簡介：你聽不見的聲音
歡迎來到醫學影像的最終領域！當 X 光利用高能量輻射來透視人體時，超聲波（Ultrasound）則使用了更溫和的方式：高頻聲波。這正是蝙蝠在黑暗中狩獵，以及潛水艇在海洋中導航所使用的技術。在本章中，我們將探討如何利用聲音來「看見」物體、如何計算來自不同身體部位的「回聲」，甚至是如何測量心臟中血液流動的速度。
別擔心，如果起初覺得這些波的概念有點抽象——我們會將其拆解成簡單的回聲和脈衝來理解！
1. 什麼是超聲波？
在物理學中，超聲波定義為任何頻率高於 20,000 Hz (20 kHz) 的縱波。這已超過了人類聽覺的上限。在醫學影像中，我們通常使用更高頻率的超聲波，範圍在 1 到 15 MHz (兆赫) 之間。
關鍵特性：
- 它是縱波（需要介質才能傳播）。
- 它像光一樣，可以進行反射、折射和繞射。
- 頻率越高，解析度越好（影像越清晰），但穿透身體的深度較淺。
快速複習：如果頻率高於 20 kHz，即為超聲波。如果低於 20 Hz，則稱為次聲波 (infrasound)。
2. 超聲波換能器：聲波的產生
我們如何產生這些高頻聲音呢？我們使用一種稱為換能器 (transducer) 的裝置。它既是「嘴巴」（發出聲音）也是「耳朵」（接收回聲）。
壓電效應 (Piezoelectric Effect)
換能器的核心是一個壓電晶體（例如石英）。這些晶體有一個非常酷的特性：
1. 如果你壓縮或拉伸晶體，它會產生電壓。
2. 如果你對晶體施加電壓，它的形狀會改變（膨脹或收縮）。
換能器運作原理（步驟說明）：
- 對晶體施加高頻的交流電壓。
- 晶體以該頻率振動（收縮與膨脹），從而發出超聲波脈衝。
- 聲音在身體內的邊界（如器官邊緣）發生反射。
- 反射回來的回聲擊中晶體，使其產生振動。
- 這些振動會產生電子訊號，電腦再將其轉換為圖像。
你知道嗎？換能器大約 99% 的時間都在「聆聽」回聲，只有 1% 的時間在發出聲音！
重點總結：壓電效應就是將電能轉化為機械能（振動），反之亦然。
3. 聲阻抗 (Acoustic Impedance, \(Z\))
當超聲波擊中兩種不同組織（例如肌肉和骨骼）之間的邊界時，部分聲音會反射，部分則會透射。反射量的多少取決於一種稱為聲阻抗的特性。
你可以把聲阻抗想像成物質對聲音流動的「抵抗力」。它使用以下公式計算：
\( Z = \rho c \)
其中：
\(Z\) = 聲阻抗（單位：\(kg \cdot m^{-2} \cdot s^{-1}\)）
\(\rho\) = 物質的密度（單位：\(kg \cdot m^{-3}\)）
\(c\) = 聲音在該物質中的傳播速度（單位：\(m \cdot s^{-1}\)）
記憶小撇步：試想在空氣中奔跑與在水中奔跑的區別。水的「阻抗」較高——因為它更濃密，穿過它會更困難！
4. 反射與強度反射係數
在邊界處反射的超聲波量，取決於兩種物質之間阻抗的差異。如果阻抗差異很大，大部分聲音會反射；如果兩者相似，大部分聲音則會穿透過去。
強度反射係數 (\(\alpha\)) 是反射強度 (\(I_r\)) 與入射強度 (\(I_0\)) 的比值：
\( \frac{I_r}{I_0} = \frac{(Z_2 - Z_1)^2}{(Z_2 + Z_1)^2} \)
為什麼要使用耦合膠（超聲波膠）？
空氣的阻抗極低，而皮膚的阻抗則高得多。如果不用耦合膠，幾乎 100% 的超聲波在進入身體前就會在皮膚表面反射回來！
阻抗匹配：我們使用與皮膚阻抗相近的耦合膠。這能達到「阻抗匹配」，使聲音能進入體內，而不會在空氣與皮膚的邊界處發生反射。
常見錯誤：學生常會忘記分子是阻抗的差值，而分母則是阻抗的總和。務必檢查符號！
重點總結：\(Z\) 的差異越大，反射越強。\(Z\) 的差異越小，反射越弱。耦合膠的作用是透過匹配皮膚的阻抗，讓聲音順利進入身體。
5. 超聲波掃描：A-Scan 與 B-Scan
顯示超聲波數據主要有兩種方式：
A-Scan (振幅掃描)
A-scan 是一種一維掃描。它會產生一個電壓（振幅）與時間的關係圖。
範例：測量眼球深度或骨骼厚度。
圖中的峰值代表邊界。透過測量峰值之間的時間 (\(t\))，並已知聲速 (\(c\))，我們可以使用下式計算距離 (\(x\))：
\( x = \frac{ct}{2} \)
（除以 2 是因為聲音需要往返路程！）
B-Scan (亮度掃描)
B-scan 是由許多 A-scan 組成的二維圖像。
電腦將 A-scan 的「峰值」轉換為「點」。每個點的亮度代表反射的強度。
範例：產前超聲波檢查。這就是大多數人聽到「超聲波」時想到的畫面。
重點總結：A-scan = 圖表（一維）；B-scan = 影像（二維）。
6. 超聲波中的多普勒效應
超聲波不僅可以用來成像，還能測量運動，特別是血液的速度。當超聲波從移動的紅血球反射時，其頻率會發生變化，這就是多普勒效應 (Doppler effect)。
醫學影像中的多普勒頻移 (Doppler shift) 公式為：
\( \frac{\Delta f}{f} = \frac{2v \cos\theta}{c} \)
其中：
\(\Delta f\) = 頻率的變化量（頻移）
\(f\) = 超聲波的原始頻率
\(v\) = 血液流速
\(\theta\) = 超聲波束與血管之間的夾角
\(c\) = 聲音在血液中的傳播速度
公式中為什麼有個「2」？
聲音經歷了兩次多普勒頻移：一次是當移動的紅血球接收到聲音時，另一次是當紅血球將聲音反射回換能器時。
類比：將頻率變化想像成救護車警笛經過你身邊。如果血液向換能器方向流動，頻率會增加；如果背離換能器流動，頻率則會降低。
重點總結：我們利用多普勒頻移來測量血液流速。如果探頭與血管夾角為 90 度（\(\cos 90 = 0\)），則沒有頻移，因此醫生操作時總會讓探頭保持一個特定的角度！
快速複習欄
1. 定義：縱波，\(f > 20 kHz\)。
2. 產生：換能器晶體中的壓電效應。
3. 阻抗：\( Z = \rho c \)。透過匹配材料控制反射。
4. 反射：\(\frac{I_r}{I_0} = \frac{(Z_2 - Z_1)^2}{(Z_2 + Z_1)^2}\)。
5. 掃描：A-scan（圖表/距離）；B-scan（影像/亮度）。
6. 多普勒：\(\frac{\Delta f}{f} = \frac{2v \cos\theta}{c}\)。用於測量血流速度。