超聲基本原理及儀器簡(jiǎn)介

1、超聲基本原理及儀器簡(jiǎn)介來(lái)源：醫(yī)學(xué)全在線 更新：2008-10-15 醫(yī)學(xué)論壇一、超聲的概念超聲波是聲波的一種，是機(jī)械振動(dòng)在彈性介質(zhì)中的傳播；頻率在16-20000赫（Herz）的聲波人耳可以聽到稱為可聞聲波；頻率高于20000赫的聲波，人耳聽不到稱為超聲波。二、超聲的物理特性（一）超聲場(chǎng)特性：超聲在介質(zhì)內(nèi)傳播的過程中，明顯受到超聲振動(dòng)影響的區(qū)域稱超聲場(chǎng)。超聲場(chǎng)具有以下特點(diǎn)：如果超聲換能器的直徑明顯大于超聲波波長(zhǎng)，則所發(fā)射的超聲波能量集中成束狀向前傳播，這現(xiàn)象稱為超聲的束射性（或稱指向性）。換能器近側(cè)的超聲波束寬度與聲源直徑相近似，平行而不擴(kuò)散，近似平面波，該區(qū)域稱近場(chǎng)區(qū)。近場(chǎng)區(qū)內(nèi)聲強(qiáng)

2、分布不均勻。近場(chǎng)區(qū)以外的聲波以某一角度擴(kuò)散稱遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)。該區(qū)聲波近似球面向外擴(kuò)散，聲強(qiáng)分布均勻，但逐漸減弱，換能器的頻率愈高，直徑愈大，則超聲束的指向性越好、其能量越集中（圖15-1-1）。近場(chǎng)距離，遠(yuǎn)場(chǎng)擴(kuò)散角與換能直徑及頻率的關(guān)系如公式所示：L0=r2f/Csin=1.22/D式中L0為近場(chǎng)距離，r為換能器半徑，f為頻率，C為聲速、為半擴(kuò)散角、D為換能器直徑，為超聲波波長(zhǎng)。L0近場(chǎng)區(qū)，半擴(kuò)散角，D聲源直徑（二）超聲的反射與散射1.聲阻抗：介質(zhì)的密度與超聲在介質(zhì)中傳播速度的乘積稱聲阻抗。聲阻抗值一般為固體>液體>氣體。超聲在密度均勻的介質(zhì)中傳播，不產(chǎn)生反射和散射。當(dāng)通過聲阻抗不同的介質(zhì)

3、時(shí)，在兩種介質(zhì)的交界面上產(chǎn)生反射與折射或散射與繞射。2.反射、折射與透射：凡超聲束所遇界面的直徑大于超聲波波長(zhǎng)（稱大界面）時(shí)，產(chǎn)生反射與折射。成角入射，反射角等于入射角，反射聲束與入射聲束方向相反（圖15-1-2A）。垂直入射時(shí)，產(chǎn)生垂直反射與透射（圖15-1-2B）。反射聲強(qiáng)取決于兩介質(zhì)的聲阻差異及入射角的大小。垂直入射時(shí)，反射聲強(qiáng)最大。反射聲能愈強(qiáng)則折射或透射聲能愈弱。進(jìn)入第二介質(zhì)的超聲繼續(xù)往前傳播，遇不同聲阻抗的介質(zhì)時(shí)，再產(chǎn)生反射，依次類推，被檢測(cè)的物體密度越不均勻，界面越多，則產(chǎn)生的反射也愈多。圖15-1-1 超聲波的指向性L0近場(chǎng)區(qū)，半擴(kuò)散角，D聲源直徑3.散射與繞射：超聲在傳播時(shí)，

4、遇到與超聲波波長(zhǎng)近似或小于波長(zhǎng)（小界面）的介質(zhì)時(shí)，產(chǎn)生散射與繞射。散射為小介質(zhì)向四周發(fā)散超聲，又成為新的聲源（圖15-1-2、C）繞射是超聲繞過障礙物的邊緣，繼續(xù)向前傳播（圖15-1-2、D）。散射回聲強(qiáng)度與超聲入射角無(wú)關(guān)。圖15-1-2 超聲波的反射與散射A.成角入射時(shí)反射與折射；B.垂直入射時(shí)反射與透射；C.散射；D.繞射（三）超聲衰減：超聲在介質(zhì)中傳播時(shí)，隨著傳播距離的增加，聲強(qiáng)逐漸減弱，這種現(xiàn)象稱為超聲的衰減。引起衰竭的主要原因是介質(zhì)對(duì)超聲的吸收（粘滯吸收及熱傳導(dǎo)吸收）。超聲頻率愈高，介質(zhì)的吸收愈多；其次為能量的分散如反射、折射、散射等。使原傳播方向上的能量逐漸減弱。（四）多普勒效應(yīng)：

5、聲源和接收體作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，接收體在單位時(shí)間內(nèi)收到的振動(dòng)次數(shù)（頻率），除聲源發(fā)出者外，還由于接收體向前運(yùn)動(dòng)而多接收到（距離/波長(zhǎng)個(gè)）振動(dòng)，即收到的頻率增加了。相反，聲源和接收體作背離運(yùn)動(dòng)時(shí)，接收體收到的頻率就減少，這種頻率增加和減少的現(xiàn)象稱為多普勒效應(yīng)（圖15-1-3）。圖15-1-3 多普勒效應(yīng)三、超聲診斷基礎(chǔ)（一）人體組織的聲阻與衰減系數(shù)超聲診斷是通過人體各種組織聲學(xué)特性的差異來(lái)區(qū)分不同組織。按照聲學(xué)特性。人體組織大體上可分為軟組織和骨骼兩大類，軟組織的聲阻與水近似，骨骼則屬固體。人體組織的聲速、聲阻抗、聲吸收系數(shù)、衰減系數(shù)等反映人體組織的基本聲學(xué)特性，人體不同組織的聲學(xué)特性不同，見表1。人

6、體各種軟組織的平均聲速約為1540米/秒，聲衰減系數(shù)約與聲頻率成正比。聲頻率1兆赫時(shí)，衰減系數(shù)約1分貝 /1厘米。表15-1-1 人體正常組織的聲速、密度、聲阻及衰減系數(shù) 聲速 m/s密度 g/cm3聲阻 g/cm2/s衰減系數(shù) dB/cm MHz脂肪14760.95514100.63 0.87.0大腦15301.03815880.95 0.93.4腦脊液15231.0001523 血液15701.05516560.18 1.0肝15701.05016380.94 0.33.4水（37°）15230.9931513 顱骨33601.658557020 1

7、.6空氣3320.001290.428 超聲在人體內(nèi)傳播時(shí)，在兩種不同組織的界面處產(chǎn)生反射和折射，在同一組織內(nèi)傳播，由于人體組織的不均勻性而發(fā)生散射。超聲通過不同器官和組織產(chǎn)生不同的反射與散射規(guī)律，儀器利用這些反射和散射信號(hào)，顯示出臟器的界面和組織內(nèi)部的細(xì)微結(jié)構(gòu)，作為診斷的依據(jù)。（二）正常臟器的回聲規(guī)律：1.含液體臟器如膽囊、膀胱、血管、心臟等，壁與周圍臟器及內(nèi)部液體間為界面、液體為均勻的無(wú)回聲區(qū)（圖15-1-4A）2.實(shí)質(zhì)性軟組織臟器如肝、脾、腎等臟器均有包膜，周圍有間隙，內(nèi)部各有一定結(jié)構(gòu)，如肝可以顯示臟器輪廓、均勻的肝實(shí)質(zhì)與肝內(nèi)管道結(jié)構(gòu)（圖15-1-4A）3.含氣臟器如肺、由于肺

8、泡內(nèi)空氣與軟組織間聲阻差異極大，在其交界面上產(chǎn)生全反射（幾乎100），并形成多次反射（圖15-1-4 B），即超聲不能進(jìn)入正常肺泡。脹氣的胃腸亦如此。4.正常骨骼與周圍軟組織的差異大，在軟組織與骨皮質(zhì)交界處產(chǎn)生強(qiáng)反射，進(jìn)入骨骼的超聲由于骨松質(zhì)組織吸收極多而不能穿透（除顱骨外）。其后方形成無(wú)回聲區(qū)稱聲影（圖15-1-4 C）。圖15-1-4 正常人體組織與病理組織反射規(guī)律A、實(shí)質(zhì)性臟器（肝）與含液體臟器（膽）的聲象圖規(guī)律。B、含氣臟器（肺）的多次反射。C、骨骼的聲象圖（脊柱）D、肝腫瘤、內(nèi)部回聲不均勻、較強(qiáng)回聲區(qū)呈團(tuán)狀，肝表面不平。E、膽囊內(nèi)結(jié)石、膽囊無(wú)回聲區(qū)中一強(qiáng)回聲光團(tuán)，后方有聲影。（三）病

9、變臟器的回聲規(guī)律：當(dāng)臟器有病變時(shí)，由于病變組織與正常組織的聲學(xué)特性不同，超聲通過時(shí)產(chǎn)生不同正常的回聲規(guī)律，各種病變組織亦各有其聲學(xué)特性、其反射規(guī)律亦不相同。如肝內(nèi)液性病變?yōu)闊o(wú)回聲區(qū)，肝癌為強(qiáng)弱不均的實(shí)質(zhì)性回聲區(qū)、邊緣不整齊（圖15-1-4D），膽囊內(nèi)結(jié)石則在無(wú)回聲區(qū)中有強(qiáng)回聲光團(tuán)，后方有聲影（圖15-1-4E）。（四）超聲多普勒：利用多普勒效應(yīng)原理檢測(cè)運(yùn)動(dòng)物體。當(dāng)發(fā)射超聲傳入人體某一血液流動(dòng)區(qū)，被紅細(xì)胞散射返回探頭，回聲信號(hào)的頻率可增可減，朝向探頭運(yùn)動(dòng)的血流，探頭接收到的頻率較發(fā)射頻率增高，背離探頭的血流則頻率減低。接收頻率與發(fā)射頻率之差稱多普勒頻移或差頻。多普勒頻移（fd）與發(fā)射頻率（fo）

10、、血流速度（V）、超聲束與血流間夾角（）的余弦成正比，與聲速（C）成反比，公式為：fd=±2v/=±2v/Cfofd=±2v.cos/CfoV=fdC/2fo.cos式中fd、cos儀器均可顯示，fo及C為已知，可以計(jì)算出V。聲束與血流方向平行時(shí)可記錄到最大血流速度，聲束與血流方向垂直時(shí)則測(cè)不到血流信號(hào)。目前常用的超聲多普勒有連續(xù)波多普勒（CWD）、脈沖波多普勒（PWD）及彩色多普勒（CDFI）。（1）連續(xù)波多普勒以頻譜顯示，可單獨(dú)使用，亦可與二維超聲心動(dòng)圖結(jié)合。接收取樣線經(jīng)過部位上所有頻移信號(hào)，其優(yōu)點(diǎn)為可以測(cè)定高速血流，常用于測(cè)定心臟瓣口狹窄或返流的高速血流。缺

11、點(diǎn)為不能區(qū)分信號(hào)來(lái)源深度。（2）脈沖波多普勒亦以頻譜顯示，與二維超聲相結(jié)合，可以選擇心臟或血管內(nèi)任一部位的小容積血流顯示血流實(shí)時(shí)頻譜，頻譜可顯示血流方向（朝向探頭的血流在基線上，背離探頭的血流在基線下），血流性質(zhì)（正常的層流呈空窗型如圖14-1-5，湍流則呈充填型如圖15-1-6），血流速度（頻譜上信號(hào)的振幅）、血流持續(xù)時(shí)間（橫座標(biāo)顯示時(shí)間）?？晒┒ㄐ?、定量分析。其特點(diǎn)為所測(cè)血流速度受探測(cè)深度及發(fā)射頻率等因素限制。通常不能測(cè)高速血流。（3）彩色多普勒：脈沖多普勒原理，在心臟或血管內(nèi)多線、多點(diǎn)取樣，回聲經(jīng)處理后進(jìn)行彩色編碼，顯示血流速度剖面圖，以紅色代表朝向探頭的血流、蘭色代表背離探頭的血流、與

12、二維超聲心動(dòng)圖套疊顯示，可直觀地顯示心臟或血管的形態(tài)結(jié)構(gòu)及血流信息的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)圖像，信息最大，敏感性高，并可引導(dǎo)脈沖或連續(xù)多普勒取樣部位，進(jìn)行定量分析。圖15-1-5 正常脈沖多普勒頻譜左圖示超聲束經(jīng)血管內(nèi)層流血流 右圖為所顯示正常血流頻譜（空窗型）圖15-1-6 脈沖多普勒湍流頻譜左圖示超聲束經(jīng)狹窄后的湍流血流。右圖為湍流頻譜（充填型）（五）超聲對(duì)人體的影響超聲是一種機(jī)械能，超聲的產(chǎn)熱和空化效應(yīng)在人體內(nèi)是否產(chǎn)生，取決于使用儀器的功率和頻率，現(xiàn)在超聲診斷儀的功率為10毫瓦/平方厘米，（超聲治療儀為0.52.5瓦/平方厘米），根據(jù)國(guó)內(nèi)外實(shí)驗(yàn)研究證明對(duì)機(jī)體無(wú)損害作用，但對(duì)胎兒的檢查時(shí)間不宜太長(zhǎng)。醫(yī)學(xué)

13、.全在.線四、超聲診斷儀簡(jiǎn)介超聲診斷儀由兩大部分組成，即超聲換能器及儀器。（一）超聲換能器（Transducer）：超聲換能器是由壓電晶片組成，晶片受電信號(hào)激發(fā)發(fā)射超聲，進(jìn)入人體組織，遇不同聲阻界面產(chǎn)生反射與散射、晶片又接收回聲信號(hào)，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)、送入儀器。晶片將電能轉(zhuǎn)換成聲能（發(fā)射），又能將聲能轉(zhuǎn)換成電能（接收），稱之為聲電換能器。（二）儀器：目前所用超聲診斷儀多應(yīng)用超聲脈沖回波技術(shù)，將接收到的回波信號(hào)、經(jīng)過放大并顯示在顯示屏上。根據(jù)顯示的方式不同，分為A（Amplitude）型、M（Motion）型、B（Brightness）型及D（Doppler）型已為臨床廣泛應(yīng)用。其它如超聲全息、超聲

14、CT及超聲顯微鏡等目前尚處于研制階段。1.A型：屬一維超聲、回聲強(qiáng)度以振幅顯示、探頭由單晶片構(gòu)成，主要用于腹部、頭顱、眼、胸腔等檢查，現(xiàn)多已淘汰。2.M型：一維、光點(diǎn)顯示、光點(diǎn)的亮度代表回聲強(qiáng)弱、探頭為單晶片，用于心臟、胎心、血管檢查、顯示心臟、血管結(jié)構(gòu)的活動(dòng)規(guī)跡曲線圖又稱M型超聲心動(dòng)圖。3.B型：以二維、光點(diǎn)顯示。（1）機(jī)械掃描：由單個(gè)晶片擺動(dòng)或三個(gè)晶片轉(zhuǎn)動(dòng)掃描，探頭內(nèi)晶片由微電機(jī)帶動(dòng)，作扇形掃描、圖像呈扇面形。（2）電子掃描儀：探頭內(nèi)有多數(shù)晶片構(gòu)成，又可分為線陣：由數(shù)百個(gè)小晶片、排列成線形。凸陣：由數(shù)百小晶片排成弧形。相控陣：由32-64個(gè)晶片排成方形或矩形。顯示圖像呈矩形或扇形，線陣與凸

15、陣主要用于腹部、扇形主要用于心臟?，F(xiàn)代高分辯力、高靈敏度儀器都具有實(shí)時(shí)（real time）顯像，顯示動(dòng)態(tài)圖像、灰階（gray scale）編碼及動(dòng)態(tài)聚集功能，橫向分辨力達(dá)2-3mm。時(shí)間增益補(bǔ)償（Time gain compensation），以補(bǔ)償由超聲衰減造成的深部組織顯示不清的缺陷。采用數(shù)字掃描轉(zhuǎn)換器（Digital scan converter），增加了很多附加功能。如圖像處理，圖像輪廓增強(qiáng)，探頭位置顯示、字符顯示、局部放大、停幀、拼幅、電子標(biāo)尺，面積及心功能自動(dòng)顯示，產(chǎn)科胎兒測(cè)量計(jì)算及預(yù)產(chǎn)期顯示等，便于臨床使用。并多附有攝影、錄像及打印機(jī)（printer）等現(xiàn)代記錄設(shè)備，記錄靜態(tài)的

16、或?qū)崟r(shí)圖像供會(huì)診或教學(xué)用。超聲診斷工作原理方塊圖及各類型儀器顯像原理示意見下圖及圖15-1-7至圖15-1-11.高頻信號(hào)發(fā)生器 同步器聲電換能器 接 收 放 大 顯示器超聲診斷儀工作原理方塊圖4.超聲多普勒儀：（1）連續(xù)波多普勒：一維、頻譜顯示、探頭內(nèi)有二個(gè)晶片一收一發(fā)，用于檢測(cè)高速血流。（2）脈沖波多普勒：一維、頻譜顯示，探頭由單晶片組成、兼收、發(fā)。常與二維超聲相結(jié)合，用于檢測(cè)血流速度、方向、性質(zhì)等。（3）彩色多普勒：二維、光點(diǎn)顯示、以偽彩色代表血流方向、性質(zhì)及速度。多普勒用于檢測(cè)心腔及血管內(nèi)血流。彩色多普勒儀都具有B型、M型、連續(xù)波、脈沖波多普勒功能、根據(jù)需要任意選擇使用。圖15-1-7

17、 A型回聲圖示意圖回聲圖（Y軸(振幅高度)代表回聲強(qiáng)度、X軸代表深度圖15-1-8 M型超聲心動(dòng)圖示意圖a、M 型掃描示意圖；b、M型心動(dòng)圖Y軸代表深度，X軸代表時(shí)間圖15-1-9 切面超聲心動(dòng)圖示意圖a、快速扇形掃描示意，b、切面超聲心動(dòng)圖Y軸代表深度，X軸代表心臟長(zhǎng)軸。圖15-1-10 B型電子線陣顯示示意圖a、線陣儀掃描示意，b聲象圖顯示，Y軸代表深度。X軸代表上下或左右圖15-1-11 超聲脈沖多普勒顯示示意圖a、多普勒取樣部位顯示。B多普勒頻譜圖。Y軸代表頻移（血流速度）。X軸代表時(shí)間。五、超聲診斷術(shù)語(yǔ)B型超聲命名1.B型超聲法又稱二維超聲掃描（Two-dimensional scan），超聲切面顯像（Cross-ection imaging），超聲斷層法（Ultrasound tomography），其圖像稱聲像圖（Ultrasonnogram）。2.聲像圖命名（1）以回聲強(qiáng)弱命名：強(qiáng)回聲光點(diǎn)或稱高水平回聲。中等回聲光點(diǎn)可分為較強(qiáng)或較弱回聲。低回聲光點(diǎn)、低水平回