第一节 超声基础.doc

学院主页 教务处 联系我们 医学影像学 首 页 | 课程简介 | 教研室队伍 | 模拟试题 | 答疑台 第一节 超声基础图1-1-1 声波的产生 超声波的定义 物体的机械性振动在具有质点和弹性的媒介中的传播现象称为波动，而引起人耳听觉器官有声音感觉的波动则称为声波（Sonic wave, sound wave）（图1-1-1）。人耳的听阈范围，其振动频率为16赫（Hertz;Hz）20千赫（KHz）。超过人耳听阈上限的声波，即大于20千赫的称超声波（Ultrasonic wave）简称超声，临床常用的超声频率在210 MHz之间。 第一节 超声的物理基础一、超声波基本物理量图1-1-2 频率和周期（一）超声波有三个基本物理量，即频率（f），波长（），声速（c）。频率（Frequency）就是在每秒钟内，介质所振动的次数，以f表示，单位为赫（Hz）；声速（Speed of sound） 指声波在传播介质中的传播速度，用c表示；波长（Wavelength为完成一次完全振动的时间内所传播的距离，以表示（图1-1-2）。三者的关系是：c=f或=c/f，传播超声波的媒介物质叫做介质。（二）相同频率的超声波在不同介质中传播，声速不相同。人体组织可分类，即：软组织（包括血液、体液），骨与软骨，及含气脏器（如肺、胃肠道）。软组织平均声速为1547m/s，骨骼声速约为软组织中的2.5倍。由于不同的软组织中声速有所差异，因此目前医用超声仪一般将软组织声速的平均值定为1541m/s（图1-1-3）。通过该声速可测量软组织的厚度，公式为： （三）声阻抗（Acoustic impedance）是用来表示介质传播超声波能力的一个重要的物理量，其数值的大小由介质密度与声波在该介质中的传播速度C的乘积所决定，即： Z=C ，单位为Kgm2s。图1-1-3 不同组织中声速有所差异二、超声波的物理性能 （一）超声波在介质中传播时，遇到不同声阻抗的分界面且界面厚度远大于波长，会产生反射（Reflection）（图1-1-4）。人体软组织声阻抗差异很小，只要有1的声阻抗差，便可产生反射。由于人体软组织的声阻抗比空气的声阻抗大得多，超声波在该交界处几乎全部被反射，故超声的进行检查需用耦合剂，同样原因，超声一般不适合于检查肺、骨等与周围软组织声阻抗差别极大的脏器。超声诊断仪就是利用人体组织对超声波的反射作用，从声反射波中提取医学诊断信息的。 （二）当分界面两边的声速不同时，超声波透入第二种介质后，其传播方向将发生改变即产生折射（Refraction）（图1-1-4）。声波从一种小声速介质向大声速介质入射时，声波经过这两种介质的界面后出现折射波的折射角大于入射角。当入射角超过临界角（90）时，相应的折射波消失，出现全反射。我们在进行超声检查时，需要尽可能地将声束垂直于界面，避免入射角过大，否则将会引起反射体的实际位置与显示位置发生错位，甚至出现全反射，从而导致超声无法检查该界面以下的组织器官。图1-1-4 声波在界面上的反射与折射（三）当障碍物的直径等于或小于2，超声波将绕过该障碍物而继续前进，这种现象称为绕射（Diffraction）（图1-1-5），故超声波波长越短（即频率越高），能发现障碍物越小，也就是说分辨力越好，超声图象也越清晰，不过对组织的穿透力较差。所以临床上高频探头多应用于儿童和浅表器官的检查。图1-1-5 声波的绕射图1-1-6 声波的散射（四）超声波在传播中遇到粗糙面或极小的障碍物（或一组小障碍物形式）时，将有一部分能量被散射（Scattering）（图1-1-6）。红细胞的直径比超声波要小得多，红细胞是一种散射体，声束内红细胞数量越多，背向散射强度就越大。红细胞的背向散射是多普勒超声诊断的基础。（五）超声波在介质内的传播过程中，随着传播距离的增大，声波的能量逐渐减少，这一现象称为声波衰减（Acoustic attenuation）。声波衰减与介质对声波的吸收(Acoustic absorption)、散射以及声束扩散等原因有关，其中吸收是衰减的主要因素。（六）多普勒效应（Doppler effect） 为声源与接收器之间的相对运动而导致声波频率发生改变的现象（图1-1-7）。当声源与接收器作相向运动时，接收器所接收到的声波频率高于声源所发出的频率，如两者的运动方向相反时，则接收频率低于声源所发出的频率，两者的频率差为频移（Frequency shift）。超声多普勒仪器的超声源和接收器均安装在探头（换能器）中，探头工作时，换能器发出超声波，由运动着的红细胞发出散射回波，再由接收换能器接收此回波。因此接收换能器所收到的超声回波的频率经过了两次多普勒效应过程，所以收发超声频率之差与血流相对于换能器运动速度的两倍成正比，多普勒频移的表达式为：式中fd为多普勒频移，f0为入射频率，fR为反射频率，V为反射物体运动速度，C为声速，为运动方向与人射波间的夹角。 图1-1-7 多普勒效应第二节 超声仪器 一、 超声诊断仪的基本组成及构造 超声诊断仪均由三个组成部分组成：超声换能器(Ultrasonic transducer)部分、基本电路部分和显示部分（图1-2-1）。（一）超声换能器医用超声换能器是将电能转换成超声能，同时也可将声能转换成电能的一种器件，它是超声仪器中的重要部件。图1-2-1 超声诊断仪的基本组成 图1-2-2 正压电效应图1-2-3 逆压电效应1、换能器的构成 换能器的核心是晶片，由它完成机械能与电能之间的转换。当在晶片上加一机械振动时，晶片材料将将机械能转变为电能（正压电效应Piezoelectric effect）（图1-2-2，当在晶片上加一交变电信号，则此材料将产生与交变信号同样频率的电能转变为机械能（逆压电效应Inverse Piezoelectric effect）（图1-2-3）。产生超声波就是晶体的逆压电效应。 2、换能器的类型与临床应用 线阵探头、凸阵探头：这类探头主要用于腹部、妇产、外围血管；机械扇形扫描探头：主要用于心脏（图1-2-4）；高频探头：当频率在40100MHz范围时，称之为高频探头，主要用于皮肤成像，冠状动脉内成像及眼部成像，如：超声生物显微镜。 （二）基本电路(Basic Circuit) 超声诊断仪的基本结构大致相同，通常由主控电路、发射电路、高频信号放大电路、视频信号放大和扫描发生器组成。（三）显示器(Diplayer)从人体反射回来的超声信息最终是从显示器或记录仪上显示的图象中提取的。常见的显示器是阴极射线管，它由电子枪、偏转系统和荧光屏组成（图1-2-5）。图1-2-5 显示器的组成 二、 超声诊断仪的类型（一）A型超声诊断仪在A型超声诊断仪的显示器上，以探头接收到的反射超声脉冲信号的幅度为纵坐标，而以超声脉冲的传播时间为横坐标的一种显示方式（图1-2-6）。（二）B型超声诊断仪图1-2-6 A型超声诊断仪图1-2-7 B型超声诊断仪在B型超声诊断仪以局部亮度或光强代表回波的幅度的一种显示方式。在超声诊断仪显示屏上，以声束扫查移动位置(或转动角度)为横坐标，以超声脉冲的传播时间纵坐标，并以回波幅度调制显示器辉度来表示探测结果，可得到探头声束扫查经过的平面内的图像（图1-2-7）。这种超声诊断仪目前应用最为广泛。 图1-2-6 A型超声图图1-2-7 B型超声切面图（三）M型超声诊断仪M型超声诊断仪也是一种以光点亮度来表示反射声信号强弱的仪器。它是将沿声束方向各反射点位移随时间变化来显示的一种超声诊断仪（图1-2-8），因此静止目标的显示像是一条水平亮迹，摆动着的目标显像为一正弦曲线，通常将心脏的M型显示图像称为M型超声心动图。 图表 1-2-8 M型超声诊断仪 （四）频谱多普勒仪 在频谱多普勒仪上，探头接收到的多普勒正负频移以信号波在基线的上下（正负）来表示的（图1-2-9），它有连续和脉冲两种形式。1、连续式多普勒：使用双晶片探头，一个晶片连续地发射脉冲波，返回的声波由另一个晶体片连续地接收（图1-2-10）。它可测量高速血流，缺点是不能提供距离信息，缺乏空间分辨能力，故不能进行定位诊断。 图1-2-9 频谱多普勒仪正负频移的显示 图1-2-10 频谱多普勒仪2、脉冲式多普勒：其探头作为声源发射出一组超声脉冲后，又作为接收器接受反射的回声（图1-2-10）。它具有距离分辨能力，增加了血流定位探查的准确性，主要缺点是不能测量深部血管的高速血流，高速血流可能错误地显示为低速血流（倒错现象）。（五）彩色多普勒血流显像(Color Doppler flow Imaging; CDFI)目前大多数彩色多普勒血流显像设备由脉冲多普勒系统、自相关器和彩色编码及显示器等主要部分组成。人体和血流的反射信号经结构分析和血流分析处理后，可在显示屏上显现黑白的实时二维声像图上叠加彩色的实时血流显像。 彩色多普勒血流显象技术的图象输出方式是将多普勒频移伪彩色编码，该技术是由红、篮、绿三种基本颜色组成（图1-2-11）。它主要以速度方式显示，速度的方向以红蓝两色的区别来表示，红色的流速代表正向频移，蓝色的流速代表负向频移，两者之间为零线，零线无流速因而不显色。速度的大小以不同的色调即色泽的亮度来表示，流速越高，色调越高，即色彩越亮；反之，流速越低，色调越低，即色泽越暗。 图1-2-11 彩色多普勒血流显象技术 三、 超声图像质量 （一）灰阶（Gray scale）灰阶是将声信号的幅度调制光点亮度，以一定的灰阶级来表示探测结果的显示方式（图1-2-12），超声诊断仪的断面显示就是灰阶显示，它能反映出富有层次的人体软组织图象，有助于识别病变结构。显示屏上的最黑到最亮的灰度等级差，取决于声信号的强度。 图1-2-12 超声灰阶显示 （二）彩色编码显示（Color code display）虽然灰阶可区分出不同强度的超声信号，但人眼对灰阶的分辨力较差，而对彩色和色调具有相当高的分辨力。彩色编码就是用不同的颜色来表示声信号的幅度的一种显示方式，它将不同的幅度的回声划分为许多彩色域，用一种颜色表示一定范围的声信号幅度，这样相邻的回波幅度的信号有了明显不同的色彩，加强了对比度，有效地提高了对比分辨力。（三）分辨力 (Resolution) 超声检测成像系统的分辨力是指能够分辨有一定间距的两个界面(或质点)的能力，通常用可分辨的两个界面间的最小距离来表示。也可用在单位距离内可分辩的点数来表示，后者是前者的倒数，称为分辨率。简言之，分辨力指超声区别或鉴别人体内某一结构的变化或不同于另一结构的能力。分辨力又可分为轴向分辨力 、横向分辨力和厚度分辨力。1、轴向分辨力 (Axial resolution)指沿超声波声束轴方向上不同深度超声仪可区分的两个点目标的最小距离（图1-2-13），它受超声频率和脉冲长度的影响，超声频率越高，脉冲越窄，分辨力越好。故临床上作小儿及浅表器官的超声检查时，常采用高频探头。2、横向分辨力 (Transverse resolution)指在垂直于超声波束轴的平面上可区分两个点目标的最小距离（图1-2-13），它与点目标到探头之间的距离有关。声束宽，分辨力低，反之，声束越窄，分辨力越高。因此为了提高超声仪的横向分辨力，通常采用声束聚焦的技术。图1-2-13 超声轴 、横分辨示意图 图1-2-14 超声厚度分辨力示意图 3、厚度分辨力（thickness resolution） 超声显像仪探头除法单晶片或环阵探头外，具有一定厚度，故超声切面图像是一较厚的断层信息的叠加图像。厚度分辨力就是区分探头在厚度方向的横向分辨力（图1-2-14）。厚度分辨力越好，图像上反映组织的切面情况越真实。 第三节 超声的诊断基础 超声诊断的主要原理是利用超声波在生物组织中的传播特性，亦即从超声波与生物组织相互作用后的声信息中提取所需的医学信息。当利用超声诊断仪向人体组织中发射超声波，遇到各种不同的物理界面时，便可产生不同的反射(Reflection)、散射(Scatter)、折射(Refraction)、吸收（Absorption）和衰减（Attenuation）的信号差异。将这些不同的信号差异加以接收放大和信息处理，显示各种可供分析的图像，从而进行医学诊断。 一、正常组织、器官的特点(Character of the Normal tissue & organ) 人体不同的组织和器官均有其相应的正常声像图特点，掌握这些图像的特点，对于图像的正确分析和判断有着重要的作用。（一）皮肤(Skin) 正常皮肤均呈线状增强回声，厚约23mm,边界光滑、整齐（图1-3-1）。 图1-3-1 皮肤声像图 （二）脂肪组织(Fatty tissue) 皮下脂肪及体内层状分布的脂肪均呈低水平回声（图1-3-2），其内有散在的点状回声。当有筋膜包裹时，在脂肪与筋膜之间可有强回声。在某些解剖结构中混杂有脂肪组织时，其间的脂肪可为强回声。（三）纤维组织(Fibro-tissue) 因为体内纤维组织多与其他组织交错分布，一般回声较强（图1-3-3），某些排列均匀的纤维组织其回声相对较弱，纤维组织本身的声衰减现象较明显，甚者其后方可以出现声影。图1-3-2 脂肪声像图 图1-3-3 纤维组织声像图 （四）肌肉组织(Mascle tissue) 肌肉组织长轴切面显示为较强的线状或条状回声，相互平行，排列有序，成羽状或梭形（图1-3-4）。短轴切面肌肉呈类圆形，双凸透镜形或不规则型，肌肉中间可见网状，带状分隔及斑点状回声。 图1-3-4 肌肉组织声像图 （五）血管(Blood Vessel) 血管纵切面呈无回声管状结构，横切面呈环状，脉管壁厚而光滑，回声强，搏动明显；静脉管壁薄，回声弱（图1-3-5），搏动不明显，血管近端较粗，远端逐渐变细。 图1-3-5 血管声像图 右图为动脉，左图为静脉脉 （六）骨骼(Skeleton) 超声正常情况下难以完全穿透骨组织，故不易得到完整的骨骼图象。成年人的成骨在近探头侧可见呈强回声的骨皮质回声代，骨内结构显示不清（图1-3-6）；肋软骨则表现为两条平行高回声带，其间为低或无回声区，短轴则呈椭圆形的低或无回声区，其周为一境界清晰、光滑的环状高回声环。 图1-3-6 骨骼声像图 图1-3-7 肝脏声像图 （七）实质脏器(parenchyma organ) 实质脏器的表面均有一较强的带状回声，为纤维被膜所致。内部的实质为均匀的中低水平的回声（图1-3-7）。以肝脏为标准：脾脏回声较肝脏低而均细，肾脏实质较肝脏实质回声低，胰腺回声较肝脏高而粗糙。图1-3-8 膀胱声像图 （八）空腔脏器(Empty organ) 人体内的空腔脏器在不同的功能状态下通常显示不同的声像图特点。如充满胆汁的胆囊，其形态多呈长茄状，壁薄而光滑，内部透声好，为无回声区。排空后的胆囊，其体积缩小，囊壁增厚多呈双层。正常充盈状态下的膀胱，其形态呈椭圆形及不规则的三角形，壁薄而光滑（图1-3-8），尿液排空后壁增厚，表面不平。胃肠道在充满液体时呈囊状或管状无回声表现，当充满含有气体的内容物时形成杂乱的强回声反射。 二、人体组织器官的声像图表现类型（一）无回声(Echoless) 1、液性无回声(Fluid echoless)：液体内部十分均质，其声阻抗无多大差别，没有反射界面形成。正常状态下呈现无回声表现的有胆汁、尿液等（图1-3-9）。病理情况下呈现无回声表现的有鞘腹腔积液及各个脏器的囊性病变、液化性病变等。 2、衰减性无回声(Echo free of the attenuation)：声能被前方病变组织吸收，后方由于明显的声衰减而呈现无回声状态。人体脏器的纤维变性、脂肪变性及巨块型或弥漫型癌肿等病理情况下其后方组织常有衰减性无回声表现。 图1-3-9 液性和衰减性无回声 通常所称的声影(Aconstic shadow)，也是一种无回声表现，其形成原因除吸收外，主要因障碍物造成的反射或折射使声能不能向下传导所致（图1-3-9）。声影可见于正常的骨骼以及结石、钙化、致密的纤维疤痕组织回声之后。 图1-3-10 均质性无回声 3、均质性无回声：超声介质十分均质时，因其内部声阻抗几乎没有差别，在超声灵敏度低时也可表现为无回声状态，如淋巴结皮质等（图1-3-10），这种均质性无回声在提高仪器灵敏度后可出现点状回声。 （二）低回声(Low-echo) 在超声介质比较均匀，其的声阻抗差别较小，仅有少数反射界面，在正常灵敏度时表现为低回声状态（图1-3-11），如正常肾实质、肝脏、脾脏及部分玻璃样变性的病理组织等。（三）高回声(High-echo) 组织器官纤维化、脂肪变性等可表现为弥漫性点状回声，脏器内部有新生物形成时可表现为高回声结节或团块，导致回声增强的原因系病理组织较正常组织结构致密，声阻抗增加，反射界面增多所致。图1-3-11 低回声和高回声 （四）强回声(Strong-echo) 正常人体骨路，各种病理性结石、钙化灶等，因其内部结构十分致密，与周围组织声阻抗相差悬殊，造成强烈的反射，表现为强回声团、强回声带等。肺及充气状态下的胃肠，在声像