超声基础理论

超声概念及超声成像的基本原理合肥市第二人民医院主任医师研究生导师杨晓（一）超声波定义声源振动频率〉2万赫兹（Hz）的机械波为超声波。超声诊断所用声源振动频率一般为：1~10兆赫（MHz），常用为：2.5~5.0MHz。（二）超声波的主要物理量1、波长（λ）在波的传播方向上，质点完成一次振动的距离，单位是mm。2、周期(T)质点完成一次振动的时间。3、频率（f）单位时间内质点完成一个振动过程的次数，单位是赫兹（Hz）。4、声速（c）单位时间内声波在介质中的传播距离,单位是m/s，人体软组织平均声速为1540m/s。c=f.λ并与介质的弹性（E）和密度（ρ）相关（三）超声波的方向性直线传播。可获定向传播的超声波束。在相同声源直径的条件下，频率越高，波长越短，束射性或方向性越强。（四）声源、声束、声场与分辨力1.声源能产生超声的物体称为声源，通常采用压电陶瓷、压电有机材料或混合压电材料组成。声源由超声换能器发出。2.声束从声源发出的声波，一般在一个较小的立体角内传播。其中心轴线称为声轴，为声束传播的主方向。声束两侧边缘间的距离称为束宽。3.近场与远场超声束各处宽度不等。在临近探头的一段距离内，束宽几乎相等，称为近场；远方为远场。4.分辨力分基本分辨力和图像分辨力（1）基本分辨力：1）轴向分辨力沿声束轴线方向的分辨力。其优劣影响靶标在深浅方向的精细度。分辨力佳则在轴向的图像点细小、清晰。通常用3-3.5MHz探头时，轴向分辨力在1mm左右。2）侧向分辨力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。3）横向分辨力指在与声束轴线垂直的平面上在探头短轴方向的分辨力（有称厚度分辨力）。（2）图像分辨力指构成整幅图像的目标分辨力。有细微分辨力和对比分辨力。二、人体组织的声学参数（一）密度（ρ）组织、脏器的声学密度，单位为g/cm3。（二）声速（C）单位为m/s。一般固体物含量高者声速最高，含纤维组织（主要成分为胶原纤维）高者，声速较高，含水量较高的软组织声速较低，液体声速更低，含气脏器中的气体声速最低。（三）声阻抗（Z）各种回声图像主要由声阻抗差别造成。系密度与声速的乘积，单位为g/cm2.s。（四）界面两种声阻抗不同物体接触在一起时，形成一个界面。接触面大小称为界面尺寸。尺寸小于波长时名小界面，反之称为大界面。三、人体组织对入射超声的作用（一）散射小界面对入射超声产生散射现象，使入射超声的部分能量向各个空间方向分散辐射。返回至声源的能量甚低。散射来自脏器内的细小结构，临床意义十分重要。（二）反射超声波入射到比自身波长大的大界面时，入射声波的较大部分能量被该界面阻挡而返回，这种现象称之为反射。大界面对入射超声产生反射现象，使入射超声能量的较大部分返回至声源。入射角与反射角相等。（三）折射组织、脏器声速不同，声束经过其大界面时，前进方向改变称为折射。（四）绕射又名衍射。声束绕过物体后，又以原来的方向偏斜传播。（五）衰减系声波轴向振动与介质之间摩擦致能量消耗的结果，它与超声探头频率及声波运行距离有关。在正常及病理情况下，组织的衰减会发生变化。（六）多普勒效应当一定频率的超声波由声源发射并在介质中传播时，如遇到与声源作相对运动的界面，则其反射的超声波频率随界面运动的情况而发生改变，称之为多普勒效应（Dopplereffect）。1842年，奥地利数学家及天文学家克约斯琴.约翰.多普勒发现，当星球与地球近向运动时，光色向光谱的紫色端移位，表明光波频率增高；向红色方向移位，表明光波频率降低。其差称为多普勒频移。这种物理学效应命名为多普勒效应。此亦适用于各种类型的波源和接受器之间的相对运动。多普勒方程：fd=2×V.cosθfo÷cfd:多普勒频移；fo:发射频率；V:血流速度；θ:声束与血流夹角；c:超声波在介质中的传播速度。实际应用中fo:即为换能器（探头）频率；c：超声波在人体软组织中的平均传播速度为1540m/s。多普勒频移与声速成正比。为获得最大血流信号，应使声束与血流方向尽可能平行（θ角尽量小）。四、人体组织的声学分型（一）无反射型：液性组织（如：血液、尿液、心包积液、胸水、腹水、胆汁、羊水等）。（二）少反射型：基本均质的实质性组织（如：肝脏、肾脏、脾脏、心肌、瓣膜等）。（三）多反射型：结构较复杂、致密，排列无一定规律的实质性组织（如：乳腺、心外膜、肾包膜、骨骼等）。（四）全反射型：含气组织（如：肺、胃、肠等）。超声检查时使用偶合剂，就是为了防止探头与皮肤之间存在空气，影响探查。五、超声诊断原理高频脉冲发生器→换能器（将电能转变为声能）→组织界面（反射）→换能器（将声能转变为电能）→接受放大装置→示波管→显示系统（显示图像）。换能器即为超声检查用的探头。六、超声的生物效应产生超声生物效应的主要物理机制有：热机制、机械机制、空化机制。当超声剂量（声强）超出规定，将造成若干生物效应。诊断用超声剂量（声强）的限定值，Ispta100mWcm2，一次超声照射时间10-20分钟。七、超声伪像1.混响效应声束扫查体内平滑大界面时，部分能量返回探头表面之后，又从探头的平滑面再次反射第二次进入体内。为多次反射的一种。多见于膀胱前壁、胆囊底、大囊肿前壁，可被误诊为壁的增厚、分泌物或肿瘤等。2.镜像效应镜像效应亦可名为镜面折返虚像。声束遇到深部的平滑镜面时，反射回声如测及离镜面较接近的靶标后，按入射途径反射折回探头。此时，在声像图上所显示者，为镜面深部与此靶标距离相等、形态相似的图像。镜像效应必须在大而光滑的界面产生，常见于横膈附近。一个实质性肿瘤或液性占位可在横膈两侧同时显示，较横膈浅的一处为实影，深者为虚影或镜像。3.声影声影指在常规DGC正补偿调节后，在组织或病灶后方所演示的回声低弱甚或接近无回声的平直条状区。系声路中具有较强衰减体所造成。高反射系数物体（如气体）、高吸收系数物体（如骨骼、结石、瘢痕）下方具有声影，二者兼具则声影更明显。4.高衰减结构超声能量消耗甚多，其后方回声明显减弱，常见于肌腱、软骨、瘢痕之后，提高仪器“增益”仍可显示少量回声信号5.后方回声增强声束向深部传播时不断衰减，设计者为使图像显示均匀，加入了深度增益补偿（DGC）调节系统。后壁增强效应是指在常规调节的DGC系统下所发生的图像显示效应，而不是声能量在后壁被其他任何物理能量所增强的效应。此效应常出现在囊肿、脓肿及其他液区的后壁，但几乎不出现于血管后壁。有些小肿瘤如小肝癌、血管瘤后壁，亦可略见增强。6.旁瓣效应旁瓣效应系指第1旁瓣成像重叠效应。声源所发射的声束具有一最大的主瓣，一般处于声源中心，其轴线与声源表面垂直，名主瓣。主瓣周围有对称分布的数对小瓣，称旁瓣。旁瓣重叠于主瓣上，形成各种虚线或虚图。7.部分容积效应病灶尺寸小于声束束宽，或虽然大于束宽，但部分处于声束内，则病灶回声与正常组织的回声重叠，产生部分容积效应。多见于小型液性病灶。例如，小型肝囊肿因部分容积效应常可显示内部细小回声（系周围肝组织回声重叠效应）。