超声诊断的基本原理和应用

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1、超声诊断的基本原理和应用 福建农林大学动物科学学院 黄志坚 一、基本概念 超声波（ultrasound wave）是每秒振荡次 数（即振动频率）在20000赫兹（HZ）以 上，超过人耳听阈的声波，简称超声。 人耳可听到振荡频率在2020000HZ的声 波，医用超声波是在0.810兆赫兹（即每 秒振荡0.810百万次）的超声波，低于 20HZ的叫次声波。 医用超声是由探头（即换能器）内的特制晶片 在主机所加的高频（在20000HZ以上）交变电场 作用下沿一定的方向作强烈的压缩和拉伸振动， 使电振荡转换为机械运动，从而产生纵波。这种 由逆压电效应产生的高频脉冲波或连续波即为超 声波。 压电效应（在

2、兽医超声诊断方面）可简单解释 为机械压力和电能通过超声波的介导而相互发生 能量转换。压电效应的发生必需借助具有良好压 电性质的晶体物质，即压电晶片（Piezoelectric wafer），如石英、钛酸钡、锆钛酸铅、硫酸锂等 ，最常见的是锆钛酸铅。 二、超声的传播特点 向其它物理波一样，超声波在介质 中传播时亦发生透射、反射、绕射 、散射、干涉及衰减等现象。 (一）透射 Transmission 超声可以穿过某一介质或通过两种介质的 界面而进入第二种介质内称为超声的透射 （Transmission）。 除介质外，决定超声透射能力的主要因素 是超声的频率和波长。超声频率越大，其 透射能力（穿透力

3、）越弱，探测的深度越 浅；超声频率越小，波长越长，其穿透力 越强，探测的深度越深。因此，临床上进 行超声探查时，应根据探测组织器官的深 度及所需的图像分辨力选择不同频率的探 头。 超声波反射的强弱主要取决于形成声学界 面的两种介质的声阻抗差值，声阻抗差值 越大，反射强度越大，反之则小。两种介 质的声阻抗差值只需达到0.1%，即两种物 质的密度（Density）差值只要达到0.1%， 超声就可在其界面上形成反射，反射回来 的超声称回声（Echo）。 反射强度通常以反射系数表示： 反射系数=反射的超声能量/入射的超声 能量。 空气的声阻抗值为0.000428，软组织的声 阻抗值为1.5，二者声阻抗

4、值相差约4000倍 ，故其界面反射能力特别强。临床上在进 行超声探测时，探头与动物体表之间一定 不要留有空隙，以防声能在动物体表大量 反射而没有足够的声能达到被探测的部位 。这就是超声探测时必须使用耦合剂（ Coupling Medium）的原因。 超声诊断的基本依据就是被探测部位回声 状况。 （三） 绕射Diffraction 超声遇到小于其波长一半的物体时，会绕 过障碍物的边缘继续向前传播，称绕射或 衍射（Diffraction）。实际上，当障碍物 与超声的波长相等时，超声即可发生绕射 ，只是不很明显。 根据超声绕射规律，在临床检查时，应根 据被探查目标的大小选择适当频率的探头 ，使超声波

5、的波长比探查目标小得多，使 超声波在探查目标上不发生绕射，把比较 小的病灶也检查出来，提高分辨力。 （四） 超声的散射与衰减Attenuation 超声在介质内传播时，会随着传播距离的 增加而减弱，这种现象称作超声衰减（ Attenuation）。 引起超声衰减的原因是： （1）超声束的扩散以及在不同声阻抗街面 上发生的反射、折射、散射等，使主声束 方向上的声能减弱； （2）超声在传播介质中，由于介质的粘滞 性（内摩擦力）、导热系数和温度等的影 响，使部分声能被吸收（声能吸收），从 而使声能降低。 声能的衰减与超声频率和传播距离有 关。超声频率越高，传播距离越远， 声能的衰减，特别是声能的吸收

6、衰减 越大；反之，声能衰减越小。 动物体内血液对声能的吸收最小，其 次是肌肉组织、纤维组织、软骨和骨 骼。 （五） 多普勒效应 Hristian Doppler（1803-1853）发现 ，声源与反射物体之间出现相对运动 时，反射物体所接收到的频率与声源 所发出的频率不一致，当声源向着反 射物体运动时，声音频率升高，反之 降低，此种频率发生改变（频移）的 现象称为多普勒效应（Doppler Effect ）。 频移的大小取决于声源与反射物体间 相对运动速度。 速度越大，频移越大，反射物体所接 收的声音频率增高的越多，声响越强 ； 声源与反射物体反向运动时，反射物 体所接收的声音频率比声源发射的

7、频 率要小，故反射物体所接受的声音比 实际音响要小。 三、超声的分辨性能 （一）超声的显现力Discoverable Ability 显现力是指超声能检测出物体大小的能力。能被 检出物体的直径大小常作为超声显现力的大小， 能被检出的最小物体直径越大，显现力越小；能 被检出的物体直径越小，显现力越大。 理论上讲，超声的最大显现力是波长的一半，如 5.0MHz的超声波长为3.0mm，其显现力为 1.5mm。实际上，病灶要比超声波波长大数倍时 才能发生明显的反射，故超声频率越高，波长越 短，其显现力也越高，但穿透能力会降低。 不同频率超声与显现力的关系 频率（MHz） 2.25 2.5 5.0 7.

8、0 10 显现力（mm） 3.35 3.0 1.5 1.05 0.75 （二）超声的分辨力 超声的分辨力（Resolution of Ultrasound）是在超声能够区分两个物体 间的最小距离。 根据方向不同，将分辨力分为： 横向分辨力或侧分辨力（Lateral Resolution）； 纵向分辨力（Depth Resolution）或轴 向分辨力（Axial Resolution）。 1、横向分辨力 Lateral Resolution 横向分辨力是指超声能分辨与声束相垂直 的界面上两物体（或病灶）间的最小距离 ，以mm计。 决定超声横向分辨力的因素是声束直径， 声束直径小于两点间的距离时

9、，就能区分 这两个点； 声束直径大于两点间的距离时，两个点在 屏幕上就会变为一个点。 决定声束直径的主要因素是探头中的压 电晶片界面的大小和超声发射的距离。 压电晶片发射出的超声以近圆柱体的形 式向前传递，这被称为超声波的束射性； 随着传播距离的加大，声束直径会因为声 束的发散而加大，但近探头处声束直径略 同于压电晶片的直径。如用聚焦探头，超 声发出后，声束直径会逐渐变小，在焦点 处变的最小，随后又增大。高频超声可以 增加近场。因而，为提高横向分辨力，可 使用高频聚焦探头。 2、纵向分辨力Depth Resolution： 纵向分辨力是指声束能够分辨位于超声轴 线上两物体（或病灶）间的最小距离

10、。决 定纵向分辨力的因素是超声的脉冲宽度， 脉冲宽度越小，分辨力越高；脉冲宽度越 大，分辨力越低。 超声的纵向分辨力约为脉冲宽度的一半。 脉冲宽度Impulse width 是超声在一个脉冲时间内所传播的距离， 即脉冲宽度=脉冲时间超声速度。 超声在动物体组织内传播速度越为 1.5108mm/s，决定脉冲时间的一个因素 是超声频率。频率越高，脉冲时间越短， 脉冲宽度越小，超声的纵向分辨力越大， 反之，则越小。 （三）超声的透入深度Transmitting depth 超声频率frequency越高，其显现力和分辨 力越强，显示的组织结构或病理结构越清 晰；但频率越高，其衰减也越显著，透入 的深

11、度就会大为下降。因而，探测浅表部 位的组织或病灶时，应尽可能选用高频探 头，探测较深部位的组织或病灶时应尽可 能选用高频探头。 脉冲宽度不仅决定纵向分辨力，也决定了超声能 检测的最小深度。脉冲从某一组织或病灶反射后 被换能器所接收，超声这一往返时间等于二倍的 深度除以超声速度，即脉冲往返时间=2深度/声 速velocity of sound。 探测的组织或病灶与探头的距离应大于1/2脉冲宽 度，才能被检出，小于1/2脉冲宽度的近场称为盲 区，实际上，盲区深度比脉冲宽度的1/2要大数倍 。盲区内的组织或病灶不能被检出。解决的方法 ：（1）加大探头的频率，（2）在体表与探头之 间增加垫块。 四、声

12、像图 B型超声诊断仪所显示的切面图像称声 像图（Sonography），B型、M型和D型 超声的回声在监视屏上以光点的形式表现 出来，从而组成声像图。 声像图上的光点状态是超声诊断的重要 或唯一依据。 （一） 回声强度 回声强度（Echo Intensity）是指声像图中光点 的亮度或辉度（Brightness）。回声强度是由回 声振幅（Echo Amplitude）的高低决定的，回声 振幅越高，辉度越高，反之则低。回声强度可用 灰阶（Gray Scale）衡量。 1.弱回声或低回声：指光点辉度低，有衰竭现象。 2.中等回声或等回声：指光点辉度等于正常组织的 回声强度（辉度）。 3.较强回声或

13、回声增强：指辉度高于正常组织器官 的回声强度（辉度）。 4.强回声或高回声：明亮的回声光点，伴有声像或 二次、多次回声。 （二） 回声次数 1、无回声：即在正常灵敏度条件下 回声光点的现 象，无回声区域又称作暗区。 1）液性暗区：超声不在液体中反射，加大灵敏度后 暗区内仍不出现光点：如为浑浊的液体，加大灵 敏度后出现少量光点。四壁光滑的液性病灶多出 现二次回声且周边光滑、完整。 2）衰减暗区：由于声能在组织器官内被吸收而出 现的暗区称为衰减暗区，加大灵敏度后可出现少 数较暗的光点；严重衰减时，即使加大灵敏度也 不会出现光点。 3）实质性暗区：均一的组织器官内因没有足够大 的声学界面而无回声，出

14、现实质性暗区；如加大 灵敏度，则出现不等量的回声且分布均匀。 2、稀疏回声 光点稀少且小，间距在1.0厘米以上。 3、较密回声 光点较多，间距0.51.0厘米之间。 4、密集回声 光点密集且明亮，间距0.5厘米以下。 （三）回声形态 回声形态指声像图上光点形态。 1、光点 ： 细而圆的点状回声。 2、光斑 ： 稍大的点状回声。 3、光团： 回声光点以团块状出现。 4、光片： 回声呈片状。 5、光条： 回声呈细而长的条带状。 6、光带： 回声为较宽的条带状。 7、光环： 回声呈环状，光环中间较暗或为暗区， 如胎儿头部回声。有些器官或病灶内部出现回声 称为内部回声。光环是周边回声的表现。 8、光晕

15、： 光团周围形成暗区，如癌症结节周边回 声。 五、兽医超声诊断仪 兽医超声诊断仪的种 类很多，不论什么样 的超声诊断仪都是由 探头、主机、信号显 示、编辑及记录系统 组成。 探头类型： 电子线阵探头是一种 线阵（linear）探头， 由64至256片压电晶片 组成，发射的声束为 矩形； 电子相控阵探头是一 种扇扫（Sector）探 头，多由32个压电晶 片组成，发射的声束 为扇形。 B型（Brightness mode）超声诊断法： 超声断层显像法（Ultrasonotomography ）,辉度调制型超声诊断法，简称B型（B- mode）超声或B超。B型超声诊断法是将 回声信号以光点明暗，即

16、灰阶（Gray scale）的形式显示出来。光点的强弱反应 回声界面反射和衰减超声的强弱。这些光 点、光线、光面构成了被探测部位二维断 层图像或切面图像，这种图像称为声像图 (Sonography)。 六、超声的临床应用 超声检查作为一种快速、准确、安 全、无损伤的诊断方法，以其直观性 、真实性等特点，已广泛用于畜牧业 生产和动物疾病诊断，在一些发达国 家已成为一种常规诊断方法。 (1)脏器的数值( 形态、大小、 物理性状)和体 表投影位置 肝胆系统 用3.5MHz扇扫探头从剑状 软骨后方向前扫查 用5.0MHz线阵探头从12- 13肋间向对侧前外方扫查 膈线 胆囊液 性暗区 心脏 肝实质 性暗区 胆总管 分支 胆囊后方 增强影 肝胆系统 用3.5MHz扇扫探头从剑状 软骨后方向前扫查 用5.0MHz线阵探头从12- 13肋