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关于医学超声中的谐波和次谐波
医学超声在医学诊断中起着十分重要的作用。但是医学超声所包含的
诊断技术,无论是B型成像还是血流检测,一般都沿用了线性声学的规律。
从低廉的普及型仪器到昂贵的高档设备,都作为线性系统进入应用领域。这
种医学超声中的线性现象以往占了主导地位,形成超声诊断的主流。但是线
性是相对的、局部的,非线性是绝对的、全面的,甚至有人提出世界是非线
性的。实际上医学超声中存在着非线性现象。过去它处于次要地位而被忽
略,但是随着人们对事物本质研究的深入,以往被忽略的非线性现象都在某
种场合显示其重要性,研究医学超声中非线性现象有助于人们进一步提高现有
的诊断水平。近年来产生的谐波技术[1-6]就是非线性声学在超声诊断中的一项
有应用成效的新技术。
谐波原理
一、传播过程中的非线性
换能器发射频率为f的声波,在人体组织(介质)中以纵波形式传播,即
0
形成组织的压缩和稀疏。线性声学认为波在均匀介质中传播速度各处相等
(C)。当计入非线性效应时,声波在均匀介质中x点的传播速度C(x)不再都
0
是常数C。在波的压缩区,C(x)C,在波的稀疏区,C(x)C。因此,用
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简谐波形激励换能器所产生的声波,由于传播过程中各点的传播速度不同而导
致了波形畸变,即变为非简谐波形。波形的畸变意味着谐波的产生。
根据非线性声学,传播过程中产生的谐波,随着传播距离增大而增加,
即产生集合(build-up)。但是,衰减却也随着传播距离增大而增大。两者综
合的结果,使换能器接收到。表浅组织的谐波回波较小(表皮的谐波为零)。
集合作用使谐波回波随距离而逐渐增加。某一深度到达极值,后以衰减作用
为主,谐波回波随距离而逐渐增小。
二、入射/反射关系的非线性
线性声学认为反射波的强度与入射波的强度呈正比,但是计及非线性效
应,反射波的强度不与入射波呈正比。这就导致在回波信号中除了有基波外还
有谐波成份。
UCA(ultrasoundcontrastagent)
国人将UCA俗称为超声造影剂,正式译名应为超声增强剂。UCA进入人
体待查部位,利用声学特性的差异,可以人为地增大待查部位与周围组织之
间的差异,从而获得更多的信息,便于诊断[7]。UCA的超声特性,与目前
医学超声技术有关的,主要有二点:
一、UCA微气泡的散射截面积高于其几何截面积几个数量级
所谓散射截面是指入射波被散射的(散射)功率与入射波的强度之比。通过
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简单的计算就可以看到微气泡的截面要比同样大小的固体粒子大10倍。这就
是UCA的显像要比别的散射体(例如红细胞)强的原因所在。
二、UCA非线性效应大
入射波遇到微气泡产生散射。由于入射/散射之间强度关系的非线性,将
会产生基波和谐波。含气泡的UCA因其非线性参数约为人体组织的几十倍甚至
一百倍,这一比例意味着UCA所产生的谐波要比周围组织中产生的谐波高几十
倍甚至一百倍。显然对于那种背景信号非常强而病灶信号较弱的环境,注入
UCA后检测其倍频(2次谐波),回波将会获得比原先基波像更为清晰的像。
由此可见UCA可用作一般超声像(基波像)血流信号的增强,也可用来产生
谐波技术包括成像和血流检测。
自然谐波成像(nativeharmonicimaging)或组织谐波成像(tissue
harmonicimaging)
将以往的B型成像技术变为发射基波(频),接收谐波(频)。此种成像技
术称为自然谐波成像或组织谐波成像。相比之下,它比UCA谐波成像具有无
创伤的特点而更受受检者的欢迎。应该说,组织本身所产生的谐波信号来得
小,要能在不注入UCA的情况下得到组织的谐波像,有赖于发射强度和接收
灵敏度的提高。由于受到超声安全强度的限制,后者即成像系统的灵敏度,
更为
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