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1、第一章超声成像原理和妇产超声诊断临床基础第一节超声成像原理一、超声波的概念和基本特性（一）超声波的概念频率在2万赫兹以上的机械振动波，称为超声波（ultrasonic wave）， 简称超声（ultrasound）。能够传递超声波的物质，称为传声介质，它具有质量和弹性，包 括各种气体、液体和固体；传声介质有均匀的、不均匀的；有各向同性的、各向异性的等。 超声波在传声介质中的传播特点是具有明确指向性的束状传播，这种声波能够成束地发射并 用于定向扫查人体组织。（二）超声波的产生医用高频超声波是由超声诊断仪上的压电换能器产生的，这种换能器又 称为探头，能将电能转换为超声能，发射超声波，同时，它也能接
2、受返回的超声波并把它转 换成电信号。探头具有发射和接受超声两种功能。常用的探头分为线阵型、扇型、凸阵型, 探头的类型不同，发射的超声束形状和大小各不相同，而各种探头根据探查部位的不同被设 计成不同的形状。见图ITT。凸阵探头三维容积探头腔内探头3. 5 5. 5MHz4. 0 7. OMHz5. 0 9. 0MHz图ITT探头示意（三）超声波的基本物理量1. 频率（f）：是指单位时间内质点振动的次数。单位是赫兹（Hz）、千赫（KHz）、兆赫（MHz）。 超声的频率在20KHz以上，而医学诊断用超声的频率一般在兆赫级，称为高频超声波，常用 频率范围210兆赫。频率越高，波的纵向分辨力越好。周期T
3、）则是一个完整的波通过某 点所需的时间。有fT = 1 o2. 波长（久）：表示在均匀介质中的单频声波行波振动一个周期时间内所传播的距离，也就 是一个波周期在空间里的长度。波的纵向分辨力的极限是半波长，因此了解人体软组织中传 导的超声波长有助于估计超声波分辨病灶大小的能力。3. 声速（C）：是指声波在介质中传播的速度。声速是由弹性介质的特性决定的，不同介质 的声速是不同的。人体各种软组织之间声速的差异很小，约5%左右，所以在各种超声诊断仪 器检测人体脏器时，假设各种软组织的声速是相等的，即采用了人体软组织平均声速的概念。 目前，较多采用人体软组织平均声速的数值是1540m/s。实际上人体不同软
4、组织脏器及体液 的声速是有差别的，因此声像图上显示的目标，无论是脏器或病灶，其位置及大小与实际的 结构相比，都存在误差，但不致影响诊断结论，一般可忽略C J 声速C、波长入、频率f或周期T之间的关系符合4. 声强（sound intensity）：当声波在介质中传播时，声波的能量从介质的一个体积元通 过邻近的体积元向远处传播。声强是指超声波在介质中传播时，单位时间内通过垂直于传播方向的单位面积的平均能量。 声强的物理意义为单位时间内在介质中传递的超声能量，或称超声功率。声强小时超声波对 人体无害，声强超过一定限度，则可能对人体产生伤害，目前规定临床超声诊断仪安全剂量 标准为平均声强小于10mW
5、/cm2。（四）超声波的传播1. 声特性阻抗（acoustic characteristic impedance）：声特性阻抗（Z）定义为平面自由 行波在介质中某一点处的声压（p）与质点速度（u）的比值。在无衰减的平面波的情况下， 声特性阻抗等于介质的密度（p ）与声速（C）的乘积。2. 声特性阻抗差与声学界面：两种介质的声特性阻抗差大于1%。时，它们的接触面即可构成 声学界面。入射的超声波遇声学界面时可发生反射和折射等物理现象。人体软组织及脏器结 构声特性阻抗的差异构成大小疏密不等、排列各异的声学界面，是超声波分辨组织结构的声 学基础。3. 声波的界面反射与折射：超声入射到声学界面时引起返回
6、的过程，称为声反射（acoustic reflection）。射向声学界面的入射角等于其反射角。而声波穿过介质之间的界面，进入另 一种介质中继续传播的现象，称为声透射（acoustictransmission）。当超声的入射方向不 垂直于两种介质的界面时，它通过界面进入另一种介质后改变传播方向的过程，称为折射(acoustic refraction)。见图1T-2。当两种介质的声特性阻抗相同或很接近时，为均匀 介质，超声波在均匀介质中传播时，没有反射。两种介质声特性阻抗差异很大时，声波几乎 全部反射，没有透射。这种情况常发生在气体与软组织，或软组织和骨骼、结石所组成的交 界面。虽然人体软组织声
7、特性阻抗差异很小，但只要有1%。的声特性阻抗差，其组成的界面 产生的反射波都可被超声诊断仪检测出来，所以超声对软组织有很高的分辨力。当超声波垂 直分界面入射时，可得到最佳的反射效果。反射角反射角图1-1-2反射与折射示意图4. 声波的衍射和散射：界面反射的条件是界面的尺寸要比声波的波长大得多，当声波传播 过程中遇到大小与波长相当的障碍物，声波将绕过该障碍物而继续前进，这种现象称为声衍 射(acoustic diffraction),超声仪无法检测这类目标。因此，超声波波长越短，能发现 障碍物越小。这种发现最小障碍物的能力，称为显现力。能检测到物体的最小直径，称为最 大分辨力。最大理论分辨力等于
8、久/2。实际上，仪器的最大分辨力要低于理论值的58倍。 声波传播过程中，遇到直径小于波长的微小粒子，微粒吸收声波能量后，再向四周各个方向辐射球面波，这种现象称为声散射（acoustic seattering）,可出现在不规则的粗糙面上。在生物组织的介质中，散射现象是声波传播中最普遍、最基本的现象，它是脉冲回波技术的 依据，而这一技术已成为绝大多数超声诊断技术的基础。从广义上来说，除了由介质的吸收 以及界面的反射所引起的变化外，由于介质的不均匀性引起入射波时间和空间成份的任何变 化都可以定义为散射。声像图背景中的大量像素来自散射，各种多普勒血流仪也是利用血流中的红细胞在声场内有较强的散射，从而获
9、得人体血流的多普勒频移信号。见图1-1-3。/八当d入，产生散射,超声能量减弱当d X,产生衍射，超芦能量不变（1：微粒直径* X :波长图1-1-3衍射与散射示意图5. 声衰减：声波在介质内传播过程中，由于介质的粘滞性、热传导性、分子吸收以及散射 等因素导致声能减少、声强减弱的现象称为声衰减（acoustie attenuation）。在绝大多数 软组织中，引起声衰减的主要原因是声吸收。由于声吸收现象，声波传播中的一部分能量被 转化为热能，从而使继续传播的声强减弱。在人体组织中衰减程度一般规律是：骨组织（或 钙化）肌腱（或软骨）肝脏脂肪血液尿液（或胆汁）。组织中含胶原蛋白和钙质越多， 声衰减
10、越大；液体内含蛋白成分多时声衰减大。在超声诊断的频率范围内，生物软组织的声 衰减系数大多与频率成正比。超声波频率越高，分辨力越好，但衰减越强，穿透力越差；反 之，频率越低，分辨力越差，但衰减越弱，穿透力越强。在超声诊断仪中，为使深部回声信 息清楚，一般采用STC或TGC调节来补偿声衰减。6. 超声多普勒效应：当声源与接受体之间存在相互运动时，接受体发觉声的频率发生变化， 这种现象称为多普勒效应。由此效应引起的频率的变化，即发射频率（fO）与运动目标反射 波或散射波频率（f）之间的频率差，称为多普勒频移（Doppler shift）,用符号fd表示。 它符合关系式：盂叮-后土竺譽兀此多普勒公式中，V为运动目标的运动速度，C为声速，e角为入射波和运动目标运动方向 之间的夹角。由式可见，多普勒频移fd和运动目标的运动速度v成正比；入射波和运动目 标运动方向一致时，fd值最大；当运动目标朝探头方向运动时，f值增加，即fd为正值； 而运动目标背离探头方向运动时，f值减少，即fd为负值。见图1-1-4。在常规临床超声检 查的频率范围内，人体体内运动组织产生的频移fd 一般都在音频范围。所以检出fd后，可 以监听其发出的响声，如胎儿监护时的胎心音监听以及心血管的血流音监听，同时，亦可以 对fd进行频谱分析。dE wv；*rJjf=foffoffo图1-1-4多普勒效应示意图
