二次谐波成像

关于医学超声中的谐波和次谐波医学超声在医学诊断中起着十分重要的作用。

但是医学超声所包含的诊断技术，无论是B型成像还是血流检测，一般都沿用了线性声学的规律。

从低廉的普及型仪器到昂贵的高档设备，都作为线性系统进入应用领域。

这种医学超声中的线性现象以往占了主导地位，形成超声诊断的主流。

但是线性是相对的、局部的，非线性是绝对的、全面的，甚至有人提出世界是非线性的。

实际上医学超声中存在着非线性现象。

过去它处于次要地位而被忽略，但是随着人们对事物本质研究的深入，以往被忽略的非线性现象都在某种场合显示其重要性，研究医学超声中非线性现象有助于人们进一步提高现有的诊断水平。

近年来产生的谐波技术［1-6］就是非线性声学在超声诊断中的一项有应用成效的新技术。

谐波原理一、传播过程中的非线性换能器发射频率为f的声波，在人体组织(介质)中以纵波形式传播，即形成组织的压缩和稀疏。

线性声学认为波在均匀介质中传播速度各处相等(C)。

当计入非线性效应时，声波在均匀介质中x点的传播速度C(x)不再都是常数C0。

在波的压缩区， C(x)>C，在波的稀疏区， C(x)<C。

因此，用简谐波形激励换能器所产生的声波，由于传播过程中各点的传播速度不同而导致了波形畸变，即变为非简谐波形。

波形的畸变意味着谐波的产生。

根据非线性声学，传播过程中产生的谐波，随着传播距离增大而增加，即产生集合(build-up)。

但是，衰减却也随着传播距离增大而增大。

两者综合的结果，使换能器接收到。

表浅组织的谐波回波较小(表皮的谐波为零)。

集合作用使谐波回波随距离而逐渐增加。

某一深度到达极值，后以衰减作用为主，谐波回波随距离而逐渐增小。

二、入射/反射关系的非线性线性声学认为反射波的强度与入射波的强度呈正比，但是计及非线性效应，反射波的强度不与入射波呈正比。

这就导致在回波信号中除了有基波外还有谐波成份。

UCA(ultrasound contrast agent)国人将UCA俗称为超声造影剂，正式译名应为超声增强剂。

CDFI上岗证考试（几项新技术新方法的临床应用）模拟试卷2(题后含答案及解析)题型有：1. A1型题 2. X型题1．关于自然组织谐波成像的描述正确的是A．增加可视帧频B．增加界面分辨力、清晰度及信噪比C．增加高频超声的穿透深度D．提高声输出功率E．减少超声能量的衰减正确答案：B解析：利用人体回波的二次或高次谐波进行成像的方法称为谐波成像，它可提高图像清晰度和分辨力。

当前应用较广的有组织谐波成像、造影谐波成像。

声波在人体组织中传播具有非线性效应。

声速随着声压的变化，声速的不同会导致声波在传播的过程中产生畸变，从而使其含有二次和更高次的谐波。

二次谐波成像频率比基波高一倍，其检测低速血流的阈值为基波的1／2，因此对低速血流更为敏感。

利用组织谐波成像的方法，通常称为组织谐波成像，具有以下优势：①提高信噪比，利用二次谐波成像可消除大部分近场伪像。

②消除旁瓣干扰、改善远场图像质量。

自然组织谐波成像技术能够增加界面的分辨力、清晰度及信噪比。

知识模块：几项新技术新方法的临床应用2．自然组织谐波的作用是A．增加可视帧频B．增加界面分辨力及清晰度C．增加高频超声的穿透深度D．提高声输出功率E．减少超声的衰减正确答案：B 涉及知识点：几项新技术新方法的临床应用3．二次谐波成像增强超声造影效果的原理是A．增大微气泡的浓度B．只接收造影剂的二次谐波回声C．谐振时造影剂的散射面积变小D．只接收造影剂的散射面积变小E．二次谐波的回声强度最大时微气泡变小正确答案：B 涉及知识点：几项新技术新方法的临床应用4．二次谐波超声成像的基本原理是指A．超声波在弹性介质中传播，声波中同时含有f0和2f0的谐波B．超声波在传导过程中声波速度发生的线性变化C．超声波接收过程中得到的与基波分离的2倍或更高倍频率的超声波D．超声波在传导和接收过程中声波能量发生的线性变化E．超声波在传导和接收过程中声波波束形态发生的非线性变化正确答案：E 涉及知识点：几项新技术新方法的临床应用5．谐波成像在临床中应用，不包括A．基波显像良好的脏器B．增强心肌和心内膜显示C．增强心腔内声学造影剂的回声信号D．增强细微病变的分辨力E．减少近场伪像及近场混响正确答案：A 涉及知识点：几项新技术新方法的临床应用6．增强超声造影效果应用哪项技术A．连续波多普勒B．频谱多普勒技术C．谐波成像D．二维超声显像E．M型超声正确答案：C 涉及知识点：几项新技术新方法的临床应用7．关于谐波成像改变图像质量的描述错误的是A．提高深度范围的信噪比B．检测高速血流C．造影剂谐波成像增强心腔或血管内血液的显示D．消除近场混响E．消除近场伪像干扰正确答案：B 涉及知识点：几项新技术新方法的临床应用8．背向散射回声强度的射频测定在超声造影技术上有什么用途A．定量评价超声造影效果B．增大血流量C．增强超声造影效果D．加速血流速度E．消除超声造影的副作用正确答案：A解析：造影剂的散射截面比同样大小的固体粒子大几个数量级，可使背向散射的信号大大增强，提高二维显像即多普勒信号强度。

CDFI医师业务能力考评模拟题模拟1一、单项选择题1. 在两种不同材料的界面上，决定反射量的因素是A.折射系数B.超声波频率C.总增益大小D.声特性阻抗E.多普勒效应正确答案：D[解析]（江南博哥）在两种不同材料的界面上，声波的反射取决于大界面两侧介质的声特性阻抗差别度、入射角及穿透角余弦值。

2. 声频在20000Hz以上称之为A.次声B.可闻声C.超声D.X线E.多普勒频移正确答案：C[解析] 声频在20000Hz以上称为超声。

频率小于20Hz(赫兹)的声波叫做次声波。

声波的频率在20～20000赫兹之间，这样的声音称为可闻声波。

X线是一种波长很短的电磁波。

3. 以下介质中声速最慢的是A.0℃B.空气C.血液D.肝脏E.肌肉正确答案：B[解析] 声波在介质中传播的速度称为声速，一般用c表示，声速的大小取决于介质的密度和弹性模量。

声波在不同介质中的速度：空气344m/s，水1524m/s，血液1570m/s，肌肉1568m/s，肝脏1570m/s。

4. 纵向分辨力是指前后两点间可分辨的最小距离，其理论计算值应是A.1/4λ(λ是波长)B.1/3λC.1/2λE.λ＞1正确答案：C[解析] 理论上，纵向分辨力为1/2波长，由于受到发射脉冲波持续时间的影响，实际分辨力为理论值的5～8倍。

5. 在下列哪种介质中，超声难以传播A.空气B.骨骼C.硫酸钡D.石蜡油E.A、B和C正确答案：E[解析] 由于空气声阻低，因而超声通过时大量反射，无法传播，而骨骼、硫酸钡声衰减严重，也无法传播。

6. 超声探头起着什么换能作用A.电能转换为光能和热能B.光能转换为热能C.机械能转换为辐射D.声能转换为超声E.电能转换为机械能和机械能转换为电能正确答案：E[解析] 超声探头既向人体内发射超声波，又接收体内反射和散射回来的声波。

探头的核心是压电晶体或压电材料，在成像过程中通过发射超声波的逆压电效应及接收回声信息的正压电效应使机械能与电能相互转换。

CDFI医师上岗证考试真题1-(1)单项选择题以下每一道考题下面有A、B、C、D、E五个备选答案。

请从中选择一个最佳答案。

1. 侧向分辨力取决于A.多普勒频移B.声束聚焦技术C.降低探头频率D.不能在远场测量E.脉冲波的波长答案：B[解答] 侧向分辨力是指声束扫描方向的分辨力，由声束扫描方向的声束宽度决定，通过采用电子聚焦来提高侧向分辨力。

2. 对轴向分辨力最直接的影响因素是A.穿透深度B.声波的波长C.阻尼D.入射的角度E.声束的宽度答案：B[解答] 纵向分辨力是指纵向(前后)距离上两个障碍物能被分辨的最小间距，主要与超声的频率有关，理论计算的最大纵向分辨力为1/2λ，例如3.0MHz的超声，其理论最大分辨力为0.5mm/2即0.25mm，但实际的分辨力为理论计算的5～8倍。

3. 反射回声的频率随反射体的运动而发生改变的现象称为A.自然反射B.混响C.Doppler效应D.传播E.入射角度答案：C[解答] 多普勒效应是奥地利数学和物理学家Christian Johann Doppler于1842年首先提出，用以阐明振动源与接收器之间存在运动时，所接收的振动频率因运动而发生改变的物理现象。

4. 当超声束从一介质穿到另一个弹性和密度都不同于前者的介质时，声束方向将发生变化。

该变化称为A.折射B.稀疏C.多普勒效应D.反射E.衍射答案：A5. 超声波束的强度是A.以瓦(W/cm2)来计算B.一个常数C.依赖于声束的直径D.以模拟模型来测量的E.以回声强度来测量的[解答] 声强是描述超声能量大小的一种物理量，即超声束在单位时间内通过单位横截面积的超声能，用“W/cm2”表示。

6. 下列超声波中，最易导致空化效应发生的是A.高频加低强度B.低频加高强度C.高频加高强度D.高频E.高强度答案：E[解答] 当用较高强度的超声照射液体时，声场中气泡的动力学过程更为复杂和激烈并产生崩溃，这一过程称为瞬态空化。

7. 关于超声入射角(θ)大小与血流方向改变的对应关系的描述，不正确的是A.当0°＜θ＜90°，血流方向迎向探头，为正向频移B.当90°＜θ＜180°，血流方向背离探头，为负向频移C.当θ=0°或θ=180°时，血流方向与声束在同一线上，正向或负向频移D.当θ=90°时，血流方向与声束垂直，检测不到多普勒频移E.当θ=90°时，血流方向与声束垂直，检测到的多普勒频移最大答案：E[解答] fd=2f0Vcosθ/C，其中，fd：频移，V：振动源或接收体的运动速度，f0：振动源的发射频率，C：超声在介质中传播速度，θ：振动源发射频率的入射角；当θ=90°时，血流方向与声束垂直，检测不到多普勒频移，ABCD均正确。

倍频现象的理论解释线性光学效应的特点：出射光强与入射光强成正比；不同频率的光波之间没有相互作用，没有相互作用包括不能交换能量；效应来源于介质中与作用光场成正比的线性极化。

非线性光学效应的特点：出射光强不与入射光强成正比（例如成平方或者三次方的关系）；不同频率光波之间存在相互作用，可以交换能量；效应来源于介质中与作用光场不成正比的非线性极化。

倍频效应是非线性的光学效应，当介质在光波电场的作用下时，会产生极化。

设P是光场E 在介质中产生的极化强度。

...…，分别为线性以及2,3为正是这些非线性极化项的出现，导致了各种非线性光学效应的产生。

所导致产生的：、波矢为的单色波，即：则中将出现项：该极化项的出现，可以看作介质中存在频率为的振荡电偶极矩，它的辐射便可能产生频率为2不相等，即：V(+X)≠V(-x)，因而位能函数相应的，电子与核之间的恢复力为：当D时，正位移引起的恢复力大于负位移引起的恢复力。

如果作用在电子上的电场力是正的，则会引起一个相对较小的位移；反之，则会引起一个相对较大的位移。

那么，电场正方向产生的极化强度就比电场反方向产生的极化强度小。

这就使得非线性极化的产生。

有了非线性极化，那么，一个给定的强光波电场对应的极化波就是一个正峰值b比负峰值b’小的非线性极化波：而根据傅里叶分析，任何一个非正弦的周期函数，都可以分解成角频率为、2、3、…的正弦波。

所以强光波电场在介质中引起的非线性极化波，可以分解成为角频率为的基频极化波，角频率为的二次谐频极化波，以及常值分量等成分。

而其中角频率为2的二次谐波，就是倍频光。

倍频转换效率：在发现倍频效应初期，产生二次谐波的效率是非常低的约为数量级。

这么低的转化效率对于倍频效应的应用来说，是一个巨大的障碍！经过后来的科学工作者的大量工作，得到了二次谐波产生的耦合波方程的一般解。

在这里，我：相位矢配因子，，通过上面的表达式对倍频转换效率进行一个简单的分析：倍频波的转换效率与和成正比，故：大的有效非线性极化系数和高的基频的光强均可使转换效率增大。

二次谐波显微成像技术作者：郝淑娟崔海瑛何巍巍邱忠阳丁军荣来源：《教育教学论坛》2017年第52期摘要：二次谐波显微成像技术是一种新型的非线性光学成像方法，在生物医学成像、新型材料科学等领域都有十分广泛的应用。

本文介绍了光学二次谐波显微成像的产生原理、主要特点和其技术发展应用。

关键词：二次谐波；显微成像；应用中图分类号：G712 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）52-0194-02微观世界的很多有用信息可以通过采用显微技术获得，显微成像技术在生命科学、医学、工业测量等不同领域有着巨大的研究价值和广泛的应用，因此，显微成像技术一直是人们研究的热点。

非光学显微术，如电子显微技术、扫描隧道显微技术等，存在对观察样品环境要求严格、对观察对象造成伤害、对观察样品限制较多等弱点，而光学显微术没有这些弱点缺陷，因此，光学显微术的发展完善和功能拓展具有重要意义。

近年来，计算机技术、激光技术和精密机械电子等技术得到飞速发展，随着这些技术的提高，出现了激光共焦扫描显微成像技术、双光子激光扫描共聚焦显微成像技术、光学相干层析成像等很多种不同功能和特性的现代光学显微术。

二次谐波显微成像技术是其中的一种现代非线性光学显微术，它利用光与物质相互作用时产生的二次谐波信号进行显微成像或探测。

一、二次谐波显微成像原理在非线性光学过程中，在强激光作用下的非线性介质，其电极化强度与激发光场的关系可以表示为[1]：二次谐波产生过程是和频过程的一种特殊情况，即倍频。

倍频效应是指两个频率相同的入射光发生和频作用，其输出光波的频率为入射光场频率的二倍，其中入射光波称为基频，输出倍频光波称为二次谐波。

相应的极化强度为：二次谐波产生过程也可以看作是不同频率光子的交换过程。

两个频率为ω的光子在谐波产生过程中湮灭，同时生成一个新的光子，频率为2ω。

二次谐波产生需要满足两个条件：一是要求介质要具有非中心对称性。

在电偶极子近似下，具有中心对称性的介质，其二阶电极化率张量为零，则不能产生二次谐波信号。