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1、超声诊断学讲义昆明医学院第二附属医院影像学教研室（超声）编二00九年二月第一章 超声诊断的成像原理与应用目的要求:1.掌握超声诊断的成像原理。2.了解超声影像技术的发展动态及其在医学影像技术中的地位。（教材：医学影像学第六版13-17页）医学影像诊断学（medical imageology）是一门新兴的医学诊断技术，它包括超声显像、普通X线诊断、X线电子计算机体层成像(CT)、核素成像、磁共振成像(MRI)等。超声诊断学以电子学与医学工程学的最新成就和解剖学、病理学等形态学为基础，并与临床医学密切结合，既可非侵入性地获得活性器官和组织的精细大体断层解剖图像和观察大体病理形态学改变，亦可使用介入
2、性超声或腔内超声探头深入人体内获得超声图像，从而使一些疾病得到早期诊断。目前超声诊断已成为一门成熟的学科，在临床诊断与治疗决策上发挥着重要作用。第一节 超声成像的物理基础1. 基本概念：1.1超声：超声（ultrasound）是指振动频率每秒在20 000次（单位是赫兹，Herze Hz）以上，超过人耳听觉范围的声波。1.2超声成像：超声成像（ultrasonography，USG）是利用超声波的物理特性和人体器官组织声学特性相互作用后产生的信息，经信息处理后形成图像的成像技术，借此进行疾病诊断的检查方法。1.3声源：声源（acoustic source）是能发声的物体。振动是产生声波的根源。
3、在超声成像中，探头晶片振动即产生超声波，所以探头晶片就是声源。1.4声场：超声振动波及的范围。1.5介质：气体（空气），或液体，或固体，是传播声音的媒介物称为介质。1.6均匀介质：声场内介质声阻抗一致。1.7非均匀介质：声场内介质声阻抗不相等。1.8界面：两种不同声阻抗物体的接触面。1.9界面反射：超声在非均匀介质中传播时，从一种介质进入另一种介质，即通过界面时，就有反射。1.10大界面：界面尺寸大于超声束直径。（入射超声遇到大界面时，呈镜面反射模式）。1.11小界面：界面尺寸小于超声束直径。（入射超声遇到小界面时，呈散射模式）。2. 超声的物理特性：2.1超声波的物理量:2.1.1超声波的基
4、本物理量:超声和一切声波一样，具有频率（f）、声速（c）、和波长（）三个物理量，三者之间的关系可用下列公式表示：c=f。频率(f)：单位时间内质点振动的次数，一般以每秒振动次数表示，单位为赫兹（Herze，Hz），每秒振动1次为1Hz。声速（c）：单位时间内声波在介质中传播的距离，常用单位为m/s或cm/s。人体软组织平均声速为：1540m/s，或近似于是1500m/s。波长（）：声波传播过程中相邻的两个周期中，对应点的距离或相邻的两个波峰或波谷间的距离。 2.1.2声阻抗：声阻抗（Acoustic impedance）是用来表示介质传播超声波能力的一个重要的物理量，其数值的大小由介质密度与声
5、波在该介质中的传播速度C的乘积所决定，即： Z=C ，单位为Kgm2s。超声显像时回声水平的强弱取决于构成界面的各种组织之间声阻抗值的大小。差值越大，回声水平越强，否则相反。2.2超声波的主要物理特性：2.2.1束射性或指向性：由于超声波频率很高，波长很短，故在介质中呈直线传播，具有良好的束射性或指向性。从声源发出的超声波最近的一段声束几乎平行，这段区域为近场区。远离此区后，声束向前稍有扩散，为远场区。扩散的声束与平行声束间形成的夹角叫做扩散角（）。因而超声成像中多使用聚焦式声束，以提高成像质量。2.2.2反射、折射和散射：反射、折射：当声波从一种介质向另一种传播时，如果两者的声阻抗不同，就会
6、在其分界面上产生反射和折射现象，使一部分能量返回第一种介质。另一部分能量，穿过界面进入第二种介质，继续向前传播。当两种不同介质的声阻抗差大于0.1时，便能产生超声反射。散射：如果界面的尺寸小于声束的直径，为小界面。入射超声遇到小界面时，发生散射现象。绕射：声波在传播过程中，如遇到直径小于超声半个波长的障碍时，其声波会绕过障碍物而继续传播为绕射。如障碍物直径比波长的1/2小，则绕射现象更为明显。所以，诊断用的超声波仪器，常规要求对探测的对象加以选探，以使波长较被探测对象小很多，使绕身现象不显著或很小发生，从而提高分辨率。2.2.3吸收与衰减：质点振动在介质中传播时，引起能量的传播。随着传播距离的
7、增加、质点振动的振幅逐渐减少，亦即超声能量逐渐减弱。此种现象称为超声的衰减（attenuation）。衰减的程度与介质的性质密切相关。恶性肿瘤 一般病理组织，一般病理组织 正常组织，实质性组织 液体。超声诊断仪有TGC装置，目的是补偿超声传播时能量的衰减。2.2.4多普勒效应：当声源和介质界面发生相对运动时，介质接收到的频率与声源的固有频率之间会产生一定差异（频移），这种现象称为多普勒效应（Doppler effect）。关系式为：fdfrft2vfrcos/c，式中：fd为频移，ft为入射超声频率，fr为反射超声频率，v为反射界面运动的速度，c为超声在介质中的声速，cos为反射界面运动方向与
8、入射声束方向间的角度。如界面朝向探头运动，频率升高；若界面背离探头运动，则频率减低；界面运动越快，频移数值越大。心壁、血管壁、瓣膜等的运动和血液（主要是红细胞）的流动均可引起多普勒效应。声阻抗特性、声衰减特性和多普勒效应是超声成像的最基本的物理特性。2.2.5非线性传播：在传统的超声成像过程中，由于超声成像的反射波频率与发射波频率相同，反射波的强度也随发射波的强度呈正比例地增加或减少，即两者间呈一种线性关系。实际上，超声波在组织中传播时呈非线性传播。超声波在组织中传播时形成压缩区和稀疏区，前者压力高，后者压力低，两者间的压力差引起超声波传播速度的改变。这种声波传播过程中各点的传播速度不同导致波
9、形逐渐畸变并导致谐波的产生。因此，在介质中传播的超声波除了与发射频率一样的超声波（称为基波）以外，还含有整倍于（2倍、3倍等）基波频率的波，后者称为谐波（harmonics）。谐波的次数越高，频率越高，组织中衰减越大，振幅也越小，故目前可用于超声成像的多为二次谐波。这种接收和利用由超声波非线性传播所产生的二次谐波信号进行超声成像的技术叫二次谐波成像。如利用人体组织来源的二次谐波进行成像，叫自然组织谐波成像（native tissue harmonic imaging）；如利用声学对比剂来源的二次谐波进行成像，则称为对比剂谐波成像，或简称为二次谐波成像（second harmonic imagi
10、ng）。3. 超声波的产生：3.1逆压电效应：电能声能。3.2正压电效应：声能电能。4.超声诊断仪的基本结构及超声仪器的主要类型：4.1超声诊断仪的基本结构：超声诊断仪器最基本的结构可分为I、II、III、IV 四个部分：I 产生高频脉冲交变电压；II 俗称探头，发射超声并接受超声；III为回声信息的接收、处理部分；IV 为显示器，显示回声信息。4.2 超声仪器的主要类型4.2.1 A型：机理：以波幅变化反映回声情况。特点：一维波形图，不直观。用途：鉴别液、实性包块，测距。4.2.2 B型：机理：不同的点状回声反映回声变化，用切面显示正常组织与异常组织。特点：二维断面图像，灰阶/彩阶，实时显示
11、，直观。用途：及其广泛。4.2.3 M型：机理：以单声束取样，获得活动界面回声，再以慢扫描方式展开。特点：一维时间运动曲线图。用途：分析心脏和大血管的运动幅度。4.2.4 D型：机理：利用Doppler原理对心血管内血流进行探测分析。频谱多普勒（PW+CW）：以频谱曲线显示，检测血流动力学参数。 彩色多普勒血流显像（CDFI）：彩色编码实时显示血流方向、速度及血流性质。（1）连续波多普勒（CW）：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（PW）：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
12、（CDFI）：二维、点状回声显示、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。第二节 超声诊断基础超声诊断的主要原理是利用超声波在生物组织中的传播特性，亦即从超声波与生物组织相互作用后的声信息中提取所需的医学信息。当利用超声诊断仪向人体组织中发射超声波，遇到各种不同的物理界面时，便可产生不同的反射(Reflection)、散射(Scatter)、折射(Refraction)、吸收（Absorption）和衰减（Attenuation）的信号差异。将这些不同的信号差异加以接收放大和信息处理，显示
13、各种可供分析的图像，从而进行医学诊断。1. 人体组织的声学结构：含液体脏器、实质性软组织脏器、含气脏器、骨骼。2. 超声在人体内的传播规律：2.1.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。2.2.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。2.3.含气脏器如肺、肠腔等，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，即超声不能进入正常肺泡。胀气的胃肠亦如此。2.4.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
14、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。3. 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0.52.5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。4. 人体组织器官的声像图表现类型：4.1无回声(Echoless)4.1.1液性无回声(Fluid echoless)：液体内部十分均质，其声阻抗无多大差别，没有反射界面形成。正常状态下呈现无回声表现的有胆汁、尿液等。病理情况下呈现无回声表现的
15、有鞘腹腔积液及各个脏器的囊性病变、液化性病变等。 4.1.2衰减性无回声(Echo free of the attenuation)：声能被前方病变组织吸收，后方由于明显的声衰减而呈现无回声状态。人体脏器的纤维变性、脂肪变性及巨块型或弥漫型癌肿等病理情况下其后方组织常有衰减性无回声表现。4.1.3均质性无回声：超声介质十分均质时，因其内部声阻抗几乎没有差别，在超声灵敏度低时也可表现为无回声状态，如淋巴结皮质等，这种均质性无回声在提高仪器灵敏度后可出现点状回声。4.2低回声(Low-echo) 4.3高回声(High-echo)4.4强回声(Strong-echo) 4.5人体不同组织回声强度顺序肾中央区（肾窦）胰腺肝、脾实质肾皮质肾髓质（肾锥体）血液胆汁和尿液。正常肺（胸膜-肺）、软组织-骨骼界面的回声最强；软骨回声很低，甚至接近于无回声。病理组织中，结石、钙化最强；纤维化、纤维平滑肌脂肪瘤次之；典型的淋巴瘤回声最低，甚至接近无回声。第三节超声成像的临床应用1. 超声检查的主要途径和方式：2. 超声检查的适用范围：3. 声像图与人体的关系声像图反映人体的切面解剖和病理解剖声像图
