超聲成像及超聲顯微鏡詳解演示文稿

超聲成像及超聲顯微鏡詳解演示文稿當(dāng)前第1頁\共有37頁\編于星期三\15點優(yōu)選超聲成像及超聲顯微鏡當(dāng)前第2頁\共有37頁\編于星期三\15點

F型成像與C型成像在原理上十分相似．其區(qū)別在于，C型成像斷面為與聲束垂直的斷面(，為常數(shù))，而F型成像斷面可為任意平面或曲面（

）。為保證F型成像斷面內(nèi)圖像的分辨率，掃描聲束的聚焦位置應(yīng)可調(diào)，為使焦點落在成像斷面內(nèi)，即對應(yīng)于不同掃描位置的焦距

也應(yīng)滿足：

3.5.2C型成像（C掃描）與F型成像(F掃描)C型掃描成像

當(dāng)前第3頁\共有37頁\編于星期三\15點

由于C型及F型成像與B型成像的主要區(qū)別在于掃描方式和成像斷面不同，由于C型和F型成像需用面掃描(電子掃描中，采用換能器面陣)，這帶來電子線路和換能器制作的復(fù)雜性，且很費時，難以獲得實時動態(tài)顯示，這就限制了其實際應(yīng)用，因而至今這兩種方式的成像儀器尚未廣泛進(jìn)入市場。

3.5.2C型成像（C掃描）與F型成像(F掃描)C型掃描成像

當(dāng)前第4頁\共有37頁\編于星期三\15點

超聲CT成像是由X光CT成像引伸而來。CT是英文ComputedTomography(計算機斷層像)的縮寫。用這種成像方法可獲得聲速、聲衰減系數(shù)、聲散射系數(shù)及非線性參數(shù)等的定量圖像。目前研究的超聲CT成像法主要有透射型和反射型兩種。而圖像的重建則基于兩種理論，射線理論和衍射理論。衍射理論即波動聲學(xué)理論，將介質(zhì)看成聲學(xué)參量(密度

、聲速

等)連續(xù)變化的非均勻體，其中聲波的傳播可通過波動方程的解來描述。3.5.3超聲CT成像當(dāng)前第5頁\共有37頁\編于星期三\15點

將這種理論用于圖像重建時，必須作相應(yīng)的簡化假定(如

為常數(shù)，

的變化很小等)，并采用近似求解波動方程。而這些近似往往引入相當(dāng)大的誤差，致使衍射理論用于重建像的效果并不比射線理論高明，相反卻帶來重建計算的復(fù)雜性。因此，在實際中，射線理論的圖像重建方法使用較多。在這里，我們以透射型為例。介紹射線理論的圖像重建方法。

3.5.3超聲CT成像當(dāng)前第6頁\共有37頁\編于星期三\15點

采用換能器陣列，各陣元作為點源發(fā)射，照射整個物體，接收來自物體各點的散射聲信號并加以儲存然后根據(jù)各成像點的空間位置，對各換能器元接收的信號引入適當(dāng)延遲，以獲得被成像物體的逐點聚焦聲像，這種成像方式稱為合成孔徑成像。合成孔徑聚焦方式又分為相延和時延聚焦兩種，如圖所示。

3.5.4合成孔徑成像當(dāng)前第7頁\共有37頁\編于星期三\15點

圖(a)所示的為相延聚焦，即對各換能器陣元(1，2，…n)所接收到

的

散射信號引入適當(dāng)?shù)南嘌?/p>

，然后疊加輸出。當(dāng)

的選擇正好是按對

聚焦時，各通道的信號正好同相疊加，因而輸出最大，即通過相延實現(xiàn)了對

點的聚焦。改變

，即可移動聚焦點。3.5.4合成孔徑成像當(dāng)前第8頁\共有37頁\編于星期三\15點

圖(b)則示出時延聚焦，即按照欲成像點的位置，適當(dāng)選擇各通道信號的時延

，使得來自該點的信號同相疊加，從而實現(xiàn)聚焦。

3.5.4合成孔徑成像當(dāng)前第9頁\共有37頁\編于星期三\15點

一般說來，采用相延的合成孔徑成像，需要用較長的脈沖以保證整個孔徑的有效利用，但這卻會帶來全息成像的缺點。因為相位相差若干個整周期的信號也可以同相疊加，造成孿生像的問題。如果采用時延方式，則可使用只有一兩周或數(shù)周的短脈沖，這樣，距離較遠(yuǎn)的兩個點的散射信號不能互相疊加，因而旁瓣問題可以減少，孿生像可以消除。當(dāng)然，如采用短脈沖，整個系統(tǒng)需要有足夠的帶寬。

由于時延聚焦比起相延聚焦來優(yōu)越性較多，合成孔徑成像系統(tǒng)多用時延聚焦。

3.5.4合成孔徑成像當(dāng)前第10頁\共有37頁\編于星期三\15點

用于獲得二維斷層圖像的合成孔徑成像系統(tǒng)通常采用線孔徑。上圖為

元線陣在一個平面內(nèi)(平面)成像的示意圖。設(shè)換能器和物體在

方向均為無窮大，故此問題為二維問題。各換能器元既作發(fā)射又作接收，用一短脈沖激勵，所接收的聲信號，經(jīng)前后放大后記錄。

3.5.4合成孔徑成像當(dāng)前第11頁\共有37頁\編于星期三\15點

設(shè)物體為位于

的一點源，當(dāng)陣元

工作時，接收信號相對于發(fā)射信號的時延為

為得到整個

平面內(nèi)的像，需分別對該面內(nèi)每一個點

聚焦。3.5.4合成孔徑成像當(dāng)前第12頁\共有37頁\編于星期三\15點

分別引入相應(yīng)的時延

于第個

換能器所接收的信號

式中

為常數(shù)，引入

的目的在于保證時延

為正值，以便從電路上實現(xiàn)這一時延。

與換能器之位置無關(guān)，但可以根據(jù)

來選取適當(dāng)?shù)闹怠?/p>

3.5.4合成孔徑成像當(dāng)前第13頁\共有37頁\編于星期三\15點

延遲后的信號經(jīng)過一個選通門

，其中

為選取的脈沖長度，然后將各換能器對應(yīng)通道的信號進(jìn)行線性或非線性疊加，再用所得總信號以適當(dāng)方式調(diào)制熒光屏上對應(yīng)點的亮度，則可得到

平面的像顯示。通常這種時延方式的合成孔徑成像，也稱為逆投影重建像。

3.5.4合成孔徑成像當(dāng)前第14頁\共有37頁\編于星期三\15點

合成孔徑二維成像(線孔徑)與采用電子聚焦的B型成像有許多類似之處。合成孔徑聚焦方式本質(zhì)上與B型成像的電子聚焦相同，兩種成像方法所得到的圖像的內(nèi)容也相同。二者的主要區(qū)別在于，B型成像的電子聚焦對發(fā)射信號和接收信號都進(jìn)行了時延聚焦，發(fā)射聲束是聚焦聲束，而合成孔徑成像的聚焦只對接收信號進(jìn)行，發(fā)射聲束為擴散聲束，B型成像聚焦的焦距是固定的，即使是電子動態(tài)聚焦，也只是取若干個聚焦點，其成像分辨率在焦點附近和其他位置有較大區(qū)別，而合成孔徑成像則是對像平面內(nèi)每一個像素點逐點進(jìn)行時延聚焦，整個成像孔徑內(nèi)各個位置的圖像分辨率比較接近。

3.5.4合成孔徑成像當(dāng)前第15頁\共有37頁\編于星期三\15點

聲全息成像是將光全息原理引進(jìn)聲學(xué)領(lǐng)域后產(chǎn)生的一種成像技術(shù)和數(shù)據(jù)處理手段。早期的聲全息完全模仿光全息方法。即用一參考聲束與頻率相同的物體聲束相干，在記錄平面內(nèi)，疊加波為

3.5.5聲全息成像式中

為物體波，

為參考波。聲強度為

式中上標(biāo)*指復(fù)共軛。記錄此強度，即得到全息圖。用一束激光照射全息圖，即得到分別與

及

相應(yīng)的兩個像，稱為孿生像。

真實地反映了原物體，稱為真像，是虛像；而

則為其共軛像，是實像。

當(dāng)前第16頁\共有37頁\編于星期三\15點

重建時如果所用的照明波與形成全息圖時所用的波束的波長相同，那就如同光全息那樣，重建像為與原物完全相同的立體像。但在聲全息中，為了獲得可見的重建像，重建波束必須為可見光。而可見光的波長，與通常用來形成聲全息圖的聲波波長相差數(shù)百倍，因此重建像有嚴(yán)重的深度畸變，從而失去了三維成像的優(yōu)點。

由于通常使用的檢測聲波的壓電換能器，能夠記錄聲波的幅度和相位，并將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號，目前研究比較活躍的聲全息方法與光全息方法不同。只有液面法聲全息基本上保留了光全息的作法。而各種掃描聲全息則不再采用聲參考波。

3.5.5聲全息成像當(dāng)前第17頁\共有37頁\編于星期三\15點

另一類掃描聲全息方法是計算機重建聲全息。設(shè)用一聲源照射物體，物體的散射聲波函數(shù)為

，在全息記錄平面內(nèi)聲信號分布為

，它們之間的關(guān)系式為

3.5.5聲全息成像在遠(yuǎn)場近似條件下

顯然，上式中的積分式為波函數(shù)

的二維空間傅氏變換形式，因而，由全息函數(shù)

通過傅氏逆變換來計算

當(dāng)前第18頁\共有37頁\編于星期三\15點3.5.5聲全息成像由全息函數(shù)

通過傅氏逆變換來計算亦即得到重建的函數(shù)

，如下式所示：

根據(jù)上式，由記錄的全息函數(shù)

，用計算機可以算出重建像函數(shù)

，這種重建計算實際上是空間傅氏變換。

當(dāng)前第19頁\共有37頁\編于星期三\15點3.5.6多普勒成像

利用運動物體散射聲波的多普勒效應(yīng)，按散射聲波的多普勒頻移的幅度來顯示圖像，其圖像與散射體的運動速度分布相對應(yīng)。

多普勒成像分為連續(xù)波和脈沖波成像兩種。連續(xù)波成像系統(tǒng)采用換能器面陣，聲束沿

方向傳播，在平面

內(nèi)掃描。在聲束掃描區(qū)域內(nèi)的運動物體散射聲波經(jīng)接收，進(jìn)入相應(yīng)的通道放大，并與主振蕩器的參考信號混頻，再解調(diào)得到多普勒信號，經(jīng)頻譜分析，可得多普勒頻移；用各通道多普勒頻移的大小去調(diào)制熒光屏相應(yīng)光點亮度，即可得運動物體速度沿

方向投影圖像。當(dāng)前第20頁\共有37頁\編于星期三\15點超聲顯微鏡

很小的東西肉眼不能看見，一般可用顯微鏡來看。可是如果要看不透明固體或液體里存在看的很小的物體，普通的光學(xué)顯微鏡就無能為力了，因為對于存在于不透光物體內(nèi)部的小東西，它也會變成“睜眼瞎子”的。這一直是科學(xué)和工業(yè)技術(shù)上的大難題。但是等到人們發(fā)現(xiàn)了超聲波，并且在深入地研究了它的種種性性質(zhì)以后，發(fā)現(xiàn)超聲波具有明察秋毫能力，可以用它來做成一種嶄新的儀器——超聲顯微鏡，它可以視察不透明體內(nèi)部的物體，例如可以查知不透明的液體或固體內(nèi)部裂紋、空隙和不均勻處。一個成像系統(tǒng)，包括顯微鏡在內(nèi)，其分辨率主要還是由所使用的波長決定的。

為了對超聲波顯微鏡有一個較為清楚的認(rèn)識，先從超聲波的一些與光線近似的特性談起，然后再介紹有關(guān)超聲波顯微鏡的結(jié)構(gòu)問題。

當(dāng)前第21頁\共有37頁\編于星期三\15點3.5.7.1超聲波的光學(xué)性質(zhì)

如果在太陽光線的傳播路徑上放置一塊雙面凸透鏡，那么，光線在通過這個凸透鏡后，便發(fā)生折射，所有的光線都會聚積在一點，這一點就是該凸透鏡的焦點，這因為光線在各種不同的物物質(zhì)中傳播時，它的速度是不一樣的，因此通過透鏡，傳播方向就會發(fā)生改變，產(chǎn)生折射。如果在透鏡的一面觀察放在另一面的物體時，覺得這個物體被放大了好幾倍。這些光線的普遍性質(zhì)是大家都熟悉的，在這里扼要的提一下，是為了在以后容易和超聲波的性質(zhì)相比較。

超聲波傳播起來和光線遵從相同的規(guī)律，超聲波在傳播路徑上如遇到障礙物可以發(fā)生反射或折射，和光線傳播的情形一模一樣。那么是不是也可以用特殊的棱鏡來改變超聲波的傳播方向，或是用透鏡來集中超聲波射線呢？非但可以，而且也并不復(fù)雜。

當(dāng)前第22頁\共有37頁\編于星期三\15點3.5.7.1超聲波的光學(xué)性質(zhì)

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)超聲波在四氯化碳液體中的傳播速度要比在水中的傳播速度小得多。所屬如果在一個用鋁箔做成雙凸透鏡形狀的小容器中盛滿四氯化碳的液體，就能夠得到一個超聲波透鏡。假如超聲波從水中透過這樣的超聲波透鏡，超聲波射線將會集中在一點，但是若把這個透鏡放在空氣中時，當(dāng)超聲波從空氣中透過它時，超聲波射線將向兩邊發(fā)散，因為超聲波在四氧化碳液體中的傳播速度要比它空氣中的傳播速度大得多。如圖所示。

當(dāng)前第23頁\共有37頁\編于星期三\15點3.5.7.1超聲波的光學(xué)性質(zhì)

自然也可以用固體物質(zhì)來做成超聲波透鏡，不過這時候應(yīng)該采用這樣的固體材料，使得超聲波在其中的傳播速度比在液體或氣體中的傳播速度大得多。這樣用固體物質(zhì)做成透鏡時，如果要集中超聲波射就必須把它做凹透鏡的形狀，若要發(fā)散超聲波射線便把它做凸透鏡形狀。如圖所示。

當(dāng)前第24頁\共有37頁\編于星期三\15點3.5.7.1超聲波的光學(xué)性質(zhì)

上圖是用固體物質(zhì)做成的超聲波透鏡。石英片1產(chǎn)生超聲波振動，超聲波射線全部進(jìn)入用有機玻璃做成的凹形透鏡3。2是水，是用金屬薄片封住的，這樣一來可以防止當(dāng)將超聲波透鏡沉浸在別種液體中使用時有機玻璃與液體發(fā)生化學(xué)腐蝕作用。

當(dāng)前第25頁\共有37頁\編于星期三\15點3.5.7.1超聲波的光學(xué)性質(zhì)

即使是比較弱的起聲波振動，在經(jīng)過透鏡的聚焦后，也可以將能量都集中在一點，這就使這一點上的振動大為增加。例如，把并不強烈的超聲波振動通入油溶液中時，平時只能從油表面升起的一些氣泡知道它的存在，但是若在油中安置一個聚焦超聲波的系統(tǒng)。那么，它既能使超聲波能量都集中在油溶液中的某一點上，能量驟然集中一起，可以使油溶液產(chǎn)生一條狹窄的噴泉。

超聲波的頻率越高(即它的波長越短)，它和光線的形狀也越相似?，F(xiàn)代的超聲波技術(shù)就已經(jīng)可以設(shè)法獲得幾GHz的超聲波振動，這時候超聲波的各方面的性質(zhì)幾乎都與光線的性質(zhì)相像。但是幾GHz的超聲波，也還不是所能達(dá)到的極限。當(dāng)前第26頁\共有37頁\編于星期三\15點3.5.7.2超聲波顯微鏡結(jié)構(gòu)石英薄片，發(fā)射超聲波彎曲的鐵絲，被觀察的物體超聲波透鏡石英薄片，接收聚焦后的超聲波射線

陰極射線管電極放大器電子射線管的控制電極電子射線管

當(dāng)前第27頁\共有37頁\編于星期三\15點3.5.7.2超聲波顯微鏡結(jié)構(gòu)

上圖是超聲波顯微鏡原理圖，在一個充滿著液體的容器內(nèi)懸浮著鐵絲2，石英薄片1所發(fā)射的超聲波射線集中地射向鐵絲，從鐵絲表面反射的超聲波由超聲波透鏡3進(jìn)行聚焦，而石英薄片4則是用來接收聚焦以后的超聲波射線。因為只有直射在鐵絲上的超聲波射線被反射，沒有碰到鐵絲的射線都消失在液體中了，所以實際上在接收器4上收到的已經(jīng)是鐵絲的“像”了，不過這只是一種看不見的像罷了。后面的裝置就是完成把這個不可見的像變成可視的像。

當(dāng)前第28頁\共有37頁\編于星期三\15點3.5.7.2超聲波顯微鏡結(jié)構(gòu)

接收器4上的壓力變化位置恰巧和鐵絲形狀相對應(yīng)，收到反射射線的部分壓力發(fā)生變化，沒有收到反射射線的地方就沒有壓力變化。把看不見的像轉(zhuǎn)變成肉眼可見的像，利用的是壓電效應(yīng)。由于接收石英片上的振動壓力變化，使片上的電荷分布也跟著作相應(yīng)的變化，電荷變化的強弱和壓力變化相一致。接收石英片和陰極射線管5做在一起。狹窄的陰極電子射線射到接收石英片的內(nèi)層表面上，由于電子射線在石英片上的沖擊，石英片也開始激發(fā)而發(fā)射電子。當(dāng)前第29頁\共有37頁\編于星期三\15點3.5.7.2超聲波顯微鏡結(jié)構(gòu)

石英片自己發(fā)射的電子由—個特殊的電極6收集起來。石英片上每一點發(fā)射的電子數(shù)目是和它上面的電荷數(shù)目多少有關(guān)系的。如果陰極射線射到的部分，上面的電荷數(shù)目很多，那么在石英片的這一點上就要發(fā)射較多的電子；電荷數(shù)目少，則發(fā)射的電子也少。因為在石英片每一點上發(fā)射的電子數(shù)目是不同的，所以收集電極6得到的電子數(shù)目是每一時刻不同的，因而產(chǎn)生交變的電流。當(dāng)前第30頁\共有37頁\編于星期三\15點3.5.7.2超聲波顯微鏡結(jié)構(gòu)

這個交變電流的強度變化是和石英片上的電荷變化一致的，也就是說石英片上看不見的像已變成陰極射線管里的電流變化了。陰極射線在整個石英片的表面上不停地掃射著，使上下左右都得到它的沖擊。

當(dāng)前第31頁\共有37頁\編于星期三\15點3.5.7.2超聲波顯微鏡結(jié)構(gòu)

陰極射線在石英片4上的A點開始運動(如圖)，以十分快的速度作左右的掃射，而且位置漸漸往下移動，一直到底端。陰極射線在一秒鐘內(nèi)可以來回掃射20-30行，當(dāng)射線掃遍整個石英片后，重又回到A點再重復(fù)開始運動。

當(dāng)前第32頁\共有37頁\編于星期三\15點3.5.7.2超聲波顯微鏡結(jié)構(gòu)

強度不斷變化的電流與接收石英片上的壓力變化相應(yīng)，這個電流由電極6收集，然后經(jīng)放大器7將電流加強，送到電子射線管9的控制電極8。電流強度的變化恰巧控制著電子射線管的射線強度，如果這個變化和接收石英片上的壓力變化步調(diào)一致，那么在電子射線管的熒光屏上就顯示出原來物體的放大像。這就完成了顯微鏡的“顯微”任務(wù)

：類似示波器當(dāng)前第33頁\共有37頁\編于星期三\15點3.5.7.2超聲波顯微鏡結(jié)構(gòu)

有時候也采用另一種顯像的方法(上圖所示)，稱為磁透