《物理诊断学》 > 第十五章　超声诊断

第一节　基本原理及仪器简介

一、超声的概念

超声波是声波的一种，是机械振动在弹性介质中的传播；频率在16-20000赫（Herz）的声波人耳可以听到称为可闻声波；频率高于20000赫的声波，人耳听不到称为超声波。

二、超声的物理特性

（一）超声场特性：超声在介质内传播的过程中，明显受到超声振动影响的区域称超声场。超声场具有以下特点：如果超声换能器的直径明显大于超声波波长，则所发射的超声波能量集中成束状向前传播，这现象称为超声的束射性（或称指向性）。换能器近侧的超声波束宽度与声源直径相近似，平行而不扩散，近似平面波，该区域称近场区。近场区内声强分布不均匀。近场区以外的声波以某一角度扩散称远场区。该区声波近似球面向外扩散，声强分布均匀，但逐渐减弱，换能器的频率愈高，直径愈大，则超声束的指向性越好、其能量越集中（图15-1-1）。近场距离，远场扩散角与换能直径及频率的关系如公式所示：

L0=r²f/C　sinθ=1.22λ/D

式中L0为近场距离，r为换能器半径，f为频率，C为声速、 θ为半扩散角、D为换能器直径，λ为超声波波长。

L0近场区 θ半扩散角 D声源直径

（二）超声的反射与散射

1.声阻抗：介质的密度与超声在介质中传播速度的乘积称声阻抗。声阻抗值一般为固体>液>气体。

超声在密度均匀的介质中传播，不产生反射和散射。当通过声阻抗不同的介质时，在两种介质的交界面上产生反射与折射或散射与绕射。

2.反射、折射与透射：凡超声束所遇界面的直径大于超声波波长（称大界面）时，产生反射与折射。成角入射，反射角等于入射角，反射声束与入射声束方向相反（图15-1-2A）。垂直入射时，产生垂直反射与透射（图15-1-2B）。反射声强取决于两介质的声阻差异及入射角的大小。垂直入射时，反射声强最大。反射声能愈强则折射或透射声能愈弱。进入第二介质的超声继续往前传播，遇不同声阻抗的介质时，再产生反射，依次类推，被检测的物体密度越不均匀，界面越多，则产生的反射也愈多。

超声波的指向性

图15-1-1超声波的指向性

L₀近场区 θ半扩散角 D声源直径

3.散射与绕射：超声在传播时，遇到与超声波波长近似或小于波长（小界面）的介质时，产生散射与绕射。散射为小介质向四周发散超声，又成为新的声源（图15-1-2、C）绕射是超声绕过障碍物的边缘，继续向前传播（图15-1-2、D）。散射回声强度与超声入射角无关。

超声波的反射与散射

图15-1-2超声波的反射与散射

A.成角入射时反射与折射。B.垂直入射时反射与透射C.散射。D.绕射。

（三）超声衰减：超声在介质中传播时，随着传播距离的增加，声强逐渐减弱，这种现象称为超声的衰减。引起衰竭的主要原因是介质对超声的吸收（粘滞吸收及热传导吸收）。超声频率愈高，介质的吸收愈多；其次为能量的分散如反射、折射、散射等。使原传播方向上的能量逐渐减弱。

（四）多普勒效应：声源和接收体作相对运动时，接收体在单位时间内收到的振动次数（频率），除声源发出者外，还由于接收体向前运动而多接收到（距离/波长个）振动，即收到的频率增加了。相反，声源和接收体作背离运动时，接收体收到的频率就减少，这种频率增加和减少的现象称为多普勒效应（图15-1-3）。

多普勒效应

图15-1-3多普勒效应

三、超声诊断基础

（一）人体组织的声阻与衰减系数

超声诊断是通过人体各种组织声学特性的差异来区分不同组织。按照声学特性。人体组织大体上可分为软组织和骨骼两大类，软组织的声阻与水近似，骨骼则属固体。人体组织的声速、声阻抗、声吸收系数、衰减系数等反映人体组织的基本声学特性，人体不同组织的声学特性不同，见表1。人体各种软组织的平均声速约为1540米/秒，声衰减系数约与声频率成正比。声频率1兆赫时，衰减系数约1分贝 /1厘米。

表15-1-1人体正常组织的声速、密度、声阻及衰减系数

m/s g/cm³g/cm².s）dB/cm MHz

脂脂 1476 0.955 14100.63 0.8～7.0
大脑 1530 1.038 1588 0.95 0.9～3.4
脑脊液 1523 1.000 1523
血液 1570 1.055 1656 0.18 1.0
肝 1570 1.050 1638 0.94 0.3～3.4
水（37°） 1523 0.993 1513
颅骨 3360 1.658 5570 20 1.6
空气 332 0.00129 0.428

超声在人体内传播时，在两种不同组织的界面处产生反射和折射，在同一组织内传播，由于人体组织的不均匀性而发生散射。超声通过不同器官和组织产生不同的反射与散射规律，仪器利用这些反射和散射信号，显示出脏器的界面和组织内部的细微结构，作为诊断的依据。

（二）正常脏器的回声规律：

1.含液体脏器如胆囊、膀胱、血管、心脏等，壁与周围脏器及内部液体间为界面、液体为均匀的无回声区（图15-1-4A）

2.实质性软组织脏器如肝、脾、肾等脏器均有包膜，周围有间隙，内部各有一定结构，如肝可以显示脏器轮廓、均匀的肝实质与肝内管道结构（图15-1-4A）

3.含气脏器如肺、由于肺泡内空气与软组织间声阻差异极大，在其交界面上产生全反射（几乎100％），并形成多次反射（图15-1-4B），即超声不能进入正常肺泡。胀气的胃肠亦如此。

4.正常骨骼与周围软组织的差异大，在软组织与骨皮质交界处产生强反射，进入骨骼的超声由于骨松质组织吸收极多而不能穿透（除颅骨外）。其后方形成无回声区称声影（图15-1-4C）。

正常人体组织与病理组织反射规律

图15-1-4正常人体组织与病理组织反射规律

A、实质性脏器（肝）与含液体脏器（胆）的声象图规律。

B、含气脏器（肺）的多次反射。

C、骨骼的声象图（脊柱）

D、肝肿瘤、内部回声不均匀、较强回声区呈团状，肝表面不平。

E、胆囊内结石、胆囊无回声区中一强回声光团，后方有声影。

（三）病变脏器的回声规律：

当脏器有病变时，由于病变组织与正常组织的声学特性不同，超声通过时产生不同正常的回声规律，各种病变组织亦各有其声学特性、其反射规律亦不相同。如肝内液性病变为无回声区，肝癌为强弱不均的实质性回声区、边缘不整齐（图15-1-4D），胆囊内结石则在无回声区中有强回声光团，后方有声影（图15-1-4E）。

（四）超声多普勒：

利用多普勒效应原理检测运动物体。当发射超声传入人体某一血液流动区，被红细胞散射返回探头，回声信号的频率可增可减，朝向探头运动的血流，探头接收到的频率较发射频率增高，背离探头的血流则频率减低。接收频率与发射频率之差称多普勒频移或差频。多普勒频移（fd）与发射频率（fo）、血流速度（V）、超声束与血流间夹角（θ）的余弦成正比，与声速（C）成反比，公式为：

fd= ±2v/λ =±2 v/C fo

fd=± 2v^．cosθ /C fo

V=fd C/2fo^．cosθ

式中fd、cosθ仪器均可显示，fo及C为已知，可以计算出V。声束与血流方向平行时可记录到最大血流速度，声束与血流方向垂直时则测不到血流信号。

目前常用的超声多普勒有连续波多普勒（CWD）、脉冲波多普勒（PWD）及彩色多普勒（CDFI）。

（1）连续波多普勒以频谱显示，可单独使用，亦可与二维超声心动图结合。接收取样线经过部位上所有频移信号，其优点为可以测定高速血流，常用于测定心脏瓣口狭窄或返流的高速血流。缺点为不能区分信号来源深度。

（2）脉冲波多普勒亦以频谱显示，与二维超声相结合，可以选择心脏或血管内任一部位的小容积血流显示血流实时频谱，频谱可显示血流方向（朝向探头的血流在基线上，背离探头的血流在基线下），血流性质（正常的层流呈空窗型如图14-1-5，湍流则呈充填型如图15-1-6），血流速度（频谱上信号的振幅）、血流持续时间（横座标显示时间）。可供定性、定量分析。其特点为所测血流速度受探测深度及发射频率等因素限制。通常不能测高速血流。

（3）彩色多普勒：脉冲多普勒原理，在心脏或血管内多线、多点取样，回声经处理后进行彩色编码，显示血流速度剖面图，以红色代表朝向探头的血流、兰色代表背离探头的血流、与二维超声心动图套叠显示，可直观地显示心脏或血管的形态结构及血流信息的实时动态图像，信息最大，敏感性高，并可引导脉冲或连续多普勒取样部位，进行定量分析。

正常脉冲多普勒频谱

图15-1-5正常脉冲多普勒频谱

左图示超声束经血管内层流血流右图为所显示正常血流频谱（空窗型）

脉冲多普勒湍流频谱

图15-1-6脉冲多普勒湍流频谱

左图示超声束经狭窄后的湍流血流。右图为湍流频谱（充填型）

（五）超声对人体的影响

超声是一种机械能，超声的产热和空化效应在人体内是否产生，取决于使用仪器的功率和频率，现在超声诊断仪的功率为10毫瓦/平方厘米，（超声治疗仪为0.5～2.5瓦/平方厘米），根据国内外实验研究证明对机体无损害作用，但对胎儿的检查时间不宜太长。

四、超声诊断仪简介

超声诊断仪由两大部分组成，即超声换能器及仪器。

（一）超声换能器（Transducer）：超声换能器是由压电芯片组成，芯片受电信号激发发射超声，进入人体组织，遇不同声阻界面产生反射与散射、芯片又接收回声信号，转换成电信号、送入仪器。芯片将电能转换成声能（发射），又能将声能转换成电能（接收），称之为声电换能器。

（二）仪器：目前所用超声诊断仪多应用超声脉冲回波技术，将接收到的回波信号、经过放大并显示在显示屏上。根据显示的方式不同，分为A（Amplitude）型、M（Motion）型、B（Brightness）型及D（Doppler）型已为临床广泛应用。其它如超声全息、超声CT及超声显微镜等目前尚处于研制阶段。

1.A型：属一维超声、回声强度以振幅显示、探头由单晶片构成，主要用于腹部、头颅、眼、胸腔等检查，现多已淘汰。

2.M型：一维、光点显示、光点的亮度代表回声强弱、探头为单晶片，用于心脏、胎心、血管检查、显示心脏、血管结构的活动规迹曲线图又称M型超声心动图。

3.B型：以二维、光点显示。

（1）机械扫描：由单个晶片摆动或三个晶片转动扫描，探头内晶片由微电机带动，作扇形扫描、图像呈扇面形。

（2）电子扫描仪：探头内有多数晶片构成，又可分为①线阵：由数百个小晶片、排列成线形。②凸阵：由数百小晶片排成弧形。③相控阵：由32-64个晶片排成方形或矩形。显示图像呈矩形或扇形，线阵与凸阵主要用于腹部、扇形主要用于心脏。

现代高分辩力、高灵敏度仪器都具有实时（real time）显像，显示动态图像、灰阶（gray scale）编码及动态聚集功能，横向分辨力达2-3mm。时间增益补偿（Time gain compensation），以补偿由超声衰减造成的深部组织显示不清的缺陷。采用数字扫描转换器（Digital scan converter），增加了很多附加功能。如图像处理，图像轮廓增强，探头位置显示、字符显示、局部放大、停帧、拼幅、电子标尺，面积及心功能自动显示，产科胎儿测量计算及预产期显示等，便于临床使用。并多附有摄影、录像及打印机（printer）等现代记录设备，记录静态的或实时图像供会诊或教学用。

超声诊断工作原理方块图及各类型仪器显像原理示意见下图及图15-1-7至图15-1-11.

高频信号发生器 ← 同步器

声电换能器 ← →

← 接收放大 ←显示器

超声诊断仪工作原理方块图

4.超声多普勒仪：

（1）连续波多普勒：一维、频谱显示、探头内有二个晶片一收一发，用于检测高速血流。

（2）脉冲波多普勒：一维、频谱显示，探头由单晶片组成、兼收、发。常与二维超声相结合，用于检测血流速度、方向、性质等。

（3）彩色多普勒：二维、光点显示、以伪彩色代表血流方向、性质及速度。

多普勒用于检测心腔及血管内血流。彩色多普勒仪都具有B型、M型、连续波、脉冲波多普勒功能、根据需要任意选择使用。

A型回声图示意图回声图