基于超声诊断技术使器官等软组织可视化。
超声诊断学的历史并不悠久，是在20世纪才开始运用，但在现在的医学诊断学中，却有着难以取代的作用。现在超声检查在医学中广泛应用。它可能起诊断作用，也可能在治疗过程中起引导作用(例如活检或积液引流)。通常使用手持式探头(通常称为探头)放置于患者身上并移动扫查，一种水基凝胶被涂在患者身体和探头之间起耦合作用。
超声检查设备
超声检查使用含有一个或多个换能器的探头向物体发射脉冲。当声波遇到声阻抗不同的物体，部分声波就会被反射，当探头探测到时即为回声。回声返回探头的时间被测量记录，用于计算产生此回声的组织界面的深度。2种物质之间的声阻抗差异越大，回声越强。液体和气体之间的声阻抗差异极大，导致遇到其界面的绝大多数声能被反射，致使其区域外的物体不能显像。在不同的物质中声波的传播速度不同，这取决于该物质的声阻抗。但是，医学超声的主机假定声速恒为1540m/s。虽然由于产生回声，会丧失一部分声能，但与由于声波被吸收而产生的衰减而言影响很小。为了产生二维图像，声束采用机械或电子方式的声学换能器相控阵列进行扫射。接收的数据则进行处理以构建图像。
用于医学超声的声波频率一般在1至13兆赫。频率越高相应的波长越短，所得影像的分辨率越高。但是随着声波频率的增高，声波的衰减也越快。所以为了探查更深的组织，使用较低的频率(3-5兆赫)。大多数超声仪也能显示各种彩色图像。这仅仅是指定不同的颜色用以表示接收到的回声的振幅。 此外。由一系列的2维图像可以生成三维图像，通常使用的是特殊探头。
由声波产生图像
由声波产生图像经由三个步骤：产生声波，接收回声并将这些回声可视化。
产生声波
在医学超声检查中，压电换能器（一般是陶瓷的）的相位阵列产生的短而强的声音脉冲制造声波。电线和换能器都封装在探头中。电脉冲使陶瓷振荡产生一系列的声音脉冲。声波的频率可表现为2至13兆赫中的任一频率，远超于人耳能听到的频率。任何频率超过人耳能听到的范围的声波都可称为“超声波”。而医学超声的目的在于使由换能器散射出的声波汇总产生单一聚焦成弧形的声波。
为了使声波有效地传导入人体（即阻抗匹配），探头的表面由橡胶包被。为此，在探头和患者皮肤之间涂布水基凝胶。声波部分地从不同组织之间的界面反射回探头，即为回声。由非常小的结构散射的声波也产生回声。
接收回声
声波返回探头，与探头发射声波相似，只是过程恰恰相反。返回的声波使探头的单元振荡并使振荡转化为电脉冲，脉冲由探头发送至超声主机，并处理成数字图像。
形成图像
超声仪必须确定接收到的回声的3个要素：
- 在探头的众多单元中是哪个单元接收到的回声；
- 回声的信号强度；
- 从探头发射声波到接收到其回声用了多少时间。
一旦超声仪确定了这3点，即可明确图像中哪个象素应该显示，亮度为多少。接收信号转化为数字图像可比方为往一个空白的电子表格上填写数据。接收脉冲的探头单元决定电子表格的哪一’列'(如A，B，C列等)。接收回声所用的时间决定哪一’行'(如1，2，3行等)，回声的强度决定亮度(白色表示强回声，黑色表示无回声，不同的灰阶表示2者之间的不同回声)，如同在电子表格的格子里填入数据。
转自：维基百科
超声检查的优势
- 对肌肉和软组织显像良好，对于显示固体和液体腔隙之间的界面有特别用处；
- 实时生成图像，检查操作者可动态选择对诊断最有用的部分观察并记录，利于快速诊断；
- 显示脏器的结构；
- 目前未知有长期副作用，一般不会造成患者不适；
- 设备广泛分布并相对灵活；
- 有小型的、便携式扫描仪；可在患者床边进行检查；
- 相对于其他检查价格便宜（例如CT成像，双向X射线吸收成像或者核磁共振成像）。
超声显像的不足
- 超声设备对骨的穿透性差。例如，脑的超声成像就极为受限；
- 因为声阻抗的差异过大，当探头与要探查的组织之间有气体时超声显像质量很差。例如，由于前方受到胃肠道气体的干扰，使得胰腺的成像非常困难，肺脏成像也是不可能的(除非是探查胸腔积液)；
- 即使没有骨骼或气体的干扰，超声的探查深度也是有限的，使得远离体表的结构成像困难，特别是肥胖病人；
- 操作者的手法十分重要。高超的技巧和丰富的经验对于获得高质量的图像和作出准确诊断是必要的。
超声成像算法
谁会想到，自己手中小巧的手机和超声成像仪有关系呢？很多时候，科技的原理在几十年前就已经发生了。在这个手机与超声仪器的情境下，你能看到科技所结下的果实：电路，信号，成像……但当我们透过果实背后繁茂的枝叶一路寻本溯源，就会发现，科技密密麻麻的根须早已纠缠在一起。手机为什么能够拨出电话？因为它自己就是一块微型天线，可以发射与接收通讯。它为什么和超声成像仪也有关系呢？因为，超声成像仪的核心也是一块天线也就是一块特殊的压电元件，它将电能与机械能转化的特殊能力，像一双拥有透视功能的“眼睛”——通过算法的后处理，这双“眼睛”接收到地电信号可以真正地转化为肉眼可以观察、易于理解的医疗图像。
自上世纪70年代以后，超声的成像算法获得了极大的发展。目前应用最广泛的是多功能实时B超仪和彩色超声，正是成像算法的不同给它们带来了不同的成像效果，对比大到如图所示。
图一 B超与彩超效果类比图
B型超声利用图像的灰度值分布来显示探测到的不同组织，灰度值的高低即意味着不同的组织对声波具有不同的反射系数。因此，图像上来看，组织形态学上的差异在很大程度上只是由组织的单一特性决定的。但是对需要深度诊断的临床医学来说，图像上包含的诊断信息实在有限——因此，多普勒效应被引入了超声成像算法中。多普勒效应如何去理解呢？说的最明白的一张图应当如下所示。
图二多普勒原理原理示意图
多普勒效应是波源和观察者有相对运动时，观察者接受到波的频率与波源发出的频率并不相同的现象，这也可以解释为什么图中人物中心部位的线条最为密集，因为越靠近观察者的地方，声波的频率就越高。这个简单的原理将黑白、枯涩的B模式超声图变得“有声有色起来”——除了形态上的组织信息，血流方向、流量、流速都正式成为超声图像诊断的重要参数，而这些甚至都不必查看复杂的数字，只要将这些值按照大小映射到不同的颜色上，颜色之间的对比可以反映出组织的健康与否。颜色的选择上，我们理所当然的从太阳光谱那获得了灵感：红色意味着positive，所以血流流量大、血流方向靠近观察者，我们用红色来表示；蓝色意味着negtive，关于血流negtive的信息都用蓝色显示。
到目前为止，我们在医院里应该都见过这些项目。更复杂的算法，也是目前超声成像算法领域内的研究热点，其中有算法甚至已经打破了传统超声的成像限制。但这些算法还没有在医院里的超声仪器上应用，只在一些研究平台上有所涉及，根本的原因是——技术不够成熟。
不成熟是表现在方方面面的：数据的获取、数据格式的统一、计算成像的速度等等。成像算法的开发时间长，主要原因也在这里。我的硕士研究内容中，成像算法也占了很大一部分，每当因为这些问题延缓进度时，也迷茫过，困惑过，新的超声成像算法的研究是否能够高质量地完成？甚至也一度有过退缩更换研究方向的想法。
从前的成像算法经典，但是并非不可超越：B模式超声图成像质量有待提升，给出的信息有限；彩超的精确度也有待提升。这些技术的成长也经历了从原理到样机的过程，现在正在研究的算法同样有很长的路要走。希望自己研究的内容能为超声成像带来一点点改善，如果以后真的能在医院里看到自己的一部分工作，那么，自己为世界做一些小小贡献的理想也算是实现了。
侵删转自：中国科学院
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