醫學(xué)超聲成像

　　醫學(xué)超聲成像(超聲檢查、超聲診斷學(xué)，sonography)是一種基于超聲波的醫學(xué)影像學(xué)診斷技術(shù)，使肌肉和內臟器官 - 包括其大小、結構和病理學(xué)病灶——可視化。產(chǎn)科超聲檢查在妊娠時(shí)的產(chǎn)前診斷廣泛使用。

　　超聲頻率的選擇是對影像的空間分辨率和患者探查深度的折中。典型的診斷超聲掃描操作采用的頻率范圍為2至13MHz。

　　雖然物理學(xué)上使用的名詞“超聲”用于指所有頻率在人耳聽(tīng)閾上限(20KHz)以上，但在醫學(xué)影像學(xué)中通常指頻帶比其高百倍以上的聲波。

　　什么是超聲波？

　　超聲波是指任何聲波或振動(dòng)，其頻率超過(guò)人類(lèi)耳朵可以聽(tīng)到的最高閾值20KHz。超聲波由于其高頻特性而被廣泛應用于眾多領(lǐng)域，比如金屬探傷、工件清洗等。

　　超聲波在軍事、醫療以及工業(yè)中有較大的用途，按功率的大小可分為功率超聲和檢測超聲。功率超聲的應用包括焊接、鉆孔、粉碎、清洗、乳化等，它們多屬于只發(fā)射不接受的超聲設備。目前人們對超聲加工的確切機理仍未透徹認識。檢測超聲在軍事中的應用有雷達定位等。醫用超聲波可以看穿肌肉及軟組織，使得這項技術(shù)常用來(lái)掃描很多器官，以協(xié)助醫療上的診斷和治療。產(chǎn)科超聲波也常用在懷孕時(shí)期的檢查。醫生可以利用超聲波成像法透視身體，但由於超聲波不能穿透骨頭，所以雖然超聲波對人體傷害比較低，但仍不能完全取代Ｘ光。典型超音波大約2MHz到10MHz的頻率，較高頻率通常用在泌尿道碎石振波。檢測超聲波設備有發(fā)射又有接收。

　　超聲波亦可用于清潔用途,是目前清洗效果最佳的方式，一般認為是這利用了超聲在液體中的“空化作用”。超聲波清洗的清潔原理在于利用超聲波振動(dòng)清水，使微細的氣泡在水里產(chǎn)生，從而在氣泡浮上水面時(shí)，把物件表面的油脂或污垢帶走。清洗機所產(chǎn)生的超聲波頻率約為20-40KHz，可應用在珠寶、鏡片或其他光學(xué)儀器、牙醫用具、外科手術(shù)用具及工業(yè)零件的清洗。

　　除可以發(fā)出較低頻率的純機械的超聲哨子以外，一般超聲設備有超聲電源，換能器，變幅桿，工具頭等構成。換能器有壓電陶瓷換能器和磁致?lián)Q能器兩種。換能器和變幅桿的理論也可認為是一種專(zhuān)門(mén)的學(xué)科。

　　超聲成像原理

　　不管是醫療還是工業(yè)用超聲波系統均采用聚焦成像技術(shù)，該技術(shù)所能達到的成像性能遠超過(guò)單通道的方法。采用陣列接收機，通過(guò)時(shí)間平移(time shifting)、縮放以及智能求和(summing)回聲能量，可構建高清晰度的圖像。時(shí)間平移的概念以及縮放傳感器陣列所接收的信號提供了對掃描區域單點(diǎn)“聚焦”的能力。通過(guò)一定的順序聚焦于不同的點(diǎn)，最終匯集成像。

　　在掃描開(kāi)始時(shí)，將產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號并通過(guò)每一8至512傳感器的單元發(fā)出。此脈沖將定時(shí)且定量的“照射”人體的特定區域。在發(fā)射之后，傳感器單元立即切換至接收模式。上述脈沖此時(shí)將構成機械能的形態(tài)，以高頻聲波傳播通過(guò)人體，典型頻率范圍介于1MHz至15MHz之間。隨著(zhù)傳播的進(jìn)行，信號急劇衰減，衰減量與傳播距離的平方成反比。而隨著(zhù)信號的傳播，一部分波前能量將被反射。這部分發(fā)射即為回波，將為接收電子器件所檢測。由于反射靠近人體的表皮，直接反射的信號將十分強，而歷經(jīng)一段時(shí)間之后，反射所發(fā)出的脈沖將非常微弱，這是源于人體深處的反射。

　　傳輸至人體內部的總能量是有限的，因此業(yè)界必須開(kāi)發(fā)出極為敏感的接收電子器件。在接近于皮膚的聚焦點(diǎn)，接收的回波非常強，僅需要很小乃至不需要任何的放大。此區域被稱(chēng)為近區(near field)。但在深入人體的聚焦點(diǎn)，接收回波將異常的微弱，需要放大上千倍乃至更多。此區域被稱(chēng)為遠區(far field)。這兩個(gè)區域分別處于接收電子器件所必須處理的兩個(gè)極端。在高增益模式(遠區)下，對性能的限制主要源于接收鏈路中所有噪聲信號源的疊加。對接收噪聲影響最大的兩個(gè)因素分別為傳感器/電纜線(xiàn)的組裝(assembly)以及用于接收低噪聲放大器(LNA)。在低增益模式(近區)下，對性能的限制主要由輸入信號的量級界定。上述兩個(gè)區域信號之間的比率定義了系統的動(dòng)態(tài)范圍。許多接收鏈路都集成了低噪聲的可變增益放大器。

　　超聲波/便攜式超聲波

　　低通濾波器典型的應用于VCA(值控制放大器)及ADC之間，用于反鋸齒(anti-aliasing)濾波并限制噪聲帶寬。依賴(lài)于特定系統的2至5極點(diǎn)濾波器，在此可采用線(xiàn)性相位拓撲。在選擇運算放大器時(shí)，首要的考慮因素包括了信號擺幅、最低及最高輸入頻率、諧波失真及增益需求。模數轉換器(ADC)典型為10至12位。信噪比(SNR)及功耗是最著(zhù)重考慮的問(wèn)題，隨后是通道的集成。