超声成像及超声显微镜概要

会计学1超声成像及超声显微镜概要

C型成像方式所得到的是与声束传播方向垂直的断面构图像。与B型成像不同的是：C型成像中，声束不仅要沿x方向扫描，而且还要沿y方向扫描，即是面扫描(二维扫描)，而不是线扫描(一维扫描)。为获得某一与声束垂直的z＝z0断面的清晰图像，扫描声束应聚焦于该平面，并由换能器接收到的散射声信号中选取对应于从z＝z0处散射回来信号幅度调制荧光屏上与物体(x，y)坐标相应光点的亮度，以获得z＝z0断面的声像显示。

3.5.2C型成像（C扫描）与F型成像(F扫描)第1页/共42页

F型成像与C型成像在原理上十分相似．其区别在于，C型成像断面为与声束垂直的断面(，为常数)，而F型成像断面可为任意平面或曲面（

）。为保证F型成像断面内图像的分辨率，扫描声束的聚焦位置应可调，为使焦点落在成像断面内，即对应于不同扫描位置的焦距

也应满足：

3.5.2C型成像（C扫描）与F型成像(F扫描)C型扫描成像

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由于C型及F型成像与B型成像的主要区别在于扫描方式和成像断面不同，由于C型和F型成像需用面扫描(电子扫描中，采用换能器面阵)，这带来电子线路和换能器制作的复杂性，且很费时，难以获得实时动态显示，这就限制了其实际应用，因而至今这两种方式的成像仪器尚未广泛进入市场。

3.5.2C型成像（C扫描）与F型成像(F扫描)C型扫描成像

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超声CT成像是由X光CT成像引伸而来。CT是英文ComputedTomography(计算机断层像)的缩写。用这种成像方法可获得声速、声衰减系数、声散射系数及非线性参数等的定量图像。目前研究的超声CT成像法主要有透射型和反射型两种。而图像的重建则基于两种理论，射线理论和衍射理论。衍射理论即波动声学理论，将介质看成声学参量(密度

、声速

等)连续变化的非均匀体，其中声波的传播可通过波动方程的解来描述。3.5.3超声CT成像第4页/共42页

将这种理论用于图像重建时，必须作相应的简化假定(如

为常数，

的变化很小等)，并采用近似求解波动方程。而这些近似往往引入相当大的误差，致使衍射理论用于重建像的效果并不比射线理论高明，相反却带来重建计算的复杂性。因此，在实际中，射线理论的图像重建方法使用较多。在这里，我们以透射型为例。介绍射线理论的图像重建方法。

3.5.3超声CT成像第5页/共42页

采用换能器阵列，各阵元作为点源发射，照射整个物体，接收来自物体各点的散射声信号并加以储存然后根据各成像点的空间位置，对各换能器元接收的信号引入适当延迟，以获得被成像物体的逐点聚焦声像，这种成像方式称为合成孔径成像。合成孔径聚焦方式又分为相延和时延聚焦两种，如图所示。

3.5.4合成孔径成像第6页/共42页

图(a)所示的为相延聚焦，即对各换能器阵元(1，2，…n)所接收到

的

散射信号引入适当的相延

，然后叠加输出。当

的选择正好是按对

聚焦时，各通道的信号正好同相叠加，因而输出最大，即通过相延实现了对

点的聚焦。改变

，即可移动聚焦点。3.5.4合成孔径成像第7页/共42页

图(b)则示出时延聚焦，即按照欲成像点的位置，适当选择各通道信号的时延

，使得来自该点的信号同相叠加，从而实现聚焦。

3.5.4合成孔径成像第8页/共42页

一般说来，采用相延的合成孔径成像，需要用较长的脉冲以保证整个孔径的有效利用，但这却会带来全息成像的缺点。因为相位相差若干个整周期的信号也可以同相叠加，造成孪生像的问题。如果采用时延方式，则可使用只有一两周或数周的短脉冲，这样，距离较远的两个点的散射信号不能互相叠加，因而旁瓣问题可以减少，孪生像可以消除。当然，如采用短脉冲，整个系统需要有足够的带宽。

由于时延聚焦比起相延聚焦来优越性较多，合成孔径成像系统多用时延聚焦。

3.5.4合成孔径成像第9页/共42页

用于获得二维断层图像的合成孔径成像系统通常采用线孔径。上图为

元线阵在一个平面内(平面)成像的示意图。设换能器和物体在

方向均为无穷大，故此问题为二维问题。各换能器元既作发射又作接收，用一短脉冲激励，所接收的声信号，经前后放大后记录。

3.5.4合成孔径成像第10页/共42页

设物体为位于

的一点源，当阵元

工作时，接收信号相对于发射信号的时延为

为得到整个

平面内的像，需分别对该面内每一个点

聚焦。3.5.4合成孔径成像第11页/共42页

分别引入相应的时延

于第个

换能器所接收的信号

式中

为常数，引入

的目的在于保证时延

为正值，以便从电路上实现这一时延。

与换能器之位置无关，但可以根据

来选取适当的值。

3.5.4合成孔径成像第12页/共42页

延迟后的信号经过一个选通门

，其中

为选取的脉冲长度，然后将各换能器对应通道的信号进行线性或非线性叠加，再用所得总信号以适当方式调制荧光屏上对应点的亮度，则可得到

平面的像显示。通常这种时延方式的合成孔径成像，也称为逆投影重建像。

3.5.4合成孔径成像第13页/共42页

合成孔径二维成像(线孔径)与采用电子聚焦的B型成像有许多类似之处。合成孔径聚焦方式本质上与B型成像的电子聚焦相同，两种成像方法所得到的图像的内容也相同。二者的主要区别在于，B型成像的电子聚焦对发射信号和接收信号都进行了时延聚焦，发射声束是聚焦声束，而合成孔径成像的聚焦只对接收信号进行，发射声束为扩散声束，B型成像聚焦的焦距是固定的，即使是电子动态聚焦，也只是取若干个聚焦点，其成像分辨率在焦点附近和其他位置有较大区别，而合成孔径成像则是对像平面内每一个像素点逐点进行时延聚焦，整个成像孔径内各个位置的图像分辨率比较接近。

3.5.4合成孔径成像第14页/共42页

声全息成像是将光全息原理引进声学领域后产生的一种成像技术和数据处理手段。早期的声全息完全模仿光全息方法。即用一参考声束与频率相同的物体声束相干，在记录平面内，叠加波为

3.5.5声全息成像式中

为物体波，

为参考波。声强度为

式中上标*指复共轭。记录此强度，即得到全息图。用一束激光照射全息图，即得到分别与

及

相应的两个像，称为孪生像。

真实地反映了原物体，称为真像，是虚像；而

则为其共轭像，是实像。

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重建时如果所用的照明波与形成全息图时所用的波束的波长相同，那就如同光全息那样，重建像为与原物完全相同的立体像。但在声全息中，为了获得可见的重建像，重建波束必须为可见光。而可见光的波长，与通常用来形成声全息图的声波波长相差数百倍，因此重建像有严重的深度畸变，从而失去了三维成像的优点。

由于通常使用的检测声波的压电换能器，能够记录声波的幅度和相位，并将其转换成相应的电信号，目前研究比较活跃的声全息方法与光全息方法不同。只有液面法声全息基本上保留了光全息的作法。而各种扫描声全息则不再采用声参考波。

3.5.5声全息成像第16页/共42页

另一类扫描声全息方法是计算机重建声全息。设用一声源照射物体，物体的散射声波函数为

，在全息记录平面内声信号分布为

，它们之间的关系式为

3.5.5声全息成像在远场近似条件下

显然，上式中的积分式为波函数

的二维空间傅氏变换形式，因而，由全息函数

通过傅氏逆变换来计算

第17页/共42页3.5.5声全息成像由全息函数

通过傅氏逆变换来计算亦即得到重建的函数

，如下式所示：

根据上式，由记录的全息函数

，用计算机可以算出重建像函数

，这种重建计算实际上是空间傅氏变换。

第18页/共42页3.5.6多普勒成像

利用运动物体散射声波的多普勒效应，按散射声波的多普勒频移的幅度来显示图像，其图像与散射体的运动速度分布相对应。

多普勒成像分为连续波和脉冲波成像两种。连续波成像系统采用换能器面阵，声束沿

方向传播，在平面

内扫描。在声束扫描区域内的运动物体散射声波经接收，进入相应的通道放大，并与主振荡器的参考信号混频，再解调得到多普勒信号，经频谱分析，可得多普勒频移；用各通道多普勒频移的大小去调制荧光屏相应光点亮度，即可得运动物体速度沿

方向投影图像。第19页/共42页3.5.7超声显微镜

很小的东西肉眼不能看见，一般可用显微镜来看。可是如果要看不透明固体或液体里存在看的很小的物体，普通的光学显微镜就无能为力了，因为对于存在于不透光物体内部的小东西，它也会变成“睁眼瞎子”的。这一直是科学和工业技术上的大难题。但是等到人们发现了超声波，并且在深入地研究了它的种种性性质以后，发现超声波具有明察秋毫能力，可以用它来做成一种崭新的仪器——超声显微镜，它可以视察不透明体内部的物体，例如可以查知不透明的液体或固体内部裂纹、空隙和不均匀处。一个成像系统，包括显微镜在内，其分辨率主要还是由所使用的波长决定的。

为了对超声波显微镜有一个较为清楚的认识，先从超声波的一些与光线近似的特性谈起，然后再介绍有关超声波显微镜的结构问题。

第20页/共42页3.5.7.1超声波的光学性质

如果在太阳光线的传播路径上放置一块双面凸透镜，那么，光线在通过这个凸透镜后，便发生折射，所有的光线都会聚积在一点，这一点就是该凸透镜的焦点，这因为光线在各种不同的物物质中传播时，它的速度是不一样的，因此通过透镜，传播方向就会发生改变，产生折射。如果在透镜的一面观察放在另一面的物体时，觉得这个物体被放大了好几倍。这些光线的普遍性质是大家都熟悉的，在这里扼要的提一下，是为了在以后容易和超声波的性质相比较。

超声波传播起来和光线遵从相同的规律，超声波在传播路径上如遇到障碍物可以发生反射或折射，和光线传播的情形一模一样。那么是不是也可以用特殊的棱镜来改变超声波的传播方向，或是用透镜来集中超声波射线呢？非但可以，而且也并不复杂。

第21页/共42页3.5.7.1超声波的光学性质

科学家发现超声波在四氯化碳液体中的传播速度要比在水中的传播速度小得多。所属如果在一个用铝箔做成双凸透镜形状的小容器中盛满四氯化碳的液体，就能够得到一个超声波透镜。假如超声波从水中透过这样的超声波透镜，超声波射线将会集中在一点，但是若把这个透镜放在空气中时，当超声波从空气中透过它时，超声波射线将向两边发散，因为超声波在四氧化碳液体中的传播速度要比它空气中的传播速度大得多。如图所示。

第22页/共42页3.5.7.1超声波的光学性质

自然也可以用固体物质来做成超声波透镜，不过这时候应该采用这样的固体材料，使得超声波在其中的传播速度比在液体或气体中的传播速度大得多。这样用固体物质做成透镜时，如果要集中超声波射就必须把它做凹透镜的形状，若要发散超声波射线便把它做凸透镜形状。如图所示。

第23页/共42页3.5.7.1超声波的光学性质

上图是用固体物质做成的超声波透镜。石英片1产生超声波振动，超声波射线全部进入用有机玻璃做成的凹形透镜3。2是水，是用金属薄片封住的，这样一来可以防止当将超声波透镜沉浸在别种液体中使用时有机玻璃与液体发生化学腐蚀作用。

第24页/共42页3.5.7.1超声波的光学性质

即使是比较弱的起声波振动，在经过透镜的聚焦后，也可以将能量都集中在一点，这就使这一点上的振动大为增加。例如，把并不强烈的超声波振动通入油溶液中时，平时只能从油表面升起的一些气泡知道它的存在，但是若在油中安置一个聚焦超声波的系统。那么，它既能使超声波能量都集中在油溶液中的某一点上，能量骤然集中一起，可以使油溶液产生一条狭窄的喷泉。

超声波的频率越高(即它的波长越短)，它和光线的形状也越相似。现代的超声波技术就已经可以设法获得几GHz的超声波振动，这时候超声波的各方面的性质几乎都与光线的性质相像。但是几GHz的超声波，也还不是所能达到的极限。第25页/共42页3.5.7.2超声波显微镜结构石英薄片，发射超声波弯曲的铁丝，被观察的物体超声波透镜石英薄片，接收聚焦后的超声波射线

阴极射线管电极放大器电子射线管的控制电极电子射线管

第26页/共42页3.5.7.2超声波显微镜结构

上图是超声波显微镜原理图，在一个充满着液体的容器内悬浮着铁丝2，石英薄片1所发射的超声波射线集中地射向铁丝，从铁丝表面反射的超声波由超声波透镜3进行聚焦，而石英薄片4则是用来接收聚焦以后的超声波射线。因为只有直射在铁丝上的超声波射线被反射，没有碰到铁丝的射线都消失在液体中了，所以实际上在接收器4上收到的已经是铁丝的“像”了，不过这只是一种看不见的像罢了。后面的装置就是完成把这个不可见的像变成可视的像。

第27页/共42页3.5.7.2超声波显微镜结构

接收器4上的压力变化位置恰巧和铁丝形状相对应，收到反射射线的部分压力发生变化，没有收到反射射线的地方就没有压力变化。把看不见的像转变成肉眼可见的像，利用的是压电效应。由于接收石英片上的振动压力变化，使片上的电荷分布也跟着作相应的变化，电荷变化的强弱和压力变化相一致。接收石英片和阴极射线管5做在一起。狭窄的阴极电子射线射到接收石英片的内层表面上，由于电子射线在石英片上的冲击，石英片也开始激发而发射电子。第28页/共42页3.5.7.2超声波显微镜结构

石英片自己发射的电子由—个特殊的电极6收集起来。石英片上每一点发射的电子数目是和它上面的电荷数目多少有关系的。如果阴极射线射到的部分，上面的电荷数目很多，那么在石英片的这一点上就要发射较多的电子；电荷数目少，则发射的电子也少。因为在石英片每一点上发射的电子数目是不同的，所以收集电极6得到的电子数目是每一时刻不同的，因而产生交变的电流。第29页/共42页3.5.7.2超声波显微镜结构

这个交变电流的强度变化是和石英片上的电荷变化一致的，也就是说石英片上看不见的像已变成阴极射线管里的电流变化了。阴极射线在整个石英片的表面上不停地扫射着，使上下左右都得到它的冲击。

第30页/共42页3.5.7.2超声波显微镜结构

阴极射线在石英片4上的A点开始运动(如图)，以十分快的速度作左右的扫射，而且位置渐渐往下移动，一直到底端。阴极射线在一秒钟内可以来回扫射20-30行，当射线扫遍整个石英片后，重又回到A点再重复开始运动。

第31页/共42页3.5.7.2超声波显微镜结构

强度不断变化的电流与接收石英片上的压力变化相应，这个电流由电极6收集，然后经放大器7将电流加强，送到电子射线管9的控制电极8。电流强度的变化恰巧控制着电子射线管的射线强度，如果这个变化和接收石英片上的压力变化步调一致，那么在电子射线管的荧光屏上就显示出原来物体的放大像。这就完成了显微镜的“显微”任务

：类似示波器第32页/共42页3.5.7.2超声波显微镜结构

有时候也采用另一种显像的方法(上图所示)，称为磁透镜的显像方法。紫外线真空管磁透镜荧光屏

石英薄片，发射超声波铁丝声透镜石英薄片，接收超声波第33页/共42页3.5.7.2超声波显微镜结构

石英片1产生超声波，透射到铁丝2上，铁丝反射的超声波经透镜3聚焦后由石英晶片4接收，在石英晶片的另一侧用均匀的紫外线5照射，6是真空管，石英片4在紫外线的作用下发射出电子，经过真空管加速电场的作用，电子飞快前进，受到磁透镜的作用落在荧光屏8上，在屏幕上将出现石英片4的像。因为石英片表面受到紫外线照射而发射的电子数目是和它上面的电荷数目成正比，而它上面的电荷分布是和铁丝的像相对应的，所以在荧光屏8上就看到被放大的铁丝的像。（光电效应）

第34页/共42页3.5.7.3超声波显微镜的其它结构1、石英薄片，产生超声波；2、待观察的物体；3、反射镜；4、屏幕

如图所示，装置放在液面下，石英片1产生的超声波扫射到到待观察的物体2上，超声波在2上发生反射，反射波经过反射镜3把“像”形成在液体表面。当超声波射线达到液面时，出于射线的作用使液体表面产生波纹，液体上产生波纹的地方和物体的像对应，这时候将一束光线射到液面，则在屏幕4上能够清晰地显示出由反射光线形成的物体放大像。第35页/共42页3.5.7.3超声波显微镜的其它结构

如图是超声波显微镜的又一种结构，是由超声波透镜形成物像的。作用原理和上面说的那种差不多，只是不利用超声波在物体上的反射，而是使物体阻挡超声波波射线而在液体表面成像。1.石英薄片；2.待观察物体；3.声透镜；4.屏幕

第36页/共42页3.5.7.3超声波显微镜的其它结构

光学显微镜的质量主要标志是：它能够区分的最小两点之间的跃离，即所谓“鉴别力”。如果要观察的两点间的距离已经小于显微镜能区分的最小极限，那么在显微镜上看到的两个点的像是