三维形象演示声波与医学超声成像原理！

视频版

上期视频我们讲到

傅里叶变换可以用于

信号在频域（即K空间）

和空域（即最终的磁共振图像）之间的变换

除此之外

傅里叶变换还广泛应用于各种信号处理

如本期视频要讲的声波

声波由物体振动产生

以疏密相间的形式向四周传播

我们听到的声音

就是声波通过空气或其它介质传播后

被我们的听觉系统所捕获和感知的结果

最简单的声波是单一频率的正弦波

称为纯音，可以用正弦曲线来表示

声波有一个重要的属性-频率，单位赫兹(Hz)

表示每秒钟振动的次数

平时我们听到的声音往往不是纯音，而是复合音

复合音就是不同频率纯音的叠加

如钢琴或管弦乐器演奏的A440标准音，也是复合音

通过傅里叶变换可以分解得到一系列频率的纯音

理论上，分解得到的频率是440赫兹的整数倍

其中440赫兹称为基波频率，简称基频

基频又称一次谐波

基频的2倍称为二次谐波，以此类推

分解得到的谐波频率实际还可以更高

因为人耳能感受到的振动频率上限约为20k赫兹

因此音频设备在录制时一般只录到20k赫兹

超过20k赫兹的声波人耳感受不到

称之为超声波

超声波因为其高频特性，指向性强

定位、成像的精准度、清晰度相对较高

蝙蝠、海豚、鲸鱼等动物

都拥有非常敏锐的超声波回声定位能力

用于医学成像的超声频率通常更高

目前主流的在1M赫兹到20M赫兹之间

超声成像的核心部件是超声探头

超声探头首先会将电信号转变为超声信号

发射超声脉冲到人体组织

超声波和普通声波类似

可以在各种介质中传播

声波在介质中传播时受到的阻力

称为声阻抗（Z）

声阻抗主要取决于介质密度和声速 

身体各组织的声阻抗可以参考图示

骨骼密度高，声速快，声阻抗也高

软组织次之，空气最小

当声波到达两种介质的交界面时会发生反射

垂直入射的声波

反射强弱主要取决于两种介质的声阻抗差异

其反射率的计算公式如图所示

声阻抗差异越大，反射越强

如果超声探头和皮肤之间隔着空气

由于空气和人体组织的声阻抗差异较大

超声波在空气与皮肤的交界面上会被大量反射

就如同你在峡谷中大声呼喊

由于空气与岩石壁有较大的声阻抗差异

你会听到较强的回声

为了让声波顺利进入体内

超声检查时通常会在皮肤上涂抹一层凝胶

以填充探头和皮肤之间的空隙

凝胶和人体组织的声阻抗接近

以减少超声波损失

这也是凝胶或其它超声耦合剂的主要作用

进入体内的超声波

穿过不同声阻抗的介质时会发生反射

形成不同强度的回波信号返回超声探头

超声探头再将回波信号转换为电信号

最终转化为我们熟悉的超声图像

在亮度（Brightness）模式下

回波的强度对应了超声图像上点的亮度

此模式即我们俗称的B超

超声波在体内传播时存在反射、散射等现象

同时超声能量还会因人体组织吸收而发生衰减

这些过程限制了超声波在体内的穿透深度

频率越高，衰减越快，体内穿透也越浅

为了给体内更深的组织结构成像

有一种成像模式叫组织谐波成像

谐波就是视频前面讲到过的基频频率整数倍的波  

这里的基频就是指脉冲发射频率

超声脉冲穿过人体组织时会发生一些扭曲

导致回波中出现组织谐波

例如，发射5M赫兹的超声脉冲

回波信号中不仅有5M赫兹

还包含10M赫兹，称为二次谐波

15M赫兹，称为三次谐波等等

组织谐波的强度，前面随着深度增加而增强

到后面由于衰减而减弱

二次谐波之后的高次谐波通常较弱

组织谐波成像主要基于二次谐波

另外，超声探头发射的脉冲一般不是单一频率

而是以基准频率为中心的一段范围内的频率

该频率范围也称为带宽

回波信号的带宽也会呈现出发射脉冲带宽的整数倍

回波信号过滤了基频、高次谐波及其带宽频率

就可以得到基于二次谐波的组织谐波成像

另外还有基于造影剂的造影谐波成像

造影剂中含有大量微气泡

可以明显增加超声回波的谐波分量

谐波成像可以有效提高深层组织的成像清晰度

如果超声脉冲在体内遇到移动的物体

如血管中的红细胞

回波频率将发生偏移

这种现象被称为多普勒频移

其频移方程近似如图所示

当物体朝向超声探头移动

即超声脉冲与移动方向之间的夹角小于90度时

回波频率大于发射频率

我们称之为正多普勒频移

反之，如果物体远离超声探头移动

会出现负多普勒频移

类似鸣笛的火车靠近时，声音会越来越尖锐

而远离时鸣笛声会逐渐变得低沉

基于多普勒频移可以探测体内运动的组织

如血管内的血流情况

可以用不同颜色和亮度来标注血流方向和速度

将血流或组织运动信息经彩色编码后叠加在B超图像之上

就是我们熟悉的彩色多普勒超声，简称彩超

最后，连续采集多个二维信息可以构建三维超声

再加上时间维度

就可以得到实时显示动态效果的四维超声