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摘要 超声仿人体组织材料声学参数测量研究 摘要 随着医用超声诊断设备的应用越来越广泛，其安全性、有效性及 检测精度的定期监测显得尤为重要。而对于医用b 超、彩超的检测 方法主要是使用仿组织超声体模，因此对仿组织体模的制备及研究是 十分必要的。目前，评价仿组织超声体模的主要方法是通过测量制备 体模的仿组织材料声学参数是否符合人体组织的声学参数范围。所以 研究应用超声信号测量仿人体组织材料声学参数具有重要的理论意 义和实用价值。 本文以测量仿人体组织材料的声速、声衰减系数和背向散射系数 为目的，对其测量系统集成，测量方法等方面进行了比较深入的研究。 主要工作有： 1 、在总结现有声学参数测量理论的基础上，通过分析其特点，建 立了一套实验测量系统，对不同成分仿组织材料样品的声速、声衰减 系数和背向散射系数进行了测量，并和这3 个声学参数的理论值进行 了比较。实验结果表明本文建立的实验测量系统可行可靠，制备的仿 组织材料样品具有实用意义。 2 、在分析声速、声衰减和背向散射系数测量方法的基础上，结 合仿人体组织材料超声信号的特征，将其测量方式进行了系统集成， 编制了一套专用的数据采集与分析计算的测量软件。测量方法和结果 北京化t 大学博：j ：学位论文 表明该系统集成软件使用简便、参数测量准确。 3 、在研究小波变换理论的基础上，分析了不同的小波去噪方法， 并应用其对采集的超声背向散射信号进行了降噪处理，实验结果表明 小波变换降噪方法既能较好地去除原始信号中的噪声又尽可能的保 留了原始信号中的有用信息。在此基础上，本文在实验中分析了超声 探头焦点位置的不同以及背向散射信号长度的变化对测量结果的影 响。实验数据表明探头焦点位置的改变虽然引起了数值上的变化，但 其变化规律一致，测量结果符合理论公式计算值；而背向散射系数 的测量与所选择信号的长度基本无关。 关键词：仿组织材料，声速，声衰减系数，背向散射系数，小波变 换 a b s t r a c t s t u d yo nm e a s u r e m e n to f u l t r a s o n i ca c o u s t i cq u a n t i t yi n t i s s u em i m i c k i n gm a t e r i a l a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n d t e c h n o l o g y , t h em e d i c a l u l t r a s o n i cd i a g n o s t i ce q u i p m e n t sh a v eb e e nm o r ea n dm o r ew i d e l yu s e d ， a n dt h e i rs a f e t y , e f f e c t i v e n e s sa n da c c u r a c yo fd e t e c t i o na r ep a r t i c u l a r l y i m p o r t a n t t h em a i nd e t e c t i o nm e t h o di st ou s eu l t r a s o u n dt i s s u e m i m i c k i n gp h a n t o m f o rm e d i c a lu l t r a s o n i c d i a g n o s t i ce q u i p m e n t t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c ho fp h a n t o mp r e p a r a t i o na n dp r o p e r t i e si sv e r y n e c e s s a r y a tp r e s e n t ，t h ew a yt oe v a l u a t et h ep h a n t o mi st h a ta c o u s t i c p a r a m e t e r so ft i s s u em i m i c k i n gm a t e r i a la r ed e t e c t e da n dj u d g e dt oa g r e e w i t ha c o u s t i c p a r a m e t e r so fb o d y s o ，i t i s i m p o r t a n t t h e o r e t i c a l s i g n i f i c a n c ea n dw i d ea p p l i c a b i l i t yt os t u d yo nm e a s u r e m e n to fa c o u s t i c p a r a m e t e r so ft i s s u em i m i c k i n gm a t e r i a lb yu s i n gu l t r a s o n i cs i g n a l t h ep u r p o s eo ft h i sp a p e ri st om e a s u r es o u n dv e l o c i t y , a t t e n u a t i o n c o e f f i c i e n ta n db a c k s c a t t e rc o e f f i c i e n to ft i s s u em i m i c k i n gm a t e r i a l i n t e g r a t i o no fi t sm e a s u r e m e n ts y s t e ma n dm e a s u r e m e n tm e t h o d sh a s b e e nm o r es t u d i e s t h em a i nw o r ki ss h o w na sf o l l o w s ： 1 a ne f f e c t i v em e a s u r e m e n tm e t h o do ft h e s ep a r a m e t e r si sg i v e n b a s e do nt h ep r o p e r t i e so fp h a n t o ma n das e to fe q u i p m e n t sh a sb e e n b u i l tu pf o rm e a s u r i n ga f t e rs u m m a r i z i n ge x i s t i n gt h e o r yo fm e a s u r e m e n t i i i 北京化_ 丁人学溥f j 学位论文 t h ea c o u s t i cv e l o c i t y , a t t e n u a t i o nc o e f f i c i e n ta n db a c k s c a t t e rc o e f f i c i e n t h a v eb e e nm e a s u r e dw i t hd i f f e r e n tc o m p o s i t i o no fm a t e r i a la n dc o m p a r e d w i t ht h et h e o r e t i c a lv a l u e t h er e s u l ts h o w st h a tt h em e a s u r e m e n ts y s t e m u s e di sf e a s i b l ea n dr e l i a b l ea n dt h es a m p l eo fm a t e r i a lw eh a v em a d ei s p r a c t i c a l 2 c o m b i n e dw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so fs i g n a l s ，as p e c i a ld a t a a c q u i s i t i o na n ds i g n a lp r o c e s s i n gs o f t w a r ei sp r o v i d e db yt h ew a yo f i n t e g r a t e dm e a s u r e m e n ts y s t e mb a s eo na n a l y z i n gt h em e a s u r e m e n t m e t h o d so fa c o u s t i cv e l o c i t y , a t t e n u a t i o nc o e f f i c i e n ta n db a c k s c a r e r c o e f f i c i e n t e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a ta c o u s t i cv e l o c i t y , a t t e n u a t i o n c o e f f i c i e n ta n db a c k s c a t t e rc o e f f i c i e n tc a nb em e a s u r e da u t o m a t i c a l l ya n d a c c u r a t e l yb yt h es o f t w a r es y s t e m 3 aw a v e l e t d e n o i s i n gm e t h o dh a sb e e nu s e dt oh a n d l et h e c o l l e c t i o ns i g n a lb a s e do nt h er e s e a r c ho fw a v e l e tt r a n s f o r mt h e o r y e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ew a v e l e td e n o i s i n gm e t h o dc a nn o t o n l yr e m o v et h en o i s ee f f e c t i v e l yb u ta l s or e s e r v et h eu s e f u ls i g n a l s s u i t a b l y i nt h i sw a y , a l le f f e c to fd i f f e r e n tf o c u sp l a c e m e n ta n dd i f f e r e n t s i g n a ll e n g t hf o rb a c k s c a t t e rc o e f f i c i e n th a sb e e na n a l y z e ds p e c i f i c a l l y e x p e r i m e n t a ld a t as h o w st h a tb a c k s c a t t e rc o e f f i c i e n tc h a n g e ss l i g h t l y w i t ht h ef o c u ss i t u a t i o na l t e r i n ga n dh a sn o t h i n gt od ow i t ht h es i g n a l l e n g t h i v a b s t r a c t k e yw o r d s ：t i s s u em i m i c k i n gm a t e r i a l ，a c o u s t i cv e l o c i t y , a t t e n u a t i o n c o e f f i c i e n t ，b a c k s c a t t e rc o e f f i c i e n t ，w a v e l e tt r a n s f o r m v 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：) 塑日期：丝翌! ：! z 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北 京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编 学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在上年解密后适用 本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授 权书。 作者签名： 日期： 导师签名：趣趔迎 日期： 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 在声学计量领域中，医用超声源于1 9 8 7 年7 月l o 日被列入“中华人民共和国依 法管理的计量器具目录中，对医用超声源实行法制管理、定期检测，以确保医用超 声源的安全。医用超声诊断设备是医用超声源中最主要的设备，包括b 超、彩超等仪 器，这些医疗器械是与人体健康甚至生命安危密切相关的产品，确保其在临床使用中 安全性和有效性的质量标准是强制性的，故对医用设备的定期监测及检测精度显得尤 为重要。 彩超是目前临床上大量、广泛应用的医用超声诊断设备，目前对彩超设备的定型 评价、定期检测主要包括：功率检测和图像检测。其中功率检测主要是探头输出声功 率、声强等的检测；图像检测主要包括盲区、纵向分辨力、横向分辨力、对比度评价 等。 功率检测主要是利用超声功率计来测量总功率，利用扫描设备来检测峰值功率； 图像检测则利用传统的静态仿组织超声体模进行检测。医用超声诊断设备经过近十几 年的发展，升级换代很快，目前彩超设备大量使用。彩超设备除了能提供黑白b 超提 供的位置图像信息外，还利用多普勒等原理增加了血流识别、谐波造影等诸多功能， 从而获得了更多的动态信息( 如获得血液流速、血流方向等信息) ，为临床诊断提供 了保障【。 早在7 0 年代，英、美等国就开始从事超声生物组织模块( t i s s u em i m i c k i n gp h a n t o m ) 的研究。超声生物组织模块通过采用与生物组织的超声特性相似的材料来配制一种接 近于生物组织超声特征量的体模1 2 1 。 我国静态仿组织超声体模的研究始于2 0 世纪8 0 年代，目前国内计量部门使用的 仿组织超声体模就是当时研究制成的，其检定对象是黑白b 超设备。该体模仅能评价 定位精度、空间分辨力等静态信息( 尚不能提供对比度分辨力信息) ，根本无法评价 血流方向、血流流速等动态信息，已远不能满足目前主流彩超设备的日常检定需要。 北京化t 人学口! j 岸位论立 藤 图卜1 静态仿组织超声体摸及其成像图 f l g l - i t i s s u e m i m i c k i n gp h o l l o ma n d i t s i m a g i n g f i g u r e 图1 一l 是目前常用的静态仿组织超声体模，仅能提供空间定位信息。比如盲区、 不同深度上的纵向横向分辨力、圆柱形仿痛灶成像尺寸精度、探渊深度等1 3 l “。 目前计量部门针对b 超的定期检测仅限于上述的项目。国内计量部门和相关医学 单位都急需针对目前彩超设备的多普勒仿组织超声体模。彩色多普勒仿织超声体模中 的诸多量与计量紧密相关。该体模主要由仿人体组织村料( t m m - t i s s u em i m i c k i n g m a t e r i a l ) 、仿血液液体( b m f b l o o dm i m i c k i n gf l u i d ) 和流量控制及测量装置组成。 1 2 准确测量仿组织材料声学参量的重要性 目前，国内评定仿组织超声体模优劣的声学参数主要包括声速和声衰减系数，而 例际上评价仿人体组织材料的声学参数还有背向散射系数。这些声学参量的具体数值 大小可以决定了对超声诊断设备检测结果准确性与有效性。这些参量对超声体膜的影 响在b 超仪器质量评价用超声体模的标准化问题 s l - - 文中有所提及。 例如，材科声速值所产生的影响：1 5 4 0 m s 是国际上公认的人体软组织声速平均 值，医用超声仪器中的许多设计与计算都是基于对人体中卢传播速度的这一认定进行 的。包括扫描图像的纵横向几何标尺，距离、周长、面积等：电子游标测量中的时空 联系；声透镜和电子聚焦的焦距及焦斑尺寸预计；扫描角度、线数和帧率的设计等。 如果性能检测中所用超声体模的传声媒质声速值违背这一规定，则与上述设计计算的 有关的产品技术特性将无法得到证实，还将不可避免地因体模图像的形状失真和数值 失准导致对被检产品质量评价的错误结论，甚至达到“黑白颠倒”的地步。故需准确的 测定超声体模的材料声速，才能确保医用仪器鉴定结果的正确。对声速值的重要性还 可从逆向研究的结论中得到证明。在2 0 0 0 年美国的罗彻斯特大学m e a n d e r s o n 发 表了一篇题为 t h ei m p a c to f s o u n ds p e o de n d $ o nm e d i c a lu l t r a s o u n di m a g i n g 的文章。 他的研究结论是：如果声速偏离误差达i u 8 ，将导致用线靶法测得的侧向声柬宽度 第一章绪论 增大达3 2 0 ，峰值回波幅度降低达1 0 5 d b 。 又如，材料声衰减值也会对体模的质量产生极大的影响：与其它固体物质类似， 在人体组织中，超声强度也是在传播过程中随着距离的延长越走越弱的。超声衰减系 数越大的组织，在超声诊断中能被探查到有效深度就越浅。但人体组织的声衰减行为 具有一个十分显著的特点，即超声衰减系数与超声波频率成近似成正比。这样，当超 声诊断所用信息载体为宽频带超声脉冲时，则在其传播过程中，高频成分要比低频成 分衰减得快，其中心频率不断的降低，从而导致声束焦距缩短，焦点后方发散，侧向 分辨力和声束片厚劣化，这就是所谓声束钝化现象。由于人体中各种组织的超声衰减 系数各不相同，所以仪器工程中只能依据其代表性数值进行设计计算和检验评价。在 超声诊断应用的初始时期，临床医生通常是参照肝组织的回波幅度或亮度设定仪器的 标准工作状态，于是就把当时测得的肝实质声衰减率0 7 d b c m m h z 作为了医用超声 仪器设计的主要依据之一，迄今为止，对有效探测深度、侧向分辨力和声束片厚的预 计都是据此进行的。如果检验或计量检定用超声体模中的介质声衰减背离这一数值， 则与此有关的产品技术特性将无法得到准确的检测结果，会出现检验结果中的探测深 度和空间分辨力数值，在水和其它低衰减媒质中会偏“好”，而在高衰减媒质中会偏“坏” 的现象，这种不具可比性的莫衷一是的结果只能导致质量和计量检测的混乱。 1 3 仿组织材料声学参数的研究现状 各种超声介质的声学特性主要由声速、声衰减、散射系数等参数来描述，这些量 统称为介质的声学特征量或声学参量。对这些参数的测量方法前人已有一定的研究， 现简单介绍如下。 ( 1 ) 声速研究 声速的测量方法有多种，如共振干涉法 6 1 1 7 、相位比较法【钔、双踪示波法f 9 】和脉冲 法等【1 0 1 。如共振干涉法中包括变程干涉仪和定程干涉仪。变程干涉仪利用压电超声换 能器的辐射阻抗率与换能器与反射板之间的距离的依赖关系来测定波锪。由c = 妒来 计算声速。其优点是需要的被测样品少，测量精度高。定程干涉仪是把换能器与反射 器之间的距离l 固定，并精确测量，然后改变驱动电压的频率俪保持振幅不变。当达 到某一频率时候出现共振，此时距离应是半波长的整数倍，再次增加频率则会再次出 现共振，两次频率的差幽胆f 】可求得。故声速可用c = 2 1 , a f 求。又如相位法中利用行 波场中发射声信号和接受声信号之间的相位差妒与二者距离亿间的关系来测定声速。 再如脉冲法中使用声时法、环鸣法、双脉冲抵消法、脉冲回波叠加法等等方法均可有 效的测的声速。 ( 2 ) 声衰减系数研究 准确测定介质的声衰减通常认为是比较困难和比较复杂的工作，声衰减往往是由 3 北京化工人学硕i ：学位论文 反射信号的幅度来确定，而反射信号幅度不仅与衰减有关，而且还与其他很多因素有 关，比如耦合情况、探头特性等。其主要测量方法有：脉冲回波法【l l 】【12 1 、共振法f 1 3 】、 辐射力法等等【1 4 】。在生物媒质中发生的超声衰减由超声吸收和超声散射两部分组成， 即一部分是由于媒质的粘滞，热传导和多种复杂的驰豫过程而引起的超声吸收它把 有序的声波转变成媒质的热能和内能。另一部分是由于声波在不均匀的组织结构上的 声散射把声波能量散射到其他方向而使原来传播方向上的声波能量减弱。根据衰减的 定义。衰减系数应该是经过组织之前和之后的声强比。可转化为幅值比，所以超声在 其中的衰减系数应由下式计算：a - - t n ( a o a 1 ) d ，其中，a l ，分别为超声经过组织之后 和之前的幅度值，d 为组织的长度。 ( 3 ) 背向散射系数研究 生物组织超声背向散射信号的建模与仿真在超声散射分析与组织定征和超声成像 等方面具有十分重要的意义【1 5 】。由于生物组织内散射元空间分布的随机性，超声背向 散射信号基本上是一随机信号，它的统计量中蕴含着有关组织散射元的数目、平均间 距和散射元散射截面等方面的信息。这些有关生物组织散射特性的参数已被应用于组 织的分类和识别以及组织微观特性研究。近2 0 年来，在生物组织超声背向散射信号建 模方面取得了很大进展总体上来看，生物组织超声背向散射信号的建模与仿真有两大 类方法：一类是确定性模型，另一类是随机性模型。由于生物组织结构的特殊性，选 择随机模型对生物软组织超声背向散射信号进行建模与仿真，从统计规律上来研究生 物组织超声散射特性是合理可行的方法【i6 1 。目前，主要从两个方面对超声背向散射信 号进行建模。一是对信号振幅分布分析的建模，另一方面是对散射元空间分布的建模。 在应用方面，主要针对三大类组织( 如血液、具有半规则结构的生物软组织、具有各向 异性的心肌组织) 的超声背向散射信号进行建模与仿真，其目的是利用生物组织超声背 向散射信号的统计特性或者散射元的分布特性去定征或辨识组织的状态和性质，并进 一步研究生物组织的微观结构特性。 1 4 本文的研究意义和研究内容 1 4 1 研究意义 目前，评定仿组织超声体模优劣的声学参数主要包括声速和声衰减系数以及背向 散射系数。这些参数的测量方法前人做过一定的研究，但并不是十分具体。而如今研 究的发展方向更加趋于多方面数据的集成采集与分析，所以一套能同时综合的分析各 个采集数据的方法是十分值得研究的。本文以测量仿人体组织材料的声速、声衰减和 背向散射系数为目的，建立了材料声学参数测量装置，编制了数据采集与分析软件， 进行了相关的实验研究。可为今后各医学单位使用“仿组织超声体模”提供一种评定其 优劣方法和标准。 4 第一章绪论 1 4 2 主要研究内容 本文以国家质检总局项目为依托，将小波变换与软件系统集成方法应用于超声体 模声学参量的测量中。 本文的主要内容为：第一章为绪论，简要介绍了本文的现状与发展状况。第二章 是超声体模声学参量的测量方法研究，较为详细的介绍了本实验所采用的测量声速、 声衰、超声背向散射系数的方法与实验系统的构成。第三章为测量软件的实现与数据 分析，详细的描述了课题使用的测量软件的设计过程与使用方法。第四章是将小波变 换应用于本文的相关研究，具体分析了小波去噪方法以及其在本文中的应用。第五章 为本文的相关结论与未来展望。 s 第二章仿组织材料声学参数的测量方法研究 2 1 引言 第二章仿组织材料声学参数的测量方法研究 超声波是在弹性介质中传输的一种机械波，其频率高于2 0 k h z ，是一种听不到的 高频声波。通常把2 x 1 0 4 到1 0 1 0 h z 的声波称为超声波，大于1 0 1 0 h z 的则称为特超声 波。 超声波与声波一样，是振动在弹性媒质中的传播，需要有高频振动源。机械振动 源和弹性媒质是超声波形成的基本条件。弹性媒质可以由气体、液体、固体和等离子 体构成。超声波与光波、x 射线等物理本质不同，后者是电磁辐射波，除在弹性媒质 中传播外，还能在真空中传播。但超声波频率高，波长短，成束传播，能量集中在束 内，具有类似于光波线的物理特性。超声波在空气中很快被衰减吸收，而在固体和液 体中传输能力很强，适用于固体和液体媒质中进行测量。 超声波在人体组织器官中穿透性强，即使声强很弱也能对人体组织进行有效探测， 为超声诊断提供了条件。而又因超声波源于高频机械振动，振动源取消，超声即停止 传输，故不会产生剂量积累，只要在诊断剂量内使用就不会对人体产生损害，所以在 医学方面得到广泛应用。本实验即利用超声波的上述特性对仿人体组织的声学参量进 行了测量，从而可判断出仿组织材料对人体组织的模仿程度。 2 2 仿组织材料声学参数测量系统的组成 本实验系统主要由超声分析仪、数字示波器、收发两用纵波直探头一组( 中心频 率分别为1 2 m h z ，2 2 m h z ，3 2 m h z ，5 8 m h z ) 、水浸聚焦探头一组( 中心频率分别 为i m h z ，2 5 m h z ，5 m h z ) ，p c 机以及水槽等构成，具体结构如图2 1 所示【1 他。 图2 - 1 实验系统结构框图 f i g2 - 1s t r u c t u r eo fm e a s u r e m e n ts y s t e m 7 北京化工大学硕士学位论文 实验时将水槽注满水后，超声声波由发射端发出，经过被测物质后由接收端接( 背 向散射系数测量时使用同一探头进行信号的收发) 收并传往超声分析仪，超声分析仪 负责将接收换能器输出的信号进行放大，然后供示波器采集显示。示波器与p c 机相 连，由p c 机来对示波器上显示的信号进行读取和处理。p c 机上使用的测量工具为实 验给出的测量软件，应用该测量软件可以方便快速的测得所需的声学参量。 2 3 声学参数的测量原理 2 3 1 超声脉冲取代法测量声速、声衰的原理 本文采用脉冲取代法测量超声的声速和声衰。考虑一个固定宽度的水槽，两侧分 别安置一个超声换能器作为超声收发装置，在两换能器之间放置一载具用来盛放待测 物质。即将样品横向插入两换能器的声通路中，取代原有水槽中的部分水中声程，测 量因此引起的变化量。发射换能器和接收换能器均为平面活塞型换能器，处于声学共 轴状态。发射换能器发射超声脉冲，接收换能器接收超声后输出信号，送至示波器供 显示，其结构如图2 2 所示。 图2 - 2 脉冲取代法不恿图 f i g2 - 2s k e t c hm a po fp u l s es u b s t i t u t i o nm e t h o d ( 1 ) 声速测量 声速的测量可分为2 类，第一类是测量距离l 和时间间隔t ，根据v = l t 算出； 第二类是测出频率f 和波长九，根据v = 仇算出。本实验主要使用第一类方法测量声 速。 先精确测定由于样品插入水中引起的接收超声脉冲时延彳f ，如式( 2 1 ) 所示： a t = t 2 一t l ( 2 1 ) 其中t ，为无样品时接收到的超声脉冲到达时间，勿为样品插入后超声脉冲到达时间。 根据速度公式可知： t l = d v i ，t 2 = d v 2 ( 2 - 2 ) 其中d 为样品宽度，v l 为超声在水中的声速( 其在2 0 。时的速度为1 4 8 0 m s ) ，v 2 为超 声在样品中的声速。由式( 2 1 ) ，( 2 2 ) 得样品中的声速为： 8 第二章仿组织材料声学参数的测量方法研究 叱刮万右面 q 3 ) ( 2 ) 声衰测量 此法将被测样品，横向插入两个相对放置的发射换能器和接收换能器的声通路中， 取代原有水槽中的部分水中声程，测量由此引起的超声接收信号的下降分贝数，从而 测定材料的声衰。被测样品的两个受声面应为平行平面，测量时要保证发射脉冲稳定， 在无样品插入情况下测定直达波的幅度a o 然后将厚度为d l 的样品插入声路中，测出 其相对于水中直达波幅度下降的分贝数l ，再用另一个厚度为破的同材料样品，测 出其下降的分贝数m ，则可用( 2 - 4 ) 计算被测材料的声衰减系数： 一糟托- c 2 4 ， 上式中l 、m 的计算表达式为= 2 0 l o g 丢，彳分别取不同厚度样品的直达波幅度 值，故带入( 2 - 4 ) 式中可得声衰仅为： 口：百2 0l o g 等a , 蝎 5 ， 其中n i 为水的声衰( 其在2 0 0 时为0 0 0 2 d b c l ：n m h z ) ，a l 、a 2 分别为插入不同厚度样 2 3 2 超声脉冲回波法测量超声背向散射系数的原理 背向散射系数就是在与入射声波成1 8 0 0 的方向上的单位体积元在单位立体角截面 内的微分散射。本文采用脉冲回波法测量背向散射系数，其特点是利用同一超声换能 器来发射超声脉冲信号，并兼收其回波信号【2 2 。3 0 】。 ( 1 ) 入射波模型 文中所采用的是一组宽带高频超声换能器( 超声聚焦探头) ，故需要对其信号进行 频域分析。数学上常用的时域频域分析方法为傅里叶变换对，其公式如下： = 专p 细) e x p ( _ 泐。如 亿6 ， ip ( c o ) = ip ( f ) e x p ( i c o t ) d t 其中c o = 2 n f 为超声的角频率，当p ( t ) 为实函数时有尸( ) 才气甜) 。 9 北京化工人学硕j j 学位论文 图2 - 3 超声散射几何模型 f i g 2 - 3u l t r a s o n i cs c a t t e r i n gg e o m e t r ym o d e l 图2 3 所示为一典型的超声散射测量结构示意图，被测声学材料放置于一已知声 学参量的液体介质中( 一般情况采用水作为传声介质) ，此液体介质的密度为p o 超声 传播速度为c o ，则有超声波数k = w c o 。一般来说，超声换能器的震动都是由电信号激 励产生的，因此可设激励电信号的变化率为以r 矗甜) ，则在r 处的入射声压可表示为 ( r ；) ，其公式为： p 胁( ，；缈) = p o ( c o ) d7 ( ，；国) ( 2 7 ) 在此p o ( o ，) = p o c o 职o o 是换能器表面压力振幅特性，其中的坝) 为其电信号的平均变化 率，而d z ( r ；e o ) 为声的发射模型，定义为： d ro ；t o ) = 罟，端铲争( _ )( 2 - 8 ) 其中u z ( r r ；o s ) l u ( o s ) 可视为换能器元件的相关灵敏度和相位时延，r t = ir - r ti 为换能 器表面的声源发射点到被测点之间的距离，由此定义发射波模型比较符合超声换能器 的几何及动态特性。 ( 2 ) 单一质点产生的散射波模型 设在r 点处有一个单一质点，则其远离散射点处( 杌1 ) 的散射声压可写为： 只( 厂，；缈) = 匕( 厂；c o ) ( r ；缈) e x p ( i k r s ) 0( 2 9 ) 其中由，( r ；甜) 为散射幅度函数，r s 为质点到测量点之间的距离，散射的幅度主要取决于 散射质点的大小、形状、压缩比y , = ( k - k o ) k o 和密度比y p = ( p - p o ) 以及散射角度 口。= a r c o s ( k i n * k s k 2 ) 。当散射质点大小远小于声波波长时，其散射规律符合瑞利散射模 型，其公式如下： 第一二章仿组织材料声学参数的测量方法研究 巾。= 竽帆+ 苦钫c o s ( 2 - 1 0 ) 对于一个弱散射质点i 勘l 1 可以将上式近似为： 墨= 竺。= 詈二二( 七+ 7 p c 。s0 s ) ( 2 - 1 1 ) 由此定义可知当散射角度接近1 8 0 度时散射质点的散射截面积 o rd ( ，；c o ) = i m ，( ，；c o ) 1 2 可视为常量。 所以单质点散射的散射波在换能器表面产生的平均声压可表示为： 酣= 古置粹御) 棚( ) ( 2 - 1 2 ) 此处品为换能器发射表面的面积，啄w ) 职) 可视为是接收元件的相关灵敏度以及 相位时延。我们可定义： 蹦邶，= 普肌矗等铲学池) ( 2 彤， 作为接收换能器的超声传播模型，其中r r7 _ - - - - t s 。 所以联( 2 - 1 2 ) 虱j ( 2 1 3 ) 式可得： 巧( ，；c o ) = p o ( c o ) d7 ( ，；c o ) d 2 万，( ，；c o ) ( 尼s r ) p 足( ，；c o ) ( 1 4 ) 此式与单质点散射的声呐方程类似，其中i 2 刀t i ) ，( r ；c o ) ( k 品) 为其响应函数。如果发射 与接收使用相同的换能器则有： d r ( r ；c o ) = d 月( r ；c o ) 三d ( r ；c o ) ( 2 1 5 ) ( 3 ) 非匀质散射体的散射模型 非匀质散射体的散射声压可表示为： 只( ，；国) = m k 2 圪p 坝厂；国k l 厂；彩) + ( 厂弦盹；国) 以i r ；缈凇吩) ( 2 1 6 ) 其中竹；缈) 为介质声压，g 也i ，；国) = e x p ( i k r , ) 4 t o - , 为三维自由空间格林函数，其梯度 算子与r 相关。当测量点远离散射区域时( 饥1 ) 即远场情况下。我们有： v g 彩) 掣( 瞧) ( 2 - 1 7 ) 则可假定我们感兴趣的部分地入射波与平面波的相类似，散射波幅度比入射声压 场小得多，即有硎吩；缈) = 币；国腕) 或劝r p ；缈) 岛p ；国加)( 2 1 8 ) 则( 2 1 6 ) 式可写为： 北京化工大学硕十学位论文 g ( r , r , ；c o ) = 昂o ) f 穹掣讪) 研r ；缈圳，) ( 2 - 1 9 ) 此处的y 舻( r ) = 九) + 杉) c o s 以为r 点处的联合密度比和压缩比，其中 c o s # , = k n k s k 2 所以换能器表面接收到得声压平均为： 霉( ，矿；彩) = 昂 ) 轰f f 廊o ；彩减( 删) d v ( o ( 2 - 2 0 ) 其中岛( r ；缈) 为发射波传播模型，d r ( r ；a 0 为接收波传播模型，由前面讨论( 2 - 1 5 ) 式知d r ( r ；c o ) = d 胄( ，；彩) 兰d ( r ；c o ) 。 所以可求得接收换能器接收到得散射能量为： 陋( ，酬2 叱。) 1 2 摆m m 嘶；桫2 ；咖桫舯p 哪附) ( 2 2 1 ) 其平均能量可由下式计算： ( i 霉( ，矿；国) 1 2 ) = 1 只例2 ( 惫n f j j 。2 ；) d 屹( ，；彩) ( 沙印) ) d 矿( r 谚m ) ( 2 2 2 ) 此处( d 沙妒( r ) ) 为( r ) 的自相关函数，其数值只与距离丛= 厂，一，有关。由( 1 3 ) 式可知d ( r ；国) d ( r ；a o e x p ( ，) ，由于魄r a 尢，故我们可得到其近似值为： j ( ；圳2 兰e x ( 2 砝q 才“2 】q 万( 2 - 4 3 ) 若此时我们令z 耐= 尹= r o 则背向散射系数公式可改写为： 和，兰篆等彘e x 拟m 广2 】( 2 删 此式并未考虑衰减修正，若添加要添加衰减修正则只需在公式右侧乘上一衰减因 子f m ，f ) 即可，其具体公式为： ， ，f ) = e 4 0 a c e a c x 2 翻c r p 船f 一凹f ( 2 。4 5 ) 其中仅为测量样品的超声衰减系数，z 为样品的前界面到选取的散射体元中心的 距离，c 为超声在测量样品中的声速，f 为选取样品散射体元宽度的电子门延时宽度。 所以在进行衰减和衍射修正后，得到的背向散射系数测量模型为： 和，兰锗击e x 托讹讨m k 啪， 2 4 实验材料与结果分析 2 4 1 仿人体肌肉组织材料成份及其基本声学参数1 3 1 i 仿人体组织材料是通过混合、加热、搅拌、除气、凝固基于水的固体材料而获得。 调节密度和声速的