超声成像中编码激励方法的研究_张香林.doc

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1、单 位 代 码 ： 1 0 1 8 3 密 级 ： 公 开 分类号： 0426.2 研究生学号： 2008522139超声成像中编码激励方法的研究 Research on Coded Excitation Method in Ultrasonic Imaging 作者姓名：张香林 专 业：信号与信息处理 研究方向：超声成像信号处理 指导教师：姚桂锦副教授 培养单位：通信工程学院 2011 年 05 月 Research on Coded Excitation Method in Ultrasonic Imaging 超声成像中编码激励方法的研究 作者姓名：张香林 专业名称：信号与信息处理 指导

2、教师：姚桂锦副教授 学位类别：学位硕士 答辩日期： 2011年 6 月 4曰 未经本论文作者的书面授权，依法收存和保管本论文 书面版本、电子版本的任何单位和个人，均不得对本论文 的全部或部分内容进行任何形式的复制、修改、发行、出 租、改编等有碍作者著作权的商业性使用 （ 但纯学术性使 用不在此限）。否 则，应承担侵权的法律责任。 吉林大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式

3、标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 超声成像中编码激励方法的研究 摘要 在超声成像系统，特别是医学超声成像系统中，图像分辨率和探测深度是评 价成 像质量的两个重要因素。在传统超声成像中，图像分辨率和探测深度这两个 因素互为矛盾，提高图像分辨率就会降低探测深度，反之亦然。为解决这一矛盾， 近年来在超声成像系统中逐渐引入了编码激励技术。编码激励技术能够在保证图 像分辨率的同时，提高图像的信噪比或探测深度。由于超声成像的时间带宽积 (ra)较小，编码激励系统设计和选择也远比传统超声脉冲回波系统复杂，因此编 码激励方法在超声成像系统中还有很多值得研究的内容。其中选择

4、合理的编码激 励方式和压缩方法，仍然是超声成像编码激励技术研究中的一个热点。 本论文主要对采用 不同的编码激励方法对超声成像系统图像质量的影响或 改善进行了理论研究和数值仿真分析。着重采用线性调频 Chirp 信号、 Barker 码 和互补 Golay 码作为发射信号，在接收端采用匹配滤波器进行脉冲压缩的编码激 励方法，并把仿真结果与传统单脉冲成像方法进行比较分析，验证了编码激励成 像系统相对于传统脉冲回波成像系统，能够提高回波信噪比和增强探测深度。 本论文首先介绍了编码激励成像系统的基本原理，分析了采用编码激励技术 如何提高超声图像信噪比，并给出了编码激励系统的评价指标。接着详细介绍了 线

5、性调频 Chirp 信号 、 Barker 码和互补 Golay 码三种发射编码信号及其特点。然 后，分别对三种编码激励超声回波系统进行仿真研究，并对仿真结果进行了比较， 结果表明，相对于传统脉冲激励，三种编码激励均能在主瓣宽度损失较小的情况 下增加信噪比，但都存在不足之处。同时，还分析了超声换能器带宽对不同周期 互补 Golay 编码激励回波的影响，仿真结果表明 2 周期的互补 Golay 码更适合带 宽受限的超声换能器。 最后，本文在超声回波系统中引入 Golay-Chirp 编码激励，它用 Chirp 信号 调制 Golay互补码。该信号既有 Chirp 信号 良好的抗噪能力，又有 Go

6、lay 码自相 关优异、码长较长的优点。将该方法与 Golay 编码激励方法进行比较研究，仿真 结果表明， Golay-Chirp 编码激励方法能获得更高的信噪比，能更好的抑制噪声 对超声回波结果的影响。 关键词 : 超声成像，编码激励，脉冲压缩，分辨率，探测深度， SNR Research on Coded Excitation Method in Ultrasonic Imaging ABSTRACT Resolution and penetration are primary criteria for ultrasonic image quality. Conventionally, p

7、enetration was often achieved by lowering the image resolution and resolution was achieved by reducing penetration depth, which results in a tradeoff between resolution and penetration. In recent years, the coded excitation technology is applied in ultrasonic imaging system. Coded excitation extends

8、 the bounds of this tradeoff by increasing signal-to-noise ratio (SNR) or improving ultrasound penetration corresponding and retaining the resolution simultaneously. Coded excitation is not applied in the ultrasonic imaging system extensive because of the small time bandwidth product (TB) of ultraso

9、nic imaging ,more complex system than traditional pulse-echo system and other reasons. Choosing good coding mode and pulse compression method to further improve the quality of the ultrasonic image is still a hot spot of ultrasonic imaging system research. In this paper, the coded excitation system t

10、o improve the quality of ultrasonic images is researched from theory. Linear FM Chirp , Baker and complementary Golay signal are used as transmitting signal, and match filter is applied to compress pulse in the receiver. Compared with ultrasonic pluse-echo imaging system, coded excitation system has

11、 the potential of higher SNR and deeper penetration depth through the simulation. First, the basic principle of coded excitation is introduced, and the improvement of SNR of ultrasonic image with coded excitation is analyzed, then coded excitation system evaluation index is given. Next, linear FM Ch

12、irp signal, Barker and Golay code and there characteristics are described in details. Then, Chirp signal, Barker and Golay coded excitation system are simulated respectively. And compare the echo performance of three code excitation, the results showed that compared with the traditional pulse excita

13、tion, the three coding excitation all can improve the SNR with less loss of main lobe, but three coded excitation methods all exist defects. In addition, the influence of the ultrasound transducer bandwidth on selection of the different two-phase code period is analyzed in this paper. The simulation

14、 results indicate that two cycles bit length excitation is more suitable for bandwidth limited imaging transducers. At last, Golay-Chirp coded excitation method is presented in this paper, which use Chirp signal to modulate Golay code. This signal both have the good antinoise ability of Chirp signal

15、 and excellent autocorrelation, long code of Golay code. Comparison of this method with Golay excitation.The simulation results show that Golay-Chirp code excitation has good performances with higher SNR to reduce thenoise influence on the result of the ultrasonic echo. III Key Words : Ultrasonic Im

16、aging, Coded Excitation, Pulse Compression, Resolution, Penetration Depth, SNR目录 第一章绪论 . 1 1.1 超声成像技术的 发展概况 . 1 1.2 超声成像系统中编码激励技术 . 3 1.2.1 编码激励技术的研究目的和意义 . 3 1.2.2 编码激励技术的发展现状 . 3 1.3 本论文的研究内容 . 4 第二章超声成像的理论基础 . 6 2.1 超声成像的物理基础 . 6 2.1.1 超声波的传播特性 . 6 2.1.2 声强、声压和声阻抗 . 6 2.1.3 超声波的衰减 . 7 2.1.4 超声波垂直

17、入射的反射与透射 . 8 2.2 超声成像技术 . 9 2.2.1 超声成像技术分类 . 9 2.2.2 超声脉冲回波成像原理 . 10 2.2.3 超声换能器 . 11 第三章超声编码激励技术 . 12 3.1 编码激励技术基本原理 . 12 3.2 编码激励系统的评价指标 . 14 3.3 发射编码信号 . 15 3.3.1 线性调频 Chirp 信号 . 15 3.3.2 相位编码信号 . 18 3.4 脉冲压缩与匹配滤波 . 23 3.4.1 脉冲压缩技术 . 23 3.4.2 匹配滤波器 . 24 VI 第四章超声编码激励系统的仿真与分析 . 26 4.1 仿真模型 . 26 4.1

18、.1 超声换能器的冲激响应模型 . 26 4.1.2 声波反射系数 . 27 4.2 传 统脉冲激励系统的仿真 . 28 4.3 编码激励回波的仿真与分析 . 29 4.3.1 Chirp 编码激励回波的仿真研究 . 30 4.3.2 Barker 编码激励回波的仿真研究 . 33 4.3.3 互补 Golay 编码激励回波的仿真研究 . 35 4.4 不同编码激励回波性能比较 . 37 第五章 Golay-Chirp 编码激励方法 . 39 5.1 Golay-Chirp 编码信号 . 39 5.2 仿真结果及分析 . 40 第六章总结与展望 . 42 6.1 雜 . 42 6.2 展望 .

19、 42 #1# . 44 W. ilt . 49 作者简介 . 50第一章绛论 1 第一章绪论 1.1 超声成像技术的发展概况 在超声检测中，超声成像技术己成为一种令人瞩目的新技术，有着非常广阔 的发展前景。超声图像可以提供直观、丰富的 2D 或 3D 信息，直接反映目标体 的声学、力学和几何特性。随着数字信号处理、计算机技术的快速发展，现代超 声成像技术很多已发展成为具有自动数据采集、自动数据处理及自动评价等多种 功能的智能系统，超声成像技术已成为超声检测领域中发展最快的一个分支 1 目前，超声成像技术已广泛地应用于医疗诊断、地质勘探、地震遥感、材料科学、 海洋研究等多个工程领域 51。 与

20、其他成像技术相比，超声成像技术的优点是：没有电离辐射，相对安全； 检测时无创伤，无痛苦；便携式超声扫描仪方便野外环境条件和行动不便患者， 不需特殊的设备；成像速度快，对活动界面可实施动态实时显示，并且显示方式 多样 6。超声成像虽然有以上所列优点，但由于成像理论和工作模式多年来没有 新的突破，目前的超声成像技术还有很多重要问题值得进一步深入研究，例如， 空间分辨率普遍不够高，成像分辨率低于 X 射线 ；超声图像易受噪声影响；帧 率低，影响人体运动器官的实时诊断等。因此，超声成像质量总的来说并不理想， 远不能满足实际需求或要求，还有很大的改进或提高空间 7。 超声成像是最早提出并得到实现的超声检

21、测技术。早在 20世纪 20年代，原 苏联科学家萨卡洛夫开始研究超声成像的原理及方法，从 1920 年起进行了近 20 年的声成像的研究，于 1935 年制作完成了液面成像装置 67。其后由于技术上的 原因，超声成像研究进展缓慢，早期的超声成像检测技术很快被其它超声检测技 术所取代。 20世纪 60年代末，随着计算机技术、电子技 术和信号处理技术的飞 速发展，声成像研究逐步开展。 70年代，人们根据声波的特点，发展出以扫描 成像技术为主的各种成像方法，形成了几种较为成熟的方法，大量商品化超声设 备上市，在医学诊断中得到了较广泛的应用，在工业材料超声检测中也逐渐得到 应用。 70年代后，数字扫描

22、技术、多阵元超声换能器技术、超声多普勒 (Doppler) 检测技术、数字声束形成技术等重要研究的突破，有利促进了医学超声诊断设备 的发展，从而促进了医学超声图像诊断的深入应用和蓬勃发展 m。目前，医学超 声成像技术与 CT、 核磁共振成像 (MIR)、 X 射 线技术一起被公认为现代四大医 学影像技术，成为现代医学影像中不可替代的支柱 6。超声成像系统正朝着数字 化成像、多普勒血流成像、三维成像、功能成像等方向发展。 (1) 数字化成像吉林大学硕士学位论文 全数字化技术在使超声图像质量提高的同时，还能改善系统的可靠性和稳定 性。其主要特点是：使用宽频带换能器，不仅能解决分辨率和穿透力的矛盾，

23、还 有可能获取完整的组织结构反射的宽频信号；前端使用高速 A/D 转换，改善系 统分 辨率；采用线性调频信号、互补 Golay 码及 Barker 码等编码激励技术，提 高图像的信噪比和成像深度 7。 在数字化超声诊断设备的开发和应用方面，美国 ATL 公司走在世界的前列， 他们于1987 年研制出了世界上的第一台全数字化超声诊断仪 8。而将超声的数字 化进一步向前推进的则是美国 GE 公司，他们在 2000 年将数字编码技术应用于 超声脉冲的编码和解码，这一处理不仅有效地放大有用的微弱信号，而且抑制回 波信号中的噪声，从多方面改善了图像的质量 9。总之，全数字化技术保证了超 声诊断设备图像更

24、清晰、更准确， 分辨率更高，大大提高了超声诊断的准确率， 直接决定着超声诊断设备的整体质量。 三维超声成像 传统的超声成像采集的是空间二维的数据，属于二维成像。计算机技术的发 展使系统可以处理大量的数据，可以通过采集多个相邻位置的二维数据得到空间 三维的数据，根据不同目的形成不同的图像，称为三维成像。近年来这方面的研 究广泛地吸引了大家注意。利用三维数据可以显示医生所需要的各个方向的图 像，包括与体表基本平行的切面或倾斜的切面图像，能从不同角度观察组织，对 一些病变可能提供重要的信息。目前，三维超声成像技术主要应用在心脏、 胎儿 形体检查及血管内三维重建。但是，三维成像技术受到成像算法、换能器

25、性能等 问题的限制，目前存在分辨率不高，帧率较低等问题 9。 (3) 功能成像 功能成像是指通过测量相关功能参数，来对某种疾病进行探查和定性诊断， 并评估病程的发展情况。这些功能参数可以是传播速度、组织密度、图像的衰减、 方向性、弹性参数等 6。超声成像在临床上主要用于实时断面成像，能直接测量 血流和运动器官的功能参数，所以功能成像多见于器官的运动和血流成像 51。 (4) 谐波成像 谐波相对于基波，时域信号更窄，频谱更宽，所以在 波束形成时，波束宽度 较窄。因此，谐波成像能有效的提髙超声图像的分辨率。不过由于声衰减量与频 率平方成比例，通常二次谐波超声信号比较微弱，有效的提取谐波信号是难点。

26、 目前，利用的谐波成像技术主要有自然组织和造影剂二次谐波成像 m。另外，分 谐波成像技术也在发展，它利用1/2或者 1/3 基频探测人体组织，可有效减少声 衰减，提高轴向分辨率 9。第一章結 论 3 1.2 超声成像系统中编码激励技术 1.2.1 编码激励技术的研究目的和意义 图像分辨率和探测深度是评价超声成像系统图像质量的两个至关重要的因 素 1 。超声成像面临的一个基本问题是由人体组织引起的声波衰减，这种衰减直 接导致了超声成像分辨率不高，探测深度不深。 在传统的脉冲回波超声成像系统中， （ 1)为了提高成像分辨率，通常采用单 脉冲激励的方式，发射超声脉冲尽可能短，信号能量微弱，在发射超声

27、的峰值声 功率接近最大允许值的情况下，实际的平均功率不到最大允许值的百分之 一，得 到的图像信噪比低，探测深度浅。 （ 2)为了提高探测深度，可以在不超过安全功 率的情况下增加发射信号的长度，但简单的加长发射信号会降低系统的分辨率 KM4。 在临床上，经常用牺牲探测深度的方法来提高图像的分辨力，反之，也经 常采用降低图像分辨率的方法来提高超声波的探测深度 112。 为解决图像分辨率和探测深度所面临的上述矛盾，受雷达系统的启发， Newhouse 将编码激励技术引入到超声成像系统中，在保证超声图像分辨率的同 时提高图像的信噪比、增加探测深度，从而改善传统激励机制的缺陷；进一步为 实现谐波 成像、

28、二维灰阶血流成像和多普勒血流测量提供了基础，对于多种临床 疾病的诊断都有着重要的研究价值 1U2。 1.2.2 编码激励技术的发展现状 编码激励技术最早应用于雷达和通讯领域， 1974年 Newhouse 将其首次引入 医学超声成像中。虽然，将雷达系统中广泛使用的编码激励技术引入超声成像已 经有四十多年的历史，但是直到最近，编码激励技术在超声成像系统中才逐渐得 到实际的应用 6。由于实时超声成像的时间带宽乘积 (TB)较小，将雷达系统中适 用的编码激励方法用于超声成像时， 会产生严重的距离旁瓣 。同时，超声编码 激励系统的电路也比传统的脉冲回波成像系统要复杂得多。因此，如何将编码激 励方法成功

29、应用到超声成像系统中，还是一个值得深入研究的问题。在诸多急待 解决的问题中，发射编码的选择尤为重要，因为其性能的高低直接关系到超声图 像的质量。 早期的编码激励系统采用白噪、伪随机 M 序列作为编码发射信号，通过匹 配滤波进行脉冲压缩。这两种编码方式脉冲压缩得到的距离旁瓣水平过高，相当 于引入了更多的噪声，与传统单脉冲成像系统相比并没有明显的优势，己逐渐被 淘汰 m9。 Chirp 信号频 率特性容易把握，而且可以解析表达，在雷达系统中已经 得到了深入的研究和较为成熟的应用；在超声成像领域中，基于 Chirp 信号的编 码激励成像系统也是相对研究最为充分的编码系统， O Donnel、 Wil

30、hjelm、吉林大学硕士学位论文 Pollakowski、 Misaridis 等人先后研究了 Chirp、 伪 Chirp 信号激励的超声成像系 统 2 _24。尽管 Chirp 和伪 Chirp 信号采用匹配滤波器进行脉冲压缩同样会 面临距离 旁瓣水平高的问题，但是通过将激励信号加窗处理、对匹配滤波器加窗或者设计 新的脉冲压缩滤波器等方法，可以获得令人满意的脉冲压缩效果，因此基于 Chirp 信号的编码激励技术得到了较快的发展 21 24。 由于二进制编码信号的发射电路和脉冲压缩滤波器相对简单，而受到人们的 关注。1979年 Y.Takeuchi 提出了一种基于 Golay 码的系统，开始

31、探讨将 Golay 互补序列引入超声编码激励系统的可能性 P5。互补 Golay序列脉冲压缩后能得到 无距离旁瓣的理想回波信号，但需要进行两次发射，超声成像中，由 于两次发射 间组织的运动，使 Golay 编码激励达不到理想的效果。这是 Golay 编码激励技术 在实际超声系统中应用的最大瓶颈，也决定了 Golay 互补序列编码激励只适合应 用于对帧频要求不高、测量较低流速的超声成像系统 127。与互补 Golay 码相比， 单次发射的二进制编码激励只需要发射一次就可以完成脉冲压缩，不会额外降低 帧频，受组织运动影响小，同样也有较好的应用前景 26。最常用的单次发射二进 制编码序列是巴格码 (

32、Barker)， 还有其它二进制最优码 27 28。 目前，医学超声成像中的编码激励 技术主要的研究方向包括： B 型超声成像、 造影剂谐波成像、多普勒血流测量、二维灰阶血流成像 (B-flow)以及三维成像等 方面，其中最基础和最主要的应用是 B 型超声成像和多普勒血流测量 17。 通用电器公司 (GE)生产的二维灰阶血流成像 (B-flow)超声诊断设备成功应用 了数字编码激励技术，以其帧频高、动态范围大、图像细节清晰等优势，第一次 让人们意识到实际应用数字编码激励技术的可能性 1 。 GE、 Siemens、 Acuson 等 国外公司，相继推出了运用编码激励技术的的超声诊断设备 27，

33、而国内在此方面 仍处于初步研究阶段，有待进一步的提高。 1.3 本论文的研究内容 将雷达系统中广泛使用的编码激励技术引入超声成像系统己经有四十多年 的历史，但直到最近，编码激励技术在超声成像系统中才逐渐得到实际应用。如 何将编码激励技术成功应用到超声成像系统中，还是一个值得研究的问题。在诸 多急待解决的问题中，发射编码的选择尤为重要，因为它们的性能直接关系到图 像的质量。 本文针对编码激励技术对超声成像系统图像质量的改善进行了理论的研究。 采用理论分析与仿真说明二者相结合的研究方法。具体每 章的内容如下： 第一章绪论，主要对超声成像的历史和发展现状、编码激励技术研究的意 义及研究现状进行介绍，

34、并简要概述本文的研究内容。第一章绪论 5 第二章超声成像的理论基础。先介绍了超声波成像的物理基础，然后描述 了超声成像的 基本方法，并阐述了超声脉冲回波成像的原理。 第三章超声编码激励技术。先对编码激励的基本原理和编码激励系统的评 价指标进行了详细的说明，然后着重介绍三种编码信号，线性调频 Chirp 信号、 Barkei码和互补 Golay码，并分析了这三种编码激励信号的自相关性以及编码方 式的优点和不足。 第四章超声编码激励系统的仿真与分析。先对传统脉冲回波成像系统进行 仿真，说明传统成像回波信噪比低等缺点。然后将编码激励信号应用于超声成像 系统，通过仿真与传统单脉冲激励系统进行比较。同时

35、，分析 Chirp 编码激励的 抗噪声能力 、抑制旁瓣的方法和超声换能器带宽对不同周期互补 Golay 编码激励 回波的影响。 第五章 Golay-Chirp 编码激励方法。在超声回波系统中引入 Golay-Chirp 编 码激励方法，将该方法与 Golay 编码激励方法进行比较研究，并通过仿真，验证 其抑制噪声的能力。 第六章总结与展望，对全文的研究工作进行总结，并分析和说明存在的问 题，同时指出下一步研究的方向。吉林大学硕士学位论文 6 第二章超声成像的理论基础 2.1超声成像的物理基础 声波 是物体机械振动状态的传播形式。声波的频率范围很宽，为 10_4 /z-1014/z， 人们通常把

36、振动频率低于 20 他的声波称为次声波， 20份 -20000 /z 的声波称为可听声波，高于 20000/Z的声波称为超声波，高于 108/fc 的声波 成为特超声波。超声波携带能量 (声能 )并可转至传播物质，回波 (反射声波 )及透 射声波中包含传播物质的声学物理和几何信息。超声波的频率高，波长短，在一 定距离内沿直线传播具有良好的束射性和方向性，且当声波能量较小时超声 波对人体基本无害 29。通常用于医学诊断的超声波频率为 2.1.1 超声波的传播特性 从声源或探头发出的超声波以波动形式向介质内部传播并携带声能。介质可 以是固体、液体或气体，包括人体组织等。由于各种物质的声学特性不同，

37、超声 波在不同介质中的传播速度也不同 3 。 按照介质中质点的振动方向以及声波传播方向的不同，超声波可分为纵波、 横波、表面波和兰姆波，其中以横波和纵波最为常见。横波使介质产生切向形变， 只能在固体介质中传播；纵波使介质产生伸缩形变，可在固体、液体和气体中传 播 29。由于人体组织含有大量的液体和气体，而且 医学超声诊断仪器常采用液态 超声耦合剂，因此，医学超声成像中的超声波通常为纵波。纵波、横波和表面波 的传播速度取决于介质的弹性系数和密度。通常认为横波声速约为纵波声速的一 半，表面波声速约为横波声速的 90%_。在超声诊断的频段中，组织的超声速度 只与弹性系数和密度有关，而与频率无关。 2

38、.1.2 声强、声压和声阻抗 换能器向前方辐射超声能量所到达的空间，称为超声场。描述超声场的物理 量主要有声压、声强和声阻抗 31。 (1) 声压 超声场中某一点在某一时刻所具有的压强 巧与没有声波存在时该点的静压 强巧之差，称为该点的声压 P。 声压的大小反映超声波的强弱，通常习惯所指 的声压是有效声压，它是瞬时声压 P 对时间取均方根值， 可表示为 p-i)第二章超声成像的理论基础 (2) 声强 超声诊断设备中，用得较多的另一物理量是声强。我们把通过垂直于声传播 方向的单位面积上的平均声能量流，即平均能量流密度，称为声强，用符号 /表 示。声强是 表示声的客观强弱的物理量，与声压的关系如下

39、： P-2) 其中为声阻抗。 超声强度太大会破坏人体正常细胞组织，国际上规定诊断用超声强度一般可 接受的安全剂量为 20 wPF/cm2 (3) 声阻抗 介质中某位置的声压与该位置的质点振动速度 v 的比值，称为该位置的声 阻抗，用 Z表示；声阻抗在数值上等于介质密度 p 与介质中声速 c 的乘积，艮 P: Z = Plv = pc . (2-3) 在同一声压 P 的情况下，声阻抗越大，质点振动速度就越小。声阻抗表示超 声场中介质对质点振动的阻碍作用，是衡量介质声学性能的重要参数。平面界面 上超声波的反射率和透射率与两种媒质的声阻抗有很大的关系，声阻抗相差越大 反射率就越大。当超声波从一种介质

40、传播到另一种介质中，如果两种介质的声阻 抗相同时，可以获得最大的传输效率。声阻抗是采用反射回波法进行超声诊断的 物理基础。 2.1.3超声波的衰减 超声波在介质中传播，其能量随着距离的增加而逐渐减弱，这种现象称为超 声波的衰减。引起超声波衰减的原因很多，主要分为扩散衰减、吸收衰减和散射 衰减 132。 扩散衰减是声束本身扩散，随着传播距离的增加，波面愈来愈大，使单位面 积上的能量下降。超声波扩散衰减取决于 波阵面的几何形状，与介质的性质无关。 散射衰减指超声波在传播过程中，遇到声阻抗不同的界面时产生散乱反射而引起 的衰减，其快慢与超声波的频率、扩散角的大小、换能器的直径等有关。吸收衰 减指超声

41、传播中，由于质点间的摩擦和热传导使声能转化为热能，导致声能的衰 减，主要有粘滞吸收、弛豫吸收、相对运动吸收及空化气泡吸收。对于固体介质， 吸收衰减相对于散射衰减几乎可以忽略不计；但对于液体介质，吸收衰减则为主 要的超声衰减。吸收衰减与声波的频率成正比。 吉林大学硕士学位论文 Zj Z2 + Z3 图 2.1 两层介质分界面的声反射 (2-5) 其中， _ & = = 为声波在中间 C2 Kf K 超声成像中的衰减仅指介质对超声波引起的衰减，包括介质界面反射引起的 散射衰减和介质粘滞性引起的吸收衰减。 2.1.4 超声波垂直入射的反射与透射 当声波从一种介质传播到另一种介质时，在两种介质的分界面

42、，发生反射和 透射，并遵循斯浬尔反射和折射定律；声波透过界面时也要进行波型转换，其方 向和强度也要发生变化，其变化的大小决定于两种介质的声阻抗值和入射方向。 图 2.1 为声波垂直入射到两种介质分界面的情况。当超声波垂直入射到两种 介质 I和 n的界面时 (介质 I和介质 n假设均为空间半无限大 )，一部分声波透过 界面进入到第二种介质 n， 成为透射波 (其声压为 f)， 因为垂直入射，声波的传 播方 向不变；另一部分声波则被界面反射回来，方向与入射波传播方向相反，成 为反射波 (声强为声波的这一特性是超声波脉冲回波成像的物理基础。通常 将反射波声压幅度与入射波声压振幅 &的比值称为声压反射

43、率，也称为反射 系数 R， 表达式为， (2-4) 其中， 4=/?， 72=/?2(： 2分别为两种介质 i和 n的声阻抗。 图 2.2为超声波垂直入射到三层介质 I、 n和 III中，其中介质 I和介质 III均 为空间半无限大，中 间层 n厚度为 /。计算可得中间层界面处的反射系数及为 P4.35 Ka = Z12+Z23 exp(-2 jk2h) Pua 1 + Z12z23 exp(-2jk2h) 第二章超声成像的理论基础 层传播时的波长） 由式 (2-5)看出，超声波在中间层界面处的反射系数不仅与媒介的声阻抗 Z,、 Z2有关，且还同中间层厚度与波长之比 0/毛 )有关。 2.2超声成像技术 2.2.1 超声成像技术分类 超声成像技术有多种分类方法，根据成像的工作原理，主要分为三大类： (1) 脉冲回波成像。利用声波在分层介质界面的反射、散射后的信号强弱获 得图像信息。目前脉冲回波成像使用最广泛，按照超声脉冲回波的显示方式又可 分为 A 型、 M型和 B型。 A型 (Amplitude modulation Mode)为幅度