超声谐波成像技术原理

谐波成像利用回声（反射或散射）中的二次谐波所携带的人体信息形成的声像图称为超声谐波成像（Harmonic Imaging HI).有学者认为，在超声诊断技术的发展过程中，由B超发展到彩超是一次飞跃，而由基波成像（线性检测）发展到谐波成像（非线性检测）又是一次飞跃。由此可见谐波成像技术在超声诊断发展进程中的重要作用。

谐波成像的原理：

谐波成像的理论根据在于：长期以来，超声医学成像系统都采用的是线性声学规律，即认为人体组织是一种线性的传声媒质，如发射频率fo的声波时，从人体内部脏器反射或散射并被探头接收的回声信号也是 fo附近的一个窄带信号。而实际上，医学超声存在着非线性现象。非线性声学效应的研究结果表示：超声在人体组织内传播过程中产生非线性以及组织界面入射／反射关系的非线性，使得当发射的声波频率为fo时，回波频率中除有基波频率fo以外，还有2fo、3f.······等成分，此成分称为谐波，其中以二次谐波2fo的能量最大。其关系见图1所示。

研 究 结 果表 明 ：谐 波具 有 以下 两个 优 点 ：(1)谐 波 的 强 度 随着 深度 的变 化呈 非线 性 变化 。在 图3中可 以看 出 ， 谐波 在 体表 皮 肤层 的强 度实 际 为零 。随 着深 度 的增 加 而 增 强 ，直 到 某 个深 度 时 因组 织衰 减 作 用 超 过组 织 的非 线 性 参 数B／A的 作 用 时 ，该 点 (指 某 个 深 度 )就 成 了 幅度 下降的转折点 (见图2中箭头所指 )。从 图2中亦 可 看 出 。在所有的深度上 ，组织谐波的强度都低于基波。(2)基 波 频 率 能量 和谐 波频 率 能 量 的 非 线 性关 系 。换 句 话说 就 是 ：弱 的基波频率几乎不产生谐波频率能量 ， 而 强 的基 波 产 生 相 当大 的 谐 波 频 率 能量 ， 这 一点 非 常 重 要 ，因为 超 声 中的大部分伪像 由异常的传播途径而来 ，其 能 量肯 定 弱 于 中心 成 像声 束。

组 织谐 波 成像 (THI) ：

下 面 我 们 具 体 分 析 一 下 组 织 谐 波 成 像 技 术 是 如 何 提高成像质量的。在这里我们可以采用 电子学上 的滤波技术 。去 除基 波 而仅 利用 谐 波来 进 行 成 像 ， 这 在 技 术上 是 不 困难 的 由前述 的谐波 的第1个特点 可知 ：谐波的频率能量随着 传播距离的增长而增加 ， 从 图2中可 以看 到 ，超 声经 过 数 厘 米 距 离后 ，将 有 足 够 的 能量 从 基 波 频 率转 换 而 产 生 一 明显 的二次 谐 波频 率 (如箭 头 处 )。由于超声图像声像图 中近 场伪 像 干 扰 与 来 源 于 腹 壁 和 接 近 腹 壁 的反 射 和 散射有关 ，而这些 伪影 含有极 少的谐波频率能量 ， 如 果 使 用 谐 波 技 术 ，使 其 在 谐 波 范 围 内成 像 ，则 近场伪像的大 部分将消除 ，图像质量则明显提高。另一方 面，由前述谐波的第2个特点可知 ， 利 用 这 一 特性可有效遏制超声侧瓣 回声对图像的影 响。图3显示 了强的中心声束轮廓和弱而明显 的侧瓣声柬轮廓。我们 知道 ：侧瓣回声 与许多囊腔内杂乱 回声有关。从 图 中二 次 谐 波 的声 柬 轮 廓 来 看 ， 表 明 与 中心 声 束 相 比 ，侧 瓣 能 量呈反比例地下降。当二次谐波信号放大到使 中心声柬 信号达到超始 的基波信号 幅度时 ， 侧瓣声束仍较基波成 像 时 的能 量 低 得多 。这 样 ， 通过 谐 波技 术 可 以 减小 旁 瓣 水 平 和 主瓣 宽 度 ，可 以 改 善 聚 集 特 性 ， 进 而进 一 步 消 除 了伪像 素紊 乱 。

总起 来 说 ，组织 谐 波成 像 改 善 图像 质 量 的 简单 陈 述 为 ：对传统基 波成像 困难的病人 ， 图 像 经 常 出现 模 糊 状 改变 ，这是由于超声束在表浅组织 内表层与肋 骨之间产 生 回响形 成 扭 曲 所致 ，因为 发 射 声 波 还 没有 机 会形 成 明 显 的谐 波 能 量 ，这 些 回响 几 乎 全部 由基 波 频 率 的超 声 能 量 形成 。当声 柬 穿 过浅 层 以后 ， 声束 变 为 聚焦 ，并 且 开 始 形 成 谐波 能 量 。然而 ， 一 旦 声 柬穿 过 了这些 层 次 ，后 面 的 均 匀 组织 对 声 束 的影 响就 很 小 了 ， 而 谐 波声 束 仍 保 持 声 束原有轮廓及聚焦 的特征 。当返回的信号被过滤丢掉基 波 后 ，紊 乱 和模 糊 被 消除 ， 得到的是高清晰的图像 。其次 二次谐波降低 了旁瓣水平 ，亦可使 伪影和紊乱消除。再 者 ，谐 波 成 像 减 小 旁 瓣 水 平 和 主 瓣 宽 度 ， 可 以 改 善 聚 焦 特征 ，亦使 图像 的质 量得 到 了提 高。

在 临 床上 ，约 有 20—30％ 的病 人 ， 由于 肥 胖 ，肺 气 过 多 ，肋 间 隙狭 窄 ，胃肠 气体 干扰 ， 腹 壁 较 厚 或 疾 病 等 原 因，而被称作显像困难 的病人 。对这部分病人 ， 组织 谐 波 成像 技 术 可 采用 超 宽 频 带 探 头 发射 声 波 ， 仅 接 受 和 处理 机体组织产生 的谐波高频信号 ，通 过 改 善 组 织对 比分 辩 力来 提 高 图像 清 晰 度 。。

尽 管 组 织 谐 波 成像 (TH1)有 不 少 优 越 性 ， 但 真 正 质 量 的好 坏 还 取 决 于仪 器 的性 能 ， 因为即使在最佳的环境 条件中，来 自组织 的谐波频率能量远远小于基波频率能 量 ．而所 有 对 成像 有效 的谐 波 频 率能 量 均 通 过 消 除 基波 频率而获得。因此仪器必须解决 以下三个 问题 ：(1)仪器 必须 有 超 宽大 的 动态 范 围 。因为 谐 波成 像 时 ，会损 失 10- 20db'的信 号 强 度 ，为 保 持信 噪 比 ，必 须 设 定 非 常 宽 的动 态 范 围 以接 受 这 种 相 当 弱 的信 号 而成 像 。(2)发 射 源 必 须 在谐 波 频 率上 发 射 极 小 的 能量 ，即需 要 的 是 短脉 冲超 声 波 以确 保 发 射 信 号 中较 高 和 较低 频 率 同时 存 在 。(3) 在成 像 过 程 中 ，必 须 有 一 锐利 的接 收 滤 波 器仅 使 谐 波 频 率能 通 过 至解 调 器 ，如 图4所 示 。图 3滤 波器 允 许 较 宽 的 频谱 通 过 并进 入 成 像 环 节 ，所 产 生 图 像 中基 波 频 率 能 量 远大 于谐 波 频率 。而 图4中 ，滤 波 器仅 允 许谐 波 频率 能 量 通过 进入 图像处 理 系统 成像 。