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本期我们就来谈一下超声成像和声速之间的关系。 首先，咱们先来讨论一下什么是声速。声速，顾名思义它就是超声波在介质中的传播速度，在这里所说的介质指的是人体。看到这，应该会有小伙伴立马想到超声波在人体中的传播速度是1540m/s，其实超声波在人体的不同组织中传播速度是不一样的。 举个栗子，还记不记得下面这幅图呢？耳朵在紧贴桌面的一侧和离开桌面的一侧听到的声音是不同的。这是因为声波在固体和空气两种不同得介质中传播的速度不同，所以离开桌子的一侧听到的是空气中传来的声音，而紧贴桌子的一侧听到的是固体桌面传来的。超声波也属于声波，它的传播速度同样也受到了介质的影响。 图1. 声音在固体和空气中传播实验 我们这里所说得超声成像作用于人体，超声波在人体中传播时会经过多种不同的介质，首先超声波会经过声耦合剂，其次是皮肤表面，然后是脂肪层，器官，乃至骨组织。生物组织是相当复杂的，仅就组织而言，即使是单一器官，其组织成分（水，蛋白质，脂肪等），组成结构（纤维，结缔，脉管，血流等）都会有一定的空间、时间随机性。这使得声波在不同的组织和器官、甚至同一组织中传播时它的声学特性（声速等）难以获得统一的标准值。 超声波在传播时的速度受到了传播介质的影响，并将这种影响带进了超声成像的系统以及相关功能中。超声系统中声速的不匹配会造成图像质量不佳，如图像变形，相位不准确，对比度下降等问题。 超声探头由许多小阵元构，在发射超声波时每个小阵元向目标介质发射同心圆波束，当多个阵元同时发射同心圆波束时，由于超声波之间的互相干扰，波束可能被加强可能被削弱。 在超声成像的时候，我们希望同心圆波束在目标点聚焦得到最强的叠加能量，由于波束的聚焦需要超声波在不同的距离上同时到达聚焦点，而这就涉及到超声波在介质中的传播速度问题，若系统声速与组织声速不匹配，则波束无法形成发射的聚焦，接收聚焦时也是同样的道理。我们做了以下实验来说明超声声速的不合理会导致图像质量的下降 -- 在标准超声仿体(仿生物体组织模型)上声速为1540时靶点质量最佳，将声速设置为1500m/s和1600m/s，观察靶点在体膜的情况。 图2. 不同声速下体膜靶点的成像 在标准仿体上，使用1540m/s的声速它的靶点形状圆润，对比度和分辨率最好，把声速换成1500m/s和1600m/s后，靶点发生变形，分辨率也随之变差。可见，声速的不匹配会造成变形、对比度下降等影响成像质量的问题。 声速的不匹配也会引起测量的不准确，例如在图3中左图为测量血管的直径，就好比在两物体之间使用超声波测距，声速确定的情况下，超声波的发射时间与接收时间差便是它的飞行时间，这样就轻而易举的算出了两物体之间的距离，但是在超声成像系统中，由于声速受到介质的影响，真实声速与系统声速若不匹配，这样就可能会带来测量的误差，严重的话甚至会引起误诊。 图3. 测量血管直径(左图)和测量血管面积(右图) 1540m/s的来源 自上世纪50年代以来，许多砖家学者对人体组织的声学特性进行了研究，并都得出了超声波在不同组织中的传播速度：其中，在骨骼中的传播速度为3700m/s；肌肉中传播速度约为1580m/s；乳房中传播速度仅为1420m/s。 而现有的超声系统上常采用1540m/s作为系统声速，那么这个声速值1540是怎么来的呢？ 乔治·路德维希 它是由超声医学之父—乔治·路德维希测定的。乔治·路德维希于1944年在圣文森特学院获得化学学士学位，于1946年在宾夕法尼亚大学获得医学学位。毕业后，在1947年至1949年期间，路德维希在马里兰州贝瑟达的海军医学研究所担任中尉。1949年，他发表了一份长达49页的报告，系统介绍了利用超声脉冲回声技术实现人体内部器官和病变的定位和探测的方法，其中提到了超上在软组织中的平均速度的测定过程(介绍了1540的测定过程)。 知晓超声在软组织中的传播速度是超声定位的基础，可以说乔治·路德维希这一工作是后来各种超声诊断仪器应用的先驱工作。在超声成像时会使用三个物理假定：①声束在介质中直线传播②各介质中声速均匀一致③各介质中吸收系数均匀一致。其中声速均匀一致采用的是人体软组织中的平均声速值c=1540m/s。 曾经有人问老蒋，我们可以在图像上测量已知的两点之间的距离和两点之间超声波的传播时间来确定超声在不同组织中的速度吗？这其实是一个本末倒置的想法。这个方法的前提是已经获得该组织区域的图像才能测量出两点之间的距离，可是超声成像是在假设超声在人体中成像速度已知的条件下进行的，没有假设速度已知的前提，就不能得到不同深度下的回波信号，波束合成无法进行，超声成像便无从谈起。 于是，在超声成像系统中使用均一声速1540后为了提高成像效果，攻城狮们又有了一个“大胆”的想法——对声速进一步的优化得到与组织匹配的系统声速。现如今已经提出了很多种声速优化算法： 1. 采用多组织不同角度的感兴趣区域图像配准得到最佳的声速； 2. 通过观察超声图像性质以对比度作为切入点，来判断最优声速。 3. 通过计算超声波束的接收延时，反演出组织的真实声速。 此类算法的目标区域通常使用的是聚焦区域，优化后将目标区域的最优声速作为全局的系统声速用于成像。 |
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