超声诊断的基础和原理

1. 超声诊断的基础和原理 苏州大学附属第一医院 杨俊华

2. 超声诊断的主要内容和特点 • 脏器病变的形态学诊断 • 功能性诊断 • 介入性超声的应用 • 超声诊断与解剖学、生理学、病理学、临床医学及比较影像学的关系

3. 超声诊断的特点和优点 • 有多种显示方法，如A型、B型、M型、多普勒等； • 无放射性损伤，为无创性检查技术； • 具有灰阶的切面图像，层次清楚，接近于解剖真实结构； • 能作动态的实时显示； • 无需任何造影剂即可显示管腔结构（充液）； • 有很好的分辨力，对小病灶有良好的显示能力； • 能取得各种方位的切面图像，准确定位和测量病灶大小； • 可检测心脏、血流量、胆囊等脏器的功能； • 能及时取得结果，并可反复多次进行动态随访观察，对危重病人可在床边检查。 • 缺点：由于超声的特性，不能透过气体、骨组织，有衰减和图像伪差现象。

4. 超声诊断发展史略 • 上世纪40年代初，A型超声开始应用于颅脑等显像； • 49年，B型超声开始应用于腹部及四肢的显像； • 54年，M型超声应用于心脏疾病的诊断； • 57年，多普勒开始应用于心脏房、室间隔缺损诊断； • 60年代中期至70年代初，实时超声成像应用于临床； • 80年初，彩色多普勒应用于临床诊断； • 90年代，三维超声成像进入临床研究阶段；DTI等。 • 2003年，实时动态三维超声仪已正式进入临床应用。

5. 诊断超声的物理特性

6. 诊断超声的物理特性 定义 • 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听觉上限阈值（20kHz）者。 • 超声诊断：应用较高频率（1～40MHz，常用为2.2～10MHz间）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、血流流道图）、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，用以分析和诊断临床疾病。

7. 声源（sound source） • 声源：能发生超声的物体称为声源（sound source）。 • 超声声源来自安置在超声探头内的超声换能器（transducer）。 • 超声换能器通常采用压电陶瓷、压电有机材料或混合压电材料组成。加以电脉冲后即转发声脉冲。

8. 声束和声轴 • 声束（sound beam）：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。 • 声束的中心轴线名声轴（sound axis），它代表超声在声源发生后其传播的主方向。 • 如沿声轴作切面，则获得声束平面图。 • 声束两侧边缘间的距离名束宽。

9. 声场 • 近场与远场：声束各处宽度不等。在邻近探头的一段距离内，束宽几乎相等，称为近场区（near field），近场区为一复瓣区（由一个大的主瓣和一些小的旁瓣组成），此区内声强高低起伏；远方为远场区（far field），声束开始扩散，远场区内声强分布均匀。 • 近场区和远场区者有严格的物理定义，它随探头工作频率及探头发射时的有效面积而变化。

10. 近场与远场 D：声源直径；θ：扩散角 • 近场区的长度（l）与声源的面积（r2）成正比，而与超声的波长（λ）成反比。 即：lmm＝ r2(mm2)/λmm， 或lmm＝ r2(mm2) ·f(MHz)/C(mm/s) 其中C ≒1.5×106mm/s • 远场区声束扩散程度的大小亦与声源的半径及超声波长有关，用θ代表半扩散角时，则：Sinθ ＝1.22 λ/D，或Sinθ ＝0.61 λ/r 显然， θ愈小，声束扩散愈小。 超声波指向性优劣的指标是近场长度和扩散角。

11. 聚焦（convergence） • 声束的聚焦（convergence）：平面型声源无论在近场区或在远场区中声束束宽均嫌过大，使图像质量下降。声束聚焦技术可使聚焦区超声束变细，减少远场声束扩散，改善图像的横向和/或侧向分辨力。 • 单片型探头一般在其表面加置声透镜聚焦； • 多阵元型探头需两种聚焦方法：加置半圆柱形声透镜使声束在探头的短轴方向聚焦（横向分辩力）；使用多阵元的相控发射及相控接收使声束在探头的长轴方向聚焦（侧向分辩力）。

12. 分辨力（resolution power） 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。正确分辨力的测定系两个被测小靶标移动至回声波形与波形间在振幅高度的50%处（-6dB）能分离时，此时两小点间距为确切分辨力。 ⑴轴向分辨力；⑵侧向分辨力；⑶横向分辨力。 （注：上图两波型间振幅大于50%；下图两波型间振幅小于50%）

13. 分辨力（resolution power） ⑴轴向分辨力（axial resolution）：指沿声束轴线方向的分辨力。轴向分辨力的优劣影响靶标在浅深方向的精细度。此分辨力高低与发射脉冲宽度（即持续时间）有关。通常用3～3.5MHz探头时，轴向分辨力在1mm左右。 ⑵侧向分辨力（lateral resolution）：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，数量越多，侧向分辨力越好，在声束聚焦区， 3～3.5MHz探头的侧向分辨力应在1.5～2mm左右。

14. 分辨力（resolution power） ⑶横向分辨力（transverse resolution）：指在与声束轴线垂直的平面上，在探头短轴方向的分辨力（厚度分辨力）。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换能器的距离有关。横向分辨力越好，图像上反映组织的切面情况越真实。

15. 分辨力（resolution power） 2、图像分辨力：是指构成整幅图像的目标分辨力。 ⑴细微分辨力：用以显示散射点的大小。细微分辨力与接收放大器通道数成正比。而与靶标的距离成反比。故采用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。 ⑵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，在采用数字扫描变换技术（DSC）后，可获得优越的对比分辨力。

16. 分辨力（resolution power） 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。 ⑴多普勒侧向分辨力：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。于声束聚焦区，3MHz应在1.5～2mm间，5 MHz应在1～1.5mm间。 ⑵多普勒流速分布分辨力：指在声束轴线上，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。

17. 分辨力（resolution power） ⑶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，可同时存在两种相反的流向。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。 ⑷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属重要。一般，4～5MHz多普勒超声低流速分辨力应为3～10mm/s。

18. 分辨力（resolution power） 4、彩色多普勒分辨力：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。 ⑴空间分辨力：指彩色血流信号的边缘光滑程度以及彩色信号能在正确解剖学的管腔内显示的能力，还包括能同时正确地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。 ⑵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的能力。时间分辨力即反映心动周期中血流的不同位相的能力。

19. 人体组织的声学参数 1、密度（ρ）：各种组织、脏器的密度为重要声学参数中声特性阻抗的基本组成之一。密度的测定应在活体组织保持正常血供时。密度的单位为g/cm3。 2、声速（c）：声波在介质（或媒质）内的传播速度。单位为m/s或mm/μs，各不同组织内的声速不同。 3、声特性阻抗（acoustic impedance）（Z）简称声阻抗：为密度与声速的乘积。单位为g/(cm2·s)。声像图中各种回声显像均为主要由声阻抗差别造成。骨：5.571；纤维组织：1.841；肌肉：1.684；软组织：1.524； 脂肪：1.410；水：1.493；空气；：0.000407

20. 人体组织的声学参数 • 无反射型 • 少反射型 • 多反射型 • 全反射型

21. 人体组织的声学参数 A：小界面；B：大界面。ρ：介质密度；c：声速 4、界面（boundary）：两种声阻抗不同物体接触在一起时，形成一个界面。接触面的大小，名界面尺寸。尺寸小于超声波长时，名小界面；尺寸大于超声波长时，名大界面。 • 不同频率超声在人体软组织中波长： 1MHz：波长1.5mm；3MHz：波长0.5mm；7.5MHz：波长0.2mm

22. 人体组织的声学参数 • 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所组成，名均质体；无界面区（液性暗区）仅在清晰的液区中出现，液区内各小点的声阻抗完全一致。

23. 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。散射使入射超声的能量中的一部分向各个空间方向分散辐射。 组织灰阶、声学密度、声学造影、多普勒现象等

24. 人体组织对入射超声的作用 2、反射（reflection）：大界面对入射超声产生反射现象。反射使入射超声能量的较大部分向一个方向折返，大界面反射遵守Snell定律，即：①入射和反射回声在同一平面上；②入射束与反射束在法线的两侧；③入射角与反射角相等。 平滑大界面如入射角过大，可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。如入射角θ倾斜角度6°时，回声强度降低至10%；倾斜角度12°时，降至1%；倾斜角度≥20°时，几乎检测不到回声反射。

25. 人体组织对入射超声的作用 3、折射（refraction）：由于人体各种组织、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，称为折射。折射角（t）与和入射角（i）的正弦比值与界面两侧的声速比值相等。折射可使测量及超声导向两个方面产生误差。（超声仪器测量的系统误差在5%左右） （如果界面二侧的组织声阻抗相差过大，要考虑折射产生的误差，而出现影像上的伪像）

26. 人体组织对入射超声的作用 4、全反射（total reflection）：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°，即折射声束与界面平行。此时的入射角名临界角。入射角大于临界角时，折射束完全返回至第一介质，名“全反射”。全反射不遵循Snell定律中的第三个条件。

27. 人体组织对入射超声的作用 • 入射角大于临界角时，折射束完全返回至第一介质，名“全反射”。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”。

28. 人体组织对入射超声的作用 5、绕射（diffraction）又名衍射：在声束边缘与大界面之间的距离，等于1～2个波长时，声束传播方向改变，趋向这一界面。声束绕过物体后又以原来的方向偏斜传播。 （如小的结石或钙化区由于绕射现象，其后方不出现声影。）

29. 人体组织对入射超声的作用 6、衰减（attenuation）：声束在介质中传播时，因小界面散射，大界面的反射，声束的扩散以及软组织对超声能量的吸收等，造成了超声的衰减。 仪器设计中使用“深度增益补偿（DGC）调节”，使声像图深浅均匀。

30. 人体组织对入射超声的作用 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可见声束会聚后逐步收缩变细，呈蝌蚪状。 （可利用该特性，判断肿块的性质）

31. 人体组织对入射超声的作用 8、发散（divergence）：声束在经越圆形高声束区后，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。 （可利用该特性，判断肿块的性质）

32. 人体组织对入射超声的作用 9、多普勒效应（Doppler effect）：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，称多普勒频移。界面活动朝向探头时，回声频率升高，呈正频移；反之，回声频率降低，呈负频移。频移的大小与活动速度呈正比。fd=2vcosθf0/C

33. 入射超声对人体组织的作用 • 4种超声声强：①空间平均时间平均强度；②空间平均时间峰值声强；③空间峰值时间平均声强；④空间峰值时间峰值声强。其中空间峰值时间平均声强（SPTAI）在生物效应中最重要。二维显像＜彩色多普勒＜频谱多普勒 • 有致热效应、空化效应、应力机制等，可能使细胞热损伤、细胞溶解破坏、染色体改变等，尤其在胎儿检查、眼球、颅脑等。 • 所以必须注意超声检查的安全性。

34. 入射超声对人体组织的作用 • 热指数（TI）：为探头输出的声功率与从计算所得使受检组织升温1℃所需声功率之间的比值。 • 机械指数（MI）：为超声空化效应的重要参数。为声轴线上的弛张期峰值负压除以声脉冲频宽的中心频宽的中心频率平方根值，即MI=PR/√fC。

35. 超声诊断的显示方式 一、脉冲回声式（pulsed echo mode）： 1、A型：为振幅调制型（amplitude modulation） 2、B型：为辉度调制型（brightness modulation） 3、M型：为活动显示型（time-motion mode） 二、差频回声式（frequency shifted mode）： 1、 D型（Doppler mode） 2、D型彩色血流显像（Doppler color flow mapping）

36. 脉冲回声式（pulsed echo mode）：基本工作原理：①发射短脉冲超声，脉冲重复频率500～1000Hz，或更高；②接收放大，因体内回声的振幅差别在100～120dB（105～106）间，一般必须使用对数式放大器；③数字扫描转换技术，使各种任何扫查型式的超声图转换成通用的电视制扫描模式；④显示图形，根据工作及显示方式的不同，可分为3型。 一、脉冲回声式（pulsed echo mode）：

37. 一、脉冲回声式（pulsed echo mode）： 1、A型：为振幅调制型（amplitude modulation）。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低表达。X轴自左至右代表回声时间的先后次序，低表人本软组织的浅深；而y轴自基线上代表回声振幅的高低。

38. 一、脉冲回声式（pulsed echo mode）： 2、B型：为辉度调制型（brightness modulation）。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辉度（灰度）表达。其概念：①回声界面以光点表达；②各界面回声振幅（或强度）以辉度（灰度）表达；③声束顺序扫切脏器时，每一单条声束线上的光点群按次分布成一切面声像图。

39. B型：辉度调制型（brightness modulation） • 灰阶（grey scale）、彩阶（color scale）及双稳态（bi-stable）显示； • 实时（real-time）、静态（static）显示； • 根据探头与扫查方式，分为线扫（linear scan）、扇扫（sector scan）、凸弧扫（convex linear scan）、圆周扫（radial scan）等。 • 实时（帧频大于24f/s）、灰阶（灰阶数大于64）

40. 一、脉冲回声式（pulsed echo mode） 3、M型：为活动显示型（time-motion mode）。其原理为：①单声束取样获得界面回声；②回声辉度调制；③示波屏y轴为时间轴，代表界面深浅；④示波屏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的界面回声光点的运动轨迹。 心尖水平曲线 腱索水平曲线 二尖瓣前后叶曲线 二尖瓣前叶曲线 M型超声心动图

41. 二、差频回声式（frequency shifted mode） • 差频回声式（frequency shifted mode）的基本工作原理为：①发射固定频率的脉冲式或连续式超声；②提取频率已经变化的回声（差频回声）；③将差频回声频率与发射频率相比，取得两者间的差别量值及正负值；④根据工作及显示方式的不同，分为2型。

42. 二、差频回声式（frequency shifted mode） 1、D型（Doppler mode）：为差频示波型。单条声束在传播途径中遇到各个活动界面所产生的差频回声，在x轴的慢扫描基线上沿y轴代表其差频的大小。另一种则为模拟曲线显示型，只能表示差频回声功率最大的成分。

43. 二、差频回声式（frequency shifted mode） • 两种亚型：①连续波式：对声束线上所有的血管内血流均可获得回声，它测的最大流速不受限制，但无距离分辨力，不以区分浅、深血管中流速；②脉冲选通门式：接收器中设选通门，其门宽及浅深均属可调（门宽从0.5mm至20mm间可调，门深从0mm的皮肤面至20cm处可调）。

44. 二、差频回声式（frequency shifted mode） 2、D型彩色血流显像（Doppler color flow mapping）（CFM，CDFI）：通常用自相关技术以迅速获得一个较大腔室或管道中的全部差频回声信息，然后以彩色编码显示。⑴彩色分离；⑵彩色实时显示。

45. 三、时距测速式 • 直接用短脉冲超声测定一群红细胞在单位时间内所流动的距离，从而算出流速。用彩色编码后显示血流的彩色流动。本法能获得连续的瞬时（每10ms）流速剖面及血管内径，故可用超声计算符合正确理论要求的血管内血流量。

46. 四、非线性血流成像 • 应用血液中注射超声造影剂（大量微气泡群）对入射超声产生能量较大的二次谐频，二次谐频的频率为发射超声中心频率的2倍。提取二次谐频的信号成像可实时显示血管中造影剂的流动，液流图像特别清晰，亦可用以观察脏器内血管分布，研究有关疾病中正常或异常血供。

47. 五、其他 1、C型显示C-mode，为等深（constant depth）显示； 2、F型显示F-mode，为可变切面式（flexible）显示技术； 3、三维显示three-dimensional display； 4、T型显示T-mode；属穿透超声，如X线摄片的原理； 5、超声CT（ultrasound computed tomography），以X线CT原理用于超声，作声速重建或衰减重建图； 6、超声全息（acoustical holography）； 7、超声组织定征：利用多种声学参数的相互组合，以分析、鉴别某些脏器中不同疾病的声学参数改变，反过来研究组织的声学特征。

48. 一、混响效应： 二、振铃效应： 三、镜像效应： 四、侧壁失落效应： 五、后壁增强效应： 六、声影： 七、侧后折射声影： 八、旁瓣效应： 九、部分容积效应： 十、折射重影效应： 常见的超声效应与图像伪差

49. 一、混响效应 • 混响效应（reverberation effect）：即为多次反射伪像，声束扫查体内平滑大界面时，部分声能量返回探头表面之后，又从探头的平滑面再次反射，又第二次进入体内（为多次反射中的一种），第二次反射再进入体的的声强明显减弱。 • 多见于膀胱前壁、及胆囊底、大囊肿前壁，可认为壁的增厚、分泌物、或肿瘤等。（心脏近场区、颈动脉前壁）

50. 二、振铃效应 • 振铃效应（ringing effect）又名慧星尾征：亦为多次反射伪像，系声束在传播途径中，遇到一层甚薄的液体层，且液体下方有极强的小声反射界面为其条件。通常在胆囊壁内结石，子宫内避孕环，以及胃肠道及肺部容易产生。气体与软组织或液体间的声反射系数在99.9%以上，使绝大部分的入射声返回。在经越薄层粘液遇到前壁时，再被反射向下。如此来回往复多次。