超声成像原理及妇产超声诊断临床基础

第一章超声成像原理和妇产超声诊断临床基础第一节超声成像原理一、超声波的概念和基本特性（一）超声波的概念频率在2万赫兹以上的机械振动波，称为超声波（ultrasonicwave），简称超声（ultrasound）。能够传递超声波的物质，称为传声介质，它具有质量和弹性，包括各种气体、液体和固体；传声介质有均匀的、不均匀的；有各向同性的、各向异性的等。超声波在传声介质中的传播特点是具有明确指向性的束状传播，这种声波能够成束地发射并用于定向扫查人体组织。（二）超声波的产生医用高频超声波是由超声诊断仪上的压电换能器产生的，这种换能器又称为探头，能将电能转换为超声能，发射超声波，同时，它也能接受返回的超声波并把它转换成电信号。探头具有发射和接受超声两种功能。常用的探头分为线阵型、扇型、凸阵型，探头的类型不同，发射的超声束形状和大小各不相同，而各种探头根据探查部位的不同被设计成不同的形状。见图1-1-1。图1-1-1探头示意（三）超声波的基本物理量1．频率（f）：是指单位时间内质点振动的次数。单位是赫兹（Hz）、千赫（KHz）、兆赫（MHz）。超声的频率在20KHz以上，而医学诊断用超声的频率一般在兆赫级，称为高频超声波，常用频率范围2～10兆赫。频率越高，波的纵向分辨力越好。周期（T）则是一个完整的波通过某点所需的时间。有f·T=1。2．波长（λ）：表示在均匀介质中的单频声波行波振动一个周期时间内所传播的距离，也就是一个波周期在空间里的长度。波的纵向分辨力的极限是半波长，因此了解人体软组织中传导的超声波长有助于估计超声波分辨病灶大小的能力。3．声速（C）：是指声波在介质中传播的速度。声速是由弹性介质的特性决定的，不同介质的声速是不同的。人体各种软组织之间声速的差异很小，约5%左右，所以在各种超声诊断仪器检测人体脏器时，假设各种软组织的声速是相等的，即采用了人体软组织平均声速的概念。目前，较多采用人体软组织平均声速的数值是1540m/s。实际上人体不同软组织脏器及体液的声速是有差别的，因此声像图上显示的目标，无论是脏器或病灶，其位置及大小与实际的结构相比，都存在误差，但不致影响诊断结论，一般可忽略声速C、波长λ、频率f或周期T之间的关系符合4．声强（soundintensity）：当声波在介质中传播时，声波的能量从介质的一个体积元通过邻近的体积元向远处传播。声强是指超声波在介质中传播时，单位时间内通过垂直于传播方向的单位面积的平均能量。声强的物理意义为单位时间内在介质中传递的超声能量，或称超声功率。声强小时超声波对人体无害，声强超过一定限度，则可能对人体产生伤害，目前规定临床超声诊断仪安全剂量标准为平均声强小于10mW/cm2。（四）超声波的传播1.声特性阻抗（acousticcharacteristicimpedance）：声特性阻抗（Z）定义为平面自由行波在介质中某一点处的声压（p）与质点速度（u）的比值。在无衰减的平面波的情况下，声特性阻抗等于介质的密度（ρ）与声速（C）的乘积。2.声特性阻抗差与声学界面：两种介质的声特性阻抗差大于1‰时，它们的接触面即可构成声学界面。入射的超声波遇声学界面时可发生反射和折射等物理现象。人体软组织及脏器结构声特性阻抗的差异构成大小疏密不等、排列各异的声学界面，是超声波分辨组织结构的声学基础。3.声波的界面反射与折射：超声入射到声学界面时引起返回的过程，称为声反射（acousticreflection）。射向声学界面的入射角等于其反射角。而声波穿过介质之间的界面，进入另一种介质中继续传播的现象，称为声透射（acoustictransmission）。当超声的入射方向不垂直于两种介质的界面时，它通过界面进入另一种介质后改变传播方向的过程，称为折射（acousticrefraction）。见图1-1-2。当两种介质的声特性阻抗相同或很接近时，为均匀介质，超声波在均匀介质中传播时，没有反射。两种介质声特性阻抗差异很大时，声波几乎全部反射，没有透射。这种情况常发生在气体与软组织，或软组织和骨骼、结石所组成的交界面。虽然人体软组织声特性阻抗差异很小，但只要有1‰的声特性阻抗差，其组成的界面产生的反射波都可被超声诊断仪检测出来，所以超声对软组织有很高的分辨力。当超声波垂直分界面入射时，可得到最佳的反射效果。图1-1-2反射与折射示意图4.声波的衍射和散射：界面反射的条件是界面的尺寸要比声波的波长大得多，当声波传播过程中遇到大小与波长相当的障碍物，声波将绕过该障碍物而继续前进，这种现象称为声衍射（acousticdiffraction），超声仪无法检测这类目标。因此，超声波波长越短，能发现障碍物越小。这种发现最小障碍物的能力，称为显现力。能检测到物体的最小直径，称为最大分辨力。最大理论分辨力等于λ/2。实际上，仪器的最大分辨力要低于理论值的5~8倍。声波传播过程中，遇到直径小于波长的微小粒子，微粒吸收声波能量后，再向四周各个方向辐射球面波，这种现象称为声散射(acousticscattering)，可出现在不规则的粗糙面上。在生物组织的介质中，散射现象是声波传播中最普遍、最基本的现象，它是脉冲回波技术的依据，而这一技术已成为绝大多数超声诊断技术的基础。从广义上来说，除了由介质的吸收以及界面的反射所引起的变化外，由于介质的不均匀性引起入射波时间和空间成份的任何变化都可以定义为散射。声像图背景中的大量像素来自散射，各种多普勒血流仪也是利用血流中的红细胞在声场内有较强的散射，从而获得人体血流的多普勒频移信号。见图1-1-3。图1-1-3衍射与散射示意图5.声衰减：声波在介质内传播过程中，由于介质的粘滞性、热传导性、分子吸收以及散射等因素导致声能减少、声强减弱的现象称为声衰减（acousticattenuation）。在绝大多数软组织中，引起声衰减的主要原因是声吸收。由于声吸收现象，声波传播中的一部分能量被转化为热能，从而使继续传播的声强减弱。在人体组织中衰减程度一般规律是：骨组织（或钙化）肌腱（或软骨）肝脏脂肪血液尿液（或胆汁）。组织中含胶原蛋白和钙质越多，声衰减越大；液体内含蛋白成分多时声衰减大。在超声诊断的频率范围内，生物软组织的声衰减系数大多与频率成正比。超声波频率越高，分辨力越好，但衰减越强，穿透力越差；反之，频率越低，分辨力越差，但衰减越弱，穿透力越强。在超声诊断仪中，为使深部回声信息清楚，一般采用STC或TGC调节来补偿声衰减。6.超声多普勒效应：当声源与接受体之间存在相互运动时，接受体发觉声的频率发生变化，这种现象称为多普勒效应。由此效应引起的频率的变化，即发射频率（f0）与运动目标反射波或散射波频率（f）之间的频率差，称为多普勒频移(Dopplershift)，用符号fd表示。它符合关系式：此多普勒公式中，V为运动目标的运动速度，C为声速，θ角为入射波和运动目标运动方向之间的夹角。由式可见，多普勒频移fd和运动目标的运动速度V成正比；入射波和运动目标运动方向一致时，fd值最大；当运动目标朝探头方向运动时，f值增加，即fd为正值；而运动目标背离探头方向运动时，f值减少，即fd为负值。见图1-1-4。在常规临床超声检查的频率范围内，人体体内运动组织产生的频移fd一般都在音频范围。所以检出fd后，可以监听其发出的响声，如胎儿监护时的胎心音监听以及心血管的血流音监听，同时，亦可以对fd进行频谱分析。图1-1-4多普勒效应示意图二、超声成像的原理（一）超声成像的基础超声成像（ultrasonicimaging）是利用超声波的声成像。目前的医用超声诊断仪都是利用超声波照射人体，通过接收和处理载有人体组织或结构性质特征信息的回波，获得人体组织性质与结构的可见图像的方法和技术。它有自己独特的优点，是其它成像所不能代替的：1．有高的软组织分辨力：组织只要有1‰的声阻抗差异，仪器就能检测出并显示其反射回波。目前，超声成像已能在近二十厘米的检测深度范围，获取优于1毫米的图像空间分辨力。2.具有高度的安全性：当严格控制声强低于安全阈值时，超声可能成为一种无损伤的诊断技术，对医务人员更是十分安全。3.实时成像：它能高速实时成像，可以观察运动的器官，并节省检查时间。4.使用简便，费用较低，用途广泛。（二）不同组织回声声学类型根据各种组织回声特征，可以把人体组织、器官概括为4种声学类型：1.?无反射型：血液、腹水、羊水、尿液、脓汁等液体物质，结构均匀，其内部没有明显声阻抗差异，反射系数近似为零，所以无反射回波，即使加大增益也探查不到反射回波。这种液体的声像图特点是无回声暗区或称之为液性暗区。由于无反射，吸收少，声能透射好，所以后壁回声增强。2.?少反射型：实质均匀的软组织，声阻抗差异较少，反射系数小，回声幅度低，检查用低增益时，相应区域表现为暗区，增加增益时，呈密集反射光点，即少反射型或低回声区。3.?多反射型：结构复杂的实质组织，声阻抗差异较大，反射较多且强，探查用低增益时，即可呈现多个反射光点，增加增益时，回声光点更为密集明亮，称为多反射型或高回声区。4.?全反射型：软组织与含气组织的交界处，反射系数为99.9%，接近全反射，并在此界面与探头表面之间形成多次反射和杂乱的强反射，或称强回声，致使界面后的组织无法显示。三、超声成像的种类超声诊断仪主要由探头、发射与接收单元（Tx/Rx）、数字扫描转换器（DSC）、显示部件、记录仪以及电源等部件组成。由于所采用的信号显示方式、声束扫描方式以及探头的不同，形成多种超声成像种类，下面仅介绍主要几种在临床应用的类型。（一）B型诊断法（Bmode）它采用辉度调制显示（brightnessmodulationdisplay），以光点的亮度表示回声的大小，以声束进行一维扫查，形成与声束方向一致的二维切面声像图。声像图内亮暗不等、疏密不等、排列多样的光点直观构成组织器官的形态结构剖面图。（二）M型诊断法（Mmode）M型与B型一样，都采用辉度调制显示，但其声束并不进行扫描，而将该声束的回声信号在水平方向上以时间扫描展开，显示运动器官结构的位置（振幅）随时间的变化曲线。（三）多普勒诊断法主要用于测量血流速度、确定血流方向和性质（如层流或湍流）等；获得最大速度、平均速度、压差、阻力指数等有关血流动力学的参数。多普勒超声检测血流速度的公式如下：多普勒诊断法主要有下面几种方式：1.连续波多普勒法（continuouswaveDoppler,CW）是用连续超声波获得运动物体的多普勒频移信号，经处理而获得物体运动速度信息的技术。它没有深度分辨力，但可测高速血流。2.脉冲波多普勒法（pulsedwaveDoppler,PW）是用一定宽度的调制脉冲超声波获得某一采样容积内运动物体的多普勒信号，经处理后得到物体运动速度和速度分布等信息的技术。它具有距离选通能力，提供深度信息，但检测高速血流受限，会出现折返现象，产生频谱混叠。在盆腔内疾患血流检测中大多采用脉冲多普勒法。CW和PW都是采用多普勒频谱分析技术（Dopplerspectrumanalysis），即对运动物体所产生多普勒信号的频谱分布进行分析。多普勒频谱图的水平坐标表示时间，垂直坐标表示频率（或速度），而相应的信号幅度（与运动目标的数量或密度相关）则用密度或亮度表示。在频谱图中，横坐标代表频率，纵坐标代表振幅，频率与振幅的乘积即频谱曲线下的面积等于信号的功率。进行血流频谱分析时，常常采用搏动指数（PI）、阻力指数（RI）、最大血流速度（PSV）以及收缩期/舒张末期血流速度比值（S/D）等作为血流动力学指标，见图1-1-5。图1-1-5多普勒频谱技术示意图3.彩色多普勒血流图（colorDopplerflowmapping,CDFM）是应用脉冲超声回波原理，通过提取血流运动的信息，在二维超声图基础上，用彩色图像实时显示血流的分布、方向和相对速度的超声诊断技术。也称为彩色多普勒血流显像（colorDopplerflowimaging,CDFI）,简称彩超。朝探头方向流动的血流用红色表示；远离探头方向流动的血流用蓝色表示，见图1-1-6；不同