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1第一章、超声诊断物理基础第一节超声波的概念一、超声波的基本概念1、声波的性质超声波是指频率超过人耳听觉范围（20~20000HZ）的高频声波，即：频率20000HZ的机械（振动）波。超声波不能在真空中传播，超声波的振态在固体中有纵波、横波、表面波、瑞利波、板波等多种振态，而在液体和气体中只有纵波振态，在超声诊断中主要应用超声纵波。2、诊断常用的超声频率范围2~10MHZ(1MHZ=106HZ)3、超声波属于声波范畴它具有声波的共同物理性质①方式------必须通过弹性介质进行传播在液体、气体和人体软组织中的传播方式为纵波(疏密波)具有反射、折射、衍射、散射特性,以及在不同介质中(空气、水、软组织、骨骼)分别具有不同的声速和不同的衰减等②声速------在不同介质中，声速有很大差别：空气(20℃)344m/s,水（37℃）1524m/s,肝1570m/s,脂肪1476m/s,颅骨3360m/s人体软组织的声速平均为1540m/s,与水的声速相近。骨骼的声速最高相当于软组织平均声速的2倍以上二、基本物理量声学基本物理量波长、频率、声速及三者的关系λ=С/f声速：不同介质的声速空气(20℃)344m/s、水(37℃)1524m/s、肝脏\血液1570m/s、脂肪组织1476m/s、颅骨3360m/s。人体软组织平均声速掌握1540m/s三、声场（一）超声场概念超声场是指发射超声在介质中传播时其能量所达到的空间。超声场简称声场，又可称为声束。（二）声场特性1、①扫描声束的形状、大小（粗细）及声束本身的能量分布，随所用探头的形状、大小、阵元数及其排列、工作频率（超声波长）、有无聚焦以及聚焦的方式不同而有很大的不同②声束还受人体组织不同程度吸收衰减、反射、折射和散射等影响即超声与人体组之间相互作用的影响。2、声束由一个大的主瓣和一些小的旁瓣组成超声成像主要依靠探头发射高度指向性的主瓣并接收回声；旁瓣的方向总有偏差，容易产生伪像。3、声场可分为近场和远场两部分近场声束集中，呈圆柱形。其直径接近于探头直径（较粗）其长度取决于超声频率和探头的半径公式如下：L=（2r•f）/c；L为近场长度；r为振动源半径；f为频率；c为声束近场虽呈规则的圆柱形，但实际上由于旁瓣的相互干扰作用，其横断面上的声能分布很不均匀，以致可以影响或严重影响诊断远场声束扩散，呈喇叭形。远场声束向周围空间扩散，其直径不断增加（更粗大），但其横断面上的能量分布比较均匀。声束向两侧扩散的角度称为扩散角（2Ө），向其一侧扩散的角度称为半扩散角(θ)。声束的扩散角愈小，指向性愈好。4、超声波指向性优劣的指标是近场长度和扩散角。超声频率愈高、波长愈短，则近场愈长、扩散角愈小，声束的指向性亦愈好。增加探头孔径（直径）也可改善声束的指向性，但是探头直径增加会降低横向分辨力。因此，现代超声诊断装置普遍采用小巧的聚焦探头，以减少远场声束扩散2（三）声束聚焦与分辨力采用聚焦技术，可使聚焦区超声束变细，减少远场声束扩散，改善图像的横向和（或）侧向分辨1、聚焦的方法（1）固定式声透镜聚焦---将声透镜贴附在探头表面。常用于线阵探头、凸阵探头，以提高其横向分辨力。此法远场仍然散焦（2）电子相控阵聚焦①、利用延迟发射使声束偏转，实现线阵、凸阵等多阵元探头的发射聚焦或多点聚焦，用以提高侧向分辨力②、在长轴方向对整条声束的回声途径上自动、不断地进行全程接收聚焦，亦称动态聚焦③、利用环阵探头进行环阵相控聚焦，改善横向、侧向分辨力④、其他聚焦新技术，如二维多阵元探头，弥补现有聚焦技术的不足2、聚焦声束与非聚焦声束的比较①、聚焦区声束明显变细，横向和侧向分辨力可望大大改善②近场区（旁瓣区）声能分布不均匀现象依然存在③、远场区的非聚焦部分散焦现象依然存在，某些单阵元探头或质量低劣的探头或许更为严重④、聚焦声束的形状和大小总体来说仍较奇特。与纤细的X线束相比。尚有较大的差别第二节、超声一物理特性※一、束射特性（方向性）超声成束发射，复合几何光学定律（如反射、折射、聚焦、散焦）。束射特性和方向性是诊断用超声首要的物理特性入射波垂直于声阻抗不同的界面能够得到最佳的超声反射声波反射时，经过密度和射速不同的两种介质构成的大界面，会发生反射和折射，包括回声反射。界面回声反射的能量是由声强反射系数（R1）决定：1、大界面与界面反射(1)声波发射时，当遇密度和声速不同的两种介质构成的大界面时，会发生反射和折射（透射）包括回声反射（2）界面的回声反射的角度依赖性：大界面是指长度大于声束波长的界面①入射声束垂直于大界面时回声反射强②入射声束与大界面倾斜时，回声反射减弱甚至消失假设垂直时回声反射强度为100%，倾斜6º（入射角θ）时，回声强度降低至10%；倾斜12º时，降至1%。如果倾斜角度≥20º，则几乎检测不到回声反射，也称回声失落。可见，大界面的回声反射有显著的角度依赖性（3）界面回声反射的能量是由声强反射系数（R1）决定的R1=———Z1Z2分别代表两种介质的声阻抗。声阻抗=密度声速R代表声强反射系数两种介质的声阻差愈大，界面反射愈强（ZZ）两种介质的声阻差相等，界面反射消失两种介质存在着声阻差，是界面反射的必要条件(4)界面回声反射的能量与界面形状密切相关：声束垂直于凹面和凸面，分别具有聚焦和散焦作用（回声稍强和减弱）；垂直于不规则界面时，则呈现乱散射（回声反射强弱不等或减弱）。超声界面反射的特点：非常敏感。3两种介质之间的声阻抗只要相差0.1%（声阻差）就会产生明显的反射回波（回声）。人体许多器官如肝、脾、胆囊的包膜、腹壁各层肌肉筋膜以及皮肤层等都是典型的大界面2、小界面与后反射（或背向散射）①小界面是指小于声束波长的界面②超声遇到肝、脾等实质器官或软组织内的细胞，包括成堆的红细胞（称散射体），会发生微弱的散射波。散射波向四面八方分散能量，只有朝向探头方向的微弱散射信号—后散射（背向散射），才会被检测到③小界面的后散射或背向散射回声，无角度依赖性3、现代超声诊断仪正是利用大界面反射原理，能够清楚显示体表和内部器官的表面形态和轮廓；还利用无数小界面后散射的原理，清楚显示人体表层，以至于内部器官、组织复杂而细微的结构·二、衰减特性衰减的概念----声波在介质中传播过程中，声能随距离增加而减弱，这就是衰减1、衰减与超声传播距离和频率有关超声频率很高，故衰减现象特别显著。2、衰减的原因主要有吸收、散射、声束扩散；①介质对超声波的吸收：超声的机械能转变为热能传导，或被组织的粘滞性吸收②能量被许多散射体如蛋白质分子散射掉③声束扩散使超声在介质中前进方向上的能量减小。④声衰减表现为回声减少或消失，以至出现声影。很强的反射界面后方回声减少或消失，但反射与衰减是两个概念。3、衰减系数表1-2-1人体组织的声能衰减系数介质名称平均衰减系数频率范围水0.0037~0.00635血液0.181.0脂肪0.630.8~7肝脏0.940.3~3.4肾脏1.00.3~4.5肌肉（平行肌束）1.30.8~4.5肌肉（横断肌束）3.30.8~4.5颅骨2.01.6①人体软组织和体液声衰减是不同的。软组织平均衰减系数为1dB/cm•MHZ②蛋白质成分是人体组织声衰减的主要因素（占80%）不含蛋白质成分的水，几乎可视为无衰减或称透声4、为清楚显示深部组织回声，使正常肝肾实质成为“均匀回声”（后方无衰减）。必须使用TCG(时间补偿增益)调节，按距离补偿超声能量的衰减，故也称为DCG（距离补偿增益）调节5、人体组织衰减程度一般规律（1）骨＞软骨＞肌腱＞肝肾＞血液＞尿液胆汁（2）组织体液中蛋白成分尤其胶原蛋白成分愈高，衰减愈显著。反之组织体液中水分含量愈多，衰减愈少。组织中钙质成分愈多，衰减愈多三、超声分辨力1、分辨力是超声在人体软组织中传播时，指显示器上能够区分声束中两个细小目标的能力或最小距离2、超声的分辨力受多种因素的影响，包括：超声波的频率、脉冲宽度、声束宽度（聚焦）声场远近和能量分布、探头类型和仪器4功能（如二维图像中像素多少、灰阶的级数多少等）3、空间分辨力主要与声束特性有关（1）轴向（纵向）分辨力、指声束在长轴方向上区分两个细小目标的能力。它与波长有密切关系。频率愈高波长愈短，轴向分辨力愈好。相反超声脉冲愈宽，轴向分辨力愈差。理论上，轴向分辨力为λ/2，由于受到发射脉冲持续时间的影响，实际分辨力为为理论值得5—8倍。举例：5MHZ探头在软组织中的波长为0.3mm,其轴向分辨力理论值为0.15mm，但实际分辨力约为0.5mm;3~3.5MHZ探头的实际分辨力约为1.0mm左右。(2)横向分辨力：与探头厚度方向上声束宽度和曲面的聚焦性能有关。在聚焦最佳区的横向分辨力最好。目前腹部常用线阵、凸阵探头，通常采用声透镜聚焦，在其聚焦区宽度一般＜2mm(3)侧向分辨力（空间分辨力）与线阵、凸阵探头长轴方向上扫描声束的宽度有关。通常采用相控阵聚焦，聚焦声束愈细，侧向分辨能力愈好。在聚焦区，3~3.5MHZ探头侧向分辨力应在1.5~2.0mm在聚焦区，3~3.5MHZ探头侧向分辨力应在1.5~2.0mm4、其他：、细微分辨力（宽频带和数字化声束处理）、对比分辨力（与灰阶级数有关≥256级较好）、时间分辨力（单位时间成像速度即帧频）等四、超声多普勒效应利用运动红细胞对入射超声产生的频移或差频，可进行血流信号的检测。检测方法有两种，即多普勒频谱图和彩色多普勒血流图1、多普勒频移（差频）公式：fd=fr―f0=±（3）fd为多普勒频移,f0为入射超声频率,fr为反射超声频率，V为反射体运动速度,C为声速，θ为运动方向与入射波间的夹角2、利用多普勒公式计算反射体（如血管内红细胞）的运动速度根据频移公式（3），可以得出：V=+fd·C/（2f0·cosθ）在公式（3）中，软组织平均声束（C）是已知数（1540m/s）;仪器设θ角度矫正，故COSθ值也是已知数（注意：θ角度必须矫正）；发射频率（f0）也是已知数。因此，超声仪器能够通过快速傅里叶转换自动显示血流速度（V）的读数。正负符号（±）分别代表正向和反向血流。然而，只有当超声声束与血流夹角θ经过校正之后，其流速读数才有意义。如果θ=90°，cosθ=0,于是就不可能测出血流速度，为了顺利测速，必须将θ角变小，尽可能使θ﹤60°。根据多普勒效应的公式，多普勒频移与超声入射角的余弦值成正比，因此当多普勒入射角接近0°时其余弦值最大，多普勒频移也最大，多普勒角度为90°时，余弦值为0，此时不产生多普勒效应3、fd一般都在音频范围内。检出fd后，可利用仪器的扬声器发出的声响来监听，并通过FFT对fd进行频谱分析——频谱多普勒举例当f0=3MHZ,fr=3.005MHZ,则fd=fr—f0=5000HZ或5kHZ(音频范围)五、超声的生物学效应超声波在生物组织内的传播过程中，必然使介质分子微粒发生高频机械振荡，这就是超声的能量传递或超声的功率作用。当电脉冲加至探头压电换能器发射超声脉冲时，压电换能器将电能转换为声能（一）超声能量的物理参数1、声功率单位时间内从超声探头发出的声功。单位：瓦或毫瓦2、声强单位面积上的声功率（W/cm2或mW/cm2）声强单位；,由于声场中的声强在空间和时间上分布不均匀，故有空间峰值（SP）和空间平均声强（SA）以及时间峰值（TP）和时间平均声强（TA）等概念。空间峰值时间平均声强ISPTA,（mW/cm2）5空间峰值脉冲平均声强ISPPA（W/cm2）（二)超声的生物学效应及其产生机制1、热效应由于组织的粘滞吸收效应可使部分超声能量转换为热能，导致局部温度升高。诊断用超声因声强低，一般不会造成明显的温度升高（通常mW/cm2级）2、空化作用在强功率超声照射下，局部组织产生压力增大、降低的交替变化，液体断裂引起气体微泡的形成。诊断用超声尚未得到证实3、诊断用超声对细胞畸变、染色体、组织器官的影响等均在实验研究中有报道称，对胎儿出生体重似有影响，但尚无定论。4、高强聚焦超声（KW/cm2）对生物组织有强大的破坏作用。利用其热凝固和杀灭肿瘤细胞的作用，已用于肿瘤灭活治疗；利用其强烈机械振荡作