醫(yī)學(xué)超聲成像

　　醫(yī)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(yī)學(xué)影像學(xué)診斷技術(shù)，使肌肉和內(nèi)臟器官 - 包括其大小、結(jié)構(gòu)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(duì)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(yī)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(yīng)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(yī)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(cè)超聲。功率超聲的應(yīng)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(shè)備。目前人們對(duì)超聲加工的確切機(jī)理仍未透徹認(rèn)識(shí)。檢測(cè)超聲在軍事中的應(yīng)用有雷達(dá)定位等。醫(yī)用超聲波可以看穿肌肉及軟組織，使得這項(xiàng)技術(shù)常用來(lái)掃描很多器官，以協(xié)助醫(yī)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(yī)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(duì)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(cè)超聲波設(shè)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(rèn)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(xì)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(jī)所產(chǎn)生的超聲波頻率約為20-40KHz，可應(yīng)用在珠寶、鏡片或其他光學(xué)儀器、牙醫(yī)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(jī)械的超聲哨子以外，一般超聲設(shè)備有超聲電源，換能器，變幅桿，工具頭等構(gòu)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(rèn)為是一種專門(mén)的學(xué)科。

　　超聲成像原理

　　不管是醫(yī)療還是工業(yè)用超聲波系統(tǒng)均采用聚焦成像技術(shù)，該技術(shù)所能達(dá)到的成像性能遠(yuǎn)超過(guò)單通道的方法。采用陣列接收機(jī)，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(gòu)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(hào)提供了對(duì)掃描區(qū)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(hào)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(qū)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(gòu)成機(jī)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。隨著傳播的進(jìn)行，信號(hào)急劇衰減，衰減量與傳播距離的平方成反比。而隨著信號(hào)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(cè)。由于反射靠近人體的表皮，直接反射的信號(hào)將十分強(qiáng)，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(nèi)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(qiáng)，僅需要很小乃至不需要任何的放大。此區(qū)域被稱為近區(qū)(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(qū)域被稱為遠(yuǎn)區(qū)(far field)。這兩個(gè)區(qū)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(yuǎn)區(qū))下，對(duì)性能的限制主要源于接收鏈路中所有噪聲信號(hào)源的疊加。對(duì)接收噪聲影響最大的兩個(gè)因素分別為傳感器/電纜線的組裝(assembly)以及用于接收低噪聲放大器(LNA)。在低增益模式(近區(qū))下，對(duì)性能的限制主要由輸入信號(hào)的量級(jí)界定。上述兩個(gè)區(qū)域信號(hào)之間的比率定義了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍。許多接收鏈路都集成了低噪聲的可變?cè)鲆娣糯笃鳌?/p>

　　超聲波/便攜式超聲波

　　低通濾波器典型的應(yīng)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。依賴于特定系統(tǒng)的2至5極點(diǎn)濾波器，在此可采用線性相位拓?fù)?。在選擇運(yùn)算放大器時(shí)，首要的考慮因素包括了信號(hào)擺幅、最低及最高輸入頻率、諧波失真及增益需求。模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)典型為10至12位。信噪比(SNR)及功耗是最著重考慮的問(wèn)題，隨后是通道的集成。