超声诊断的基础和原理

超声诊断的基础和原理南昌大学一附院超声的基本概念定义声源声束声场分辨力声波与超声波声波是机械振动在弹性介质内的传播，它是一种机械波。按其频率的高低分类：频率在16Hz以下，低于人耳听觉低限者为次声；频率在16～20,000Hz之间，人耳能听到者为可闻声；频率在20,000Hz以上，高于人耳听觉高限者为超声波。诊断用超声波的频率在0.1～80MHz之间，而以2.5～10MHz最常用按其频率的高低分类：16Hz以下，低于人耳听觉低限者为次声；16～20,000Hz之间，人耳能听到者为可闻声；20,000Hz以上，高于人耳听觉高限者为超声波。诊断用超声波的频率在0.1～80MHz之间,而以2.5～10MHz最常用声波在介质中传播时，每秒钟质点完成全振动的次数，称为频率(f)，单位是赫兹(Hz)波长、频率、声速声波在一个周期内，振动所传播的距离，称为波长（λ），单位是毫米（mm），常用诊断超声的波长为0.15～0.6mm声波在介质中传播，单位时间内所传播的距离，称为声速（c），单位是米/秒（m/s）。频率、波长和声速可用下式表示ｆ＝ｃ／λ声源能发生超声的物体为声源石英晶体或压电陶瓷材料，在其不受外力时，不带电。而在其两端施加一个压力（或拉力）时，材料受压缩（或拉伸），两个电极面上产生电荷，这种现象称为正压电效应。压电效应材料的压电效应是可逆的，即给压电材料两端施加交变电场时，材料便会出现与交变电场频率相同的机械振动，这种现象称为逆压电效应正压电效应逆压电效应声束具有方向性的成束声波，即根据声的指向性，集中在某方向发射的声波束。声场、近场、远场弹性介质中充满超声能量的空间，称为超声场。声场分为两段：近声源声束比较平行，可以圆柱体模拟，此段称为近场；远离声源段声束开始扩散、其束宽随距离增大而不断增宽，可用一个去顶的圆锥体模拟，此段称为远场。近场长度（Ｌ），可按下式计算：Ｌ＝ｒ2／λ＝（Ｄ／２）2×（ｆ／ｃ）　上式中，ｒ为换能器半径超声所能分辨出两界面间最短距离的能力。可分纵向分辨力和横向分辨力两种。分辨力纵向分辨力（又称轴向分辨力、距离分辨力或深度分辨力），指的是辨别位于声束轴线上两个物体之间的距离的能力。一般的Ｂ超显像仪，其纵向分辨力可达1mm左右。纵向分辨力横向分辨力（又称侧向分辨力、方位分辨力或水平分辨力），指的是辨别处于与声束轴线垂直的平面上两个物体的能力。它用声束恰好能够分辨的两个物体的距离来量度。横向分辨力由晶片的形状、发射频率、聚焦及离换能器的距离等因素决定。现代Ｂ超显像仪，其横向分辨力可优于2mm。横向分辨力反射透射折射散射绕射吸收和衰减多普勒效应声波的特性反射当声波从一种介质向另一种介质传播时，由于声阻抗不同，在其分界面上，一部分能量返回第一种介质称为反射。　透射一部分能量穿过界面进入第二种介质并继续向前传播，称为透射。　折射穿过大界面的透射声束，当两种介质的声速不同时，就会偏离入射声束的方向而传播，这种现象称为折射。散射超声波在介质中传播，如果介质中含有大量杂乱的微小粒子超声波激励这些小粒子成为新的波源，再向四周发射超声波，这一现象称为散射。　绕射超声波在介质中传播，如遇到的物体其直径小于λ/2时，则绕过物体继续向前传播，这种现象称为绕射（也称衍射）。吸收和衰减吸收是声能转变成热能致部分能量的损失。超声在介质中传播时，介质质点沿其平衡位置来回振动，由于介质质点之间的弹性摩擦使一部分声能变成热能，这就叫粘滞吸收。通过介质的热传导，把一部分热能向空中辐射，这就是热传导吸收。超声波在介质中传播，声能随传播距离的增加而减小，这种现象称为超声的衰减。衰减指的是总声能的损失　　当声源与接收器之间存在着对向运动时，接收器收到的声波频率发生改变,这一现象称为多普勒效应。多普勒效应接收频率和发射频率之差称为频移（fd），可用下式表示：fd=2Vcosθ／λ式中V为运动物体的速度，λ为声波波长,θ为声束入射方向与物体运动方向间的夹角超声在人体的表现用声波照射透声物体，以获得该物体及其内部结构断面图像的一种成像技术声成像　　回声又称回波。它是从声源发射经介质界面反射至接收器的声波。也即是从被检体的声不连续或不均部分反射回来的超声波声窗　　即超声窗或透声窗。在一不易透声的环境中，有一处具有介质，超声可通过该介质到达深部，该处称为声窗。　　即多普勒频谱。它以谱图的形式显示回声源（红细胞）的速度和方向。在频谱图中，零基线将图分为上、下两个部分，分别代表血流的正、负方向。纵坐标为差频值（KHz）或流速值（cm/s），横坐标为时间值。在红细胞以相同速度运动时，呈狭谱（速度范围窄）；在红细胞以不同速度运动时呈宽谱（速度范围宽）频谱旁瓣　　由超声探头各阵元边缘所产生的，不在超声主声束方向内的外加声束。侧壁声影　　又称边缘声影或边缘折射声影。在圆形病灶中，如第二介质声速大于第一介质，或第二介质声速虽小于第一介质，但其周围有一薄层纤维包膜，而它的声速大于第一介质。此时，入射声束发生折射或全反射，造成其侧壁或边缘下方组织无声束照射而产生声影。囊性病灶的侧壁声影多内收，而实性包块多扩展。声源停止后，声波的多次反射或散射使回声延续的现象混响换能器（探头）换能器或探头，是发射并回收超声的装置。它将电能转换成声能，再将声能转换成电能，由晶片、吸收（声）背块、匹配层及导线四个部分组成超声诊断仪的相关知识在超声场内，将声束中的超声能量会聚成一点的方法称为聚焦。它有利于减小声束，提高横向分辨力，又可分为几何（机械）聚焦和电子聚焦。聚焦动态聚焦使声束在整个深度范围内均得以聚焦的方法，称为动态聚焦。一般为三点或四点动态聚焦，取得的焦点越多，成像速度越慢。又称取样频率。每秒内发射脉冲群的次数。超声诊断仪的脉冲重复频率范围为0.5～4KHz。脉冲重复频率距离选通又称距离分辨力。沿超声束的不同深度对某一区域的多普勒信号进行定位探测的能力。该区域即取样容积。增益将超声波信号加以放大的方法称为增益。一般取对数放大，增益调节通过射频放大器的放大倍数实现，前提是必须有适当的输出能量。时间增益控制使接收系统的增益随时间而改变的方法，称时间增益控制。由于时间对应于声波的传播距离，因而又称距离增益控制。一般采取近场抑制，远场增强以使整个图像得以清晰逼真地显示。自动增益控制即电路上自动地降低大信号的放大倍数，提高小信号的放大倍数的控制装置。它能使强弱不等的回声信号在显示器上以基本相同的亮度显示出来。抑制去除比限幅电压低的弱信号和噪音，以去除干扰，提高图像清晰度的方法称为抑制。灰阶即灰度（亮度）的等级。一般Ｂ超仪取8～16级灰阶，已可获得层次丰富的图像，目前最大的灰阶范围是256级冻结在实时扫描过程中，将所需的图像停留在荧光屏上，得到一幅“静止”的图像称为冻结。模/数（A/D）转换把超声模拟信号转换成数字信号，并送入数字扫描换能器处理运算的过程称为模/数转换。帧率又称帧数。在单位时间内成像的幅数，即每秒声像的帧数。帧数多则图像闪烁少，便于观察分析活动器官，但帧数受到图像线数、观察器官深度、声束和扫描系统所制约。凸阵一种多阵元探头，其阵元排列成凸弧形。工作时依次发射和接收超声，所获得图像为方形和扇形的结合。环阵就是环形相控阵探头。由一系列同心圆环形晶体组成，可使声束变窄，从而提高了全程的横向分辨力。可发射和接收多种不同中心频率的超声探头。其中心频率的频带较宽，有2.5～6MHz和5～10MHz。多频探头线阵凸阵相控阵超声扫描对象的图像的清晰度与图像线、帧数均有关。每一帧图像都是由许多超声图像线所组成，一个超声脉冲产生一条图像线，单位面积内的图像线数越多，即线密度越高，则图像越清晰。这就是图像线分辨力。但线密度与帧率和/或扫描深度必须兼顾，如线密度增加则帧率和/或扫描深度必须降低或减少。后者又称帧分辨力。图像线分辨力又称全场聚焦成像。它是一种连续发射聚焦和连续接收聚焦，在整个图像的全部深度上512条显示线中的每一点，即512点均连续发射、接收，同时又都连续聚焦而不降低帧频的新技术。它是通过伴有声聚焦规则系统的全部超声束的参数高速重编程序来实现的。在速度上较传统超声仪快了若干倍，提高了信噪比，从而使图像具有较高的帧率、匀细度、空间分辨力以及对比分辨力。同焦点聚焦成像是指超声仪可显示振幅相似，而灰阶细微差别不同的回声的能力。如灰阶细微差别相似，则此种信息将丧失。因此，对比分辨力也可以说是区分不同组织的能力或超声在显示组织结构质地上微细变化的能力。它受仪器有关的动态范围的影响。对比分辨力指分辨细微结构和血流，并显示其正确的解剖学位置的能力。它由画面的像素总数和声束的特性决定。像数总数可达516×516个，甚至1024×1024个。声束特性包括纵向和横向分辨力等。空间分辨力在某些超声诊断仪的项目单（Menu）功能中，设有用以切换机械扇扫的扫描线密度。按项目单中的HIGH，则扫描线密度增加，图像细致，但帧数减少，它适用于相对静止的腹部器官；按项目单中的Low，则扫描线密度减少，帧数增加，它适用于心脏等活动器官。扫描线密度又称彩色编码显示，伪彩色显示，简称Ｂ彩或彩阶。它是将超声信号的幅度或黑白图像的各个灰阶值，按照一种线性或非线性 函 关于工期滞后的函关于工程严重滞后的函关于工程进度滞后的回复函关于征求同志党风廉政意见的函关于征求廉洁自律情况的复函 数关系，进行彩色编码，映射成相应的彩色。彩色并不反应目标的真实颜色。但可加强对比度，提高检查者的视觉敏感性，丰富图像信息，补充二维黑白图像的不足。Ｂ超彩色显示是利用数学方法对多普勒信号的频率、振幅及其随时间而变化的过程进行实时分析的一种技术。由法国数学家富里叶首先证实：任何一个复杂的波形均可分解为一系列基本的、简单的正弦波。实时频谱分析一种将富里叶转换大为简化的新的计算方法。它是通过微处理机来执行的。对复杂信号通过计算机处理作出计算，就能鉴别现有信号的各种各样的频移和频移信号的有关流向，快速富里叶频谱分析是组成双功能检查的重要部分，能筛选和定量处理与红细胞有关的频率资料。快速富里叶转换用于调整频谱分析电路（一维或二维多普勒仪）或整个多普勒电路（彩色多普勒仪）中输入信号的强弱。原则是在频谱或彩色血流图显示清楚的情况下尽量减少噪音信号。多普勒增益用于调整压缩多普勒的信号振幅范围，使其最强和最弱信号之间的频谱灰阶差距变小。范围压缩用来去除脉冲波或连续波多普勒频谱中的低振幅噪音。除在高速射流，如严重的主动脉瓣狭窄，小孔室间隔缺损时，为显示最大流速应尽量调低外，通常应加大信号抑制，以使频谱清晰。信号抑制又称清晰度分辨力。指超声仪显示小目标的能力或清晰显示目标细节的能力。它依赖于轴向和横向分辨力。细节分辨力瞬时分辨力指可正确地显现实时血流全部相位的能力。如显示肾动脉血流频谱的收缩末期高峰血流和舒张末期血流实时相位的彩色图像。无回声区病灶或正常组织内不产生回声的区域中等回声中等强度的点状或团块状回声等回声病灶的回声强度与其周围正常组织的回声强度相等或近似低回声又称弱回声，为暗淡的点状或团块状回声无回声等回声高回声高回声超声图象上形成的反光增强的点状或团块状回声，但其后方无声影强回声　　超声图像上形成的反光增强的点状或团块状回声，其后方伴声影点状回声　　即通常所说的光点浓密回声　　图像上密集而明亮的点状回声实性回声　　在图像上的某一区域，无后壁和后壁增强效应，可肯定为实质的回声，称为实性回声。声影　　由于障碍物的反射或折射，声波不能到达的区域，亦即强回声后方的无回声区，此即为声影，见于结石、钙化及致密的软组织回声之后。低回声声影强回声结石实性回声靶环征某些肿瘤病灶，在其中心强回声区的周围形成低回声的同心圆环，称为靶环征。见于肝转移癌及胃肠道肿瘤等。假肾征中间为强回声，周围为弱回声，整个形态类似肾脏的图形称为假肾征。常见于正常胃亦可见于肠道肿瘤。晕圈肿瘤边缘的弱回声所形成的透声环称为晕圈，多见于肝癌病灶周围。慧星尾征（简称星尾征）　　超声遇到金属节育环、胃肠内气体、胆囊气体等出现强回声，而其后方出现边界不清，内有多数平行的条状回声或慧星状反射。结石滚动征　　在胆囊结石时，其内可见强回声团伴声影，且可随体位改变而移动，此即结石滚动征。双筒枪征　　又称平行管征。肝管或胆总管扩张时，声像图上形成与门静脉平行的直径相近或更粗的管道图像，形似双筒枪，故名。双筒枪征反向靶征　　中心为低回声，周围绕以强回声的同心圆形团块状声像。多见于肝转移癌。宫腔分离征　　当有粘膜下子宫肌瘤时，因其位于宫内，可致宫腔回声一分为二。空窗区　　在多普勒频谱图上，频带与基线之间的无回声信号区。层流　　红血球以相当一致的方向和速度流动的正常血流。其多普勒频移的增减与大小相似，速度分布剖面图呈中央在前，两侧靠后的抛物线状。频谱呈狭带状，回声密集，Reynold数小于1000。彩色多普勒血流图呈单一色彩，中央鲜亮，两侧依次变暗。其可听血流信号呈平顺的乐声。层流湍流　　红血球运动的方向和速度不一致的异常血流。其多普勒频移大小不均，正负不一。频谱呈宽带形，回声稀疏，Reynold数大于2000。彩色多普勒血流图呈多色混杂状。其可听血流信号呈粗糙的混杂音。湍流又可分为紊流、射流和涡流三型：湍流紊流　　频谱形态不规则，单向主频谱充填、流速40～60cm/s，有低幅负向频谱。彩色多普勒血流图显示彩色明亮，正向血流红中带黄，负向蓝中带紫。此型多见于二尖瓣狭窄及各瓣口关闭不全。射流　　频谱呈完整的单向波形，有明确的主频谱且部分充填，血流速度100～200cm/s，甚至更高。加速和减速时间均延长。彩色多普勒血流图显示正向血流呈红色鲜亮并带黄色，负向血流呈蓝色鲜亮并带白色。涡流　　血流经过严重狭窄后进入扩张的血管腔或心腔，形成许多小漩涡、离散的紊乱血流。频谱无规则、呈双向、无明确主峰。主频谱全充填，流速80～140cm/s。彩色多普勒显示五彩镶嵌的血流。可闻血流声嘈杂刺耳响度大。此种血流多见于室间隔缺损、瓣口返流及明显的动脉狭窄等病症。A/B比值（A/Bratio）　　血流循环阻力指标之一。其中A为收缩期最高（峰值）血流速度，B为舒张期最低（或峰值）血流速度。A/B正常值为1.2左右。60岁以后此值缩小，若A/B＞1.05，80％是正常的；A/B＜1.05，则88％有异常。若A/B＝7.5，血管狭窄＜60％；A/B＝11，血管狭窄＞65％；A/B＝18，则狭窄＞90％。阻力指数（ResistanceIndex，RI）　　血液循环阻力指标之二。其计算公式为：RI＝（Maxvel－Minvel）/Maxvel　式中Maxvel为收缩期最高（峰值）血流速度，Minvel为舒张期最低（或峰值）血流速度。正常值为0.55～0.75。大于0.75表示阻力增高；小于0.55表示阻力减低。搏动指数（Pulsatility　Index，PI）　　血液循环阻力指标之三。其计算公式为：PI=（A-B）/M　式中A为收缩期最高（峰值）血流速度，B为舒张期最低血流速度，M为平均血流速度。PI对估测血管管腔有否阻塞较有帮助。阻抗指数（ImpedanceIndex,ImI）　　血液循环阻力指标之四。其计算公式为：ImI=A×M/B2　式中A为收缩期最高（峰值）血流速度，B为舒张期最低血流速度，M为平均血流速度。在胎儿宫内发育迟缓，其脐动脉的ImI明显增高。羊水指数　　Ｂ型超声测量四个象限的羊水最大垂直径，并将其相加，正常时其约为80mm。若大于180mm为羊水过多，小于50mm则提示羊水过少，此时应警惕胎儿畸形。伪差　　又称伪像、假像、伪影等。指由于成像系统原理上的不足、技术上的限制、方法上的不全、诊断上的主观臆断等等客观条件和人为因素造成的图像畸变或假像，以及检测得到的数据与真实情况有差异的均属伪差。它可导致误诊，故须充分了解其原因和特征，以鉴别真伪。增益调节伪差　　因增益调节不当所致的伪差。增益过低可使目标变小、回声变暗，增益过高可使目标变大、回声增强而造成误诊，如使内部回声增多的小囊肿误诊为实性肿物。束宽效应伪差位于近场或远场的小于声束直径的反射体，可因其周围组织的掩盖而形成伪像。束宽范围内的两个不同方位的目标，在示波屏上显示为前后排列的回声。大小相同的结石，在聚焦点者可见后方声影；在非聚焦点且直径小于2mm者，因绕射及邻近组织回声掩盖而无声影。部分容积效应伪差　当邻近的两个目标并列于超声束下，在声像图上可出现两者相互重叠的图像伪差。如十二指肠和胆囊与它们附近的肿大的淋巴结的重叠，可酷似胆囊结石或肿瘤，而导致误诊。旁瓣效应伪差　　旁瓣与主瓣同时检测物体，两者回声相互重叠所形成的伪差。旁瓣传播途径较主瓣长，能量又小，故可于同一界面产生的主瓣回声图形的两侧形成淡而浅的拱形延长线。如女性膀胱后壁因子宫前突，在其两侧呈现“纱状披肩”图形。在心脏扫查中，心脏纤维支架产生的旁瓣回声，因左房扩大而显示于瓣环两侧并延伸于左房后壁之前，可被误认为左房后壁而导致对左房大小的低估；也可因其边界不清晰而误为隔膜或血栓；在囊性结构邻近有气体时，气体旁瓣弥散的回声可映入无回声区而误为实性病变。镜面效应伪差　　又称镜面图像伪差或镜像伪差。表面光滑的强反射大界面，如膈肌、胸大肌，作为一镜面反射器，使声束反射产生镜面像的伪差。如在乳腺或右上腹矢状扫查，增益较高时，胸壁乳腺肿块或膈下肝顶部肿块回声，可在胸腔内肺的部位产生一相应的虚像。这种现象又可称为膈肌或胸肌效应伪差。测距伪差　　由于声速差异、折射以及仪器与探头等各种原因造成超声成像诊断仪测量距离时的伪差。纵向测距伪差，取决于介质声速与软组织平均声速之间的差值大小。横向测距伪差，多由折射造成，与界面之间的声速变化也有关。测距伪差还与仪器、探头以及目标物是否斜位等有关。超声引导穿刺术中，对深部细管道，如胰管等定位时应予注意。目前用计算机进行校正，可克服声束的伪差。谢谢结束语若有不当之处，请指正，谢谢！