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超声诊断的基础和原理沈阳医学院附属中心医院电诊科刘宇第一节诊断超声的物理特性•一、定义•1.超声为物体的机械振动波，属于声波的一种，其振动频率超过人耳的听觉上限阈值20000Hz。•2.超声诊断应用较高频率（2.2～10MHz）超声作信息载体，从人体内部获得某几种声学参数的信息后，形成图形（声像图、血流图）、曲线（A型振幅曲线，M型心动曲线，流速频谱曲线）或其他数据，用以分析临床疾病。近年来在声像图的引导下，可以作各种穿刺、取活检、造影或作治疗（介入性超声）。二、声源、声束、声场与分辨力•声源能发生超声波的物体称为声源（soundsource）。超声声源又名超声换能器（transducer），通常采用压电陶瓷、压电有机材料或混合压电材料组成。用超声换能器制成的可供手持检查用的器件则称超声探头。探头可分为：单晶片机扫型、多晶片电子扫描型、多晶片相控扇扫型、相控环阵机扫型等等。逆压电效应(发生)正压电效应(接收)在交变电场的作用导致厚度的交替改变从而产生声振动，即由电能转变为声能。。。。-。+。。。-。+由声波的压力变化使压电晶体两端的电极随声波的压缩(正压)与弛张(负压)发生负电位交替变化。超声的发生在交变电场的作厂导致厚度的交替改变从而产生声振动，即由电能转变为声能逆压电效应(InversePiezoelectriceffect)由声波的压力变化使压电晶体两端的电极随声波的压缩(正压)与弛张(负压)发生负电位交替变化正压电效应(Piezoelectriceffect)•利用逆压电效应将电能转换成超声能发射超声，利用正压电效应将超声能量转换成电能接收超声。超声的物理特性具有波长（λ）、频率（f）和传播速度（Ｃ）Ｃ＝λ·f超声是机械波超声的物理特性超声的频率单位为赫兹（Herze,Hz）诊断用的超声频率在2.5MHz-20,0MHz常用的3.5MHz-5.0MHz其单位用兆赫（MegaHerze,MHz）•声束（soundbeam）是指从声源发出的声波，一般它在一个较小的立体角内传播。声束的中心轴线称为声轴（soundaxis），它代表超声在声源发生后其传播的主方向。•近场与远场声束各处宽度不等。在邻近探头的一段距离内，声束几乎相等，成为近场区（Fresnelzone或nearfield），近场区为一复瓣区，此区内声强高低起伏；远方为远场区（Fraunhofferzone或farfield），声束开始扩散，远场区内声强分布均匀。近场区的长度与声源的面积成正比，而与超声的波长成反比。分辨力（resolutionpower）基本分辨力与图像分辨力。•1.基本分辨力指根据单一声束线上所测出的分辨两个细小目标的能力。•（1）轴向分辨力（axialresolution）：沿声束轴线方向的分辨力。影响靶标在浅深方向的精细度。3～5MHz的探头，轴向分辨力为1mm。（2）侧向分辨力（lateralresolution）：指在与声束轴线垂直的平面上，在探头长轴方向的分辨力。声束越细，侧向分辨力越好，其分辨力好坏由晶片形状、发射频率、聚焦效果及距离换能器远近等因素决定。在声束聚焦区，3～3.5MHz的侧向分辨力应在1.5～2.0mm。•（3）横向分辨力（transverseresolution）：指在与声束轴线垂直的平面上，在探头短轴方向的分辨力（国内有称厚度分辨力）。超声探头具有一定厚度。超声切面图像，是一个较厚的断面信息的叠加图像。横向分辨力是探头在横向方向上声束的宽度，它与探头的曲面聚焦及距离换能器的距离有关。横向分辨力越好，图像上反映的组织切面越真实。2.图像分辨力是指构成整幅图像的目标分辨力。•（1）细微分辨力：用以显示散射点的大小。与接收放大器通道数成正比。而与靶标的距离成反比。故先进超声诊断仪采用128独立通道的发射－接收放大器。获得-20dB的细小光点的细微声像图。•（2）对比分辨力：用以显示回声信号间的微小差别。一般为-40～-60dB间，而-50dB更适中。在使用数字扫描变换技术（DSC）后，可获得优越的对比分辨力。3.多普勒超声分辨力指多普勒超声系统测定流向、流速、及与之有关方面的分辨力。•（1）多普勒侧向分辨力：与基本分辨力相同。系在与声束轴线垂直的平面上，在探头长轴方向上的分辨力。•（2）多普勒流速分布分辨力：指在声速轴线上，于距离选通门的取样区内，在瞬时内能对各种不同流速的同时处理、显示的能力。在声谱图上再现为谱宽及灰度分布。•（3）多普勒流向分辨力：指在声束轴线的距离取样区内，能敏感地显示血流方向的能力。有时在一瞬间可能存在两种相反方向的流向。则应在声谱图曲线上表现为同一时间零基线上下同时呈现的流速曲线。•（4）多普勒最低流速分辨力：指在脉冲式多普勒系统中，能预测出最低流速的能力。在双功仪中，这种低流速分辨力更为重要。一般4～5MHz多普勒超声低流速分辨力应在3～10mm/s间。4.彩色多普勒分辨力彩色多普勒系统是将血管（心脏）腔内的血流状态用彩色标示并完全重叠在实时灰阶声像图上。包括：•（1）空间分辨力指彩色血流信号的边缘光滑程度以及这种彩色信号能在正确解剖学的管腔内显示的能力，还包括同时正确的在空间清晰显示几条血管中血流方向、流速及血流状态的能力。•（2）时间分辨力：指彩色多普勒系统能迅速地反映实时成像中不同彩色及彩色谱地能力。时间分辨力即反映心动周期中血流地不同位相的能力。三、人体组织的声学参数•1.密度•2.声速声波在介质中的传播速度。一般，凡固体物含量高者，声速最高，含纤维高者，声速较高，含水量较高的软组织，声速较低，体液的声速更低，而含气脏器中的气体，声速最低。•3.声特性阻抗（acousticimpendance）（Z）为密度与声速c的乘积。为超声诊断中最基本的物理量。声像图中各种回声显像均主要由于声阻抗差别造成。当Z1与Z2相差0.1%时即有回声反射声阻抗（acousticimpedance）Z1=ρ1C1Z2=ρ2C2•4.界面（boundary）两种声阻抗不同的物体接触在一起时，形成一个界面。接触面的大小称界面尺寸。尺寸小于超声波长时，为小界面，尺寸大于超声波长时，为大界面。•均质体与无界面区在一个脏器、组织中如由分布十分均匀的小界面组成，为均质体。无界面区仅在清晰的液性暗区中出现。液性区内个小点的声阻抗完全一致。人体内无界面区在生理情况下可见于胆囊内胆汁、膀胱内尿液、成熟滤泡以及眼球玻璃体。在病理情况下可见于胸水、腹水、心包积液、盆腔积液、囊肿、肾盂输尿管积水等。四、人体组织对入射超声的作用•1.散射（scattering）小界面对入射超声产生散射现象。使入射能量的部分向各个空间方向分散辐射。无方向性。但是，散射回声来自脏器内部的细小结构，其临床意义十分重要。•2.反射（reflection）大界面对入射超声产生反射现象。入射超声能量中的较大部分向一个方向折返，大界面反射遵循Snell定律，即（1）入射和反射回声在同一平面上（2）入射和反射回声在法线的两侧（3）入射角和反射角相等。平滑大界面如入射角过大，可以使反射声束偏离声源，则回声失落而在声像图上不显示此一界面。•3.折射（refraction）由于人体个组织、脏器中的声速不同，声束在经过这些组织间的大界面时，产生声束前进方向的改变。折射角与入射角的正弦比值与界面两侧的声速比值相等。•4.全反射（totalreflection）如第二介质中声速大于第一介质，则折射角大于入射角。入射角增大至某一角度时，可使折射角等于90度，即折射声束与界面平行。此时的入射角为临界角。入射角大于临界角时折射声束完全返回至第一介质，为“全反射”。不遵守Snell定律中的第三个条件。全反射发生时，不能使声束进入第二介质，该区因“失照射”而出现“折射声影”。•5.绕射（diffraction）又名衍射。在声束边缘与界面之间的距离，等于1～2个波长时，声束传播方向改变，趋向这一界面。名绕射现象。声束绕过物体后又以原来的方向偏斜传播。•6.衰减（attenuation）声束在介质中传播时，因小界面散射、大界面反射，声束的扩散及软组织对超声能量的吸收等，造成了超声的衰减。故需要在仪器设计中使用“深度增益补偿（DCG）”。•7.会聚（convergence）声束在经越圆形低声速区后，可致声束的会聚。液性的囊肿或脓肿后方空间声束会聚逐步收缩变细，呈蝌蚪尾状。在声束经越梭状的腹壁脂肪时，亦可有一些声束会聚产生。•8.发散（divergence）声束在经越圆形高声速区后，可致声束的发散。实质性含纤维成分较多的圆形肿块后方可见声束发散，呈“八”字形。有些肿瘤含纤维较多，其后方常呈发散现象。•9.多普勒效应（dopplereffect）入射超声遇到活动的小界面或大界面后，散射或反射回声的频率发生改变，名多普勒频移。界面活动朝向探头时，回声频率增高，呈正频移。反之呈负频移。频移的大小与活动速度呈正比。因此利用多普勒效应可测算出有无血流或组织的活动、活动方向及活动速度。发展成彩色多普勒超声血流成像系统。多普勒效应（Dopplereffect）声源与物体作相对运动时，频率增高。声源与物体作背向运动时，频率减低。这种声波频率变化的现象为多普勒效应。多普勒频移(DopplerShift)多普勒效应Dopplereffect多普勒效应(Dopplereffect)fd=│f–fo│=±2v·foCosθ/Cfd=±fd为频移,fo为入射超声频率V为活动物体的速度(血流速度)C为介质的声速Cosθ为移动方向与声轴方向的角度余弦即(血流方向与声束探测方向间的角度余弦)利用声波的多普勒效应，使用多种方式显示多普勒频移，从而对疾病作出诊断五、入射超声对人体组织的作用•中枢神经系统、视网膜、视神经、生殖腺、早孕期胚芽及三个月内早孕、孕期胎儿颅脑、胎心等对超声敏感。生理性病理性无回声型液性无回声胆汁胸腹水衰减性无回声骨骼后方纤维化后方均质性无回声淋巴结淋巴瘤低回声型心肌甲减强回声型包膜葡萄胎全反射型气体人体组织的反射类型第二节超声诊断的显示方式及其意义•超声诊断的显示方式很多，最常用的是2类5型•一、脉冲回声式：发射短脉冲超声脉冲重复频率500～1000Hz。•1.A型振幅调制型，单条声束在传播途径中遇到各个界面所产生的一系列的散射和反射回声，在示波屏时间轴上以振幅高度表达。A-modeA型Amplitudemode回声以波型显示Ａ型仪幅度调制型以波幅的高低代表界面反射信号的强弱。反射强，波幅高。反射弱，波幅低。目前巳基本淘汰•2.B型为灰度调制型（brightnessmodulation）。本型基本原理为将单条声束传播途径中遇到的各个界面所产生的一系列散射和反射回声，在示波屏时间轴上以光点的灰度表达。B型超声诊断仪的完整含义为超声成像诊断仪，它包括下列3个重要概念：回声界面以光点表达。各界面回声强度以灰度表达。声束顺序扫查脏器时每一单条声束线上的光点群按次分布成一切面声像图。本型又分灰阶（greyscale）、彩阶（colorscale）及双稳态（bi-stable）显示，与实时（real-time）及静态（static）显示等。最适于临床诊断者为实时（帧频大于24f/s）及灰阶（灰阶数大于64）或彩阶仪器。Brightnessmode辉度调制型以不同辉度光点反射信号的强弱。反射强则亮，反射弱则暗。采用多声束连续扫描，显示脏器的二维图像，是目前使用最为广泛的超声诊断法。B超图像由不同亮度的像素构成，像素亮度由反射回声的强弱所决定。黑色：没有反射灰色：中等反射白色：反射较强像素在屏幕上形成不同亮度的层次，既为灰阶。灰阶（Grayscale）•根据探头与扫查方式又可分为线扫（linearscan）、扇扫（sectorscan）、凸弧扫（convexlinearscan）及圆周扫（radialscan）。•3.M型为活动显示型（time-motionmode）其原理为：单声束取样获得界面回声。回声灰度调制。示波屏y轴为时间轴，代表界面深浅。x轴为另一外加的慢扫描时间基线，代表在一段较长时间内