摘 要

物理学在医药学的发展中起着非常重要的作用，在医学诊断、治疗、康复、药物研发等领域中，物理学的最新技术成果有着广泛的应用,从而为现代医学的发展提供保障，与此同时，对医药专业学生的物理基础也提出了更高要求。但我们却发现诸如物理等基础课程在医学类专业培养中似乎并不够被重视，正如童家明等对医学技术类专业物理基础课程学时调研发现，医学技术类各专业的物理基础课学时数普遍减少，不开设物理实验课的学校数大幅增加（与 2004 年调查数据相比）^[1]。在课时减少的现实面前，作为一线教师，我们需要更多地思考物理基础课程该教什么以及怎么教的问题。

我们从复旦大学物理教学实验中心十余年的医学物理实验教学经验出发，本着要有“物理基础、物理与医学的结合、医学应用”三个层次的内容要求，自主建设了人造骨杨氏模量的测量、压力传感器特性研究及数字血压计的组装、A 型超声原理及应用等实验^[2]，并且根据实验类型我们将医学物理实验课的教学内容分为四个模块：即,生理物理量的产生与测量、医学影像物理原理与实验、生物材料物理参数测量、设计性的医学应用实验。在教学实践中，我们发现医学物理实验的教学方式与方法应与普通的物理实验有所不同，学生除了要掌握该实验的物理原理、实验方法和一定实验技能以外，还需要了解该原理/实验方法/相关技术如何与医学相结合及其在医学领域有哪些具体应用。这样就需要我们改变传统的实验上课模式，对实验内容进行精心设计，并在教学中注意讲解、讨论与操作并重。本文以“A 型超声原理及应用实验”为例，来剖析如何进行实验教学内容的设计。

1 实验器材

实验使用的仪器如图 1 所示，本文中进行的实验教学内容设计基于但不限于该仪器。实验仪主机电路发出高频脉冲到压电换能器（文中称超声探头，发射并接收超声脉冲），该脉冲有两个用途：一是作为被取样对象，输入示波器形成始波脉冲；二是激发压电换能器产生超声波。当超声波传播时遇到两种不同媒质的界面时将发生反射，反射回的超声波被探头接收，该信号经放大、检波、整形处理后输入示波器，便可以在示波器屏幕上观察到回波脉冲。实验仪配有相同形状不同材质的样品、有缺陷的金属块和金属薄片等，也可以根据需要自己设计或选取一定形状、材质的样品。

2 实验的引入

爱因斯坦说“兴趣是最好的老师”，那么在教学中，如何来激发学生的学习兴趣呢？如图 2 所示，在该实验开始前，我们从大家都所熟知的 B 超影像说起（此时不必涉及 B 超原理），比如向学生展示一张胎儿的 B 超影像，从该影像引出要研究的问题，如何利用超声得到胎儿某部位的位置和尺寸信息？这样很自然地引出测量超声在介质中传播的声速的必要性及其意义。

3 物理建模及实验设计

如图 3(a)所示，将超声探头置于水箱后端，当超声传播到水箱前端面时将发生反射，如果测量出始波与前端面回波间的时间间隔 t，再知道水箱长度 L，便可以得出该超声声速 v 的测量模型：v = 2L/t。

在实际实验中，为了提高测量精度，往往会在水箱中放入可移动的样品（如图 3b 所示），改变样品与探头之间的间距 x，测出相应的回波时间，然后拟合数据得出超声在水中传播的声速。

图 4 是一个典型的测量结果，图中峰 1 为超声始波，峰 4 为水箱前端面回波，峰 2 为样品表面回波。实验目的是测量超声在水中传播的声速，此时，可以回顾在实验引入时的问题，如果知道超声在介质中传播的声速，是不是就可以确定样品到探头之间的距离？再进一步观察发现峰 2 实际上是由两个分立的峰来组成的，那么如果测得峰 2 中两个峰的时间间隔，再知道超声在样品中的声速，就可以得出样品在超声传播方向上的尺寸。实验中提醒学生一步步思考，即可以引导学生回答实验引入时如何利用超声影像进行定位及器官/组织尺寸测量的问题。此外，利用以上原理设计有缺陷的样品，可以让学生用超声探测缺陷的位置；还可以放入不同材料的样品，通过观察回波信号，测量超声在不同材料样品中传播的声速。

4 实验中观察到的现象与 B 型超声伪像的联系

仔细观察图 4，我们发现之前没有预期到的峰 3 与峰 5。实验中，我们确信水箱中只有一个样品，峰 3 与峰 5 不是直接来自样品一次反射的回波，那么它们来源于哪里呢？经分析我们画出如图 5 所示各个反射回波来源的示意图（简便起见，不考虑样品厚度），峰 3 来自于超声在探头与样品前表面之间的二次反射（图 5 中 A2 所示），而峰 5 则是水箱前端面的回波在探头与样品表面反射而形成的（图 5 中 A3 所示）。但在实际应用中，由于看不到待检查部位的内部信息，无法像我们实验室实验一样直观地排除非样品表面的一次回波。我们把峰 3、峰 5 这样的回波信号称为伪像，只有正确地理解各个回波形成的物理原理，将来在实际应用中才会更好地判断像的“真”、“伪”。接下来在实验内容的设计中，将 A 超伪像与几个典型的 B 超伪像结合起来^[3]。一方面可以促使学生对 A 超原理有深入的理解，另一方面把基础实验与实际应用相结合，既可以为以后的 B 超原理与实验打好基础，也可以让学生明白做基础实验的意义和激发其学习兴趣。

4.1 一维混响伪像

将一金属薄片样品放入水箱靠近超声探头的位置，用数字示波器观察回波信号，并将数据用 Origin 作图，由于超声在金属表面处存在强反射，返回探头的声波再次反射回来与金属表面间发生多次反射，便可以测到如图 6 所示的多次回波信号。这与在 B 超检查中，由于在近体表处存在强的反射界面（如软组织：气体界面），声波在探头和强反射界面之间来回“反弹”。每一次再反射的回声等距离返回，机器将这些回声解读为机体内多个等距界面产生的回声。屏幕中就会显示与原始图像平行且更深的多个均匀间隔的高反射界面。

4.2 一维声影

在超声检查中，医生可以通过组织后方的回声情况来判断该组织的性质。比如常见的胆囊超声检查中，对于观察到的胆囊内异物是息肉还是结石就是通过其后方的声影来判断的。实验中，我们分别取两个形状与厚度都一样的有机玻璃和铜样品，分别将其放入水箱，得到的测量数据作图如图 7 所示。图中黑色曲线是没有放入样品时测得的数据，峰 R1 和 R1′ 分别为超声在水箱端面的一次回波与二次回波。红色曲线是放入有机玻璃样品后测得的数据，图中可以看到放入有机玻璃样品后，水箱前端面的回波信号强度明显变弱。拿出有机玻璃，在相同位置处放上同样厚度的铜样品，此时可以看到水箱前端面的反射回波 R3 几乎消失。由于有机玻璃样品和铜样品的声阻抗不同，超声在其界面上的反射率以及在其中传播时的衰减系数均不同，造成观察到的回波显著不同。而 B 超检查中正是利用不同性质的组织声阻抗和衰减系数不同，而造成在组织后方的声影大小不同来判断组织的性质。此外，在图 7 中，也可以明显看出超声在有机玻璃或铜样品前表面之间的多次反射。

4.3 一维镜面伪像

在图 7 中有机玻璃样品的测量曲线中，我们可以看到基于水箱前端面，存在着对称的两个回波 A1 和 A4，二者与水箱前端面的回波时间间距相同，这种情况可以模拟 B 超中如图 8 所示的镜面伪像。由于肝脏包膜对超声的强反射，超声波包膜和组织之间来回反射，再回探头表面，二次反射延长了超声波在组织内的时间，从而使生成的图像比实际的组织的位置距离探头要远，从而在包膜两侧形成一对对称的影像。

4.4 实验内容拓展

上一节中列出了用 A 超回波模拟常见的三种 B 超伪像，在学有余力的情况下，还可以引导学生设计实验进行更多 B 超伪像的模拟，比如旋转样品改变超声入射角度，转到一定角度时，反射声波将不能被探头接收，这样可以模拟 B 超中的“侧边回声失落”。

此外，还可以进行 M 型超声模拟，用如图 9 所示的圆柱形空腔，空腔一端为橡胶或者硅胶薄膜，通过规律地挤压吸球改变空腔内气体体积，从而使薄膜规律运动。实验中，将该样品放入水箱，其中薄膜 A 对准超声探头，挤压吸球，薄膜基于超声探头前后运动，在示波器上即可以观察到反射回波随时间的变化（反射回波随薄膜的运动而相应移动）。 

超声在临床中还用来测量肌肉等组织的杨氏模量，描述其生物力学特征和病理生理改变^[5]。在本实验条件下，同样可以设计实验，用 A 型超声仪器测出超声在固体中传播的横波声速再得出固体材料的杨氏模量。此外，也可以设计实验来研究超声探头的分辨率。

5 小结

从以上列举的实验教学内容可以看出，建设“有物理基础、有物理与医学的结合、有医学应用”这样“三有”的医学物理实验是可行的。并且可以通过精心的实验设计，打造出适合不同基础的学生、适合不同学时教学需要的有特色的医学物理实验。同时，希望以该实验为例，同行们共同努力，设计出更多更有特色的医学物理实验项目。

参考文献

基金项目：复旦大学 2019 年度本科教学研究与改革实践项目基金（2019S017）。

作者简介：苏卫锋，女，复旦大学教授，主要从事物理实验教学及实验教学研究，suwf@fudan.edu.cn。