什么是声成像?

什么是声成像?

[拼音]：shengchengxiang

[外文]：acoustic imaging

用声波获得物体内部结构特点的可见图像的方法。声成像利用声学、电子学和信息处理等技术。声波可以透过很多不透光的物体，利用声波可以获得这些物体内部结构的声学特性的信息；而声成像技术则可将其变换成人眼可见的图像，即可以获得不透光物体内部声学特性分布的图像。物体的声学特性分布可能与光学特性分布不尽相同，因而同一物体的声像可能与其相应的光学像有差别。

声成像的研究开始于20世纪20年代末期。最早使用的方法是液面形变法。随后，很多种声成像方法相继出现，至70年代已形成一些较为成熟的方法，并有了大量的商品化产品。声成像方法可分为常规声成像、扫描声成像和声全息。

常规声成像

从光学透镜成像方法引伸而来。用声源均匀照射物体，物体的散射声信号或透射声信号，经声透镜聚焦在像平面上形成物体的声像，它实质上是与物体声学特性相应的声强分布。用适当的暂时性或永久性记录介质，将此声强分布转换成光学分布，或先转换成电信号分布，再转换为荧光屏上的亮度分布。如此即可获得人眼能观察到的可见图像。

将声强分布变成光学分布的永久性记录介质有多种，如经过特殊处理的照相胶片，以及利用声化学效应、声电化学效应、声致光效应和声致热效应的多种声敏材料。这些材料可对声像“拍照“，使其变成可直接观察的图像。但这种声记录介质的灵敏度较低，其阈值为0.1瓦/厘米2至数瓦/厘米2，信噪比也较低，且使用不便。

声强分布的临时性记录，可用液面或固体表面的形变来实现。其方法是用准直光照射形变表面，或用激光束逐点扫描形变表面，其衍射光经光学系统处理可得到与声强分布相应的光学像。此外，还可用声像管将声像转换为视频信号，并显示在荧光屏上。声像管的结构与电视摄像管类似，只是用压电晶片代替了光敏靶。声像管可用于声像实时显示，其灵敏度阈值约为10-4瓦/厘米2。与扫描成像技术相比，工艺比较复杂、孔径有限而且灵敏度偏低。

扫描声成像

通过扫描，用声波从不同位置照射物体，随后接收含有物体信息的声信号。经过相应的处理，获得物体声像，并在荧光屏上显示成可见图像。

70年代以来，扫描声成像方法发展迅速。声束扫描经历了手动扫描、机械扫描、电子扫描或电子扫描与机械扫描相结合的几个阶段。声束聚焦也由透镜聚焦发展到电子聚焦、计算机合成。获得图像的方式和图像所含的内容也各有不同。

B型声像

平行于声束传播方向的物体断层的声像。广泛采用的有线扫描和扇扫描方式。线扫描采用换能器线阵，通过电子切换方法使聚焦声束沿线阵方向扫描，并逐次照射物体的不同部位，接收聚焦声束所达区域内的物体散射声信号，从而获得扫描断面内物体声散射信号的图像。扇扫描则是用相控扫描方法，旋转聚焦声束得到有一定张角的扇形截面内物体声散射信号的图像。

C型声像

图像为垂直于声束传播方向的物体断层的声像。它采用换能器面阵（或线阵加机械扫描）使聚焦声束在面阵范围内扫描，选取由焦点处散射的信号并加以显示，即可得到焦平面内物体声散射信号的图像。

F型声像

物体内任意断层的声像。与C型的区别在于，扫描聚焦声束的焦点不固定，需根据欲成像的断层位置作相应调整。

多普勒成像

利用运动物体散射声波的多普勒效应，按散射声信号的多普勒频移的幅度来显示图像，图像与散射体的运动速度分布相对应。多普勒成像分为连续波和脉冲两种。前者所用的装置与C型装置类似，后者则与B型装置类似。对接收的散射信号分别与主振参考信号混频，然后解调并进行频谱分析，以便获得相应于各成像点的多普勒频移。

计算机超声断层成像

由计算机 X射线断层成像引伸而来。利用此法可获得声速、声衰减系数和声散射系数等声学参量的定量分布图像。正在研究的计算机超声断层成像法有透射型和反射型两种。根据射线理论或衍射理论，可用计算机实现图像的重现。透射型超声断层成像重现方法是用声源以扇扫描或线扫描的方式照射物体，并接收与记录透射声的幅度分布和相位分布。这两个分布分别与声束的传播路径上各点的声衰减系数和声速有关。从不同方位记录足够的数据，然后，用计算机重现声衰减系数和声速的分布，并转换为可见的定量图像，通常称之为重现像。像重现的方法有三种，即代数重现法、反向投影法和傅里叶变换法。这几种方法在计算误差和计算速度方面各有优缺点。

合成孔径成像

采用换能器阵列，各单元作为点元发射，发射声束照射整个物体，接收来自物体各点的信号并加以存储，然后根据各成像点的空间位置，对各换能器元接收的信号引入适当的时延，以得到被成像物体的逐点聚焦声像。这样，整个图像的分辨率较高。用一维换能器阵列可获得二维断面图像信息，而用二维换能器阵列则可得到三维空间图像信息。此外，根据需要，可显示任意断面的图像或进行三维显示。

三维图像显示

利用三维合成孔径成像法可得到三维信息，或将若干个断面图像综合也可合成三维图像。根据绘透视图的原理进行计算机处理，可在荧光屏上显示三维图像。

声全息

将全息原理引进声学领域后产生的一种新的成像技术和数据处理手段。早期的声全息完全模仿光全息方法，即用一参考声束与频率相同的物体声束相干，在一平面内，叠加波为

式中UO为物体波，Ur为参考波。声强度为

上标*指共轭。记录此强度即得到全息图。用一束激光照射全息图，则可得到分别与UO与U奵相应的两个像，称为孪生像。UO真实地反映了原物体，称为真像；而U奵则为其共轭像。重现时如果用的照明波与形成全息图时所用波束的波长相同，那就如同光全息那样，重现像为与原物完全相同的立体像。但在声全息中，为了获得可见的重现像，必须用可见光来重现。可见光的波长，与用来形成全息图的声波波长相差数百倍，因此重现像有严重的深度畸变，从而失去三维成像的优点。

由于很多声检测器均能记录声波的幅度和相位，并将其转换成相应的电信号，受到人们重视的新的声全息方法与光全息方法不同，只有液面法声全息基本上保留了光全息的做法。而各种扫描声全息不再采用声参考波。扫描声全息大致可分为两类。

（1）激光重现声全息：用一声源照射物体，物体的散射信号被换能器阵列接收并转换成电信号，再加上模拟从某个方向入射声波的电参考信号，于是在荧光屏上形成全息图并拍照。然后，用激光照射全息图，即可获得重现像。

（2）计算机重现声全息：用上述方法记录换能器阵列各单元接收信号的幅度和相位，用计算机进行空间傅里叶变换，即可重现物体声像。

声成像质量的主要指标有图像的横向分辨率、纵向分辨率、信噪比、畸变和假象等。声成像的质量不仅与所用的仪器设备有关，而且在很大程度上还与声波在介质中传播的特性（如反射、折射和波型转换）有关。

声成像技术已得到广泛应用，主要用于地质勘探、海洋探测、工业材料非破坏探伤和医学诊断等方面。特别是，B型断层图像诊断仪已成为与X射线断层扫描仪和同位素扫描仪并列的医学三大成像诊断技术之一。