本期我們就來談一下超聲成像和聲速之間的關系,。

首先,，咱們先來討論一下什么是聲速。聲速,，顧名思義它就是超聲波在介質中的傳播速度,，在這里所說的介質指的是人體?？吹竭@,，應該會有小伙伴立馬想到超聲波在人體中的傳播速度是1540m/s，其實超聲波在人體的不同組織中傳播速度是不一樣的,。

舉個栗子,，還記不記得下面這幅圖呢？耳朵在緊貼桌面的一側和離開桌面的一側聽到的聲音是不同的,。這是因為聲波在固體和空氣兩種不同得介質中傳播的速度不同,，所以離開桌子的一側聽到的是空氣中傳來的聲音，而緊貼桌子的一側聽到的是固體桌面?zhèn)鱽淼?。超聲波也屬于聲波,，它的傳播速度同樣也受到了介質的影響。

圖1. 聲音在固體和空氣中傳播實驗

我們這里所說得超聲成像作用于人體,，超聲波在人體中傳播時會經過多種不同的介質,，首先超聲波會經過聲耦合劑,，其次是皮膚表面，然后是脂肪層,，器官,，乃至骨組織。生物組織是相當復雜的,，僅就組織而言,，即使是單一器官，其組織成分（水,，蛋白質,，脂肪等），組成結構（纖維,，結締,，脈管，血流等）都會有一定的空間,、時間隨機性,。這使得聲波在不同的組織和器官、甚至同一組織中傳播時它的聲學特性（聲速等）難以獲得統(tǒng)一的標準值,。

超聲波在傳播時的速度受到了傳播介質的影響,，并將這種影響帶進了超聲成像的系統(tǒng)以及相關功能中。超聲系統(tǒng)中聲速的不匹配會造成圖像質量不佳,，如圖像變形,，相位不準確，對比度下降等問題,。

超聲探頭由許多小陣元構,，在發(fā)射超聲波時每個小陣元向目標介質發(fā)射同心圓波束，當多個陣元同時發(fā)射同心圓波束時,，由于超聲波之間的互相干擾,，波束可能被加強可能被削弱。

在超聲成像的時候,，我們希望同心圓波束在目標點聚焦得到最強的疊加能量,，由于波束的聚焦需要超聲波在不同的距離上同時到達聚焦點，而這就涉及到超聲波在介質中的傳播速度問題,，若系統(tǒng)聲速與組織聲速不匹配,，則波束無法形成發(fā)射的聚焦，接收聚焦時也是同樣的道理,。我們做了以下實驗來說明超聲聲速的不合理會導致圖像質量的下降 -- 在標準超聲仿體(仿生物體組織模型)上聲速為1540時靶點質量最佳,，將聲速設置為1500m/s和1600m/s，觀察靶點在體膜的情況。

圖2. 不同聲速下體膜靶點的成像

在標準仿體上,，使用1540m/s的聲速它的靶點形狀圓潤,，對比度和分辨率最好，把聲速換成1500m/s和1600m/s后,，靶點發(fā)生變形,，分辨率也隨之變差,?？梢姡曀俚牟黄ヅ鋾斐勺冃?、對比度下降等影響成像質量的問題,。

聲速的不匹配也會引起測量的不準確，例如在圖3中左圖為測量血管的直徑,，就好比在兩物體之間使用超聲波測距,，聲速確定的情況下，超聲波的發(fā)射時間與接收時間差便是它的飛行時間,，這樣就輕而易舉的算出了兩物體之間的距離,，但是在超聲成像系統(tǒng)中，由于聲速受到介質的影響,，真實聲速與系統(tǒng)聲速若不匹配,，這樣就可能會帶來測量的誤差，嚴重的話甚至會引起誤診,。

圖3. 測量血管直徑(左圖)和測量血管面積(右圖)

自上世紀50年代以來,，許多磚家學者對人體組織的聲學特性進行了研究，并都得出了超聲波在不同組織中的傳播速度：其中,，在骨骼中的傳播速度為3700m/s,；肌肉中傳播速度約為1580m/s；乳房中傳播速度僅為1420m/s,。

而現(xiàn)有的超聲系統(tǒng)上常采用1540m/s作為系統(tǒng)聲速,，那么這個聲速值1540是怎么來的呢？

喬治·路德維希

它是由超聲醫(yī)學之父—喬治·路德維希測定的,。喬治·路德維希于1944年在圣文森特學院獲得化學學士學位,，于1946年在賓夕法尼亞大學獲得醫(yī)學學位。畢業(yè)后,，在1947年至1949年期間,，路德維希在馬里蘭州貝瑟達的海軍醫(yī)學研究所擔任中尉。1949年,，他發(fā)表了一份長達49頁的報告,，系統(tǒng)介紹了利用超聲脈沖回聲技術實現(xiàn)人體內部器官和病變的定位和探測的方法，其中提到了超上在軟組織中的平均速度的測定過程(介紹了1540的測定過程)。

知曉超聲在軟組織中的傳播速度是超聲定位的基礎,，可以說喬治·路德維希這一工作是后來各種超聲診斷儀器應用的先驅工作,。在超聲成像時會使用三個物理假定：①聲束在介質中直線傳播②各介質中聲速均勻一致③各介質中吸收系數(shù)均勻一致。其中聲速均勻一致采用的是人體軟組織中的平均聲速值c=1540m/s,。

曾經有人問老蔣,，我們可以在圖像上測量已知的兩點之間的距離和兩點之間超聲波的傳播時間來確定超聲在不同組織中的速度嗎？這其實是一個本末倒置的想法,。這個方法的前提是已經獲得該組織區(qū)域的圖像才能測量出兩點之間的距離,，可是超聲成像是在假設超聲在人體中成像速度已知的條件下進行的，沒有假設速度已知的前提,，就不能得到不同深度下的回波信號,，波束合成無法進行，超聲成像便無從談起,。

于是,，在超聲成像系統(tǒng)中使用均一聲速1540后為了提高成像效果，攻城獅們又有了一個“大膽”的想法——對聲速進一步的優(yōu)化得到與組織匹配的系統(tǒng)聲速?，F(xiàn)如今已經提出了很多種聲速優(yōu)化算法：

1. 采用多組織不同角度的感興趣區(qū)域圖像配準得到最佳的聲速,；

2. 通過觀察超聲圖像性質以對比度作為切入點，來判斷最優(yōu)聲速,。

3. 通過計算超聲波束的接收延時,，反演出組織的真實聲速。

此類算法的目標區(qū)域通常使用的是聚焦區(qū)域,，優(yōu)化后將目標區(qū)域的最優(yōu)聲速作為全局的系統(tǒng)聲速用于成像,。