学习笔记493—简单解释超声波成像的工作原理【全网最详细讲解！】

简单解释超声波成像的工作原理

 

我们将从以下几个方面进行讨论。请向下滚动，开始阅读。

1. 声音与超声波导论
2. 发送和接收超声波
3. 超声波与人体组织的相互作用
4. 扫描方式：A扫描
5. 扫描方式：B扫描
6. 频率、波长、分辨率和深度
7. 多普勒效应

声音和超声波

我们都很熟悉声音。它帮助我们交流和倾听八卦。声音警报提醒我们，脉搏血氧仪提示我们血氧饱和度。

但最令人惊奇的是，声音实际上可以帮助我们看到隐藏的东西，就像蝙蝠“看到”的方式一样。

不幸的是，蝙蝠总是值夜班。它们会在夜间寻找食物，因为光线不好。多汁的红草莓在晚上不容易被发现。

幸运的是，蝙蝠天生就有用声音定位物体的系统。首先，它们发出声音。

 

声波在像草莓这样的物体上反弹。草莓上反弹的声波又反射到蝙蝠身上。声音传回的方向告诉它草莓在哪个方向。声波到达草莓并返回到蝙蝠耳朵所花的时间告诉它草莓有多远。声波返回的时间越长，草莓就离的越远。

因此，蝙蝠可以通过声音找到看不见的东西。同理，我们也可以用声音来定位看不见的东西。例如，当我们将中心静脉导管插入患者颈部颈内静脉时，我们可以使用它来引导针头，而不会损害其他重要结构。

什么是“声音”和“超声波”?

声音是一种通过媒介（如空气）传播的振动，人耳可以听到。如果你是一只蚂蚁或一只鸟，那么声音的含义就不同了。声音特指人耳能听到的东西。

所有的振动，包括声音，都有一个频率。频率是衡量某物每秒“振动”的频率。频率的单位是赫兹，官方符号是Hz，可以认为是“每秒振动次数”(这不是官方定义！)。人耳可以听到大约20Hz到20,000Hz的频率。所以“声音”就是在这个频率范围内的振动。

人耳听不到低于20Hz的声音，低于这一频率的声音被称为“次声”。大象可以用低音来交流它们不想让人类听到的笑话。

人的耳朵在20,000Hz以上听不到声音。频率超过20,000Hz被称为“超声波”。如上所述，蝙蝠用超声波定位食物，海豚用超声波与朋友交流。重要的是，超声波在麻醉中被用于对身体的各个部位进行成像。用于医学成像的超声频率通常高于人的听觉:约200万Hz至2000万Hz(2-20MHz)。

超声波的产生

要使用超声波来发现东西，我们首先需要有一种产生它们的方法。我们需要一些东西来产生振动，这种振动将在病人的组织中传播。

有一种特殊的材料叫做“压电晶体”。这种材料有一种非常特殊的性质。当电压作用于压电晶体(下图红色所示)时，它会膨胀。当电压被移去时，它就会收缩回原来的厚度。

如果反复快速施加和移除电压，压电晶体会迅速膨胀和松弛，产生超声波

 

接收超声

要使用超声波定位某物，需要有一种监听从各种物体反射回来的声波的方法。在上一节中，我们讨论了压电晶体在施加电压时如何膨胀，以及如何利用它来产生超声波。

除此之外，压电晶体还有另一个非常有用的特性，这使得它也可以用来接收超声波。

当压电晶体被压缩时，它会产生一个电压。这个属性用来“监听”撞击物体后返回的超声波。当返回的声波击中压电晶体时，它会被压缩。然后，晶体会产生与撞击它的超声波强度相对应的电压。

 

超声波机可以方便地使用相同的压电晶体来发射和收听超声波。首先，机器向晶体施加电压，使其膨胀并传输。

然后超声波机通过监测压电晶体上的电压很快切换到监听模式。这种发送和接收周期重复得非常快。

为了清楚起见，上面的例子只显示了一个晶体。在现实中，超声波探头是由大量的单个压电晶体组成的。从晶体中收集的信息经计算机处理后显示在屏幕上。

耦合剂

空气是超声波的敌人。在空气与生物组织相遇的地方，超声波往往会强烈反射。如果探头和患者皮肤之间有一个小气泡，超声波就会被反射走，而不是穿透皮肤。如果声波没有进入病人体内，你将无法获得下面的图像。因此，确保探头和患者皮肤之间没有气泡是绝对重要的。

另一方面，超声波很容易在液体中传播。因此，在探头和病人皮肤之间使用一种粘稠的液体(耦合剂)是很常见的。这种粘稠的液体有助于防止气泡的出现，让超声波更容易通过。

超声波会发生什么变化?

一旦超声波进入人体，不同的情况就会发生。只有一部分会返回到探测器，帮助机器形成图像。其余的都丢失了。当超声波进入人体时，其中一些会经历:

1. 衰减
2. 折射
3. 反射

衰减

有些超声波是衰减的。也就是说，人体吸收超声波能量，使声波消失。这些波不会返回到探测器，因此被“浪费”了。超声波穿过的身体组织越多，其衰减就越大。这就是为什么更难成像更深层次结构的原因之一。

折射

每一种物质，如神经、肌肉或脂肪，都有一种叫做“声阻抗”的独特特性。声阻抗是一个有点复杂的概念，但基本上取决于物质的密度和超声波在物质中的速度。具有不同声阻抗的物质在很大程度上改变了超声波的传播过程。

当超声波(如图中红色箭头所示)试图从一种物质传递到另一种具有不同声阻抗的物质时，会发生两件事。

部分超声波继续进入第二种物质，但稍微偏离了原来的方向(粉色箭头)。当超声波从一种物质传递到另一种具有不同声阻抗的物质时，这种弯曲被称为折射。

除此之外，还有一件非常重要的事情。部分声波(如图中蓝色箭头所示)反射回探头，反射回的数量取决于两种物质声阻抗的差异，差异越大，反射越强烈。反射波非常重要，因为只有反射波才能返回探测器，并为机器提供显示图像的信息。

当超声波从一个组织传到下一个组织时，每个组织都有不同的声阻抗，一些波在每个交叉处被反射回来(下图中有两个蓝色箭头)。因此，多个反射波返回探头，机器使用这些信息来显示显示不同组织的图像。

反射

表面不规则的物体，如神经，将超声波分散到各个方向。一小部分波反射回探头(如下图中蓝色箭头所示)。这叫做“漫反射”。

如果一个物体又大又光滑，就像神经阻滞针一样，所有的超声波都会反射回来。

这是非常有用的，因为它帮助我们在进行超声引导的神经阻滞时清楚地看到针。

这种像镜子一样的反射，波主要向一个方向反射，这种反射被称为“镜面反射”。

超声扫描模式

当我们用眼睛看事物时，我们“看”的方式多种多样。有时，我们可能会选择直视前方，就像我们在墙上看到一个通知。

或者当我们看大海时，可以水平地看。

或者，当我们欣赏斯里兰卡的风景时，我们可以上下左右多方位地扫视整个地区。

同样，超声波探头也有许多不同的“观察”方式。这些方法被称为“模式”，下面将对其进行描述。这些模式用字母命名，听起来可能非常混乱。但是，我们将依次讨论每个问题，最后将了解它们的基本知识。

• A模式(振幅模式)
• B模式（亮度模式），包括实时、二维、B模式
• M模式(运动模式)

A模式扫描

A模式是超声成像最简单的形式，不常用。从探头发出的超声波以一种像铅笔一样的窄直线传播。

 

A扫描的一个用途是测量长度。例如，眼科医生可以用它来测量眼球的直径。假设下面的红色圆圈是眼球，你想测量它的直径。

可以使用“A扫描”模式的超声波机器扫描。探头放在眼球的一端。

探头发出超声波，同时屏幕左侧开始画一条线。这条线水平移动测量时间。

当声波到达第一眼壁时，一些超声波被反射回探头。返回的波在线路上记录为一个凸起。反射波越强，隆起的高度越高。隆起的高度称为振幅（Amplitude），这就是“A扫描”的“A”所代表的意思。

超声波在眼睛里继续传播。

然后，声波与最远的眼壁相遇。同样，一些超声波被反射回探头，并拉出另一个凸起。

第一个凸起和第二个凸起之间的时间差表示超声波在两壁之间传播的时间。长度越长，时差越大。众所周知，超声波在眼睛中的速度是每秒1500米（是的，很快）。因此，如果你知道时间差（由两个凸起之间的间隔给出），你就可以计算出波在眼球两壁之间传播的距离，从而得到眼球的长度。

B模式扫描

在其最简单的形式中，B扫描模式与A扫描模式非常相似。就像A型扫描一样，超声波以铅笔状的窄路径发出。和A扫描一样，水平线代表了声波释放后的时间。

再次以眼球为例，将探头放在一端。就像在A扫描中一样，当声波波遇到第一面壁时，一部分声波被反射回探头。然而，这一次，返回声波的强度被一个亮点记录下来，而不是凸起。点的亮度代表返回波的强度。点越亮（Brightness），返回的声波就越强。“B扫描”的字母“B”代表亮度。

声波还在继续。

当声波到达另一面壁时，它的一部分又被反射回探头。这个返回的声波，就像上一面壁的返回的声波一样，在屏幕上用一个亮点表示。

所讨论的形式的B超并没有多大意义…。沿着一条线只有几个不同亮度的点。但是，如果在物体的不同层次上进行B扫描，您将在屏幕上获得如下所示的二维图像。首先在所选结构的顶部进行B扫描，例如眼睛。

第一个B扫描线保持在屏幕上。然后在稍有不同的水平上，重复B扫描。

这个B扫描结果也保存在屏幕。然后，同样在稍有不同的水平，重复B扫描。

这样，物体的二维图像就在屏幕上形成了。

 

在现实生活中，这个过程发生得非常快。每秒扫描这些结构并多次重新绘制图像。

 

由于图像的重画速度如此之快，人们可以“实时”看到大小的变化（如颈动脉的搏动）。B扫描是我们在麻醉中看到的最常见的超声模式。模式的完整描述是“实时，二维（2d），B扫描”。二维（2D）是指图像有两个维度：水平（X轴）和垂直（Y轴）。

M模式扫描

此模式主要用于心脏病学，不作详细描述。

频率、波长、分辨率和深度频率、波长、分辨率和深度是相互关联的。这些似乎是复杂的物理知识，但理解它们是值得的，因为它可以帮助你从你的超声波机得到最好的图像。这里会为你简化一切，所以不要担心。

第一步是理解这些术语的含义。每一个术语将被描述给你，从“频率”开始。

频率

你可能还记得，超声波是由振动的压电晶体产生的。振动产生交替的高压和低压区域，这些区域向前移动。

频率是指一秒钟内高压/低压循环的次数。

在下图中，高频波在1秒的周期内具有更高数量的高压/低压区域循环周期。类似地，低频波每秒的高/低压力区域的循环周期较少。

频率的单位是赫兹，缩写为Hz。赫兹是指“每秒的周期数”。在下图中，低频每秒有2个高/低压循环。换句话说，下面的低频波频率为2Hz。同样，下面的高频波每秒有4个高/低压循环。换句话说，下面的高频波频率为4Hz。这些小数字只是用来向你解释频率的概念。在现实中，超声波的工作速度是每秒数百万次。(例如约200万Hz至2000万Hz (2-20 MHz))

波长

波长是波形相邻周期中相同点之间的距离。例如，你可以通过测量波中相邻的两个最高压力点之间的距离来测量波长。

或者类似地，你可以测量两个相邻的最低压力点之间的距离来得到波长。

无论哪种情况，给定波的波长都是相同的。

波长与频率的关系

波长和频率是重要的相互关联的。频率增加时，波长就变短。同样，当频率降低时，波长变长。当你在临床中使用超声波时这有一些重要的暗含义稍后会向你解释。

首先，让我们来看看为什么高频波的波长更短。

在下图中，上面的波具有更高的频率。你可能还记得，高频率意味着更高的每秒周期(一个周期=一个高压区后跟一个低压区)。在这个例子中，高频波每秒有四个周期(高压区用紫色圆点表示)。同样，较低的波具有较低的频率，因此每秒的周期较少。

这意味着高频波有更多的周期被“挤压”到一秒的时间范围内。低频波在同一个一秒的时间范围内被“挤压”的周期较少。因此，低频波中的周期间隔更广。如前所述，波长可以在波的两个相邻的高压区之间测量。你现在可以看到低频波有更长的波长。高频波的波长较短。

在更“严肃”的物理学术语中，人们会将其描述为“波长与频率成反比”。这可以表示为下面黄色方框中所示的方程式：

分辨率

我们已经讨论了频率和波长。这些会影响“分辨率”。因此，让我们理解什么是分辨率。

分辨率是把两个事物看成两个事物的能力。

如果分辨率高，图像就会清晰，两个物体看起来就像两个物体。

如果分辨率不高，图像就会模糊，两个物体看起来就像一个。

我们的目标是让我们的超声波设备获得最好的分辨率。分辨率越高，我们看到的图像质量就越高。

出于稍微复杂的物理原因，较短的波长可以提供更好的分辨率。

但是我们也知道波长和频率是相互联系的。为了得到更短的波长，我们应该使用高频率。

为了得到一个好的分辨率，我们应该使用高频，因为高频的波长很短。

即高频=短波长=高分辨率

深度

如果超声波不能穿透身体到足够的深度，你可能看不到你想看到的结构。

穿透深度与超声波的频率有关。频率越高，穿透深度越短。频率越低，穿透深度越长。

所以在临床实践中，你可能会认为使用最低频率是最好的，因为它能提供更长的穿透深度。然而，这并不像下一节将要说明的那样简单。

最后将它们联系起来：频率、波长、分辨率和深度

既然你已经坚持理解了频率、波长、分辨率和深度，让我们尝试以一种有意义的方式将它们结合起来。

为了让超声波在临床上发挥作用，我们需要清晰的图像。也就是说，我们想要最好的分辨率。

此外，我们需要足够的穿透深度来看到更深的结构。

超声波的物理特性使得这两种要求不能同时完全满足。为了获得较高的分辨率，我们需要一个较短的波长，这意味着我们需要更高的频率。不幸的是，更高的频率也意味着更短的穿透。

因此，在选择最佳频率时，我们必须在良好的穿透深度和良好的分辨率之间进行选择。

 

如果频率太高，超声波的穿透深度会不够，你可能看不到你想要的结构。

如果频率太低，超声波就会穿透得比需要的更深。不必要的低频率会使你的图像变得模糊。

最佳频率是一个，它将给你足够的深度，以看到感兴趣的结构。不允许不必要的深度，因为这会降低频率。

总结:

正确的深度=合理的高频=合理的短波长=合理的分辨率。

深度太深=低频=长波长=分辨率差

深度太小=看不出有兴趣的结构!

多普勒效应

在继续解释多普勒效应之前，让我们快速修正一下频率的含义。频率是每秒钟发生的声波振荡的次数。在下面的例子中，高频每秒振荡4次，低频每秒振荡2次。

现在让我试着解释一下多普勒效应。你可能还记得，超声波机通过从探头发射超声波，并观察超声波返回探头需要多长时间来测量与物体的距离。

发射的波具有一定的频率。返回探头的波也有一定的频率。当波从静止物体(如神经)反弹回来时，发射的波和返回的波具有相同的频率。

然而，如果我们朝探测器移动时重复同样的事情，有趣的事情就会发生。想象下面的红色圆盘是一个向探针移动的红细胞(我知道这是一个相当大的红细胞!)

我们再次发出超声波。

这种超声波到达移动的红细胞后反弹回来。但是，如果你这次测量的是回波的频率，它与发射的波的频率是不一样的。从朝探测器移动的物体反弹的波的频率将高于从探测器发射的波的频率。这是因为移动的物体在向探测器移动时“挤压”了波(见下图)。这是多普勒效应的一个例子。当一个波被发送到朝着发射探测器移动的物体时，多普勒效应使返回波的频率高于发出的波的频率。物体朝向发射探测器的速度越快，差值就越大。

超声成像设备可以利用多普勒效应在许多方面帮助我们，包括帮助我们识别血管。当你在不使用多普勒效应的情况下扫描结构时，机器只会看到波返回探头需要多长时间，并构建图像。

然而，这张图片并不能清楚地显示哪个圆圈是血管，哪个是神经。幸运的是，血管和神经有一个很大的不同。血管里充满了快速移动的红细胞。当使用具有多普勒效应的超声波设备时，机器通过观察声波返回探头的时间，以通常的方式构建图像。此外，它还分析了返回波的频率。只要返回的波的频率与传输的波的频率不同，机器就知道这些波反弹的地方有运动的物体。为了帮助你看到这些移动细胞的区域，超声波机器在显示“多普勒效应”的区域“增加颜色”。在下面的图片中，这可以帮助你区分神经和血管。神经没有移动的细胞，所以没有多普勒效应，因此机器没有添加颜色。血管中有快速移动的细胞，导致多普勒效应，在这种情况下，机器会添加红色来帮助你识别。这让你很容易识别血管。

 

让我试着解释一下多普勒效应是如何发生的。当超声波遇到朝它移动的物体时，该波就会被物体“压缩”。

将波压缩成更小的长度意味着波的高低压区振荡变得更集中。当波被压缩时，它每秒的振荡(高压/低压区域)比以前更多(即频率增加)。这就解释了为什么物体向探头移动时反射的波的频率要比发出的波的频率高。

当物体远离发射探头时，也会发生多普勒效应。同样，发射波的频率和返回波的频率之间也存在差异。然而，这一次，返回的波的频率比发射的波的频率低。物体移动得越快，频差就越大。频率下降的原因与之前给出的解释相反。在这种情况下，移开的物体会“拉伸”波浪。伸展减少了每秒的摆动次数。

综上所述，多普勒效应使运动物体反射的波的频率与探测器发出的波的频率不同。

超声波仪器通过颜色告诉我们多普勒效应信息。它使用不同的颜色来显示流动的方向和速度。这有助于你识别血管。

 

关于超声物理基础的讨论到此结束。我希望这篇文章能给你一个很好的介绍，并且在你进一步阅读这个主题时能对你有所帮助。

参考链接：https://zhuanlan.zhihu.com/p/359077343