超聲基礎知識總結

物理基礎

基本概念――人耳聽覺范圍：20-20000HZ

超縱聲波頻率＞20000HZ――縱波（疏密波）：粒子運動平行于波傳播軸；

診斷最常用超聲頻率：2-10MHZ

基本物理量：頻率（f）、波長（λ）、聲速（c）；三者關系：λ＝c／f

人體軟組織的聲速平均為1540m/s，與水的聲速相近；骨骼的聲速最高，相當于軟組織平均聲速的2倍以上。

超聲場：發射超聲在介質中傳播時其能量所達到的空間；簡稱聲場，又稱聲束。

聲束的影響因素：探頭的形狀、大?。?/p>

陣元數及其排列；

工作頻率（超聲的波長）；

有無聚焦及聚焦的方式；

吸收衰減；

反射、折射和散射等。

聲束由一個大的主瓣和一些小的旁瓣組成。超聲的成像主要依靠探頭發射高度指向性的主瓣并接收回聲；旁瓣的反向總有偏差，容易產生偽像。

聲場可分為近場和遠場兩部分

（1）近場聲束集中，呈圓柱狀；

直徑――探頭直徑（較粗）；

（橫斷面聲能分布不均勻）

長度――超聲頻率和探頭半徑。

公式：L＝（2r·f）／c

L為近場長度，r為振動源半徑，f為頻率，c為聲速

（2）遠場聲束擴散，呈喇叭狀；聲束擴散角越小，指向性越好。

（橫斷面聲能分布較均勻）

聲束兩側擴散的角度為擴散角（2θ）；半擴散角（θ）。

超聲波指向性優劣指標是近場長度和擴散角。

影像因素：增加超聲頻率；――近場變斷、擴散角變??；

增加探頭孔徑（直徑）――但橫向分辨率下降。

采用聚焦技術――方法：固定式聲透鏡聚焦；

電子相控陣聚焦；

聲束聚焦：采用聲束聚焦技術，可改善圖像的橫向和（或）側向分辨力。

固定式聲透鏡聚焦――將聲透鏡貼附在探頭表面。

常用于線陣探頭、凸陣探頭；

可提高橫向分辨力，但遠場仍散焦。

電子相控陣聚焦――（1）利用延遲發射是聲束偏轉，實現發射聚焦或多點聚焦；可提高側向分辨力；

常用于線陣探頭、凸陣探頭；

（2）動態聚焦：在長軸方向上全程接收聚焦。

（3）利用環陣探頭進行環陣相控聚焦；

可改善橫向、側向分辨力；

（4）其他聚焦技術：如二維多陣元探頭。

超聲物理特性：

一、束射特性（方向性）――是診斷用超聲首要的物理特性；

（如反射、折射、聚焦、散焦）

大界面：指長度大于聲束波長的界面；大界面的回聲反射有顯著的角度依賴性。

入射聲束垂直于大界面時，回聲反射強；

入射聲束與大界面傾斜時，回聲反射減弱甚至消失。

兩種介質存在真聲阻抗，是界面反射的必要條件。

聲強反射系數（R1）＝（Z2－Z1）2／（Z2＋Z1）

Z1，Z2代表兩種介質的聲阻抗；聲阻抗＝密度×聲速

界面回聲反射的能量與界面形狀密切相關：垂直于凹面――聚焦；

垂直于凸面――散焦；

垂直于不規則面――亂散射。

超聲界面反射的特點：非常敏感。

人體許多器官如肝、脾、膽囊的包膜、腹壁各層肌肉筋膜以及皮膚層都是典型的大界面。

小界面：指小于聲束波長的界面。其后散射（背向散射）回聲無角度依賴性。

后散射：超聲遇到肝、脾等實質性器官或軟組織內的細胞、包括成堆的紅細胞（稱散射體），會發生微弱的散射波。散射波向四面八方分散能量，只有朝向探頭的微弱散射信號――后散射（背向散射），才會被檢測到。

現代超聲診斷儀正是利用大界面反射原理，能夠清楚顯示體表和內部的表面和輪廓；還利用無數小界面后散射的原理，清楚顯示人體表層，以至于內部器官、組織復雜而細微的結構。

二、衰減特性――衰減與超聲傳播距離和頻率有關；

衰減的原因主要有吸收、散射、聲束擴散。

軟組織平均衰減系數：1dB/cm·MHz；

蛋白質成分是人體組織衰減的主要因素（占80%）。

衰減規律：骨＞軟骨＞肌腱＞肝、腎＞血液＞尿液、膽汁；

超聲的分辨力：顯示器上能區分聲束中兩個細小目標的能力或最小距離。

影像因素：超聲波得頻率；

脈沖寬度；

聲束寬度（聚焦）；

聲場遠近和能量分布；

探頭類型；

儀器功能（二維圖像中像素多少、灰階的級數多少等）。

分類：空間分辨力（與聲束特性有關）

――軸向（縱向）分辨力：與超聲頻率（正）和超聲寬

度（負）有關；理論值：λ／2

橫向分辨力：與探頭厚度方向上聲束的寬度和曲面聚焦性能有關；――常采用透鏡聚焦

側向分辨力：與探頭長軸方向上聲束的寬度有關；

――常采用相控聚焦

細微分辨力――寬頻帶和數字化聲束處理；

對比分辨力――與灰階級數有關；

時間分辨力――單位時間成像速度即幀頻

超聲的生物學效應――聲功率：單位時間內探頭發出的功率。單位：W或mW；

聲強：單位面積上聲功率。單位：W/cm2或mW/cm2；

ISPTA：空間峰值時間平均聲強（mW/cm2）

ISPPA：空間峰值脈沖平均聲強（W/cm2）

分貝：兩個聲強的比值；超聲系統可控制的最大能量與最小能量之比為動態范圍。

生物學分類――熱效應：診斷用超聲一般不會造成明顯的溫度升高；（mW/cm2級）

空化效應：可形成氣體微泡；診斷用超聲尚未得到證實；

對細胞畸變、染色體、組織器官的影響；

高強聚焦超聲（HIFU）：熱凝固和殺滅腫瘤細胞作用；

（KW/cm2級）

強烈機械震蕩――用于碎石治療；

在物理治療學方面的作用（W級，一般0.5-3

W/cm2）

超聲輻射劑量是超聲強度與輻射時間的乘積。

熱指數（TI）：1.0以下無致傷性，胎兒應調至0.4以下；眼球應0.2以下；

機械指數（MI）：指超聲馳張期的負壓峰值（MPa數）與探頭中心頻率（MHz）的平方的比值。1.0以下無致傷性，胎兒應調至0.3以下；眼球應0.1以下；

超聲聲學造影應采用低機械指數，可以防止微氣泡破裂，提高造影效果。

多普勒超聲技術的基礎及應用

多普勒效應的公式：fd＝2Vcosθf0／c――V＝fd

c／2f0cosθ

在超聲醫學診斷中，V為紅細胞運動速度；fd為多普勒效應產生的紅細胞散射回聲的頻移；c探頭發射的超聲在人體組織中的傳播速度；f0為探頭發射的超聲頻率；θ為探頭發

射的超聲的傳播方向與紅細胞運動方向間的夾角。

分類――脈沖多普勒：選擇性接收回聲信號，所需檢測位置的深度用延遲電路完成；

連續多普勒：無選擇檢測深度的功能，但可測很高速的血流；

高脈沖重復頻率（HPRF）多普勒：增大檢測血流的能力；可有多個取樣容積。

多普勒超聲所檢測的不是一個紅細胞，而是眾多的紅細胞，各個紅細胞的運動速度及方向不可能完全相同，因此，出現多種不同顏色的頻移信號，被接受后成為復雜的頻譜分布（波形），對它用快速傅立葉轉換技術（FFT）進行處理后，把復雜的頻譜信號分解為若干個單頻信號之和，以流速-時間曲線波形顯示，以便于從中了解血流的方向、速度、時相、血流性質等問題。

脈沖多普勒技術的局限性：

（1）最大頻移即最大測量速度受脈沖重復頻譜頻率的限制（fd＝PRF/2）

（2）PRF與檢測深度（d）的關系：d＝c/2PRF，說明檢測深度受PRF的影響；

（3）檢測深度（d）與速度（v）關系：vd＝c2/8f0cosθ，為常數，v、d相互制約；

（4）當被檢測目標的運動速度超過PRF/2時，出現混迭現象。

增大脈沖波多普勒技術檢測速度、檢測深度的方法：

降低發射頻率；

移動零位基線；

減低檢測深度；

增大超聲入射角（θ），但cosθ在分母位置，值越小計算出速度值誤差越大，所以此法不可取。

用HPRF的頻譜多普勒：fd＝HPRF/2

彩色多普勒――原理：以脈沖多普勒技術為基礎，用運動目標顯示器（MTI），自相關函數

計算（自相關處理技術），數字掃描轉換、彩色編碼等技術，達到對血流的彩色現象。

三基色――紅、藍、綠三色；三基色混合時，可產生其他彩色，稱為二次色；

紅色加綠色產生黃色（二次色），就以紅-黃表示正向高速血流。

種類――速度型彩色多普勒：以紅細胞運動速度為基礎；

能量型彩色多普勒：以紅細胞散射能量（功率）的總積分進行編碼；

速度能量型彩色多普勒：

顯示方式――速度-方差顯示：朝向探頭―黃色；背向探頭―青藍色。

速度顯示：朝向探頭―紅色；背向探頭―藍色；明暗表示快慢。

方差顯示：高速血流顯示時從單一彩色變為五彩鑲嵌。

能量顯示：適應于對低速血流的顯示；明亮度表示多普勒振幅。

局限性――（1）受入射角的影響；

（2）超過尼奎斯特頻率極限（PRF/2）時，彩色信號發生混迭；

（3）檢測深度與成像幀頻及可檢測流速間的互相制約；

（4）對二位圖像質量的影響；

（5）湍流顯示的判斷誤差。

彩色多普勒技術的調節方法：

1、彩色標尺（PRF）的選擇：中、低速血流――速度顯示方式；

高速血流――速度-方差及方差顯示方式；

2、發射超聲頻率：檢測較淺表的器官、組織及經腔道檢測――高頻超聲；

對高速血流的檢測――低頻超聲；

對低速血流的檢測，達到被檢測深度的情況下―高頻超聲；

3、濾波器調節：低速血流――低通濾波；高速血流――高通濾波；

4、速度標尺：腹部及外周血管――低速標尺；心血管系統――高速標尺；

5、增益調節：檢測開始時，用較高的增益調節，使血流易于顯示；然后再降低增益使血流現象最清楚而又無噪音信號。

6、取樣框調節：取樣框應包括需檢測區的血流，但不宜太大，使幀頻及顯像靈敏度下降；

7、零位基線的調節：零位基線下移，可增大檢測的速度范圍；

8、余輝調節：persistence調節鈕可使幀頻圖像重疊，增大信/噪比，使低速度、低流量的血流更易于顯示清楚；

9、掃查范圍與方向的調節：較小的掃查范圍（角度）可增加幀頻，彩色顯像更清楚。與血流方向相同的掃查方法，可使彩色顯像更敏感，更清晰。

10、消除彩色信號的閃爍：可選用高速度標尺、高通濾波抗干擾，最佳方法是令病人屏住呼吸

頻譜多普勒

血流流動學基礎知識――一般規律：當雷諾數（Re）＞2000時成為湍流

能量守恒定律：ΔP＝4V2max；估算跨瓣壓、心腔及肺動脈壓；

質量守恒定律：ρAV＝恒定（連續方程），計算瓣膜口面積；

頻譜多普勒技術的調節方法：

1、多普勒種類的選擇：中、低速血流――脈沖多普勒；

高速血流――連續多普勒

2、濾波條件：檢測低速血流，用低通濾波；對高速血流，用高通濾波；

3、速度標尺：選擇與被檢測血流相匹配的速度標尺；

4、取樣容積：對血管檢測，取樣容積應小于血管內徑；

5、零位基線：可增大頻移測量范圍；

6、頻譜信號上下翻轉：便于測量及自動包絡頻譜波形；

7、超聲入射角：心血管系統檢查θ≦20°；外周血管檢測θ≦60°

頻譜寬度（頻帶寬度）：表示在某一瞬間取樣容積中紅細胞運動速度分別范圍的大小。

層流――窄頻譜；

湍流――寬頻譜；

取樣容積小――窄頻譜；

取樣積大――寬頻譜；

大動脈――窄頻譜；

外周小動脈――寬頻譜；

超聲診斷儀

超聲探頭―核心部分：壓電材料，如天然石英晶體、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛、壓電有機聚合物；

吸聲材料（壓電晶片背面）：產生短促的超聲脈沖信號，提高縱向分辨率；

匹配層（聲能壓電晶片前面）：保護壓電材料；使壓電材料與人體皮膚之間的聲阻抗相近；減少聲能損失，提高探頭靈敏度；

種類――電子掃描探頭：線陣探頭:采用電子開關控制；陣子呈直線排列；

凸陣探頭：采用電子開關控制；陣子呈弧形排列；

相控陣探頭：掃描角度80-90，最大深度20cm；用于心臟檢查

機械掃描探頭：扇形掃描探頭；單晶片；電機驅動；

環陣（相控）探頭；電子相控聚焦；電機驅動；

其他

旋轉式掃描探頭等

頻率――單頻探頭：中心頻率固定的探頭（頻帶較窄）；

變頻探頭：可根據臨床需要選擇2-3種發射頻率；

寬頻探頭：采用寬頻帶復合電材料（發射頻率范圍：2-5MHz、5-10MHz、6-12MHz）；接收時分三種情況：

選頻接收：選擇某一特定的1-3個中心頻率；

動態接收：隨深度變化選取不同的頻率；

寬頻接收：接收寬頻帶內所有頻率回聲；

高頻探頭：頻率高達40-100MHz，如皮膚超聲成像、超聲生物顯微鏡等。

陣子數――是超聲探頭質量的重要標志。

1個陣元由4-6個陣子分組構成；

陣子數愈多，理論上成像質量愈好。

采用高密度探頭，可提高聲束掃描線的密度，圖像分辨率顯著提高。

超聲成像原理

聲束掃描――利用探頭發射的聚焦束進行的斷層掃描。

聚焦超聲的特點：聲束形態特殊，聚焦區較細，遠、近區即兩端均較粗，呈喇叭形；

超聲波長取決于所用探頭頻率，故其分辨率、穿透力隨之改變。

聲像圖――將探頭在體表（橫向或縱向）移動，示屏上的超聲掃描線（系列回聲信號）作相應的移動，如此構成一幅（橫向或縱向）超聲聲像圖，也稱聲像圖（B型超聲）或二維超聲。

幀頻（f）――每秒所成聲像圖的幀數；幀頻數目不應低于16f/s；

理想幀頻:20cm深宜達到20-30f/s；淺表成像宜超過30f/s；

制約因素：脈沖重復頻率（PRF）；

所需觀察聲像圖的深度；

多點聚焦的數目等。

增加彩色多普勒血流顯示，幀頻可能下降；彩色取樣框愈大，幀頻更低。

超聲診斷裝置基本組成：發射與接收單元（包括探頭），即超聲掃描器；

數字掃描轉換器（DSC）；

超聲圖像顯示裝置；

超聲圖像記錄裝置；

超聲電源。

超聲診斷儀器的類型：靜態超聲診斷儀（已被淘汰）；

實時灰階超聲診斷儀；

雙功超聲診斷儀：實時灰階超聲診斷儀兼有血流多普勒顯示

彩色多普勒超聲診斷儀（三功超聲診斷儀）：可以彩色編碼；

超聲新技術和新方法

三維超聲成像――種類：靜態三維超聲成像；

動態三維超聲成像；

顯示方式：表面成像；（高檔彩色三維模式中還包括三維血流顯像）

透明成像；

結構成像。

超聲造影――基本原理：超聲造影的散射回聲源（微氣泡）；

散射回聲信號強度――與微氣泡、發射功率大小成正比；

與檢測的深度成反比；

造影劑在血液中持續時間――與微氣泡密度、最大截面成正比；

與微氣泡彌散度、飽和度成反比；

途徑：右心造影――直徑大于紅細胞（大于8um）；

左心造影――直徑小于紅細胞（小于8um）；

心肌造影――與左心造影相同，但需使用彩色能量多普勒諧波成像、反向脈沖諧波成像以增強造影劑顯示；

如造影劑直徑小于1-2um，用二次諧波成像、間歇式超聲成像技術即可；

全身血管及外周血管超聲造影：采用的造影劑參考上述。

成分：以人血白蛋白、脂類、糖類及有機聚合物作包裹；

以空氣、氧、二氧化碳、氟烷類、氟碳類、六氟化硫等為微氣泡。

注入人體的方法：彈丸式注射；――一次性注入；

連續性注射；――與靜脈輸液法相似；

增強超聲造影效果的技術：

1、二次諧波成像：超聲的傳播及散射存在非線性關系，可出現兩倍于發射波（基頻）的反射頻率，即二次諧波；其強度比基波低，但頻率高。信/噪比高，分辨力高。

2、間歇式超聲成像：用心電觸發或其他方法使探頭間歇發射超聲，使造影劑避免連續性破壞而大量積累于檢測區，再次觸發能瞬間產生強烈的回收信號。

3、能量多普勒諧波成像：對低速低血流量能成像；

4、反向脈沖諧波成像：在甚短的時間間隔內相繼發射兩組相位相反的超聲（基波），在反射回聲時基波因相位相反而被抵消；而諧波相相加因而信號更增強。

5、實時超聲造影成像：其方法是交替發射高功率和低功率超聲，能實時顯示微氣泡在血管內的充盈情況。

自然組織二次諧波成像：原理與造影劑諧波成像不同。超聲在人體組織中傳播時，在壓縮期聲速增加，而馳張期聲速減低。此即產生聲速的非線性效應而可提取其二次諧波。自然組織二次諧波成像具有分辨力高，噪聲信號小，信/噪比高等特點。

多普勒組織成像：改變濾波條件為低通，速度低、能量高的組織被顯像，而血流不顯像。

顯示方式――速度型：用于顯示心肌活動速度、方向；

能量型：以單一彩色顯示室壁的運動，但不能表示方向和速度。

速度型的顯示方式――二維成像：以彩色編碼顯示和測量心肌運動速度的分布情況（心內膜＞心?。拘耐饽ぃ?/p>

M型：以彩色編碼表示心肌在一定的運動速度與時相變化，可表示室壁運動方向及運動速度；

脈沖多普勒：用于檢測室壁及瓣環的運動速度、方向。

用途：室壁運動異常的檢測診斷；

收縮功能及舒張功能減低；

心臟傳導系統的電生理研究；

心肌超聲造影，能量型多普勒成像，可增強心肌造影的回聲強度。

超聲臨床診斷基礎

超聲回聲的一般規律

1、有些均質的固體如透明軟骨、小兒腎椎體，可以出現無回聲或接近無回聲；

典型的淋巴瘤呈圓形或橢圓形，接近于無回聲，有時酷似囊腫；

2、非均質性液體及軟骨等均質性組織如果纖維化、鈣化，則由無回聲變成有回聲；

3、人體不同組織回聲強度順序：肺、骨骼＞腎中央區（腎竇）＞胰腺、胎盤＞肝、脾實質＞腎皮質＞腎髓質（腎錐）＞血液＞膽汁和尿液；

4、脂肪組織的特殊性：由于其中膠原纖維含量和血管成分的多少的不同，回聲不同。

皮下脂肪組織――典型的低回聲回聲；

腎中央區――呈高水平回聲或強回聲；

腹腔動脈和腸系膜上動脈周圍脂肪組織――高回聲；

大網膜中的脂肪組織（含血管、纖維成分）――高回聲；

不同組織聲衰減程度的一般規律

組織內含水分愈多，聲衰減愈低；

液體中含蛋白成分愈多，聲衰減愈高；

組織中含膠原蛋白和鈣質愈多，聲衰減愈高；

超聲偽像（偽差）――超聲顯示中的斷層圖像與其相應解剖斷面圖像之間存在的差異。

產生原因――反射、折射：混響、多次內部混響、鏡面反射、回聲失落、折射聲影、棱鏡現象；

衰減：衰減聲影、后方回聲增強；

斷層厚度（掃描厚度）偽像：部分容積效應偽像；

旁瓣效應；

聲速偽像：實際組織聲速與儀器設定的平均速度（1540m/s）差別所造成偽像和測量誤差；

儀器設備：儀器和探頭的質量；

操作者技術因素：增益、DCG、聚焦調節不當、測量不規范；

分類――混響：產生的條件超聲垂直照射到平整的界面；

識別混響的方法：適當側動探頭，使超聲勿垂直于胸壁或腹壁；

加壓探測，可見多次反射的間距縮小；

內部混響：超聲在器官組織的異物內來回反射直至衰減，產生特征性的彗星尾

征，此現象稱內部混響；

振鈴效應：超聲束在若干微氣泡包裹的極少量液體中強烈地來回反射，產生很長的條狀圖像干擾。振鈴效應在胃腸道內（含微氣泡和粘液）相當多見。

切片（斷層）厚度偽像：超聲束形狀特殊而且波束較寬，即超聲斷層掃描時斷層較厚引起。

旁瓣偽像：由主聲束以外的旁瓣反射造成。如在結石、腸氣等強回聲兩側出現“披紗征”或“狗耳征”圖形，在低檔超聲儀器和探頭比較常見。

聲影：邊界清晰的聲影，對識別瘢痕、結石、鈣化灶和骨骼時有幫助；

邊界模糊的聲影，常是氣體反射或彗星尾征的伴隨現象。

后方回聲增強：由于距離增益補償（DCG）對于超聲進入很少的液體，仍在起作用的緣故。

側邊聲影和“回聲失落”：超聲在通過囊腫邊緣或腎上、下極側邊時，可以由于折射而產生邊緣聲影或側邊“回聲失落”（全反射）。改變掃查角度有助于識別這種偽像。側邊聲影也見于細小血管和主胰管的橫斷面，呈小等號征“＝”而非小圓形。

鏡面偽像：聲像圖上的虛像總是位于實像深方（經過多途徑反射形成）。

聲束斜射到聲阻抗很大的界面時全反射會發生鏡面偽像。

棱鏡偽像：僅在腹部靠近正中線橫斷面掃查時（腹直肌橫斷）才出現；

例如早孕子宮在下腹部橫斷掃查時，宮內的單胎囊可能出現重復胎囊偽像；探頭方向改為矢狀斷面掃查，上述“雙妊囊”偽像消失。

聲束失真：對聲束過低的組織（如大的脂肪瘤）就會測值過大；

對于聲束很高的組織（如胎兒股骨長），會引起測值過小的誤差。

彩色多普勒超聲偽像：

多普勒超聲（頻移）衰減偽像：彩色信號分布不均勻，即“淺表血供多，深方血供少或無血供”；深部器官血流如腎實質、股靜脈較難顯示。

鏡面反射偽像：在在強反射界面深方出現對稱性彩色信號；

閃爍偽像：心搏、呼吸、大血管搏動；

組織震顫（高速血流、被檢者發音）

快閃偽像：見于尿路結石等（位于結石聲影中）。

彩色混疊：PRF過低、測速血流時采用過高頻率探頭或較高多普勒頻率；

注意：

在使用微泡聲學造影時，多普勒彩色信號或頻譜幅度增加，切勿將它誤認為實際血流速度的增加。

對于深部組織內的血流多普勒頻移，宜選擇較低的多普勒頻率。

適當調節聚焦區、取樣框和取樣容積的大小，正確調節彩色速度標尺（PRF），適當調節多普勒增益的靈敏度，血流方向和校正角