高频超声如何实现清晰成像？-晟辉智能制造

这个过程可以通俗地理解为“声波回声的视觉化”，就像我们用手电筒照向一个黑暗的房间，通过观察光线的反射来了解房间里的物体一样，超声设备是用“声波手电筒”来照亮人体内部，然后通过接收回声来构建图像。

（图片来源网络，侵删）

下面我们分步拆解其核心原理：

第一步：产生声波 - “制造声波手电筒”

核心部件：压电换能器
- 超声探头的核心是压电晶体,这种晶体有一个特殊性质：“正压电效应”和“逆压电效应”。
- 逆压电效应：当在压电晶体上施加一个变化的电压时，它会产生机械形变，即振动，这个振动频率非常高（通常在1MHz到20MHz之间，即“高频”），从而在人体组织中产生高频声波。
- 高频声波：之所以使用高频，是因为频率越高，波长越短，成像的分辨率（能看清的最小细节）就越高，就像用细的画笔能画出更精细的图案一样。
发射声波
- 探头将产生的高频声波以非常短的脉冲形式发射到人体内，这就像手电筒发出一道道短暂而明亮的光束，而不是持续的光。

声波的传播
（图片来源网络，侵删）

声波在人体组织（如肌肉、脂肪、血液）中以特定的速度传播（约1540米/秒），这个速度相对恒定，是后续计算距离的基础。
关键概念：声阻抗
- 这是决定回声强弱的最重要物理量,声阻抗是组织密度和声速的乘积。
- 核心原理：当声波传播到两种声阻抗不同的组织界面时（从肌肉到肝脏，或从血液到血管壁），一部分声波会被反射回来，形成回声；另一部分则会继续向前穿透。
- 界面反射强度：两种组织的声阻抗差异越大，反射的回声就越强，反之，如果声阻抗差异很小（如血液和血清），则反射很弱，声波大部分会穿透过去。
产生回声
- 人体是由无数种不同声阻抗的组织构成的,因此声波在传播过程中会遇到无数个界面，产生无数强弱不一的回声。
- 强回声源：骨骼、结石、气体等组织与周围组织的声阻抗差异极大，会产生非常强的回声。
- 中等回声源：器官包膜、实质器官（如肝、脾）等。
- 低回声/无回声源：充满液体的区域（如胆囊、膀胱、囊肿）因为内部声阻抗均匀，几乎没有界面反射，所以表现为“无回声区”或“暗区”。

再次利用压电效应
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- 当探头发射的声波脉冲遇到界面反射回来的回声（即机械振动）到达探头时，会再次作用在压电晶体上。
- 晶体产生正压电效应，将接收到的机械振动转换成微弱的电信号。
信号处理
- 这个原始的电信号非常微弱,并且包含了大量的噪声，仪器内部的电路会对其进行放大、滤波、检波等一系列处理，最终形成一个可分析的数字信号。

这是最神奇的一步,将接收到的回声信号转换成我们能在屏幕上看到的二维图像，这个过程主要通过B模式成像来实现，这也是最常用的超声成像模式。

时间-距离转换
- 基本原理：声波在人体中传播的速度是已定的（约1540 m/s），测量回声返回探头所用的时间，就可以精确计算出反射界面距离探头的距离。
- 公式：距离 = (声速 × 时间) / 2 （除以2是因为声波是往返传播的）。
- 实现方式：仪器会根据回声信号的到达时间，在屏幕的垂直轴上确定其位置，早到的回声（浅层组织）显示在屏幕上方，晚到的回声（深层组织）显示在屏幕下方。
信号强度-亮度转换
- 基本原理：回声信号的强度（电压大小）决定了图像中对应点的亮度。
- 实现方式：仪器将处理后的回声信号强度映射成不同的灰度等级。
  - 强回声 -> 信号电压高 -> 显示为亮白色。
  - 中等回声 -> 信号电压中等 -> 显示为灰色。
  - 弱回声/无回声 -> 信号电压低或无 -> 显示为深灰或黑色。
扫描与构成切面
- 探头内的晶片阵列或机械装置会以极快的速度（每秒数千次）进行扇形扫描、线阵扫描或凸阵扫描。
- 在每一次发射和接收的过程中,仪器都会计算出一条扫描线上所有回声点的位置和亮度，从而形成一条扫描线。
- 无数条扫描线快速、连续地排列在一起，就构成了一个二维切面图像，也就是我们最终看到的超声图像。

您可以把高频超声成像想象成用声波“雕刻”一幅黑白画：

画笔：高频声波脉冲。
画纸：屏幕。
垂直方向（Y轴）：代表深度，由回声返回的时间决定。
水平方向（X轴）：由探头的扫描位置决定。
颜色（亮度）：代表组织的性质，由回声的强弱（声阻抗差异）决定。
- 白色：像坚硬的石头（骨骼、结石）。
- 灰色：像软的泥土（器官实质）。
- 黑色：像平静的水面（液体区域）。

通过这种方式,超声技术将人耳听不到的、体内组织的声学信息，转化成了一幅幅直观、动态的医学影像，为医生诊断疾病提供了强大的无创工具。