怎麼利用超聲波呈現出圖像

A. 超聲成像的圖像特點

1、多次反射：超聲垂直照射到平整的界面而形成聲波在探頭與界面之間來回反射，出現等距離的多條回聲，強度漸次減弱，尤其與薄層氣體所構成的界面上，如肝左葉與胃內氣體之間、膀胱回聲前部分的細小回聲。

2、多次內部混響：超聲在靶內來回反射，形成彗星尾征，如子宮內節育環。

3、切片厚度偽像又稱部分容積效應：因聲束寬度較寬(即超聲切面圖的切片厚度較厚)引起。如膽囊內假膽泥樣圖像。

4、旁瓣偽像：由聲束主瓣外的旁瓣反射造成，在結石和腸氣等強回聲兩側呈現「狗耳」樣或稱「披紗」樣圖像。

5、聲影：由於前方有強反射或聲衰減很大的物質存在，以致在其後方出現聲束不能到達的區域即縱條狀無回聲區稱為聲影區，利用聲影可識別結石、鈣化灶和骨骼等。

6、折射聲影：超聲從低聲速介質進入高聲速介質，在入射角超過臨界角時，產生全反射，以致其後方出現聲影，見於球形結構的兩側後方或器官的兩側邊緣，又稱邊緣聲影。

7、鏡面偽像：超聲束投射到表面平滑的人體強回聲大界面如橫膈面上時，猶如光投射到平面鏡上一樣，產生相似的實、虛兩圖像，如橫膈兩側出現對稱的兩個腫塊回聲。

超聲成像的優點：高精度由於超聲波的能量能夠穿透細微的縫隙和小孔，故可以應用於任何零部件或裝配件的清洗。被清洗件為精密部件或裝配件時，超聲清洗往往成為能滿足其特殊技術要求的唯一的清洗方式；

快速超聲清洗相對常規清洗方法在工件除塵除垢方面要快得多。裝配件無須拆卸即可清洗。超聲清洗可節省勞動力的優點往往使其成為最經濟的清洗方式；一致無論被清洗件是大是小，簡單還是復雜，單件還是批量或在自動流水線上，使用超聲清洗都可以獲得手工清洗無可比擬的均一的清潔度。

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超聲成像的相關介紹：

1、實時線陣超聲診斷儀：適用於一般的腹部檢查，可有多種不同頻率探頭。主要缺點是探頭與人體接觸面較大，檢查時需要大的透聲窗才能使聲束有效地經過檢查目標。

2、實時扇型超聲診斷儀：心臟探查最常用，探頭小，便於肋間掃查，缺點是近場視野小。

3、實時凸陣超聲診斷儀：凸陣探頭具有比扇型探頭近場視野大，又比線陣探頭遠場視野廣的優點。

4、彩色和頻譜多普勒超聲診斷儀：用於探查心血管、各種器官及病變相關血管，外周血管的血流速度、血流量等血流動力學改變。

B. 超聲波如何測量實驗報告

超聲波測量是一種非接觸性測量方法，廣泛應用於醫學、製造業、材料科學等領域。本文旨在通過實驗探討超聲波如何測量物體的距離、速度及形狀等參數。

實驗目的：掌握超聲波測距、測速、成像原理；學習超聲波檢測儀的使用，通過實驗得出准確的測試結果。

實驗設備：超聲波檢測儀、振盪器、示波器、聲發生器、電源、三角墊、圓柱塊等。

實驗過程：

一、超聲波測距實驗

1.按照超聲波檢測儀說明書插好各接頭線並接上電源，開機運行；

2.將振盪器接在聲發生器上，發出正弦波信號；

3.將三角墊放在待測物體前，用手動調節探頭位置，使其在示波器上顯示波形正常，並記錄示波器上數據；

4.用圓柱塊等待測物體代替墊進行測試，記錄數據。

二、超聲波測速實驗

1.將超聲波檢測儀連接上電腦並安裝相關軟體，進入超聲波測速模式；

2.接上振盪器和聲發生器，發出正弦波信號；

3.將探頭放在運動物體上，記錄示波器顯示的速度數據並保存。

三、超聲波成像實驗

1.按照超聲波檢測儀說明書打開超聲波成像選項；

2.將探頭對准某一物體進行掃描，記錄下得到的成像圖像。

實驗結果：

通過實驗，在超聲波測距實驗中，我們得出了圓柱塊的直徑和厚度數據；在超聲波測速實驗中，成功測出了物體的速度；在超聲波成像實驗中，我們獲得了物體的內部結構成像圖像。

實驗結論：

超聲波是一種能夠通過物體的介質進行傳播的聲波。通過對探頭位置、波長、波速等參數的控制，可以對待測試物體進行精確的距離、速度和形狀等參數的測量。超聲波檢測儀是一種高效准確的檢測設備，在醫學、製造業等領域具有廣泛的應用前景。

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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我寫了幾篇博客來介紹和記錄我們的四級物理實驗： 用醫學超聲儀器研究運動對人體血流分布的影響

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