条随深度起伏的波形曲线，波峰越高代表反射越强。应用在测量眼轴长度等需要极高轴向精度的场景中。

B型超声（Brightness Mode，亮度调制） 在A超的一维基础上引入了空间扫描和亮度调制技术，是现代超声成像的核心。系统首先将 A 超中代表回波强度的“波峰高度”转换为“光点亮度”（辉度调制），回波越强，像素越白。为了形成二维图像，探头内的晶片组通过电子开关或相位控制（如相控阵）驱动声束在空间中快速扫过，形成成百上千条扫描线。在此过程中，为了让人眼能同时看清强反射（如骨骼）和弱反射（如软组织），系统还必须对动态范围极大的回波信号进行对数压缩处理，最终呈现出我们熟悉的黑白灰阶切面图像。

M型超声（Motion Mode，运动调制） 则是对B型图像中单一扫描线的时间轴展开，专注于捕捉高速运动。操作者在B超图像上选取一条感兴趣的取样线，系统便停止对全场的扫描，转而集中所有脉冲重复频率（PRF）沿着这一条固定路线反复发射和接收。在显示时，Y轴依然代表深度，但 X轴变成了时间，原本静止的解剖界面（如心脏瓣膜）会随着时间推移在屏幕上描绘出运动轨迹。由于 M 型超声无需等待整幅图像的数百条扫描线逐一成像，其采样率直接等同于脉冲重复频率（可达 1000Hz 以上），因此它拥有远超 B 超的时间分辨力，能够捕捉到肉眼在二维图像上无法看清的瓣膜高频颤动或极快的胎儿心率。

8. 多普勒

当声发射源与声接收器有相对运动时，接收器所接受到的声波频率与发射频率有所不同。 信息：血流速度。

红色代表血流朝向探头流动。蓝色：代表血流背离探头流动。颜色的深浅/亮度：代表流速的快慢。

多普勒效应的频率变化:

• ①声发射源不动（VS=0），声接收器朝声发射源移动（相对速度 VR）

• ②声接收器不动（VR=0），声发射源朝声接收器移动（相对速度 VS）

• ③同时移动

多普勒频移： ft为发射频率，c为声速 \(\Delta f = \frac{2 f_t v \cos\theta}{c}\)

9. 计算几何

①线阵奇数接收通道

②线阵偶数接收通道

③凸阵奇数/偶数接收通道

10. 超声系统操作

脉冲发生器： 决定初始振幅、频率、发射模式 (PRF)。

接收器五大功能:

• ①放大: 整体信号增强 信号与噪声等比放大, 不改变信噪比(SNR)。

• ②补偿: 修正随深度增加产生的衰减。深部增益 > 浅部。

• ③压缩: 降低动态范围(最大值/最小值之比, dB), 对数压缩。保持强信号, 提升弱信号, 匹配人眼/显示器灰阶。

• ④解调: 将回波中的初始传输频率移除，信号检波, 用户不可调。包括整流+平滑。目的是去除射频载波。

• ⑤丢弃: 去除低幅度的噪声信号。

扫描转换器:

• 功能: 将A模式数据线转换成视频格式 (模拟到数字), 具有数据存储功能。

• 像素决定空间分辨力(细节)。比特(Bit): 决定对比度分辨力(灰阶)。灰阶数=\(2^n\) (n=比特数)。

• 双稳态 (黑白) = 1 bit; 6 bit = 64 灰阶; 10 bit = 1024 灰阶。

• 预处理： 冻结/存储前 (TGC, 写放大, 空间复合成像), 不可逆。

• 后处理: 冻结/存储后 (读放大, 灰度图谱映射, 黑白反转), 可逆。

信噪比(SNR):

• 增加发射功率，信号增大, SNR增加。

• 增加接收增益，SNR不变。

• 降低声波频率，增加SNR。

细节分辨力: 由轴向(SPL/2) +横向(波束宽)+高向(切片厚)组成。细节分辨率是由扫描线密度/矩阵大小和每一个像素对应需要的比特数共同决定的。

时间分辨力(帧率): 多点聚焦提高横向分辨力, 但降低时间分辨力。

相位调节: 通过每个阵元的时间延迟实现电子聚焦与电子引导(相控阵)。

【超声部分-习题与思考】

1. 在超声波成像中，使用耦合凝胶的主要目的是： 排除空气，减少声阻抗不匹配

2. 场深宽表明波束聚集到焦点处再发散这一过程： 慢

3. 下列哪项不属于换能器的主要组成部分？ 射频发生器

4. 以下哪一种器官或结构是常规诊断性超声难以清晰成像的？ 肺

5. 诊断超声的频率范围（2-12 MHz）选择，主要是在哪两个因素之间进行权衡？ 分辨率与穿透力

6. 以下哪一项是导致超声波难以对胃和肺部进行清晰成像的主要原因？ 胃和肺是空腔脏器，其内部或边界存在大量气体，导致声波几乎被全反射。

7. 超声波通常不用作成人颅脑常规检查的主要成像工具，原因是什么？ 颅骨结构致密，声阻抗高，对超声波具有强烈的衰减和反射作用。

8. （ ）大多通过周期性变化传播形成了波： 能量

9. 占空比 等于脉冲波所用的时间占整个脉冲时间的百分比。

10. 如果超声回波的幅度/强度增大，则B超图像会更亮。

11. 超声成像中实际上有三个平面，但在实时2-D成像中只显示2个平面。轴向平面对应于深度，横向平面对应于宽度/方位，高向平面对应于切片的厚度。

12. 超声成像系统中，波束合成的目的是通过对多个阵元接收的信号进行延时/相位控制，形成指向特定方向的波束。

13. 一个未聚焦的圆形换能器，在其两倍焦距深度处的波束宽度，大约等于换能器的直径。

14. 若波束面积减半而功率保持不变，强度加倍。

15. 超声频率越高，分辨率越高，但其穿透组织的深度越浅/低。

16. 匹配层被用来最小化PZT与人体组织之间的阻抗偏差。

17. 在B型超声图像中，无回声区域通常表示液体（如囊肿、膀胱），而强回声区域则表示反射强烈的组织（如骨骼、钙化斑）。

18. 对于未聚焦的圆形换能器，在其固有焦距处的波束宽度大约为换能器直径的1/2。

19. 两个在相控阵传感器中进行相位调节的技术分别为电子引导和电子聚焦。

20. 多重传输聚焦波束的优点是_，但缺点是____： 窄显示线，低帧速率

21. 不属于超声的生物学效应的是？（ ） 多普勒效应

22. 计算线阵奇数接收通道的计算几何图形每个阵元在波束合成的时候所需要的延时。

23. 简要介绍超声简单解调和正交解调的原理，并画出框图：

• 简单解调主要用于提取信号的幅度信息。其处理过程是先对接收到的离散信号取绝对值，这一步相当于全波整流，将双极性射频信号转换为单极性信号。随后，通过一个低通滤波器滤除其中的高频载波成分，最终保留下来的就是随时间变化的低频幅度包络。这种方法计算量小，但无法获取信号的相位信息。

• 正交解调则是一种相干解调技术，它能够同时保留信号的幅度和相位信息。该方法将输入信号分别与两个频率相同但相位相差90°的参考信号进行混频，把频谱搬移至基带，产生同相分量（I路）和正交分量（Q路）。这两路信号分别经过低通滤波器去除倍频分量后，通过计算 \(\sqrt{I^2+Q^2}\) 即可获得精确的包络幅度，同时也能通过 I、Q 分量计算出相位。