超聲脈沖回波理論下的影像物理學實驗設計研究

楊家榮

【摘 要】在醫學范疇里，關于超聲波的應用比較廣泛，超聲波為醫學影像里一種常見的物質波，在影像物理學研究中屬于重要的研究對象。本次研究通過設計、研究超聲脈沖回波原理設計影像物理學實驗，來更好了解、掌握超聲的物理性質，以及聲速、衰減系數的測量原理和計算原理，最終達到提高對影像物理學認識的目的。

【關鍵詞】超聲 脈沖回波 影像物理學

在醫學影像里廣泛應用的超聲成像技術，主要便是利用了超聲脈沖回波原理。由于這種醫學影像技術的人體成像原理是通過超聲波的能量來實現的，所以對人體無任何輻射性危害，而且因為該成像技術成本較低、安全性高，已被普及廣泛應用到臨床、介入治療等方法中，成為醫院里醫學影像設備中重要設備之一。隨著超聲成像技術的普及應用，超聲影像技術的物理原理基礎在醫學影像物理學也變成了重要的組成部分。通過學習超聲影像的物理方面基礎，能夠幫助認識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計影像物理學實驗，促進超聲影像物理學的學習，詳細如下。

1 實驗研究目標

超聲成像的目的在于，聲波于人體各組織的穿透能力達到可以深度成像。超聲成像所測算的物理量為聲波的回波幅度和相位，回波的時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，因此回波的特征可以反映不同人體組織密度的不同。經過對反射回波的接收，并使其在顯像屏上以不同的亮度等級呈現，最終形成超聲圖像。而若超聲波的頻率越高，則其波長越短，能量越高，分辨率越高，所成圖像質量越佳。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，所以想得到質量高的高頻超聲成像是以犧牲穿透深度為代價的[1]。通過設計實施超聲脈沖回波原理設計影像物理學實驗，可以更好的掌握聲波的產生及傳播原理，提高對超聲波圖像的物理意義的理解，掌握超聲波的各項參數對超聲最終所成圖像的影響。

2 實驗設計原理

超聲波的基本參數有三個，包括頻率、波長和聲速。聲波的振動頻率f=振動數/時間（s），f由振動源決定，聲波（在人體內部）的傳播速度c取決于傳播媒體。超聲波和人體組織發生相互作用后之后，改變了起載體功能的超聲波的物理特性，例如使能量發生衰減改變，使聲波的傳播方向發生反射、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中，這些物理參數的不斷變化不僅是診斷信息的依附，更是一些補償機制的依據[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鍵。超聲波和人體組織發生相互作用而引起的能量變化為一個能量衰減的過程，像聲束在人體組織表面發生折射、散射等均會減弱入射聲波的能量。不管聲波通過的內部是何種分子過程，超聲波能量的衰減均符合如下式的負指數形式規律：

3 實驗儀器設計及內容

本次實驗中所需要使用的實驗儀器包括：超聲體模、美國OLYMPUS公司的超聲發射接收儀器、超聲測試模具及邁瑞公司的DP6600的超聲診斷儀器。通過這些設備，依據實驗要求事項，設計了兩個內容的實驗，詳細如下：

3.1 圖像與體模的驗證實驗

首先通過超聲診斷儀器的探頭來探測超聲體模，觀測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行對比，以此來掌握超聲圖像所反映的物理意義。而后對超聲診斷儀器的各項參數進行完成調整，包括聲波速度、診斷儀探頭的發射頻率、聲波功率及超聲回波的接收靈敏度等[4]，同時觀察超聲顯示圖像的改變情況。實驗目的包括了解超聲波各項參數對超聲圖像的影響過程，所以調整超聲各項參數對圖像變化情況的影響，應被記錄、加入到最終的實驗報告中。

3.2 綜合測算聲速類實驗

通過使用示波器、超生脈沖回波規律、超聲波發射接收儀器及超聲波測試部分，來對超聲波在介質水中的穿透速度、超聲波在有機玻璃內傳播的衰減系數進行記錄、計算。實驗進行時，需要注意示波器和超聲波發射接收儀器的仔細連接，而后將恰當的傳感器接入超聲發射接收儀器的T/R端口，且把傳感器置于適當測試模具的有利位置。在對超聲波在介質水中的穿透速度進行計算時，同時觀察、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，來對中間兩個不同界面的反射脈沖回波分別對應的峰值點間的時間差進行詳細記錄，以此來完成對超聲波在介質水中的穿透速度的計算。在關于聲速計算的最終實驗報告中需要包括：聲速測試的物理原理，測得的脈沖回波波形，對兩個脈沖回波分別的峰值點和峰值點間的時間差的標識，詳細計算過程，實驗中產生的誤差及誤差產生的原因。在對超聲波在有機玻璃內傳播的衰減系數進行計算時，觀察示波器所反映波形，記錄測試模具里兩個界面脈沖回波的峰值幅度。

4 結語

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

參考文獻：

[1]任杰.基于超聲脈沖回波的影像物理學實驗設計[J].科技信息，2010（5）：436.

[2]熊政綱，左龍.超聲影像實驗設計[C].//第六屆全國高等學校物理實驗教學研討會論文集.2010：310-312.

[3]韓冥生，楊平.脈沖回波法與水聽器法測量超聲探頭聲場參數比較研究[J].計量學報，2015（2）：166-170.

[4]祝昆，邱學云.基于超聲脈沖反射回波法的聲速設計性實驗[J].文山學院學報，2013（3）：45-48.