瑶声科技
本文作者：郝海天
作者简介：美国普渡大学声学与振动方向博士，美国声学协会、国际噪声控制工程委员会委员
本文作者：肖瑶
作者简介：中国科学院声学所博士，佐治亚理工访问学者
导语LEAD
提起声学，大家可能不由自主的会想到动听的音乐。然而，声音可以做的却远远不止通过乐器给大家带来美妙乐章。
本专题寄望通过对声音在生活生产中的应用做一些通俗易懂的解释，让大家了解声学这一并不神秘的科学。
提起B超，相信大家既熟悉又陌生。每个人自己或周围的亲人朋友，总有做过B超检查的体验，或多多少少对这个词汇有所耳闻。然而，“B超”二字究竟代表着什么意义？其工作原理是什么？本文就带领大家来探个究竟。
B超，全称B型超声成像（B mode ultrasound imaging），是超声成像技术的一种。大家都知道超声检查在医疗诊断中的重要地位。
在超声检查前和检查过程中，存在一些有趣的现象。例如：检查时往往需要在身体上涂抹一层 “油” ，有些检查前需要空腹，有些检查前需要 “憋尿” 。这些都是为什么呢？其实，这些问题都与声波在体内的传播特性有关。
下文作者将通过解构超声检查的步骤，回答这几个有趣的问题。
01声波的知识点
在我们具体讨论超声成像检查的过程之前，让我们先来认识一下超声波。超声波是一种振动频率大于20千赫兹的机械波。而一个的健康成年人可以听到声音范围往往在20赫兹到20千赫兹（图一），因此，超声波无法被人耳捕捉。运用于超声检查的超声波频率往往更高，通常在1兆赫以上。
图一 次声波（低于20Hz），可听声波（20Hz-20kHz）和超声波（高于20kHz）
声波的传播依赖于介质。对于我们平日里听到的声音来说，其介质就是空气；对于本文提到的超声检查来说，该介质就是我们的体液和器官等。一般来说，声音在同一种均匀介质中传播不会发生折射、反射等现象；然而声波一旦遇到材料性质发生变化，或不同材料间的交界面，就会发生反射和折射的现象（图二）。
图二 声波的折射与反射。红色-入射波，蓝色-反射波， 粉色-折射波（图片来自李娜）
反射波和折射波都可以为我们带来有用的信息。在声速已知的情况下，通过反射波回传的时间可以计算出声波发生反射的交界面与声源的距离；而折射波则可以穿越边界继续向前传播（通常会适度改变方向），探索交界面另一侧的信息。值得一提的是，反射波和折射波的强度和折射角度，取决于交界面两侧材料性质的差异程度，声学术语称之为阻抗不匹配（impedance mismatch）。两侧材料性质的差异越大，反射波就越强，折射波就越弱。试想一个声音从空气中传播到一面坚硬光滑的墙壁上，其绝大部分能量会被反射，几乎没有能量会折射进入墙壁。
在超声诊断中，超声波主要的传播介质是体液，在其传播过程中，会碰到与体内器官、软组织的边界、与体内气体的边界和与骨骼的边界。体液的密度、刚度（柔软程度）与人体器官、组织更为接近，而与空气、骨骼相差较大。因此，自然而然地，如果医生既需要反射波回传的信息，也需要折射波继续传播后回传的信息，一个体液-器官的交界面是最为理想的。
02超声检查技术环节
有了上一段的预备知识，我们可以回到正题，更进一步地了解超声检查了。一个常见的超声检查包含以下几个环节：
1） 医生在患者被检区域涂抹耦合剂，通过手持探头，将超声波脉冲发射到人体内部；
2） 声波传入体内后，会遇到软组织与体液、软组织与骨头等的交界面；
3） 一些声波在交界面被反射，传回探头，一些则发生折射继续往深处传播，直到触碰到另一个边界再次发生反射；
4） 被传回的反射波被探头捕捉并记录在计算机上；
5） 计算机通过已知的声波在体内传播速度（大约1500米/秒）和反射波回传的时间计算出探头与体内组织、器官等的距离，这些组织、器官对于声波来说都是可发生反射、折射的交界面；
6） 计算机在屏幕上显示不同“交界面”间的距离和反射波回传的强度，形成一个二维的图像。由于体内各交界面的位置都被声波探知，此图像就类似于一个被检器官的“照片”，可以显示被测部位的轮廓（图三）。
图三 超声图像
03有趣的技术环节解释
接下来，我们针对其中一些有趣的过程来解析。
在第（1）步中，医生需要在身体表面涂耦合剂。
通过上述我们对于预备知识的学习，我们了解到外界空气和我们的身体表面间存在一个交界面。我们希望从探头发射的超声波在这个交界面能够有足够的能量通过折射进入体内，因此，该交界面两侧的材料性质差异越小越好。相比较而言，耦合剂的性质比空气更接近人的皮肤。通过涂抹这一层“油”，探头和皮肤间的空隙被完全占据，更利于声波进入体内。若没有这层“油”，从探头中发射的声波经过空隙中的空气抵达人体体表时就好似碰到了一堵墙。大部分的能量会被回弹而无法进入体内，诊断也就无从谈起了。
第（3-6）步简述了声波进入体内发生反射波被探头捕捉并记录的过程。接下来，我们对该过程进行一个更为深入地解释。
如下图所示，在声波从探头中发射的同时，屏幕上会显示出一个灰色的圆点，随着时间流逝，声波继续向前传递，屏幕上继续出现灰色圆点。当声波碰到被检器官时，发生的反射被探头捕捉，便在屏幕上显示一个亮色的圆点（图四左）。
随后声波穿过器官壁进入器官内部，屏幕上持续记录灰色圆点，直到声波再次碰到器官的另一侧发生反射，屏幕记录亮色圆点。声波穿过器官壁后继续记录灰色圆点（图四中）。
实际上，这一个一维的过程就非常类似A型超声成像的原理。但很明显，此方法的局限性在于其仅能探测被检器官一个维度的信息。
而我们常见的B型超声成像，简称B超，就是在此基础上，让入射波在竖直方向上以不同位置入射，并在每个竖直位置上记录这样一串圆点（图四右），这样一个完整的二维图像就可以被记录下来。
图四 B超成像原理
实际操作中，这一过程会在毫秒量级的时间完成，因此在人看来，这是一个实时成像的过程。当然，上图只是一个示意图，在实际应用中，成像的分别率要远高于此，因此可以探测出器官内部的详细结构，判别器官健康情况。
04问题的答案
上文我们介绍了声波传播机理及超声成像、诊断的原理。那文章开头提到的两个问题——为什么有些检查需要空腹？有些检查需要“憋尿”？的答案是什么呢？
实际上，这两个问题的答案依然与超声波在体内的传播机理有关。
什么时候需要空腹、什么时候需要“憋尿”，取决于被检查的人体器官。一般来说，若需检查肝胆胰脾，则需空腹，而且以早晨检查为好。因为经过一夜睡眠，胃肠道中的气体会减少；空腹是为了避免进食后胆囊释放胆汁后变得干瘪。上文提到由于“阻抗不匹配”的原因，超声波“厌恶”在体内遇到气体，因此，肠胃中气体过多会使超声波绝大部分被反射、不利于成像；同样地，空腹时胆囊中充盈胆汁的状态更利于超声波辨别胆囊的结构。泌尿系统和妇科检查前往往需要憋尿，是为了让尿液充盈被检器官，使得超声波有更好的渗透性，能够更易于探测到器官腔内和器官壁上的病变。
05 总 结
本文简介了声学最广为大众熟知的应用——B超成像。事实上，声学在生产生活上的应用非常广泛。
同超声成像诊断类似，超声探伤也被运用在工程机械、大型桥梁、油气管线等设备的结构监测和维护上。 此外，许多设备在运行本身就会向外发出声音，通过采集这些声音信号进行处理，也可以判断设备的健康状况。
将声学麦克风和光学镜头结合的声学设备——声像仪更是可以将声源定位、让声音“看得见”。声学以其非侵入式诊断的独特优势，可以在各类设备的结构健康监测和维护上发挥其他检测方式无法替代的作用。如今随着数据科学的快速发展和数据处理速度的大幅提升，使用声学方法对工业设备进行监测，从而节省运维成本、指导优化生产及设备使用，成了智能制造新的风向标。
END
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