核医学/超声成像与核医学基础物理学
这是名为核医学基础物理学的维基教科书中正在开发的一个章节。
超声成像是在医学影像中应用声纳原理，可以描绘出内部器官的表面及其内部结构（参见下图）。这种成像方式的优势在于不使用电离辐射，并且经常用于为核医学图像提供相关的解剖信息。本章提供了超声成像基本特征的概述。
在描述各种成像方法之前，我们将首先考虑声波的相关特性。
穿过空气的声波由空气压力的周期性波动组成，称为压缩和稀疏，如下图所示
这些纵波在标准温度和压力下的空气中以约330 m/s的速度传播，在密度更大的介质（如水和软组织）中传播速度更快。事实上，波的传播需要介质——请记住，“在太空中没有人能听到你的尖叫”这句话背后的物理原理，这句话曾被用来宣传电影异形，是完全正确的！
一系列压缩和稀疏被称为一个周期，如图所示。波长λ定义为一个周期的长度，频率f定义为每秒通过固定点的一个周期的数量。这些量通过著名的方程相关联
人耳对高达约20 kHz的声频敏感，频率更高的波被称为超声波。诊断超声成像使用更高的频率，范围在1-15 MHz。此范围内的低频可用于对大型深层结构成像，而高频可用于小型浅表物体。
| 介质 | 速度 (m/s) |
|---|---|
| 空气 | 331 |
| 脑 | 1,541 |
| 肾 | 1,561 |
| 肝 | 1,549 |
| 肌肉 | 1,585 |
| 脂肪 | 1,450 |
| 软组织（平均） | 1,540 |
超声波的速度与相同介质中声波的速度相同，下表列出了各种内部器官的超声波速度。请注意，超声成像中软组织通常假设速度为1,540 m/s，这代表了多种组织、肌肉和器官的平均速度。
超声波通常以脉冲的形式产生用于超声成像，脉冲之间的时间间隔用于检测体内产生的超声回波。此技术利用了所谓的脉冲回波原理，如下图所示。图的上半部分描绘了超声换能器向一个假设的物体发出一个超声脉冲，该物体假定仅由两种组织组成。图的下半部分描绘了超声脉冲遇到两种组织之间的界面后的情况。显示了一个反射脉冲向换能器传播，即回波，并且可以看到一个透射脉冲继续进入第二种组织。
脉冲（一旦由换能器产生）传播到界面以及回波脉冲返回所需的时间称为脉冲回波时间t，其测量值允许使用以下方程确定界面的深度d
请注意，在此方程中
- 使用了组织中超声的平均速度，以及
- 因子2出现是因为脉冲及其回波必须传播相同的距离，一个是从换能器到界面，另一个是从界面返回到换能器
超声换能器利用压电效应使晶体以超声频率振动。产生的振动产生压缩和稀疏脉冲，这些脉冲通过组织传播。然后，由组织界面产生的回波由相同的晶体检测——再次利用压电效应。
超声脉冲在穿过组织时会衰减，当它遇到组织界面时会产生四种现象，如下图所示
| 界面 | 反射系数 (%) |
|---|---|
| 软组织 – 空气 | 99.9 |
| 脂肪 – 肌肉 | 1.08 |
| 脂肪 – 肾脏 | 0.64 |
| 肌肉 – 肝脏 | 1.5 |
脉冲中的一些能量通过称为非镜面反射的过程散射，一些能量通过镜面反射过程产生回波，一些能量透射过界面在其他界面产生进一步的回波，并且少量能量被吸收。界面的反射率取决于所涉及的两种组织的声阻抗，表中显示了代表性值。
请注意，表中显示了软组织-空气界面可能发生巨大的反射。正是由于这个原因，在换能器和患者皮肤之间使用了耦合介质。表中可以看出，内部反射约为1%，为成像目的提供了有用的透明度。
下图显示了超声系统的一个简化框图。所示类型的扫描仪使用线性阵列换能器工作，我们很快就会更多地了解它。我们可以看到图中右上方的主定时器。该电路设置了换能器每秒产生的超声脉冲数量——一个称为脉冲重复频率（PRF）的因素。还可以看到，由换能器拾取的回波脉冲被接收放大器放大，其输出在馈送到扫描转换器之前被解调，以便可以显示检测到的回波的位置和幅度。
时间增益补偿（TGC）电路提供对回波信号的选择性放大，以便补偿远处超声回波的衰减并抑制更近处的回波。开关阵列用于激励换能器中的多个晶体，如下图所示
在最简单的配置中，每个晶体依次产生一个超声脉冲，以便可以快速连续地对组织的连续线进行超声波照射。
超声图像称为B模式扫描，包括组织横截面中回波模式的二维表示，换能器位置位于图像顶部。产生回波的组织界面的位置通常由深色背景上的明亮像素表示，每个回波信号的幅度由像素值表示——请参见右侧的图像。
所示图像实际上是使用一种称为相控阵的更复杂的换能器获取的，该换能器产生扇形扫描。这种类型的换能器也使用线性阵列的小晶体，但它们以复杂的定时序列被激励，由延迟电路控制——如下图所示。超声波束可以通过这种方式转向以扫描区域，同时同时聚焦在不同的深度。
还有许多其他换能器设计，每种设计在不同的临床应用中都具有特定的优势。下面显示了两种机械换能器设计作为示例。左图显示了一个在扫描过程中前后摇摆的单个晶体的换能器，而右图显示了一个单个晶体的旋转排列。
扫描转换电路的组件如下图所示
该图说明了使用模数转换器（ADC）对模拟回波信号进行数字化以及在存储到随机存取存储器之前使用输入查找表（ILUT）对数字数据进行预处理的过程。此内存按用于扫描患者的顺序填充，并以适合显示设备（通常是液晶显示器）的方式读出。在显示之前，可以使用输出查找表（OLUT）对图像数据进行后处理，以便可以应用对比度增强和其他处理功能。请注意，我们在本书的另一章中以更通用的形式遇到了这种类型的数字图像处理。标有μP的框代表一个微处理器，用于控制此扫描转换电路以及扫描仪的许多其他功能，例如用于相控阵发射和接收的定时。
超声成像中广泛使用的数字图像分辨率为 512 x 512 x 8 位 - 下面提供了之前显示的肝脏扫描中心区域的放大视图，以说明数据的数字特性。
本节以超声系统和典型探头的照片结束。
多普勒效应广泛应用于移动物体的远程测量，并且可以用于医学超声生成流动血液的图像（和声音！）。这种效应由所有波状现象（无论是纵波还是横波）都表现出来，例如，已经使用光来揭示我们生活在一个不断膨胀的宇宙中！它也被用于高速公路测速仪中的无线电波，并且当救护车鸣笛经过时，可以通过声波体验到。
让我们以火车引擎鸣笛为例，如下面的图表所示。
当火车静止不动，并且没有风吹过时，声音将从汽笛向各个方向均匀发出，如左侧所示。然而，当火车移动时，声音频率在向前方向会增加，在相反方向会减少，如右侧所示，其程度取决于火车的速度。静止的听众所体验到的这种声波频率的表观变化称为多普勒频移。
利用多普勒效应检测血流的情况在下图中说明。
该图显示了一个放置在皮肤上并以 θ 角指向血管的多普勒探头，该血管包含以 u m/s 的速度流动的血液，在任何时刻。换能器发出频率为 fo 的超声波，并且由血液中移动的反射体（例如红细胞）产生的回波具有频率 fr。这两个频率之间的差异 Δf 与流动反射体的速度通过以下公式相关联。
其中 v 是声音在介质中的速度。
因此，例如，当在医学中应用频率在 2-10 MHz 范围内的超声波来检测动脉中流动的血液（典型速度为 0-5 m/s）时，上述方程表明频率差异将在声音频率的可听范围内，即 0-15 kHz。因此，它们的信号可以通过扬声器馈送，以便可以听到这种声音。
还可以检查多普勒频移的频率内容，通过计算其傅里叶变换来检查心脏周期中血流速度分布的细微细节。然而，更常见的是使用彩色血流或彩色能量成像等技术生成血管内频率偏移分布的图像。这些技术用于自动将多普勒信号与 B 型超声图像融合，如下所示。
彩色血流处理对血流方向敏感，即它可以检测正负多普勒频移，并使用颜色查找表（CLUT），以便一个方向的频移以红色阴影显示，另一个方向的频移以蓝色阴影显示 - 如上图左侧所示的患者的颈静脉和颈动脉所示。用于此类成像的超声系统简化方框图如下所示。
该系统使用波束形成电路以快速交替的方式激发相控阵换能器的晶体，用于 B 型成像和多普勒频移检测，回波信号被馈送到 B 型扫描电路，多普勒信号被馈送到自相关检测器进行分析。然后，这些电路的输出数据在扫描转换和格式化电路内混合，然后显示融合图像。
最后一点，请注意，上面显示的彩色能量图像不包含任何血流方向信息，因为此技术计算的是反射的多普勒频移脉冲的功率，而不是其频率内容。