物理診斷學(xué):第一節(jié)　基本原理及儀器簡介

一、超聲的概念

超聲波是聲波的一種，是機械振動在彈性介質(zhì)中的傳播；頻率在16-20000赫（Herz)的聲波人耳可以聽到稱為可聞聲波；頻率高于20000赫的聲波，人耳聽不到稱為超聲波。

二、超聲的物理特性

（一)超聲場特性：超聲在介質(zhì)內(nèi)傳播的過程中，明顯受到超聲振動影響的區(qū)域稱超聲場。超聲場具有以下特點：如果超聲換能器的直徑明顯大于超聲波波長，則所發(fā)射的超聲波能量集中成束狀向前傳播，這現(xiàn)象稱為超聲的束射性（或稱指向性)。換能器近側(cè)的超聲波束寬度與聲源直徑相近似，平行而不擴散，近似平面波，該區(qū)域稱近場區(qū)。近場區(qū)內(nèi)聲強分布不均勻。近場區(qū)以外的聲波以某一角度擴散稱遠(yuǎn)場區(qū)。該區(qū)聲波近似球面向外擴散，聲強分布均勻，但逐漸減弱，換能器的頻率愈高，直徑愈大，則超聲束的指向性越好、其能量越集中（圖15-1-1)。近場距離，遠(yuǎn)場擴散角與換能直徑及頻率的關(guān)系如公式所示：

L0=r²f/C　sinθ=1.22λ/D

式中L0為近場距離，r為換能器半徑，f為頻率，C為聲速、 θ為半擴散角、D為換能器直徑，λ為超聲波波長。

L0近場區(qū) θ半擴散角 D聲源直徑

（二)超聲的反射與散射

1.聲阻抗：介質(zhì)的密度與超聲在介質(zhì)中傳播速度的乘積稱聲阻抗。聲阻抗值一般為固體>液>氣體。

超聲在密度均勻的介質(zhì)中傳播，不產(chǎn)生反射和散射。當(dāng)通過聲阻抗不同的介質(zhì)時，在兩種介質(zhì)的交界面上產(chǎn)生反射與折射或散射與繞射。

2.反射、折射與透射：凡超聲束所遇界面的直徑大于超聲波波長（稱大界面)時，產(chǎn)生反射與折射。成角入射，反射角等于入射角，反射聲束與入射聲束方向相反（圖15-1-2A)。垂直入射時，產(chǎn)生垂直反射與透射（圖15-1-2B)。反射聲強取決于兩介質(zhì)的聲阻差異及入射角的大小。垂直入射時，反射聲強最大。反射聲能愈強則折射或透射聲能愈弱。進入第二介質(zhì)的超聲繼續(xù)往前傳播，遇不同聲阻抗的介質(zhì)時，再產(chǎn)生反射，依次類推，被檢測的物體密度越不均勻，界面越多，則產(chǎn)生的反射也愈多。

圖15-1-1超聲波的指向性

L₀近場區(qū) θ半擴散角 D聲源直徑

3.散射與繞射：超聲在傳播時，遇到與超聲波波長近似或小于波長（小界面)的介質(zhì)時，產(chǎn)生散射與繞射。散射為小介質(zhì)向四周發(fā)散超聲，又成為新的聲源（圖15-1-2、C)繞射是超聲繞過障礙物的邊緣，繼續(xù)向前傳播（圖15-1-2、D)。散射回聲強度與超聲入射角無關(guān)。

圖15-1-2超聲波的反射與散射

A.成角入射時反射與折射。B.垂直入射時反射與透射C.散射。D.繞射。

（三)超聲衰減：超聲在介質(zhì)中傳播時，隨著傳播距離的增加，聲強逐漸減弱，這種現(xiàn)象稱為超聲的衰減。引起衰竭的主要原因是介質(zhì)對超聲的吸收（粘滯吸收及熱傳導(dǎo)吸收)。超聲頻率愈高，介質(zhì)的吸收愈多；其次為能量的分散如反射、折射、散射等。使原傳播方向上的能量逐漸減弱。

（四)多普勒效應(yīng)：聲源和接收體作相對運動時，接收體在單位時間內(nèi)收到的振動次數(shù)（頻率)，除聲源發(fā)出者外，還由于接收體向前運動而多接收到（距離/波長個)振動，即收到的頻率增加了。相反，聲源和接收體作背離運動時，接收體收到的頻率就減少，這種頻率增加和減少的現(xiàn)象稱為多普勒效應(yīng)（圖15-1-3)。

圖15-1-3多普勒效應(yīng)

三、超聲診斷基礎(chǔ)

（一)人體組織的聲阻與衰減系數(shù)

超聲診斷是通過人體各種組織聲學(xué)特性的差異來區(qū)分不同組織。按照聲學(xué)特性。人體組織大體上可分為軟組織和骨骼兩大類，軟組織的聲阻與水近似，骨骼則屬固體。人體組織的聲速、聲阻抗、聲吸收系數(shù)、衰減系數(shù)等反映人體組織的基本聲學(xué)特性，人體不同組織的聲學(xué)特性不同，見表1。人體各種軟組織的平均聲速約為1540米/秒，聲衰減系數(shù)約與聲頻率成正比。聲頻率1兆赫時，衰減系數(shù)約1分貝 /1厘米。

表15-1-1人體正常組織的聲速、密度、聲阻及衰減系數(shù)

超聲在人體內(nèi)傳播時，在兩種不同組織的界面處產(chǎn)生反射和折射，在同一組織內(nèi)傳播，由于人體組織的不均勻性而發(fā)生散射。超聲通過不同器官和組織產(chǎn)生不同的反射與散射規(guī)律，儀器利用這些反射和散射信號，顯示出臟器的界面和組織內(nèi)部的細(xì)微結(jié)構(gòu)，作為診斷的依據(jù)。

（二)正常臟器的回聲規(guī)律：

1.含液體臟器如膽囊、膀胱、血管、心臟等，壁與周圍臟器及內(nèi)部液體間為界面、液體為均勻的無回聲區(qū)（圖15-1-4A)

2.實質(zhì)性軟組織臟器如肝、脾、腎等臟器均有包膜，周圍有間隙，內(nèi)部各有一定結(jié)構(gòu)，如肝可以顯示臟器輪廓、均gydjdsj.org.cn/job/勻的肝實質(zhì)與肝內(nèi)管道結(jié)構(gòu)（圖15-1-4A)

3.含氣臟器如肺、由于肺泡內(nèi)空氣與軟組織間聲阻差異極大，在其交界面上產(chǎn)生全反射（幾乎100％)，并形成多次反射（圖15-1-4B)，即超聲不能進入正常肺泡。脹氣的胃腸亦如此。

4.正常骨骼與周圍軟組織的差異大，在軟組織與骨皮質(zhì)交界處產(chǎn)生強反射，進入骨骼的超聲由于骨松質(zhì)組織吸收極多而不能穿透（除顱骨外)。其后方形成無回聲區(qū)稱聲影（圖15-1-4C)。

圖15-1-4正常人體組織與病理組織反射規(guī)律

A、實質(zhì)性臟器（肝)與含液體臟器（膽)的聲象圖規(guī)律。

B、含氣臟器（肺)的多次反射。

C、骨骼的聲象圖（脊柱)

D、肝腫瘤、內(nèi)部回聲不均勻、較強回聲區(qū)呈團狀，肝表面不平。

E、膽囊內(nèi)結(jié)石、膽囊無回聲區(qū)中一強回聲光團，后方有聲影。

（三)病變臟gydjdsj.org.cn/wszg/器的回聲規(guī)律：

當(dāng)臟器有病變時，由于病變組織與正常組織的聲學(xué)特性不同，超聲通過時產(chǎn)生不同正常的回聲規(guī)律，各種病變組織亦各有其聲學(xué)特性、其反射規(guī)律亦不相同。如肝內(nèi)液性病變?yōu)闊o回聲區(qū)，肝癌為強弱不均的實質(zhì)性回聲區(qū)、邊緣不整齊（圖15-1-4D)，膽囊內(nèi)結(jié)石則在無回聲區(qū)中有強回聲光團，后方有聲影（圖15-1-4E)。

（四)超聲多普勒：

利用多普勒效應(yīng)原理檢測運動物體。當(dāng)發(fā)射超聲傳入人體某一血液流動區(qū)，被紅細(xì)胞散射返回探頭，回聲信號的頻率可增可減，朝向探頭運動的血流，探頭接收到的頻率較發(fā)射頻率增高，背離探頭的血流則頻率減低。接收頻率與發(fā)射頻率之差稱多普勒頻移或差頻。多普勒頻移（fd)與發(fā)射頻率（fo)、血流速度（V)、超聲束與血流間夾角（θ)的余弦成正比，與聲速（C)成反比，公式為：

fd= ±2v/λ =±2 v/C fo

fd=± 2v^．cosθ /C fo

V=fd C/2fo^．cosθ

式中fd、cosθ儀器均可顯示，fo及C為已知，可以計算出V。聲束與血流方向平行時可記錄到最大血流速度，聲束與血流方向垂直時則測不到血流信號。

目前常用的超聲多普勒有連續(xù)波多普勒（CWD)、脈沖波多普勒（PWD)及彩色多普勒（CDFI)。

（1)連續(xù)波多普勒以頻譜顯示，可單獨使用，亦可與二維超聲心動圖結(jié)合。接收取樣線經(jīng)過部位上所有頻移信號，其優(yōu)點為可以測定高速血流，常用于測定心臟瓣口狹窄或返流的高速血流。缺點為不能區(qū)分信號來源深度。

（2)脈沖波多普勒亦以頻譜顯示，與二維超聲相結(jié)合，可以選擇心臟或血管內(nèi)任一部位的小容積血流顯示血流實時頻譜，頻譜可顯示血流方向（朝向探頭的血流在基線上，背離探頭的血流在基線下)，血流性質(zhì)（正常的層流呈空窗型如圖14-1-5，湍流則呈充填型如圖15-1-6)，血流速度（頻譜上信號的振幅)、血流持續(xù)時間（橫座標(biāo)顯示時間)。可供定性、定量分析。其特點為所測血流速度受探測深度及發(fā)射頻率等因素限制。通常不能測高速血流。

（3)彩色多普勒：脈沖多普勒原理，在心臟或血管內(nèi)多線、多點取樣，回聲經(jīng)處理后進行彩色編碼，顯示血流速度剖面圖，以紅色代表朝向探頭的血流、蘭色代表背離探頭的血流、與二維超聲心動圖套疊顯示，可直觀地顯示心臟或血管的形態(tài)結(jié)構(gòu)及血流信息的實時動態(tài)圖像，信息最大，敏感性高，并可引導(dǎo)脈沖或連續(xù)多普勒取樣部位，進行定量分析。

圖15-1-5正常脈沖多普勒頻譜

左圖示超聲束經(jīng)血管內(nèi)層流血流 右圖為所顯示正常血流頻譜（空窗型)

圖15-1-6脈沖多普勒湍流頻譜

左圖示超聲束經(jīng)狹窄后的湍流血流。右圖為湍流頻譜（充填型)

（五)超聲對人體的影響

超聲是一種機械能，超聲的產(chǎn)熱和空化效應(yīng)在人體內(nèi)是否產(chǎn)生，取決于使用儀器的功率和頻率，現(xiàn)在超聲診斷儀的功率為10毫瓦/平方厘米，（超聲治療儀為0.5～2.5瓦/平方厘米)，根據(jù)國內(nèi)外實驗研究證明對機體無損害作用，但對胎兒的檢查時間不宜太長。

四、超聲診斷儀簡介

超聲診斷儀由兩大部分組成，即超聲換能器及儀器。

（一)超聲換能器（Transducer)：超聲換能器是由壓電芯片組成，芯片受電信號激發(fā)發(fā)射超聲，進入人體組織，遇不同聲阻界面產(chǎn)生反射與散射、芯片又接收回聲信號，轉(zhuǎn)換成電信號、送入儀器。芯片將電能轉(zhuǎn)換成聲能（發(fā)射)，又能將聲能轉(zhuǎn)換成電能（接收)，稱之為聲電換能器。

（二)儀器：目前所用超聲診斷儀多應(yīng)用超聲脈沖回波技術(shù)，將接收到的回波信號、經(jīng)過放大并顯示在顯示屏上。根據(jù)顯示的方式不同，分為A（Amplitude)型、M（Motion)型、B（Brightness)型及D（Doppler)型已為臨床廣泛應(yīng)用。其它如超聲全息、超聲CT及超聲顯微鏡等目前尚處于研制階段。

1.A型：屬一維超聲、回聲強度以振幅顯示、探頭由單晶片構(gòu)成，主要用于腹部、頭顱、眼、胸腔等檢查，現(xiàn)多已淘汰。

2.M型：一維、光點顯示、光點的亮度代表回聲強弱、探頭為單晶片，用于心臟、胎心、血管檢查、顯示心臟、血管結(jié)構(gòu)的活動規(guī)跡曲線圖又稱M型超聲心動圖。

3.B型：以二維、光點顯示。

（1)機械掃描：由單個晶片擺動或三個晶片轉(zhuǎn)動掃描，探頭內(nèi)晶片由微電機帶動，作扇形掃描、圖像呈扇面形。

（2)電子掃描儀：探頭內(nèi)有多數(shù)晶片構(gòu)成，又可分為①線陣：由數(shù)百個小晶片、排列成線形。②凸陣：由數(shù)百小晶片排成弧形。③相控陣：由32-64個晶片排成方形或矩形。顯示圖像呈矩形或扇形，線陣與凸陣主要用于腹部、扇形主要用于心臟。

現(xiàn)代高分辯力、高靈敏度儀器都具有實時（real time)顯像，顯示動態(tài)圖像、灰階（gray scale)編碼及動態(tài)聚集功能，橫向分辨力達2-3mm。時間增益補償（Time gain compensation)，以補償由超聲衰減造成的深部組織顯示不清的缺陷。采用數(shù)字掃描轉(zhuǎn)換器（Digital scan converter)，增加了很多附加功能。如圖像處理，圖像輪廓增強，探頭位置顯示、字符顯示、局部放大、停幀、拼幅、電子標(biāo)尺，面積及心功能自動顯示，產(chǎn)科胎兒測量計算及預(yù)產(chǎn)期顯示等，便于臨床使用。并多附有攝影、錄像及打印機（printer)等現(xiàn)代記錄設(shè)備，記錄靜態(tài)的或?qū)崟r圖像供會診或教學(xué)用。

超聲診斷工作原理方塊圖及各類型儀器顯像原理示意見下圖及圖15-1-7至圖15-1-11.

高頻信號發(fā)生器 ← 同步器

聲電換能器 ← →

← 接 收 放 大 ←顯示器

超聲診斷儀工作原理方塊圖

4.超聲多普勒儀：

（1)連續(xù)波多普勒：一維、頻譜顯示、探頭內(nèi)有二個晶片一收一發(fā)，用于檢測高速血流。

（2)脈沖波多普勒：一維、頻譜顯示，探頭由單晶片組成、兼收、發(fā)。常與二維超聲相結(jié)合，用于檢測血流速度、方向、性質(zhì)等。

（3)彩色多普勒：二維、光點顯示、以偽彩色代表血流方向、性質(zhì)及速度。

多普勒用于檢測心腔及血管內(nèi)血流。彩色多普勒儀都具有B型、M型、連續(xù)波、脈沖波多普勒功能、根據(jù)需要任意選擇使用。

圖15-1-7A型回聲圖示意圖回聲圖Y軸

圖15-1-8M型超聲心動圖示意圖a、M 型掃描示意圖

(振幅高度)代表回聲強度、X軸代表深度　b、M型心動圖Y軸代表深度，X軸代表時間

圖15-1-9切面超聲心動圖示意圖

a、快速扇形掃描示意，b、切面超聲心動圖Y軸代表深度，X軸代表心臟長軸。

圖15-1-10B型電子線陣顯示示意圖

a、線陣儀掃描示意，b聲象圖顯示，Y軸代表深度。X軸代表上下或左右

圖15-1-11超聲脈沖多普勒顯示示意圖

a、多普勒取樣部位顯示。B多普勒頻譜圖。Y軸代表頻移（血流速度)。X軸代表時間。

五、超聲診斷術(shù)語

[B]B型超聲命名[/B]

1.B型超聲法又稱二維超聲掃描（Two-dimensionalscan)，超聲切面顯像（Cross-ection imaging)，超聲斷層法（Ultrasound tomography)，其圖像稱聲像圖（Ultrasonnogram)。

2.聲像圖命名

（1)以回聲強弱命名：

強回聲光點或稱高水平回聲。

中等回聲光點可分為較強或較弱回聲。

低回聲光點、低水平回聲或暗淡光點。

（2)以回聲分布命名：分布均勻與不均勻

（3)以回聲光點形態(tài)命名：

光點：亮度不同的回聲小點。

光團：多數(shù)光點集中成團狀。

光帶：多數(shù)光點排列成帶狀。

光環(huán)：光點排列成環(huán)形。

光斑：較弱的多數(shù)光點集中成片狀。

管狀結(jié)構(gòu)：兩條平行光帶間為無回聲區(qū)。

（4)暗區(qū)：無回聲區(qū)

液性暗區(qū)：邊緣有明確光帶，內(nèi)部無回聲，后方回聲增強，如膽囊。

實質(zhì)暗區(qū)：正常靈敏度下無回聲或回聲極低，適當(dāng)加大增益后回聲增強，如腎實質(zhì)。

衰減暗區(qū)：在某些臟器或病變之后的無回聲區(qū)。在含氣臟器產(chǎn)生多次反射，聲能減弱，回聲消失。在骨骼、結(jié)石及鈣化病灶后方向由于反射及吸收，回聲突然消失稱聲影。