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1、1,超声诊断的基本原理及临床应用,主讲 王晓军 辽宁汉德科技有限公司 培训部 二0一0年四月十七日,2,第一节 超声波诊断的基础知识,一 、超声波及其物理特性 二、动物体组织结构的回声性质与超声图像诊断,3,一 、超声波及其物理特性,振动的传播称为波动，简称波。波的产生首先是波源的振动系统激发波动，其次要有能够传播波动的介质（气体固体液体）。振动只有通过介质中质点间的相互作用（分子间弹性力的作用），才能将振动由内向外传播出去，即产生波动，振动和波动关系密切 ，振动是产生波动的根源，波动是振动的传播。 波是日常生活中常见的现象，波分为机械波（例如水波声波）和电磁波（例如无线电波光波等）。物体在平
2、衡位置附近来回往复运动称为机械振动，（例如摆的运动，汽缸中活塞 的运动等），机械振动在介质中传播称为机械波。 声波就是一种机械波。 在波动中，介质质点的振动方向与波的传播方向相互垂直，这种波称为横波。介质质点的振动方向与波的传播方向相互平行，这种波称为纵波。超声诊断仪发射的超声波是以纵波的形式传播的。,4,波动中的某一振动相位在介质中的传播速度称为声速（M/S）,声在各种物质中的传播速度 名 称 空气 水 钛酸钡 石蜡油 铝 人体软组织 肌 肉 脂 肪 骨 骼 声速/(m/s) 340 1500 5000 1420 6400 1500 1400 1580 3380 密度/(g/cm3) 0.0
3、0129 1.000 5.4 0.835 2.7 1.06 1.07 0.95 1.80 声阻/g.105/(cm2.s ) 0.000439 1.500 27.00 1.186 17.28 1.59 1.498 1.501 6.184,5,根据频率的高低，声波又分为以下三种。 1.次声波 其频率小于16Hz,是人耳听不到的低频声波，对人体具有较强的杀伤力。 2.声波 其频率在1620000Hz之间，为人耳可以听见的声音。 3.超声波 其频率大于20000Hz， 是人耳听不到的高频声波。医用超声诊断仪常用的频率范围在1-10MHz(声的频率单位为Hz,每秒钟振动一次为1Hz。1M Hz106
4、Hz，即每秒钟振动100万次)。 当波在介质某处传播时，该处原来静止的质点开始运动，因而具有动能，同时该处质点离开了原来的平衡位置，因而还具有势能，动能和势能构成了波的质点的总能量。波在传播时，介质由近及远地一层层振动。其能量也就逐层传播出去。单位时间内通过介质某个面积内的能量称为通过该面积的能流，通过垂直于波动传播方向单位面积的能流称为能流密度或波的强度（声强）。 波在介质中的传播速度是不一样的，它由介质的声阻抗值决定，介质的声阻抗值等于介质的密度与介质中声速的乘积。,6,（一）超声的发生与接收,1880年，法国物理学家居里兄弟发现了压电效应，故压电效应又称居里效应，压电效应可简单解释为机械
5、压力和电能通过超声波的介导而相互发生能量转换。压电效应的发生必须借助具有良好压电性质的晶体物质即压电晶片，如石英、钛酸钡、锆钛酸铅、硫酸锂等。最常见的是锆钛酸铅。 1.超声波的发生 超声的发生和接收是根据压电效应的原理，由超声诊断仪的换能器或探头来完成。探头就是超声仪的波源。压电晶片置于探头中由主机发生变频交变电场，并使电场方向与压电晶体电轴方向一致，压电晶体就会在交变电场中沿一定方向发生强烈的拉伸和压缩（电振荡所产生的效果），即机械振动，于是就产生了超声，在这一过程中，电能通过电振荡转变为机械能继而转变为声能。因此把这一过程称为负压电效应。如果交变电场频率大于20000Hz所产生的声波即为超
6、声波。,7,2.超声波的接收 超声在介质中传播，遇到声阻抗相差较大的界面时即发生反射，反射波被超声探头接收后就会作用于探头内的压电晶片，使压电晶片发生压缩和拉伸，于是改变了压电晶片两端表面电荷（即异名电荷）即声能转变为电能，超声转变为电信号这就是正压电效应，主机将这种高频变化的微弱电信号进行处理、放大以波型、光点、声音等形式表现出来，产生影像。,8,（二）超声的传播和衰减,同其他物理波一样，超声波在介质中传播时亦发生透射、反射、绕射、散射、干扰及衰减等现象。 1.透射：超声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。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。
7、超声频率越高，波长越小，透射能力（穿透力）越弱，探测的深度越浅；超声频率越低，波长越长，穿透力强，探测的深度越深 。 2. 反射与折射：超声在传播过程中，如遇到两种不同声阻抗介质所构成的声学界面时，一部分超声波会返回到前一种介质中，这一现象称作为反射。超声波在进入第二种介质时发生传播方向的改变称为折射。 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，反之越小，当两种介质的声阻抗差值达到0.1%即两种物质的密度差值达到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。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
8、声阻抗值为0.000428，软组织的声阻抗值为1.5二者声阻抗值相差约为4000倍，故其介面反射能力特别强。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的原因。 超声诊断的基本依据就是被探测部位的回声状况。,9,10,3.绕射：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。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，根据超声绕射的规律在临床检查时应根据被探测目标的大小，选择适当频率的探头，使超声波的波长比探查目标小的多。以便超声波在探
9、查目标时不发生绕射，把比较小的病灶检查出来，提高分辨率和显现力。 4.散射与衰减：散射是超声遇到物体或界面时沿不规则方向反射（非90）或折射（非声阻抗差异所造成的）。 超声在介质内传播时，会随着传播距离的增加而减弱。这种现象称为超声衰减。引起超声衰减的原因是：1）超声束在不同声阻抗界面上发生的反射、折射及散射等，使主声束方向上的声能减弱。2）超声在传播介质中，由于介质的黏滞性（内摩擦力）导热系数和温度等的影响，使部分声能被吸收，从而使声能降低。 声能的衰减与超声频率和传播距离有关。超声频率越高或传播距离越远，声能的衰减特别是声能的吸收衰减越大，反之，声能衰减越小。动物体内液体对声能的吸收最小，
10、其次是肌肉组织、纤维组织、软骨和骨骼。,11,5.多普勒效应：1843年奥地利科学家多普勒发现，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。当声源与反射物体相向运动时，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。 频移的大小取决于声源与反射物体间的相对运动速度，速度越大频移越大。相向运动时频移为正，声音增强；反向运动时频移为负，声音减弱。D型超声诊断仪就是利用超声的多普勒效应把超声频移转变为不同声响，以检查动物体内活动的组织器官包括妊娠检查。 6.超声的方向性：超声波与一般声波不同，由于其频率极高，波长又短，远远小于探头的直径，在
11、传播时集中于一个方向，类似平面波，声场分布呈狭窄的圆柱状，声场宽度与探头的压电晶片大小相接近，因而有明显的方向性，又称超声的束射性或定向性。,12,（三）超声的分辨性能,1、超声的显现力 超声的显现力是指超声能检测出最小物体大小的能力，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；直径越小显现力越大，从理论上讲超声的最大显现力是波长的一半。如5.0MHz的超声波波长为3.0mm其显现力为1.5mm。决定超声显现力的物理基础是超声的绕射，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。 不同超声频率与显现力的
12、关系,13,2、超声的分辨力 超声的分辨力是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和纵向分辨力。 1）横向分辨力 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，单一声束就能在两点间穿行，也就能区分这两个点，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压电晶片界面的大小和超声发射的距离。,14,图中A的a、b两物体间距大于声束直径，超声分别在物体a、b上产生反射，在两物体间透射，显示器上分别显示物体a、b图像。,图中B
13、中a、b两物体间间距小于声束直径，声束在a、b两物体及两物体间均产生回声。因而在显示器上融合成一个图像而不能分辨。,15,2）纵向分辨力 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，以mm计，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约为1.5106mm/s即1.5mm/微秒。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。 脉冲
14、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探头接收，超声这一往返时间等于深度除以超声速度的两倍即脉冲往返时间2深度声速。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。解决这一问题的主要方法有加大探头的频率在体表与探头间增加透声垫块（增距垫）。,16,图A中超声脉冲宽度小于声束轴向上物体a、b间距的两倍，超声在物体a、b界面上分别回声且同一束超声在两个界面上产生的回声不会全部重叠，因而在显示器上分别显示了物体a、b的影像。,图B中的超声
15、脉冲宽度大于a、b间距的两倍，同一束超声分别在物体a、b产生回声，a、b两物体在显示器上表现为两物体的融合或叠加。,3、超声的穿透力 超声频率越高，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，透入的深度就越小。即频率越高，穿透力越低，频率越低，穿透力越高。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，应在保证探测深度的情况下，尽可能选择高频探头。,17,二、动物体组织结构的回声性质与超声图像诊断,（一）动物体组织结构和病灶的声学分型,超声图像是由许多大小不同、灰度不一的像素组成。这些像素的大小反映了回声界面的大小，灰度高
16、低反映了回声的强弱，图像上从亮到暗（从白到灰再到黑）的变化程度称为灰度，不同的灰度等级称为灰阶（现行的灰阶分为256级）。动物体复杂的结构因其声阻抗不同而具有不同的声学特征，疾病下的病灶又使得其声学特征发生改变，这些声学特征在声像图上表现为大小和灰度的不同。按声学特征动物组织器官及病灶可分为以下几种声学类型。 （1）无回声型：动物体内液体是最均一的声学介质，内部无明显的声阻抗差异，不存在声学界面。超声波通过液体时因无声学界面而无回声。在图像上表现为无回声暗区，又称液性暗区或液性无回声区。动物体内常见的液体如尿液、胆汁、血液就是典型的液性暗区，一些病理性积液如胸腔积液、腹腔积液、脑积水、血肿（无凝血）、脓肿等也表现为液性暗区。但脓肿和有凝血的血肿在液性暗区内会有细小的弱回声。,18,19,（2）弱回声型：一些实质性器
