工程声学/生物医学超声

生物医学超声

工程声学维基教科书的这一章简要概述了生物医学超声应用，并提供了一些超声波束的入门声学分析。总的来说，生物医学超声领域包含许多基础学科，提供了大量研究主题。因此，这个有限的条目并没有涵盖生物医学超声的所有方面，而是选择专注于为读者提供入门理解，以便进行更深入的研究。对于希望了解更多生物医学超声信息的读者，建议参考 Cobbold 在 2007 年出版的书籍 。

诊断应用

生物医学超声最广为人知的应用是医学影像，也称为超声波成像。有关超声波成像的具体应用列表，请参阅相应的 维基百科条目。以下部分定性地描述了用于产生和捕获超声图像中使用的声信号的声学过程。

超声换能器发射一个短的、高频率的声脉冲。根据应用的不同，波频率范围在 1 MHz 到 15 MHz 之间。 当发射的声波传播时，它们将在遇到的任何声阻抗 (ρc) 变化处被部分反射或散射。在生物医学成像的背景下，这对应于人体中密度发生变化的任何地方：例如骨骼与肌肉的连接、血浆中的血细胞、器官中的微小结构等。

反射波的行为很大程度上取决于反射特征的大小和发射声波的波长。当波长相对于反射结构很短时，反射将根据声波传输和反射的原理进行，具有正常或倾斜的界面。 当波长相对于结构很长时，声散射的原理 适用。后一种情况，在小反射源中发生，设定了超声成像中使用频率的要求。正如 Cobbold 所讨论的， 对平面波入射到有效半径为 a 的球形反射源上的分析表明，散射波的声强 I_s 随以下变化而变化

$I_{s}\propto {\frac {a^{6}}{\lambda ^{4}}}$

这种关系表明，当波长相对于散射源的有效半径很长时，散射的能量变得非常小，因此入射波中只有可忽略的量会被反射回换能器。为了可靠地捕捉超声图像中的特征，发射的波长必须小于感兴趣的特征。波长也有其他考虑因素：由于传播波的衰减，较低的频率提供了更大的成像深度，而较高的频率（波长较小）提供了提高发射波束横向聚焦的能力（在焦点处波束宽度较小，见下文）。 表 1 给出了超声成像中使用的几个频率在水中的频率与波长之间的关系 (λ = c/f)。

表 1：医学超声频率及其对应的波长。

频率 (MHz)	1	2	5	8	10	12	15
波长 (mm)	1.50	0.75	0.30	0.19	0.15	0.13	0.10

在发射波束后，超声换能器可以充当接收器，类似于麦克风或水听器。从结构和密度梯度反射的波返回换能器并被记录下来。发射和接收信号之间的时间延迟与反射源的距离相关，而接收信号的强度与反射源的声阻抗和大小相关。 在使用多普勒超声成像的情况下，发射和接收信号之间的频率偏移可以与反射源的速度相关。

现代超声波成像使用小型换能器阵列，每个换能器都通过电子方式单独控制以实现一种称为 波束形成 的效果。使用这种技术时，控制阵列元件之间的相位关系会导致对发射波束的方向和焦深进行控制。 为了产生二维超声图像，超声波束的焦点位置在一个区域内扫描，并且记录的反射波与特定的焦点位置相关。实现这个一般概念的具体过程因超声波成像仪器而异。图 1 显示了一个在二维平面内扫描焦点位置产生的二维图像示例。

图 1：二维产科超声图像。

临床和治疗应用

许多重要的临床和治疗应用利用高强度聚焦超声波束。在许多这些应用中，治疗效果是由于与高强度声波束耗散相关的热量产生而实现的。在一些应用中，例如碎石术，治疗效果是通过声学非线性获得的，导致波形变形和冲击波形成。这种效应将在后续章节中详细讨论。

以下是超声治疗应用的 部分清单。

• 超声有时用于牙科保健师清洁牙齿。
• 聚焦超声可用于产生高度局部的热量来治疗囊肿和肿瘤（良性或恶性）。这被称为聚焦超声手术 (FUS) 或高强度聚焦超声 (HIFU)。这些程序通常使用比医疗诊断超声更低的频率（从 250 kHz 到 2000 kHz），但能量明显更高。
• 聚焦超声可用于通过碎石术来粉碎肾结石。
• 超声可用于通过超声乳化进行白内障治疗。
• 最近发现了低强度超声的其他生理效应，例如刺激骨骼生长的能力，以及破坏血脑屏障以用于药物递送的潜力。

超声波束的声学特性

作为一阶近似，可以认为超声波束是由无限挡板上的平面圆形活塞振动产生的。在实践中，这种系统会导致声束的相对高扩散、严重的旁瓣，以及无法选择声能的焦距。在当前的生物医学应用中，相控阵的使用是一种常见的方法，它源于更一般的被称为波束形成的领域。尽管平面换能器存在局限性，但其相对简单的分析有助于说明任何形成的波束的基本特性以及设计更先进系统的挑战。

用于简单圆柱换能器的分析方法出现在许多声学参考书籍中，例如 Pierce 的书籍 、Kinsler 等人的书籍 以及 Cheeke 的书籍 。声场解是首先考虑单个点源（小球体）在自由空间中振动产生的声音而获得的。由此点源产生的声压场为

${\boldsymbol {P}}=i\left({\frac {\rho _{o}cU_{o}ka^{2}}{r}}\right)e^{-ikr}$

$I(r)={\frac {1}{2}}\rho _{o}c_{o}U_{o}^{2}\left({\frac {a}{r}}\right)^{2}\left(ka\right)^{2}$

其中 P(r) 是径向距离 r 处的谐波压强幅值，ρ_o 是流体密度，c_o 是流体声速，U_o 是球形源的最大速度，a 是球体半径，k = 2πf/c_o 是波数。在前面的方程中，i = -1^1/2，它将幅值和相位都合并到谐波压强变量中。

为了将此结果应用于超声换能器作为圆柱形辐射器，可以将圆柱表面上的每个微分截面视为一个单独的球形源。由此近似得到的声场是每个球形源的积分和。通常，得到的方程无法进行解析积分；但是，当考虑场中 r >> a 的区域时，其中 a 现在是圆柱半径，就会得到一个简单的结果。省略完整的推导（参考 Kinsler 或 Cheeke ），产生的声场和声强方程为

${\boldsymbol {P}}(r,\theta )=i\left({\tfrac {1}{2}}\rho _{o}c_{o}U_{o}{\frac {a}{r}}ka\right)H(\theta )e^{-ikr},$

$H(\theta )={\frac {2J_{1}(ka\sin \theta )}{ka\sin \theta }},$

$I(r,\theta )={\frac {|{\boldsymbol {P}}(r)|^{2}}{2\rho _{o}c_{o}}},$

其中 H(θ) 是方向性函数，J₁ 是第一类贝塞尔函数，I(r) 是以 W/m² 为单位的声强。从物理上讲，方向性函数表示不平行于圆柱轴的波束角的压强幅值。值得注意的是，贝塞尔函数的根会产生一定角度的波束，其幅值为零；这些角度之间的区域被称为旁瓣，轴上分量被称为主瓣。从物理上讲，旁瓣是源自圆柱换能器不同部分的波的相位相互作用的结果，在某种程度上类似于简单谐波中的压强节点。

为了说明超声波束中旁瓣现象，计算了使用 1 厘米半径换能器将 1 MHz 波束发射到水中的方向性函数和声强。图 2 绘制了方向性函数，而图 3 绘制了相对于换能器表面声强的声强。

图 2：1 厘米半径圆柱体将 1 MHz 超声波辐射到水中的波束函数。

图 3：1 厘米半径圆柱体将 1 MHz 超声波辐射到水中的归一化声强场。

在诊断和治疗性超声中，旁瓣的存在是一种不良影响。在诊断成像中，源自旁瓣的波反射会被误解为来自主波束的反射，从而降低成像质量。在治疗应用中，旁瓣代表了能量在非目标区域的消散。为了减少旁瓣的影响，超声设备使用基于波束形成理论的换能器设计，这使得分析比讨论的简单圆柱形换能器复杂得多。一种减少旁瓣的技术是使用相控阵将主波束聚焦在特定深度，从而降低旁瓣的相对幅度。另一种称为声影的技術通过在换能器边缘附近发射较低幅度的波来减少旁瓣。正如将在下一节中讨论的那样，一种新兴的技术是通过有意考虑超声波束中的非线性声学效应来增强聚焦并减少旁瓣。

生物医学超声中的非线性声学

在许多与声学理论应用相关的领域，线性波传播的假设就足够了。然而，在生物医学超声中，声波的传播通常伴随着由于非线性有限振幅效应而产生的渐进波形失真。在许多诊断应用中最感兴趣的非线性效应是超声波束中谐波的产生。作为本节的入门，建议回顾非线性声学参数和谐波产生。

与生物医学超声相关的非线性现象相对较弱，因此它们对传播声波的影响随着距离的增加而累积。为了产生明显的谐波，应满足四个条件：

• 足够大的压力和速度振幅。几乎所有生物医学超声应用中发射的波都满足这一要求。
• 在接近平面波条件下有足够的传播距离。对于方向性波束，例如在超声成像中使用的波束，该条件在大致满足瑞利距离，x = 1/2 ka²，在主波束内。 此外，谐波产生与传播的波长数量成正比，而不是与绝对距离成正比。所使用的超声频率具有非常短的波长，例如，一个 10 MHz 的波必须传播 500 个波长才能达到 10 cm 的焦距。
• 足够大的非线性参数值，B/A。对于相同的声强，具有更高 B/A 值的材料将更快地产生谐波。水的 B/A 值是空气的十倍，而某些生物组织的 B/A 值可以是水的两倍。
• 低声学吸收。在许多具有高 B/A 值的组织中，声学吸收值也很高。随着频率的增加，波的耗散程度也增加，因此生成的谐波比基频更容易被吸收。这种效应降低了生物组织中 B/A 的影响，使其相对于低损耗流体的影响减弱。

回顾这些条件，可以看出在许多情况下，生物医学超声中谐波产生将是显著的。有两个正在开发的应用利用了这种谐波产生：

• 在记录的超声成像信号中使用谐波成分。由于声强和传播距离在主波束上最高，因此谐波产生在主波束上最为显著，而在旁瓣上则较小。因此，由二次谐波产生的波束图比由基频产生的波束更具方向性。这有可能提高最终图像的质量。
• 使用 B/A 参数对组织进行特征分析的谐波谱分析。参考非线性声学参数，对于声阻抗方面类似的组织，B/A 值会有所不同。因此，超声波中的谐波成分有可能产生与组织的 B/A 参数相关的图像。该概念的实际实现是一个正在开发的领域，因为目前的成像方法无法利用这种潜力。

外部链接

• 医用超声换能器