4、超声成像技术全面解析

超声成像技术全面解析

1. 超声成像基础

1.1 A 线脉冲 - 回波系统

超声以被称为“脉冲”的短机械扰动形式传播。在人体组织中，声音的平均传播速度约为 1.5 毫米/微秒（$c_0 = 1.5$ 毫米/微秒）。医学超声中常用的频率范围在 1 - 20 兆赫兹（$f_0 = 1 - 20$ 兆赫兹）。

超声的时间分辨率与脉冲长度相关，脉冲长度通常为几个周期，大约为 $nT = n/f_0$。例如，当 $n = 5$ 且频率为 5 兆赫兹时，脉冲长度为 1 微秒。

脉冲被发射到介质中，当遇到物体时会发生反射。根据声音到达物体并返回所需的时间 $t$ 以及已知的声速，可通过公式 $z = tc_0/2$ 计算出目标的距离。反之，在实验中，如果已知或控制反射体的距离，也可以根据延迟时间求出介质中的声速。回波的幅度可以揭示有关物体的信息，如物体的大小或反射率。

以下是 A 线脉冲 - 回波系统的工作流程：
1. 发射器向换能器发送电脉冲，换能器将其转换为压力脉冲。
2. 压力脉冲遇到两个物体，部分反射形成脉冲回波。
3. 回波通过换能器转换为电压信号，开关切换使信号传输到接收器。
4. 接收器对脉冲进行清理（通过滤波去除噪声）和放大。
5. 最后检测脉冲的包络，并在示波器等显示器上以时间为函数进行显示，这种显示方式称为 A 线模式，其中 A 代表幅度。

1.2 超声成像系统

要生成二维图像，需要在 A 线的基础上增加一个维度。这可以通过在垂直于传播方向上扫描单个 A 线来实现。扫描方式有两种：一种是通过机械方式等间距移动换能器的位置；另一种是使用一维