超声物理基础上岗考试辅导

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1、CDFI上岗考试辅导 超声物理基础清华大学工业开发研究院 张送根 博士 研究员目录n超声物理基础n超声成像原理n频谱及彩色多普勒n超声诊断仪器n几项新技术的临床应用一、超声物理基础什么是超声波？n超声波是声源振动的频率大于20000Hz 的机械波。临床常用的超声频率在 210MHz之间。目前腹部及心脏检查所 用的频率范围在2.55MHz之间，小器 官、眼科检查所用的频率范围在 510MHz之间，皮肤及血管内检查所用 的频率范围在1030MHz之间，生物显 微镜成像所用的频率范围在40100MHz 之间。 超声波是如何发生的？n超声的发生是利用换能器逆压电效应的原理 ，而超声的接收是利用正压电效

2、应的原理。 超声诊断仪的探头里安装着具有压电效应性 质的晶体片（换能器），由主机发生高频交 电场，电场方向与晶体压电轴方法一致，压 电晶片沿一定方向发生压缩和拉伸，这种现 象为逆压电交应；当有回声时，作用于晶体 片上，则晶体片产生电荷，这种现象为正压 电效应。超声在气、液、固体媒质中的振动模式n传播超声波的媒介物质叫做介质；n超声波是机械波，有横波、纵波、表面 波三种主要振动模式；n在固体中存在纵波、横波和表面波，在 液体和气体中存在纵波，在生物和人体 组织中存在纵波，但在真空中这几种波 都不存在。什么是超声的频率、波长和声速？ n超声波具有三个基本物理量，即频率（f）、 波长（）和声速（c）

3、，三者之间的关系可 用下列公式表示：c=f。n频率（f）：单位时间声源振动的次数，以赫 兹（Hz）为单位，每秒振动一次为1Hz。n声速（c）：声波在介质中单位时间传播的距 离，以米/秒（m/s）表示。人体软组织平均 声速为：1540m/s。 n波长（）：声波传播时相邻的两个周期中 ，对应点的距离或相邻的两个波峰或波谷间 的距离，以毫米（mm）表示。 频率、波长、声速的关系n不同频率的超声波在相同介质中传播时 ，声速基本相同 ；n相同频率的超声波在不同介质中传播， 声速和波长都不相同，人体组织中超声 波速度总体差异约为5%；n声波在相同介质中传播时，波长与频率 成反比，频率越高波长越短。声速n声

4、速与超声波的频率 ( f ) 无关。n声速与人体组织的弹性（）、密度（） 、声阻抗（）有关。n利用超声方法进行测距，是假定所有人体组 织的声速相同，因此声速与人体组织测距的 精度有关。由于超声测距是按1540m/s平均速 度设置电子尺的，人体组织中声速总体差异 约为5%，因而测距的误差也是5%左右。测量 肝、胆、脾、胰误差很小 ，测量脂肪组织大 于真实值 ，测量胎儿股骨长径时小于真实值 ，测量颅骨钙化病灶测值偏小。声阻抗n声阻抗（Z）等于介质的密度（P）和声速（C ）的乘积，声Z=PC,当P的单位是g/cm3 时， 声阻抗的单位是瑞利。n声阻抗：阻抗声波传播的能力，具有类似于 电阻抗的性能。n

5、超声成像正是通过人体组织声阻抗的不同来 诊断病变的。由于正常肝组织与肝占位病灶 组织密度不同，超声回声发生了改变，从而 可以诊断出病变。人体正常组织的声阻抗 组织器官密 度g/cm3声速 m/s声阻抗（105 瑞利）大 脑 1.03815401.588脂 肪0.95514761.410 软 组 织1.01615001.590 肌 肉1.07415681.648 肝 脏1.05015701.648 颅 骨1.65833605.570 胎 体1.02315051.579 羊 水1.01314741.463 血 液 1.05515701.656 眼晶体1.13616501.874 肺及肠腔气体0.0

6、01293320.000428超声的反射超声波传播过 程中，当遇 到两种声阻 抗不同的界 面时，改变 声波传播的 方向，形成 反射。界面n两种声阻抗相交接的部位构成界面；n反射是在界面上进行；垂直入射时， 反射效果最佳；n人体组织内引起超声波反射的条件是 人体组织的声阻抗存在差异。阻抗差 别越大，反射越强；n引起反射的最小阻抗差异为千分之一 。n在超声检查部位涂上超声耦合剂是为 了使探头与检查部位声阻抗匹配良好 。X1X2超声的衰减n超声波在介质中传播时，随着距离增加 ，声能将随之减弱，这就是衰减。n引起衰减的原因有：声能转换成热能被 “吸收”，声束在传播中逐渐发散开， 以及能量的反射和散射。

7、但超声波被运 动目标点产生频移不会造成声衰减。n在诊断中使用STC或TGC就是为了补偿声 能的衰减。超声的散射n超声波在传播中遇到粗糙面或极小的障 碍物时，将有一部分能量被散射。n红细胞的直径比超声波要小得多，红细 胞是一种散射体，其背向散射信息是研 究、分析红细胞运动规律的有用信息， 声束内红细胞数量越多，背向散射强度 就越大 。多普勒频移n多普勒效应：1842年奥地利物理学家 Christain Doppler在研究行星与观察者之间相 对运动，使观察的星光频率发生改变而引起 色彩变化时首先发现并命名。n多普勒公式：fd=fR-f0=(2Vcos/c)f0，为fd 多普勒频移，f0为入射频率

8、，fR为反射频率， V为反射物体运动速度， c为声速，为运动 方向与入射波间的夹角。n多普勒频移属于声波范畴。超声诊断图像基础n超声成像的回声来源：是超声波的背向 散射及反射。n采用频谱技术研究血流运动规律，其信 号是来自：红细胞背向散射信号。n衰减对成像的影响主要表现在后方的回 声上。骨组织、钙化或结石，形成很强 的回声反射，其后方留有“声影”。超声诊断的安全因素n超声剂量（声强）的限定值 Ispta100mW/cm2（ Ispta空间峰值时间平均声 强）n超声诊断妊娠应注意安全 ，应尽量选择低输 出声强，缩短对同一位置的检查时间，选用 脉冲式发射超声波，减少妊娠期内的超声检 查次数，不可采

9、用阴道探头探查胎儿脐血流 。n从安全角度考虑，通过增加超声波发射输出 强度来提高多普勒检测灵敏度是不可取的。 二、超声成像原理1、A型诊断法nAmplitude，幅度调制 式n简单，一维扫描线n显示反射界面nA型扫描成像不是通常 意义上的超声成像2、B型诊断法nBrightness，辉度调制式n多条扫描线n动态图像n显示切面图像n回波信号强度决定图像象素的 亮度3、M型诊断法nMotion,运动n辉度调制式n时间深度扫描，Y轴代表检测深度，X轴 表示时间或时相。nM超不是显示Z轴上的回波。，三、频谱及彩色多普勒多普勒基本概念n多普勒超声血流检测技术主要用于测量 血流速度，确定血流方向，确定血流

10、种 类：如层流、射流等；获得速度、时间 积分，压差等有关血流的参数。n频谱多普勒技术的应用，不能了解组织 器官的结构。 多普勒公式：V= c(fd)/（2cosf0）nCos是血流与声束夹角的余弦函数， 当相对固定时，则fd与流速成正比， fd 即反映流速值V。n当声束入射角（）恒定不变时，多普 勒频移主要决定于探头发射的基础频率 （f0）。对于一定的fd， f0越小，则可 测的血流速度V就越大。欲测高速血流 ，f0就应选择低频率的探头。多普勒公式：V= c(fd)/（2cosf0）n角改变的一般规律n当00900时，Cos为正值，即血流迎超 声探头而来，频率增加，fd为正向频移。n当9001

11、800时，Cos为负值，即血流背 离超声探头而去，频率减低，fd为负向频移。n当=00或=1800时，Cos=1，即血流与 声束在同一线上相向或背向运动，这时fd最大。n当=900时，Cos=0，即血流方向与声束 垂直，这时fd=0，检不出多普勒频移。多普勒角n血流方向与超声束之间的夹角称为多普 勒角。n在临床检查中，多普勒角应采用小角度。n声束与血流方向夹角为90时，检不出多 普勒频移。n同一探头测量同一处的血流信息其重复性 好坏主要取决于声速与血流方向的夹角 。两种多普勒方式n连续波多普勒（CW），不能提供距离信 息，即不具有距离选通性，不受深度限 制，能测深部血流，无折返现象，可测 高速

12、血流。n连续多普勒取样线上的符号表示发射波 束与接收回声的焦点。两种多普勒方式n脉冲波多普勒（PW），具有距离选通能 力，可设定取样容积的尺寸，测值相对 准确，但检查深部及高速血流受到限制 。n多谱勒频谱分析技术的基础是快速傅立 叶变换-FFT。超声工作频率与脉冲重复频率T0=1/f0Tp=1/PRF脉冲多普勒局限性n脉冲多普勒测量血流速度受到脉冲重复频率(PRF)限 制；n当血流频移大于1/2 PRF时出现折返，这称为尼奎斯 特（Ngquist）极限 ；n扩大测量血流速度范围，必须提高脉冲重复频率（ PRF）；反之，检测低速血流，不能采用高重复频率 多普勒； nPRF（脉冲重复频率）高，则探

13、测的距离浅；n探测距离深，则测量血流速度低 ；n采样容积越小，则速度分辨力愈差；调大采样容积不 能提高PW检测血流速度值。 显示方式n频移（速度）-时间显示n功率谱图显示n三维显示频移（速度）-时间显示时间速度/频率频移（速度）-时间显示n在速度/频率时间显示的谱图中， “横轴”代表时间（时基），单位为秒 （s） ；“纵轴”代表速度（频移）， 以KHz或cm/s表示。n调节零位线，可扩大PW血流速度检测值 。基线移动，适用于单一方向（正向或 反向）的血流频谱信号，但不适用于同 时具有正向和反向的血流频谱信号。功率谱图显示红细胞数目红细胞流速功率谱图显示n频率（频移）代表血流速度，振幅代表 具有

14、该流速的红细胞数目。n红细胞数目多少与检测的频移范围大小 无关。n在心脏和血管的多谱勒检测中，功率谱 可看作是采样容积或声束内的红细胞流 速与红细胞数量之间的关系曲线。 三维显示频谱分析中的一些错误概念n频谱分析是把不同位置（采样）的血流 频移显示在同一谱图中便于分析；n显示多普勒频谱可直接测量血流量。彩色多普勒血流显像n定义：在二维超声图的基础上，用彩色 图像实时显示血流的方向和相对速度的 超声诊断技术，称为彩色多普勒血流成 像法（CDFI）或彩色血流图（CFM）。n在二维超声图上，用彩色显示运动组织 的运动方向和相对速度的超声诊断技术 ，称为彩色多普勒组织成像法（CDTI） 。彩色定义n彩

15、色图，以红、蓝、绿三基色组成，规 定以红色表示朝探头方向运动的血流， 以蓝色表示背离探头方向运动的血流。 单纯红色或蓝色表示层流。绿色表示湍 流。绿色的混合比率与血流的湍流程度 成正比。正向湍流接近黄色，反向湍流 接近青色。颜色愈鲜亮表示速度愈快， 愈暗表示速度愈慢。血流的彩色显示原理图红洋红黄白绿青蓝亮 7 65432暗 1暗 -1-2-3-4-5-6亮 -7血流方向正向反向蓝青红黄湍流慢慢快快血流速度MTI（Moving Target Indicator）nMTI是彩色血流显像的核心技术之一。nMTI的滤波特性好坏与彩色显像质量直 接相关。从接收到的回声中，只分离出 血流信号成分，而滤去非

16、血流信号（心 室壁，瓣膜）。当用于TDI时，作用正 相反。自相关技术n血流信息的自相关处理技术是彩色多普 勒血流成像的核心技术之一。n彩色多普勒血流显像仪中自相关技术的 作用是分析血流信号相位差，得出血流 速度均值和血流方向。 彩色显像的局限性n彩色显像与PW一样，存在类似的问题。 显示深度受脉冲频率影响；减少脉冲频 率最大速度又受影响；增加角度，每秒 的成像速度也受影响。n影响彩色多普勒成像帧频最重要的因素 是彩色取样框大小及深度。彩色多普勒能量图n彩色多普勒能量图（CDE），不受声束 与血流夹角的影响，无彩色信号混叠现 象，它与血流中红细胞的数量有关，对 于低速血流检测灵敏度高。CDE不能显 示血流的速度和方向。n彩色血流成像调节时，改变探头的角度 彩色能量图显示不会随之改变。 彩色标尺n