超聲波怎麼形成物像

A. 超聲成像的物理原理是什麼

超聲成像是利用超聲聲束掃描人體，通過對反射信號的接收、處理，以獲得體內器官的圖象。常用的超聲儀器有多種：A型（幅度調制型）是以波幅的高低表示反射信號的強弱，顯示的是一種「回聲圖」。

B型超聲是發射超聲波給物體，將回聲信號顯示為光點，回聲的強弱以點的灰（亮）度顯示，記錄物體的回波，根據回波的變化，判斷物體的存在變化情況。

它將從人體反射回來的回波信號以光點形式組成切面圖像。此種圖像與人體的解剖結構極其相似，故能直觀地顯示臟器的大小、形態、內部結構，並可將實質性、液性或含氣性組織區分開來。

聲波的頻率

聲源振動產生聲波，聲波有縱波、橫波和表面波三種形式。而縱波是一種疏密波，就像一根彈簧上產生的波。用於人體診斷的超聲波是聲源振動在彈性介質中產生的縱波。聲波在介質中傳播，介質中質點在平衡位置來回振動一次，就完成一次全振動，一次全振動所需要的時間稱振動周期（T）。

在單位時間內全振動的次數稱為頻率（f），頻率的單位是赫茲（HZ）。f=1/T，聲波在介質中以一定速度傳播，質點振動一周，波動就前進一個波長（λ）。波速（C）=λ/T或C=f·λ。

以上內容參考：網路-超聲成像

B. 超聲波是怎麼成像的

簡單說，通過發射定向超聲波，超聲波接觸物體被反射，通過儀器接收這種反射波，再進行
速率損耗等數據的運算，得到由點到面的反饋數據再由坐標數據構築圖像，從而成像。

C. 醫學超聲成像原理

我總結一下醫學超聲成像的原理

超聲波成像需要三個步驟：發射聲波，接受反射聲波，以及信號分析處理得到圖像。

超聲波探頭是通過壓電陶瓷換能器發射超聲波，不同的探頭能夠發射的聲波頻率不同。醫學超聲波頻率一般是2-13MHz，聲波頻率越高，衍射越弱，成像分別率越高；但與此同時，頻率越高，聲波衰減也越快，穿透深度就小。因此，我們在探測心臟的時候，只能用頻率較低的聲波，否則探測的深度不夠，雖然成像效果差一些；而在探測頸動脈、股動脈等表皮下方的血管時，就用頻率高的聲波，成像好清晰許多。實驗中，我們採用的心臟探頭為2-4MHz，血管探頭為10MHz。

接收反射波的依舊是同一個超聲波探頭，壓電陶瓷換能器將聲波信號轉換成電信號，之後電腦上的系統進行信號處理成像。

B型超聲波顯示的是探頭面向的組織切面的二維灰度圖。我們知道確定二維灰度圖上的每個點需要3個信息，橫坐標、縱坐標和灰度。這些是怎麼得到的呢？由於超聲波在人體內接觸到組織會反射，不同的組織聲阻抗不同，根據接收到的回波反射率計算得到聲阻抗，對應於圖上的灰度（如血管壁的組織聲阻抗差不多，在圖像上的灰度就差不多，就能看出來是血管的形狀）。假設探頭是一維的，那麼探頭上每一個探針的位置就對應一個橫坐標。縱坐標是由發射和接收聲波的時間差決定的，假設聲波在人體中傳播速度相同，那麼時間越長表示反射組織的位置越深。最後由得到的灰度圖，可以看到組織輪廓，並可以進行測量，如血管直徑，面積等等。

當然，具體的成像過程遠遠比這個復雜，因為B超是實時的，如何區分發射波、反射波、如何去除噪音，放大信號，信號處理非常復雜，我也不清楚。但以上簡單的描述，已經足夠我們大致了解成像的過程。

多普勒效應我們中學物理都學過，無論是發射者還是接收者相對聲波傳播介質運動，都會引起觀察到的聲波頻率的變化。

利用多普勒效應測量血流速度如下圖，探頭發射聲波的方向和血流方向的夾角為 \theta，發射聲波頻率為 f_0，反射聲波頻率為 f'，多普勒頻率也就是頻移為f_D，聲波在人體組織中傳播速度為c，血流速度為v

則由多普勒頻率可以計算得到血流速度，公式如下

它的推導過程主要就是套兩次多普勒效應公式，發射時認為接收者（血液）相對聲波介質（人體組織）運動，而回收時認為發射者（血液反射聲波）相對介質運動。然後相加項近似兩個頻率不變得到分母的2f_0。

之前做彩超檢查子宮，我就問給我檢查的護士姐姐啥是彩色超聲波，因為我發現無論是檢查結果還是他們的顯示屏都是黑乎乎的，完全不知道彩色在哪裡。

彩超相比於B超，通過多普勒效應測量血流的速度，並在圖像中通過著色來表出來。所以這個彩色並不是直接反應人體組織顏色的，頗令人失望。一般來講，圖像中紅色表示血流方向是迎面而來，而藍色表示血流方向是離你而去。同時，顏色越深表示血流速度越快。

脈沖多普勒的原理不太懂，網上查了一下彩色多普勒和脈沖多普勒的區別，大概是方法不太一樣，也有各自的優缺點。實驗時，我們通過脈沖多普勒得到血流速度的頻譜，也就是血路速度隨時間的變化圖（波形圖），不是人體組織的成像圖。通過測量兩個血流速度脈沖之間的水平距離（時間差），就可以計算得到心率，如果在彩色多普勒圖像（B型超聲圖像也行）測量血管的直徑，進而計算出血管的面積，再乘以血流速度的波形圖一個周期內曲線下方的面積（積分），就可以得到血流量（一分鍾內流過的血流體積）

下圖就是我的頸動脈彩色多普勒成像（上部分），和脈沖多普勒成像（下部分），並且測量了血流速度的峰值、心率（2倍心率）、血管直徑和血流量（VolFlow）等信息

總結起來，醫學超聲儀器的物理原理：用壓電換能器發射和接收超聲波，通過反射率、接收時間、探針位置得到組織輪廓成像，通過多普勒效應測量血流速度。B超成像是二維的灰度圖，反應組織輪廓，彩超是二維灰度圖上加了血流速度的信息，脈沖多普勒得到的是血流速度隨時間的變化波形。

想起來一個有趣的地方，用脈沖多普勒的時候，儀器會發出跳動的聲音，無論是測量血管還是心臟。我不知道這個聲音，是我心跳或者血流脈沖聲音的放大，還是儀器自帶的聲音，配合我心跳的跳動而播放。

一些自問自答 ：

1.血流速度怎麼測量：多普勒效應

2.血流量怎麼得到：血管面積乘以血流速度的積分

3.心率怎麼得到：脈沖多普勒中，兩次血流量最大值的之間間隔為周期

4.心臟容積怎麼得到：描跡自動求面積

5.血管面積怎麼得到：描跡或者測量血管半徑

6.心功能怎麼得到：心收縮和心舒張的左心室心臟容量的比值

7.彩色多普勒和脈沖多普勒的區別：一個是二維成像圖、一個是頻譜

參考資料：

1. 維基網路：醫學超聲檢查

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① 為什麼在校醫院做大物四級實驗

② 醫學超聲成像原理

③ 運動對血流分布的影響 實驗設計

④ 運動對人體血流分布的影響 實驗結果