【医学图像处理】超声成像之声音属性

声波与电磁（EM）辐射非常不同。

声波的解析

当声波穿过材料时，粒子来回振动。在某些区域中，粒子靠得很近（压缩），而在另一些区域中，粒子则距离较远（反射）。声波也可以以正弦形式表示，其波峰和波谷对应于最大压缩和稀疏区域。

频率

人类的声波可听到范围是20到20,000 Hz。1 Hz是每秒1个波长。医学超声使用2-18 MHz（1 MHz = 1百万Hz）的频率，即高于人类听力范围。

速度

声波的速度取决于声波通过的材料并保持恒定。

其中$c$是声速，$\kappa$是刚度，$\rho$是密度。

根据上式，声波的速度随着刚性的增加和密度的减小而增加。它在空气中的传播速度最慢，因为这种材料非常易压缩，以至于粒子之间损失了很多能量。需要学习的重要数字是，对于软组织，速度约为1540 m / s。超声波机器已按照此速度进行校准，以提供最佳的软组织图像。

波长

一个波长是波周期中两个相同点之间的距离，即峰值压缩点与下一峰值压缩点之间的距离。波长与频率成反比，与声波的速度成正比。但是，在超声成像中，频率是由换能器设置的，因此影响波长的主要是速度。

其中$c$是声速，$f$是频率，$l$是波长。

强度

声波的强度以瓦特每平方米（$w / m^2$）为单位。分贝标度用于表示两个强度的比率。

其中$I_1$是强度1，$I_2$是强度2。

如果衰减系数为1 dB / cm，则在穿过10 cm组织后，强度将降低10 dB或10倍。20 cm后，强度将降低20 dB或100倍。

与组织的相互作用

超声波束与组织相互作用，并通过四种机制衰减：

1. 吸收性
2. 反射
3. 折射
4. 散射

1）吸收

这是衰减的主要原因。能量以热量的形式传递给它所通过的材料。超声波的能量呈指数下降。较高的频率被更快地吸收，因此强度降低并且被更快地吸收。

2）反射

这发生在界面/组织边界。反射量取决于界面处组织的声阻抗（Z）之间的差异（声阻抗失配）。这是在超声中使用凝胶的原因之一，它可以减少换能器与皮肤之间的声阻抗失配，并最大程度地减少换能器与皮肤之间的空气滞留量。这使声波的反射最小化。在软组织-空气界面处，超过99％的回声被反射。

声阻抗是材料允许声波通过的难易程度的度量，阻抗失配越高，反射的声波越多：

以下物质声阻抗由高到低：

骨、肝脏、血液、水、脂肪、空气

• 好的发射器：
  • 小轻分子，因为它们不需要那么多的能量来移动它们
  • 具有刚性键的物质，因为能量通过刚性键的速度更快
• 不良发射器：
  • 具有弱键的大而密的分子

3）折射

当超声波穿过两个组织之间的界面时，一些光束会被反射，其余的会进入材料。当光束进入第二种材料时，速度发生变化。这导致超声波的折射或弯曲。折射角取决于波穿过界面后波的速度变化。

4）散射

当声波与小于一个波长的物体相互作用时，大部分的光束不会与之相互作用，声波就会散射。这与物体大于波长的情况相反，在这种情况下声波会发生反射。

在以下情况下散点增加：

• 物体尺寸增大导致散射
• 声阻抗失配增加

小结

声波的解析

• 频率
  • 人类可听到的声音范围是20-20,000 Hz
  • 医学成像使用2-18 MHz的超声波
• 速度
  • $速度=\sqrt{刚度/密度}$
  • 骨骼中的速度比空气中的速度快
  • 在大多数软组织中为1540 m / s
• 波长
  • $速度=频率 \times 波长$
  • 波长与频率成反比，但由换能器设置。因此，波长与速度成正比。
• 强度
  • 单位：$w / m^2$
  • 声音的衰减量以分贝（dB）为单位，这是两个强度之间的对数比

与物质的相互作用

通过三种机制发生：

• 吸收：主要机制。更快地吸收更高的频率
• 反射：阻抗不匹配时反射更多。在软组织-空气界面处，超过99％的波被反射
• 折射：光束越过界面时速度变化导致角度变化
• 散射：当粒子小于一个波长时，向各个方向散射

20200522