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超声成像总论山西医科大学第二医院第一章超声诊断物理基础超声诊断是指将声学原理与电子技术、新材料及计算机数字技术的最新成就相结合，以人体解剖学、病理学等形态为基础，以显示人体内部活体器官及组织结构的断面图像、观察病理解剖形态学改变，并与临床医学结合的一种诊断方法和检测手段。超声诊断的特点:超声诊断采用脉冲式检测的方式工作,它在临床应用中,具有自身的特点和价值.(1)超声对软组织有很高的分辨力。因为超声通过仅有千分之一的声阻抗差异的组织界面，就有回声反射，所以对人体内部的软组织分辨力很高。适用于软组织。（2）成像速度快，可实时观察运动的脏器。彩色血流成像可实时显示人体各部位及脏器的血流特性。（3）非创伤性、副作用小，安全性高，价廉，方便。第一节超声波的概念一、超声波的基本概念超声波：频率大于20000Hz(20kHz)的机械（振动）波可听声：频率界于20－20000Hz次声：频率低于20Hz(0.02kHz)诊断最常用的超声频率是2－10MHz（1MHz＝106Hz）10010110210310410510610710810910101011101210141015演讲及音乐等海豚及蝙蝠等声纳24681020253035406080100医学诊断成像3.5-5MHz7-10MHz15-20cm4-5cm腹部与心脏浅表器官皮肤、肠胃追踪及血管内成像超声波生物显微镜诊断（UBM）频率（MHz）频率（Hz）传送显微镜诊断swv装置声子1、声源：把能发声的东西称为声源（acousticsource)。振动是产生声波的根源，波动是振动的传播。在超声成像中，探头晶片发射时即产生超声波，所以探头晶片就是声源2、介质：传播声音的媒介物称介质，例如气体、液体、固体。声波必须在介质中传播，在真空中声波是不能传播的。而人体组织正是一个由固体、液体及气体构成的复合弹性介质，但医学诊断超声在气体（肺、肠腔等）方面应用受到局限，主要应用于软组织脏器中。波的概念周期：声波在介质中传播时，介质中质点完成一次全振动，质点在平衡位置来回振动一次所需的时间称为振动周期T。频率：即单位时间内声源振动的次数，以赫兹（Hz）为单位。频率是周期的倒数，如振动周期为T，则f＝1／T。声速：表示超声波在某种介质中的传播速度，即单位时间内传播的距离，单位为m/s或cm/s。它与介质的弹性（K）与密度（ρ）有关，而与超声的频率无关。声速在决定声阻抗以及回声测距精度上是重要因素。声阻抗：一个介质的声阻抗值等于该介质的密度与声速的乘积二、声波基本物理量表1－1医学超声常用介质的密度、声速和声特性阻抗介质名称密度（g/cm3)声速（m/s)声阻抗（1x105瑞利）空气（20度）0.001183440.0004水（37度）0.993815231.513生理盐水（37度）1.00215341.537血液1.05515701.656肝脏1.05015701.648肾脏1.03815611.62肌肉1.07415681.684脂肪0.95514761.410颅骨1.65833605.570空气（肺、肠腔等）0.001293320.000428声特性阻抗：等于该介质密度与超声速度的乘积。不同介质中声波传播速度不同，但人体血液、脑、脂肪、肾、肝、肌肉等，它们的声速大致在1540m/s（1500m/s），因此假设了人体软组织中的声速一样，这是目前各种超声仪检测脏器大小的基础。实际上各种软组织的声速略有差异，在5％左右，因此，超声诊断仪测量器官大小的系统误差在5％左右。超声波在软组织中的传播速度分辨力：超声在人体软组织中传播时，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，依立体方向不同，可分为纵向分辨力、横向分辨力。三、超声分辨力医学超声的频率在MHz，诊断常用的超声频率：2～10MHz因而由上述公式所算得的相应波长在毫米级，见下表人体软组织中超声波长和频率对应关系ƒ（MHz）2.53.03.55.07.0λ（mm）0.60.50.40.30.2波的纵向分辨力的极限是λ／2，但实际分辨力是理论值的5～8倍例如3MHz的超声波在人体软组织中传播时，其波长λ＝c/f=1500000mm/s3000000Hz=0.5mm医学常用超声频率与波长的关系第二节超声的物理特性超声具有反射、折射和散射的特性。1、大界面与界面反射（specularreflection)：长度大于声束波长的界面，例如：肝、脾、胆囊包膜，腹壁各层肌肉筋膜，以及皮肤层等都是典型的大界面。声波发射遇到声阻抗（包括密度与声速）不同的大界面时，会发生反射与折射（透射）一、反射：方向性是诊断用超声首要的物理特性介质1，声速C1，声阻抗Z1介质2，声速C2，声阻抗Z2入射角反射角折射角超声的反射与折射大界面回声反射的特点－角度依赖性（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6度（入射角）时，回声强度降低至10％；倾斜12度时，降至1％。如果倾斜角度大于等于20度，则几乎检测不到回声反射，也称“回声失落”。回声反射非常敏感。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声。2、小界面与散射（背向散射backscattering)小界面是指小于声束波长的界面散射(scattering)：声波传播过程中遇到直径大大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声波形成球面波，称为散射。接受探头能在任何角度接收到散射波。Dλ,发生散射超声的散射超声遇到肝、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），因其大小明显小于超声波长，故大部分能量继续向前传播，小部分能量激发微粒振动，形成新的点状声源以球面波向各个方向发散传播。只有朝向探头方向的微弱散射信号－后散射（背向散射）(backscattering)，才会被检测到。小界面的后散射或背向散射回声，无角度依赖性。此时的声场实际是探头发射的超声波与散射波的混合。探头在任何角度均可接收到散射波。人体组织内的微粒结构在超声声场中发生散射，是形成脏器内部图像的另一声学基础，声像图背景中的大量象素都是来自散射。各型多普勒血流仪也是利用血液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。因而红细胞反向散射波是多普勒频移信号的主要组成部分。现代超声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内部器官、组织复杂而细微的结构。第二章彩色多普勒基础第一节超声多普勒基础一、多普勒基本概念多普勒效应：多普勒效应或多普勒频移是奥地利物理学家约斯琴.约翰.多普勒（ChristianJohanDoppler)于1842年首次提出，他在观察星球的光色变化时，发现当星球与地球迎向运动时，光色向光谱的紫色端移位，表明光波频率升高；反之，当星球与地球背向运动时，光色向光谱的红色端移位，产生红移现象，表明光波频率降低。这种光源与接收的相对运动而引起的接收频率与发射频率之间的偏差称为多普勒频移，此种物理现象命名为多普勒效应。超声多普勒技术提供了人体内部有关血流速度和方向的信息。θ2θ1V血管软组织皮肤发射体接收体f0fR多普勒频移的计算示意图f0=发射频率fR＝接收频率V＝血流速度C＝声速fd＝多普勒频移Θ1＝发射体与血流方向夹角Θ2＝接收体与血流方向夹角多普勒频移计算公式：fd=fR-f0=±2Vcosθf0/CV=±fdC/(2cosθf0)超声的多普勒效应（Dopplereffect)：是指声波频率随接受体与声源相对运动而改变的现象，这种变化的频率称称为多普勒频移(Dopplershift)。将血流方向与超声束之间的夹角θ称为多普勒角超声的多普勒效应二、彩色血流显像与声束入射角度的关系角度改变时与血流方向的对应关系（1）当0θ90时，cosθ为正值，即血流方向迎着超声探头而来，频率增高，fd为正向频移；（2）当90θ180时，cosθ为负值，即血流方向背离超声探头而去，频率变低，fd为负向频移；（3）当θ＝0或θ＝180时，cosθ=±1,这时fd最大，即血流方向与声束在同一线上相向或背向运动；（4）当θ＝90时，cosθ=0，此时血流方向与声束垂直，则fd=0,检测不到多普勒频移。VV（四）彩色显示：红（朝上）蓝（朝下）暗淡（流速慢）明亮（流速快）明亮（流速快）分散分散红绿蓝紫红黄湖蓝白血流颜色显示示意图探头声束方向（四）彩色显示：红（朝上）蓝（朝下）暗淡（流速慢）明亮（流速快）明亮（流速快）分散分散红绿蓝紫红黄湖蓝白血流颜色显示示意图探头声束方向三、多普勒血流频谱分析基础频谱分析的目的是产生一种显示，它的两个正交轴分别代表时间（水平轴）的频率（垂直轴），而相应的信号幅度则用密度或亮度表示。频谱分析可取得更为准确的数据。（一）频谱分析基础：1、基本概念：多普勒频移可表示为血流速度对时间的图形显示。（1）因为所有的血红细胞运动速度都不尽相同，在同一时刻，它们将产生多种频移信息。这些频移返回到换能器而成为复杂波，包括所有红细胞在超声束内向各处运动的各种速度。（2）具有相同流速的红细胞的数量也不一样，所以产生的振幅信号强度也不尽一致。（3）由于血流脉动的影响，信号频率和振幅将随时间而变化。所以，血流信息是空间的时间的函数。把形成复杂振动的各个简谐振动的频率和振幅分离出来，列成频谱，称为频谱分析。（二）频谱显示方式速度／频移－时间显示谱图T(s)V(cm/s)收缩峰：心动周期内达到收缩频率和峰值流速的位置舒张期末：心动周期内将要进入下一个收缩期最末点窗：无频率显示区域中间水平线：零频移线（基线）频谱幅度：频谱在纵轴上的振幅，代表频移即血流速度的大小频带宽度：表示频移垂直方向上的宽度，即某一瞬间采样中血细胞速度分布范围第二节血流动力学基础一、基本概念：稳流与非稳流1稳流：流体元素以恒定的速度和方向运动时，这种流动称为稳流。在稳流中，流体元素的速度被认为在时间t通过的距离s,即：V=s/t。人体血流中，静脉血流和毛细血管内的血流可看成稳定流动。理想液体在稳定流动时，流速与血管的横截面积成反比。2非稳流：当流体元素内任何一点的速度大小和方向均随时间而变化时，这种流动称为非稳定流动。在人体中，动脉血流呈现脉动的性质，即非稳定流动。V稳流s非稳流一、基本概念1层流：粘性流体的流动分为两种基本状态，一种为层流（也称片流），另一种称为湍流（也称紊流）。粘性血流在血管中形成稳定的流动时，血细胞在血管中以相同的方向作规则的分层流动，但血管断面上各点的血流速度分布是不相同的，这就是层流。其分布规律是由泊肃叶议程决定的：V＝(P2－P1)(R2-r2)/4ηL，血管中心轴线上，血流速度最大，距管中心越远处流速越小，在血管壁处速度为零。rLP2P1R第二节血流动力学基础2、湍流：当血液中在血管中湍流时，血管内血液的速度分布因横向动量交换而发生改变，使中心部分的流速趋于均匀，而靠近管壁急骤降低为零。涡流：涡流是流体从小直径进入大直径管道或从大直径管道进入小直径管道时，因惯性和内摩擦作用，在拐弯处形成的流体旋转，其实质也属于湍流。有涡流存在的部位，血流的运动无一定方向。涡流涡流湍流不同血流状态的多普勒特征1层流：层流时血管内血流速度梯度小，方向一致，所以多普勒声音单调而平滑（乐音）。频谱呈窄带非充填型，回声集中浓密，包络线光滑自然。CDFI呈色彩单一的整齐彩色束，中心较边缘明亮。不同血流状态的多普勒特征2湍流（涡流）：在湍流状态下，血流不仅流速快、梯度大，而且红细胞运动方向杂乱，所以多普勒声音嘈杂而粗糙（糙音）。频谱回声散乱，频带增宽呈充填型，甚至呈双向，包络线毛糙不齐。CDFI呈较亮彩色镶嵌图形，绿色成分较多。调节仪器检查条件不能消失。左侧股浅动脉假性动脉瘤湍流频谱肝内肝动脉－门静脉瘘：湍流频谱腔－房吻合口处狭窄：湍流频谱左下肢股浅动－静脉瘘湍流彩色多普勒特征—彩色镶嵌及湍流频谱第三章超声仪器超声诊断仪的发展简史188