２０１０年第５期 ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ ０科教前沿０ 科技信｜ｌＩ 基于超声脉冲回波的影像物理学实验设计 任 杰 （上海理工大学医疗器械与食品学院 中国 上海２０００９３） 【摘要】超声是医学影像中常用的一种物质波，是影像物理学中重要的研究对象。本文基于超声脉冲回波原理设计了影像物理学实验，使 学生了解超声的物理特性，掌握测量声速与衰减系数的原理及计算过程，从而加深对影像物理学的认识。 【关键词】超声；脉冲回波；影像物理 Ｉｍａｇｉｎｇ Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ Ｐｕｌｓｅ－ｅｃｈｏ ＲＥＮ．１ｉｅ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｄｉｃａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ａｎｄ Ｆｏｏｄ ＥｒＩｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｈａｎｇｈａｉ ｆｏｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈａｎｇｈ￣，２０００９３ Ｃｈｉｎａ） 【Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ ｉｓ ｃｏｍｍｏｎｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ｍｅｄｉｃａｌ ｉｍａｇｉｎｇ ａｓ ａ ｍａｔｔｅｒ ｗａｖｅ，ａｎｄ ｉｓ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｏｂｊｅｃｔ ｏｆ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｉｎ ｉｍａ ｎｇ ｐｈｙｓｉｃｓ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｉｍａｇｉｎｇ ｐｈｙｓｉｃａｌ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ａｌ＂ｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｏｎ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｐｕｌｓｅ—ｅｃｈｏ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ．Ａｎｄ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｅｎａｂｌｅ ｓｔｕｄｅｎｔｓ ｔｏ ｕｎｄｅ￣ｔａｎｄ ｔｈｅ ｐｈｙｓｉｃａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ，ｍａｓｔｅｒ ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ａｎｄ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ｏｆ ｕｌｔｒｓａｏｎｉｃ ｐｕｌｓｅ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ａｎｄ ａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ，ａｎｄ ｇａｉｎ ａ ｂｅｔｔｅｒ ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｉｎｇ ｏｆ ｉｍａｇｉｎｇ ｐｈｙｓｉｃｓ． 【Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ】Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ；Ｐｕｌｓｅ－ｅｃｈｏ；Ｉｍａｇｉｎｇ ｐｈｙｓｉｃｓ 在医学领域中，超声的应用是十分Ｊ ‘泛的。例如，运用在医学影像 关系，若用示波器观察，就会从波形的正、反相上体现出这一点。 中的医用超声成像技术，就是主要利用超声的脉冲回波技术。这种成 像技术因为使用的是超声波能量实现人体成像，因此对人体没有辐射 ３实验内容 伤害。同时由于其成像安全可靠、价格低廉，所以在临床诊断和介人治 实验中所用的实验设备有：美国ＯＬＹＭＰＵＳ公司的超声发射接收 疗中都得到了迅速的发展，成为医院中重要的医学影像设备之一。 仪、迈瑞公司的ＤＰ６６００超声诊断仪、超声体模、超声测试模具。利用 作为生物医学工程专业的学生．医学影像物理是一门重要的专业 这些设备．根据实验课程的要求，设计了以下内容的实验： 基础课程。由于超声成像技术的广泛应用，超声影像的物理基础也成 ３．１验证性实验。使用超声诊断仪，用探头探测超声体模，观察图像 为医学影像物理学的重要组成部分。通过对超声成像的物理基础的学 习，可以深人了解和认识超声，理解超声图像的意义。因此为了配合超 所反映的体模信息，通过图像与体模的对比，了解超声图像的物理意 声影像物理学的学习，根据超声传播的特性，设计了超声脉冲回波实 义。同时调整超声诊断仪的各项参数，包括声功率、声速、超声回波的 验作为课程配套实验课程。 接收灵敏度、探头的发射频率等．观察超声图像的变化情况。实验目的 是了解超声各参数对图像的影响方式。实验报告中应该包括改变超声 １ 实验目的 的各项参数对图像的影响情况。 ３－２综合类实验。利用超声发射接收仪、示波器、超声测试模块及超 超声成像是依赖于声波在人体组织的穿透能力达到深度成像的 声脉冲回波原理，计算超声在水中传播的速度及在有机玻璃中的衰减 目的。超声成像测量的物理量是声波的回波幅度和位相，而回波的时 系数。实验时。应将示波器与超声发射接收仪连接好，并在超声发射接 间用于对深度进行定位。因为声速在人体组织上的速度近似为常数， 收仪的Ｔ／Ｒ端连接适当的传感器，将传感器放于测试模具的适当位 所以回波特性反映了人体组织密度的差别。通过接收反射回波，使其 置。在计算超声在水中传播速度时，观察示波器所显示的波形，使用示 以不同的亮度等级在显像屏±：最示，形成超声图像。超声波的频率越 波器ｘ轴扫描扩展功能或Ｂ扫描功能，记录下中间两个界面反射回 高，波长越短，能量越大，分辨率越高，成像质量越好。但由于探查深度 波对应峰值点之间的时间差．由此计算水中的声速。计算声速的实验 与频率成反比，高频超声成像质量高是以牺牲探测深度为代价的。 报告中应该包括：测试声速的原理：测试到的回波波形；标出两个回波 通过超声脉冲回波实验，可以使学生掌握超声波的产生、传播规 对应的峰值点，并注明两个峰值之间的时间差；计算水中的声速值；结 律，从而理解超声图像的物理意义，了解超声成像中各超声参数对最 果与理论值之间的误差以及误差可能产生的原因。而在计算超声在有 终图像的影响 机玻璃中的衰减系数时，观察示波器的波形，分别记录下测试模具中 ２理论依据 界面１和界面２回波的峰峰幅度，由此计算出有机玻璃的衰减系数。 计算衰减系数的实验报告中应该包括：用这种方法测试超声在有机玻 超声波的三个基本参数是频率、波长和声速。声震动的频率ｆ（震 璃的衰减系数的原理；测试到的回波波形，并标明其幅度；计算出超声 动数／秒）取决于震动源，声波在人体组织内传播的速度ｃ由传播媒体 在有机玻璃的衰减系数：计算结果与理论值之间的误差以及误差产生 决定。 的原因。 超声波与人体组织相互作用后，使作为载体的超声的物理性质发 在影像物理学中，用于成像的物质波有许多。本实验所选用的超 生了改变，如能量改变（衰减），传播方向的改变（反射、衍射等）等。诊 声波是一种安全有效的物质波．通过实验，学生可以了解超声波在介 断的信息就依附在这些变化的物理参数之中，这些参数的变化既是信 质中的传播规律以及波的反射、折射、干涉、衍射、散射在超声成像中 息的依托，也是某些补偿机制的根据。而吸收定律、反射定律等是理解 的作用，理解超声影像的物理基础，并在一定程度上验证了影像物理 超声成像原理的钥匙。 学中的理论。 超声波与人体相互作用伴发的能量改变是一衰减过程。如声束在 组织表面的折射、散射都导致入射声波能量的减弱。不管内部是什么 样的分子过程，超声能量衰减符合负指数形式的规律，如下式所示： 【参考文献】 ［１］包尚联．现代医学影像物理学．北京：北京大学医学出版社，２００４． ／－－ｔｏｅ ［２］张泽宝．医学影像物理学实验．北京：人民军医出版社，２００７年． 式中厶是入射声束的原始能量，，是声束通过吸收率为ｄ、距离为 ［３］胡建恺，张谦琳．超声检测原理和方法．合肥：中国科学技术大学出版社，１９９３． 的介质后剩下的能量。 ［４］汤晓斌，黑大干．《医学影像物理学》课程的教学方法探讨．科技创新导报 超声波在不同介质面传播时会发生反射和投射，其反射和投射系 ２００８，２３：２４３． 数分别通过下列公式求的： ［５］包尚联．我国医学物理工作者的任务．物理，２００７，０１：５５—５８． Ｚ，一Ｚ ２Ｚ， ［６］刘艳平，王寅观．数字实时脉冲回波法声速测量系统的研制．无损检测 螽 仁 ２００８，３０（１２）：９５３—９５４． 式中ｒ为反射系数，ｔ为投射系数，Ｚ，和Ｚ．为超声在介质１和介质 作者简介：ｅＡ（１９７８－－），女，讲师，硕士，主要研究方向超声影像物理学及 ２中传播的声阻抗。其中，反射系数表达式中的分子“ｚ，一ｚ ”．当Ｚ，＜ｚ 图像处理 时，反射系数ｒ为负值，这说明超声在介质１和介质２的能量为反相 ［责任编辑：张慧】
