超聲脈沖回波理論下的影像物理學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)研究

楊家榮

【摘 要】在醫(yī)學(xué)范疇里，關(guān)于超聲波的應(yīng)用比較廣泛，超聲波為醫(yī)學(xué)影像里一種常見的物質(zhì)波，在影像物理學(xué)研究中屬于重要的研究對(duì)象。本次研究通過設(shè)計(jì)、研究超聲脈沖回波原理設(shè)計(jì)影像物理學(xué)實(shí)驗(yàn)，來更好了解、掌握超聲的物理性質(zhì)，以及聲速、衰減系數(shù)的測(cè)量原理和計(jì)算原理，最終達(dá)到提高對(duì)影像物理學(xué)認(rèn)識(shí)的目的。

【關(guān)鍵詞】超聲 脈沖回波 影像物理學(xué)

在醫(yī)學(xué)影像里廣泛應(yīng)用的超聲成像技術(shù)，主要便是利用了超聲脈沖回波原理。由于這種醫(yī)學(xué)影像技術(shù)的人體成像原理是通過超聲波的能量來實(shí)現(xiàn)的，所以對(duì)人體無任何輻射性危害，而且因?yàn)樵摮上窦夹g(shù)成本較低、安全性高，已被普及廣泛應(yīng)用到臨床、介入治療等方法中，成為醫(yī)院里醫(yī)學(xué)影像設(shè)備中重要設(shè)備之一。隨著超聲成像技術(shù)的普及應(yīng)用，超聲影像技術(shù)的物理原理基礎(chǔ)在醫(yī)學(xué)影像物理學(xué)也變成了重要的組成部分。通過學(xué)習(xí)超聲影像的物理方面基礎(chǔ)，能夠幫助認(rèn)識(shí)和理解超聲的含義及超聲影像的意義。因此本次研究通過利用超聲脈沖回波原理設(shè)計(jì)影像物理學(xué)實(shí)驗(yàn)，促進(jìn)超聲影像物理學(xué)的學(xué)習(xí)，詳細(xì)如下。

1 實(shí)驗(yàn)研究目標(biāo)

超聲成像的目的在于，聲波于人體各組織的穿透能力達(dá)到可以深度成像。超聲成像所測(cè)算的物理量為聲波的回波幅度和相位，回波的時(shí)間常用于定位聲波的深度。由于聲波在人體組織的穿透速度約等于常數(shù)，因此回波的特征可以反映不同人體組織密度的不同。經(jīng)過對(duì)反射回波的接收，并使其在顯像屏上以不同的亮度等級(jí)呈現(xiàn)，最終形成超聲圖像。而若超聲波的頻率越高，則其波長(zhǎng)越短，能量越高，分辨率越高，所成圖像質(zhì)量越佳。但是由于聲波穿透深度與聲波頻率成反比，深度越小頻率越高，所以想得到質(zhì)量高的高頻超聲成像是以犧牲穿透深度為代價(jià)的[1]。通過設(shè)計(jì)實(shí)施超聲脈沖回波原理設(shè)計(jì)影像物理學(xué)實(shí)驗(yàn)，可以更好的掌握聲波的產(chǎn)生及傳播原理，提高對(duì)超聲波圖像的物理意義的理解，掌握超聲波的各項(xiàng)參數(shù)對(duì)超聲最終所成圖像的影響。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理

超聲波的基本參數(shù)有三個(gè)，包括頻率、波長(zhǎng)和聲速。聲波的振動(dòng)頻率f=振動(dòng)數(shù)/時(shí)間（s），f由振動(dòng)源決定，聲波（在人體內(nèi)部）的傳播速度c取決于傳播媒體。超聲波和人體組織發(fā)生相互作用后之后，改變了起載體功能的超聲波的物理特性，例如使能量發(fā)生衰減改變，使聲波的傳播方向發(fā)生反射、衍射等改變。而臨床診斷所需要的信息就依托存在于這些不斷變化的物理參數(shù)中，這些物理參數(shù)的不斷變化不僅是診斷信息的依附，更是一些補(bǔ)償機(jī)制的依據(jù)[2]。而波的吸收定律、反射定律等是掌握超聲波成像原理的關(guān)鍵。超聲波和人體組織發(fā)生相互作用而引起的能量變化為一個(gè)能量衰減的過程，像聲束在人體組織表面發(fā)生折射、散射等均會(huì)減弱入射聲波的能量。不管聲波通過的內(nèi)部是何種分子過程，超聲波能量的衰減均符合如下式的負(fù)指數(shù)形式規(guī)律：

3 實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)計(jì)及內(nèi)容

本次實(shí)驗(yàn)中所需要使用的實(shí)驗(yàn)儀器包括：超聲體模、美國(guó)OLYMPUS公司的超聲發(fā)射接收儀器、超聲測(cè)試模具及邁瑞公司的DP6600的超聲診斷儀器。通過這些設(shè)備，依據(jù)實(shí)驗(yàn)要求事項(xiàng)，設(shè)計(jì)了兩個(gè)內(nèi)容的實(shí)驗(yàn)，詳細(xì)如下：

3.1 圖像與體模的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

首先通過超聲診斷儀器的探頭來探測(cè)超聲體模，觀測(cè)超聲圖像所顯示的體模信息，而后將超聲圖像與超聲體模進(jìn)行對(duì)比，以此來掌握超聲圖像所反映的物理意義。而后對(duì)超聲診斷儀器的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行完成調(diào)整，包括聲波速度、診斷儀探頭的發(fā)射頻率、聲波功率及超聲回波的接收靈敏度等[4]，同時(shí)觀察超聲顯示圖像的改變情況。實(shí)驗(yàn)?zāi)康陌私獬暡ǜ黜?xiàng)參數(shù)對(duì)超聲圖像的影響過程，所以調(diào)整超聲各項(xiàng)參數(shù)對(duì)圖像變化情況的影響，應(yīng)被記錄、加入到最終的實(shí)驗(yàn)報(bào)告中。

3.2 綜合測(cè)算聲速類實(shí)驗(yàn)

通過使用示波器、超生脈沖回波規(guī)律、超聲波發(fā)射接收儀器及超聲波測(cè)試部分，來對(duì)超聲波在介質(zhì)水中的穿透速度、超聲波在有機(jī)玻璃內(nèi)傳播的衰減系數(shù)進(jìn)行記錄、計(jì)算。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行時(shí)，需要注意示波器和超聲波發(fā)射接收儀器的仔細(xì)連接，而后將恰當(dāng)?shù)膫鞲衅鹘尤氤暟l(fā)射接收儀器的T/R端口，且把傳感器置于適當(dāng)測(cè)試模具的有利位置。在對(duì)超聲波在介質(zhì)水中的穿透速度進(jìn)行計(jì)算時(shí)，同時(shí)觀察、記錄示波器所反映的波形圖，利用示波器的B掃描功能及X軸掃描拓展功能，來對(duì)中間兩個(gè)不同界面的反射脈沖回波分別對(duì)應(yīng)的峰值點(diǎn)間的時(shí)間差進(jìn)行詳細(xì)記錄，以此來完成對(duì)超聲波在介質(zhì)水中的穿透速度的計(jì)算。在關(guān)于聲速計(jì)算的最終實(shí)驗(yàn)報(bào)告中需要包括：聲速測(cè)試的物理原理，測(cè)得的脈沖回波波形，對(duì)兩個(gè)脈沖回波分別的峰值點(diǎn)和峰值點(diǎn)間的時(shí)間差的標(biāo)識(shí)，詳細(xì)計(jì)算過程，實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的誤差及誤差產(chǎn)生的原因。在對(duì)超聲波在有機(jī)玻璃內(nèi)傳播的衰減系數(shù)進(jìn)行計(jì)算時(shí)，觀察示波器所反映波形，記錄測(cè)試模具里兩個(gè)界面脈沖回波的峰值幅度。

4 結(jié)語

在影像物理學(xué)的研究中，包括許多用于成像的物質(zhì)波。本次實(shí)驗(yàn)選取的超聲波為其中一種安全可靠有效的物質(zhì)波，通過本次實(shí)驗(yàn)，可以對(duì)超聲在不同介質(zhì)里的傳播規(guī)律及聲波的衍射、折射、散射等在超聲成像中的作用進(jìn)行深入了解，理解超聲影像顯示的物理原理，而且在一定程度上對(duì)影像物理學(xué)里的理論進(jìn)行了驗(yàn)證。

參考文獻(xiàn)：

[1]任杰.基于超聲脈沖回波的影像物理學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[J].科技信息，2010（5）：436.

[2]熊政綱，左龍.超聲影像實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[C].//第六屆全國(guó)高等學(xué)校物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研討會(huì)論文集.2010：310-312.

[3]韓冥生，楊平.脈沖回波法與水聽器法測(cè)量超聲探頭聲場(chǎng)參數(shù)比較研究[J].計(jì)量學(xué)報(bào)，2015（2）：166-170.

[4]祝昆，邱學(xué)云.基于超聲脈沖反射回波法的聲速設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)[J].文山學(xué)院學(xué)報(bào)，2013（3）：45-48.