什麼是超聲波
除了我們沒法聽到它的“聲音”以外， 超聲波跟我們熟悉的聲波沒有太大的區別。當聲波的頻率到了20千赫茲以上，超過了正常人能感知的範圍，這種聲波就被稱為超聲波了。同理，如果聲波的頻率低於人類能聽到的範圍，那就是次聲波了。所以在其他物理特性上，超聲波跟聲波是基本一樣的。超聲波/聲波是一種機械波，縱波和壓力波。它是通過粒子的振動來傳播的，而粒子的振動會持續產生相對高壓和低壓的區域（如下圖），其振動方向和傳播方向是一致的，所以超聲波的傳播是需要介質的。在不同的介質下，超聲波的速度是不一樣的，例如在空氣中的速度大約為340米每秒，在人體中約為1540米每秒，在真空中速度為0。超聲波有較廣泛的應用，特別是在醫療領域，超聲波作為一種無放射性的手段可以協助醫生對病人進行更好的診斷。後面將會詳細展開。
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如何產生超聲波
超聲波的產生和聲波的產生是基於相同原理的。對於聲波，我們通常用電話為例子。說話的時候聲音（機械能）轉變為電訊號（電能）傳播到另一頭，然後聽的時候電訊號就重新轉變成聲音。這跟超聲波的產生和接收過程是一模一樣的，它們的原理就是壓電效應。壓電效應就是某些材料，例如石英在受到機械壓力時，其表面會產生一定程度的電壓；而如果我們在它表面施加電壓，它又會產生一定的機械形變。那麼通過精密的電訊號控制，我們就可以產生和接收超聲波了。目前PZT是最為普遍的用於超聲波儀器的材料。而在儀器的正常運作裡，超聲波通常會以脈衝（pulse）而非連續(continuous wave)的形式出現，所以一般情況下，PZT收到電脈衝訊號，產生一段超聲波，然後開始監聽，接收陸續返回的超聲波訊號並將它們轉變為相應的電訊號然後作進一步的資料處理，周而復始直到完成掃描。
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超聲波在人體內的傳播
前面提到超聲波在人體裡的速度大約為1540米每秒，這其實是一個平均值，也是大多數情況下超聲波儀器所用的標定速度。在後面會提到，超聲波成像會依賴於對超聲波速度的估計，準確與否會對影像質量產生直接影響。那麼對於不同的器官組織，這個傳播速度是不一樣的。例如在大腦里約為1510米每秒，在肝臟和腎臟里約為1560米每秒，在肌肉裡是1570米每秒等等，這些都沒有與平均值有很大的差別。但是在脂肪裡超聲波速度只有約1440米每秒，這個速度差異就使得對於肥胖的病人，超聲波影像的質量會明顯下降，所以這種情況下，儀器會對速度重新標定或者進行動態調整。
超聲波既然是一種波，那它在人體的傳播過程中也會和各種組織器官產生與波相關的物理現象，這些現象是利用超聲波進行成像的基礎。主要是透射，反射，散射和折射。當PZT發出超聲波遇到人體器官/組織時，部分的波可以穿透並沿著原來的方向繼續往人體身體深處傳播，這就是透射並且過程中波的能量會被部分吸收；剩餘部分的波沿著相反的方向返回並被PZT接收，那麼這部分就是反射波，這些反射波的訊號就是成像的主要原材料；而散射回來的波的能量通常非常小，折射的波則會對成像形成干擾。基本上超聲波透射的能力和器官/組織對超聲波的吸收能力決定了超聲波能“看”到多深，由於頻率越小，超聲波的穿透能力越強，所以當醫生需要看得更深的時候，往往會使用工作頻率低一點的探測器（Transducer），但是頻率低通常又會造成影像的質量下降，這是需要作出的權衡後面講到探測器的時候也會詳細提到。
醫療超聲影像簡介
隨著研究的深入和醫療需要，超聲波影像從只有1D到現在可以到3D/4D，超聲波儀器現在也可以支援多種的成像模式來迎合不同病人和醫生的需要。下面介紹一下主流的幾種的成像模式。
A-mode: 就是所說的1D，是最簡單的模式。探測器沿著某一方向發射出一簇超聲波，然後儀器呈現的是反射訊號與深度之間的方程，影像跟我們平常在示波器上看到的訊號都差不多。A-mode是早期超聲波儀器主要的模式，現在用得較少，但還可在手術中用於引導治療腫瘤的高能量波。
B-mode：B在這裡是brightness，這種模式下，探測器會掃描一片區域，然後生成灰度的2D影像，這也是現在最常用的模式之一。顏色越淺（白），即代表反射訊號越強，一般是器官/組織的表面，顏色越深（黑），即反射訊號越弱。
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M-mode：M在這裡是motion，運動模式下，儀器進行快速的B-mode掃描和成像，那麼醫生可以看到器官運動的情況，這對於心臟相關的診斷尤為重要。
Doppler-mode: 多普勒模式，該模式得名於利用多普勒現象來對移動的物體進行速度測量。多普勒模式下，醫生可以監測到血液的流動情況和方向來確定血管可能出現的病變。
Color Doppler：這個模式可以簡單理解為B-mode/M-mode + Doppler，即在2D灰度影像的基礎上，利用doppler模式和顏色標定來顯示出血管的位置，血液流量，流速和方向。
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3D/4D：3D模式就是可以呈現出器官/組織的3D影像。至於4D，就是實時的3D影像。雖然很多高階的超聲波儀器都部署了3D和4D模式，但一般情況用得不多。
這個系列第一篇就到這裡吧，後面我會繼續更新儀器方面的，成像方面以及硬體（signal path）方面相關的內容。這個主要是我個人的筆記來記錄下這方面的知識，自己涉及這個領域時日尚淺，如果出現不嚴謹甚至是錯誤的地方，希望大家能慷慨指出，我會非常感謝並加以糾正。