超声激发振动声成像实验系统的设计

　　1 引 言

　　超声激发振动声谱成像(简称振动声成像, Vibro-acoustography) [1] 方法用两束有微小频差 Δf 的共焦超声波聚焦于生物组织内部某处，使共焦区组织受到一交变辐射力的作用而振动，从而向外辐射频率为 Δf 的差频声波，这一现象被称为超声激发声发射(ultrasound stimulated acoustic emission, USAE)。USAE 信号包含了共焦区组织的弹性信息和声衰减信息并可用水听器接收，将其用于成像即可获得反映组织特性的图像，这就是振动声图像。在医学上，振动声成像技术特别适用于检测软组织包围的硬组织，如钙化血管的成像、乳房中微钙化灶的检测、硬性肿瘤以及受热疗或高强度聚焦超声 (HIFU)治疗的组织热损伤的监测 [2] 。为了进行振动声成像技术的实验研究，需要一套能够获得振动声图像的实验系统。依据振动声成像的基本原理 [1,3] ，本文拟采用逐点扫描结合计算机数字成像技术来实现。即在对位于焦平面上的组织进行逐点扫描时，将接收到的 USAE 信号进行 A/D 转换，连同被扫描点的平面坐标值一起存入计算机，通过调用计算机的成像软件(该软件以 USAE 信号的幅度值控制对应平面坐标点的显示灰度)，从而得到振动声图像。

　　2 系统结构框图

　　USVA 实验系统结构框图如图 1 所示。图 1 中水听器的位置放置在共焦点的侧面，以减小两束共焦超声波产生的非线性差频波对 USAE 信号的影响 [4,5] 。该实验系统可分成四个组成部分：高频信号发生部分、超声发射及传播部分、低频信号处理部分和计算机处理与控制部分。

　　3.2 超声发射和传播部分

　　包括水槽、双频共焦超声换能器、低频水听器。

　　3.2.1 对水槽尺度的要求

　　为了减小或避免水槽内壁对两束入射超声波反射而引起的干扰，要求在测试水槽内建立一种近似自由场的条件。为此，让两束入射超声波工作在脉冲方式，以保证水槽内壁边界反射波在到达接收水听器之前，由直达波在共焦区激发的 USAE 信号已经达到稳定，并且被水听器接收完毕。

　　设水槽的长、宽、高分别为 l、b 和 h(单位：m)，发射脉冲宽度为τ (单位：s)。由对称性可知，对水槽的高度和宽度的要求应相同，所以可用图 3 来分析对水槽长度和宽带的要求(图中水听器置于共焦换能器轴线上是为了便于理论分析，实际应用中放置在侧面，如图 1 所示)，图 3 中 F 表示公共焦点。

　　设 USAE 频率取 10kHz，并在 5 个周期(即0.5ms)内可以稳定，于是入射波的脉冲宽度τ 须大于 0.5ms。在振动声成像系统中，换能器到水听器的距离s0等于换能器的焦距加上共焦点到水听器的距离。若焦距为 3.5cm，水听器距离共焦点 5cm，则根据式(1)和(2)可估算出拟采用的水槽尺寸为：l ≥ 83.5cm， b = h≥ 84.4cm，即表示该水槽基本上是立方体。但考虑到振动声成像中使用的是聚焦换能器，其声波能量主要集中在发射方向的轴线附近区域，来自水槽侧面和底部的反射波影响较小，因此深度和宽度的要求可适当降低;同时，换能器后方的反射波干扰也很小，主要考虑来自换能器前方水槽壁的反射干扰。这样水槽的长度要求可修正为：0l ≥ s +cτ/2(3)于是可计算出水槽长度必须大于 46cm。现使用的水槽尺寸为 120cm×60cm×60cm，可以满足实验系统要求。