医学超声成像

　　医学超声成像(超声检查、超声诊断学，sonography)是一种基于超声波的医学影像学诊断技术，使肌肉和内脏器官 - 包括其大小、结构和病理学病灶——可视化。产科超声检查在妊娠时的产前诊断广泛使用。

　　超声频率的选择是对影像的空间分辨率和患者探查深度的折中。典型的诊断超声扫描操作采用的频率范围为2至13MHz。

　　虽然物理学上使用的名词“超声”用于指所有频率在人耳听阈上限(20KHz)以上，但在医学影像学中通常指频带比其高百倍以上的声波。

　　什么是超声波？

　　超声波是指任何声波或振动，其频率超過人类耳朵可以听到的最高阈值20KHz。超声波由于其高频特性而被广泛应用于众多领域，比如金属探伤、工件清洗等。

　　超声波在军事、医疗以及工业中有较大的用途，按功率的大小可分为功率超声和检测超声。功率超声的应用包括焊接、钻孔、粉碎、清洗、乳化等，它们多属于只发射不接受的超声设备。目前人们对超声加工的确切机理仍未透彻认识。检测超声在军事中的应用有雷达定位等。医用超声波可以看穿肌肉及软组织，使得这项技术常用來扫描很多器官，以协助医疗上的诊断和治疗。产科超声波也常用在怀孕时期的检查。医生可以利用超声波成像法透视身体，但由於超声波不能穿透骨头，所以虽然超声波对人体伤害比较低，但仍不能完全取代Ｘ光。典型超音波大約2MHz到10MHz的频率，较高频率通常用在泌尿道碎石振波。检测超声波设备有发射又有接收。

　　超声波亦可用于清洁用途,是目前清洗效果最佳的方式，一般认为是这利用了超声在液体中的“空化作用”。超声波清洗的清洁原理在于利用超声波振动清水，使微細的气泡在水里产生，从而在气泡浮上水面时，把物件表面的油脂或污垢帶走。清洗机所产生的超声波频率约为20-40KHz，可应用在珠宝、镜片或其他光学仪器、牙医用具、外科手术用具及工业零件的清洗。

　　除可以发出较低频率的纯机械的超声哨子以外，一般超声设备有超声电源，换能器，变幅杆，工具头等构成。换能器有压电陶瓷换能器和磁致换能器两种。换能器和变幅杆的理论也可认为是一种专门的学科。

　　超声成像原理

　　不管是医疗还是工业用超声波系统均采用聚焦成像技术，该技术所能达到的成像性能远超过单通道的方法。采用阵列接收机，通过时间平移(time shifting)、缩放以及智能求和(summing)回声能量，可构建高清晰度的图像。时间平移的概念以及缩放传感器阵列所接收的信号提供了对扫描区域单点“聚焦”的能力。通过一定的顺序聚焦于不同的点，最终汇集成像。

　　在扫描开始时，将产生一个脉冲信号并通过每一8至512传感器的单元发出。此脉冲将定时且定量的“照射”人体的特定区域。在发射之后，传感器单元立即切换至接收模式。上述脉冲此时将构成机械能的形态，以高频声波传播通过人体，典型频率范围介于1MHz至15MHz之间。随着传播的进行，信号急剧衰减，衰减量与传播距离的平方成反比。而随着信号的传播，一部分波前能量将被反射。这部分发射即为回波，将为接收电子器件所检测。由于反射靠近人体的表皮，直接反射的信号将十分强，而历经一段时间之后，反射所发出的脉冲将非常微弱，这是源于人体深处的反射。

　　传输至人体内部的总能量是有限的，因此业界必须开发出极为敏感的接收电子器件。在接近于皮肤的聚焦点，接收的回波非常强，仅需要很小乃至不需要任何的放大。此区域被称为近区(near field)。但在深入人体的聚焦点，接收回波将异常的微弱，需要放大上千倍乃至更多。此区域被称为远区(far field)。这两个区域分别处于接收电子器件所必须处理的两个极端。在高增益模式(远区)下，对性能的限制主要源于接收链路中所有噪声信号源的叠加。对接收噪声影响最大的两个因素分别为传感器/电缆线的组装(assembly)以及用于接收低噪声放大器(LNA)。在低增益模式(近区)下，对性能的限制主要由输入信号的量级界定。上述两个区域信号之间的比率定义了系统的动态范围。许多接收链路都集成了低噪声的可变增益放大器。

　　超声波/便携式超声波

　　低通滤波器典型的应用于VCA(值控制放大器)及ADC之间，用于反锯齿(anti-aliasing)滤波并限制噪声带宽。依赖于特定系统的2至5极点滤波器，在此可采用线性相位拓扑。在选择运算放大器时，首要的考虑因素包括了信号摆幅、最低及最高输入频率、谐波失真及增益需求。模数转换器(ADC)典型为10至12位。信噪比(SNR)及功耗是最着重考虑的问题，随后是通道的集成。