超声基础知识总结|超声基础知识入门

2021-10-22 12:49:38 | 浏览次数：

超声基础知识总结物理基础基本概念――人耳听觉范围：20-20000HZ 超纵声波频率＞20000HZ――纵波（疏密波）：粒子运动平行于波传播轴；

诊断最常用超声频率：2-10MHZ 基本物理量：频率（f）、波长（λ）、声速（c）；
三者关系：λ＝c／f 人体软组织的声速平均为1540m/s，与水的声速相近；
骨骼的声速最高，相当于软组织平均声速的2倍以上。

超声场：发射超声在介质中传播时其能量所达到的空间；
简称声场，又称声束。

声束的影响因素：探头的形状、大小；

阵元数及其排列；

工作频率（超声的波长）；

有无聚焦及聚焦的方式；

吸收衰减；

反射、折射和散射等。

声束由一个大的主瓣和一些小的旁瓣组成。超声的成像主要依靠探头发射高度指向性的主瓣并接收回声；
旁瓣的反向总有偏差，容易产生伪像。

声场可分为近场和远场两部分（1）近场声束集中，呈圆柱状；

直径――探头直径（较粗）；

（横断面声能分布不均匀）长度――超声频率和探头半径。

公式：L＝（2r·f）／c L为近场长度， r为振动源半径， f为频率， c为声速（2）远场声束扩散，呈喇叭状；
声束扩散角越小，指向性越好。

（横断面声能分布较均匀）声束两侧扩散的角度为扩散角（2θ）；
半扩散角（θ）。

超声波指向性优劣指标是近场长度和扩散角。

影像因素：增加超声频率；
――近场变断、扩散角变小；

增加探头孔径（直径）――但横向分辨率下降。

采用聚焦技术――方法：固定式声透镜聚焦；

电子相控阵聚焦；

声束聚焦：采用声束聚焦技术，可改善图像的横向和（或）侧向分辨力。

固定式声透镜聚焦――将声透镜贴附在探头表面。

常用于线阵探头、凸阵探头；

可提高横向分辨力，但远场仍散焦。

电子相控阵聚焦――（1）利用延迟发射是声束偏转，实现发射聚焦或多点聚焦；
可提高侧向分辨力；

常用于线阵探头、凸阵探头；

（2）动态聚焦：在长轴方向上全程接收聚焦。

（3）利用环阵探头进行环阵相控聚焦；

可改善横向、侧向分辨力；

（4）其他聚焦技术：如二维多阵元探头。

超声物理特性：
一、束射特性（方向性）――是诊断用超声首要的物理特性；

（如反射、折射、聚焦、散焦）大界面：指长度大于声束波长的界面；
大界面的回声反射有显著的角度依赖性。

入射声束垂直于大界面时，回声反射强；

入射声束与大界面倾斜时，回声反射减弱甚至消失。

两种介质存在真声阻抗，是界面反射的必要条件。

声强反射系数（R1）＝（Z2－Z1）2／（Z2＋Z1） Z1，Z2代表两种介质的声阻抗；
声阻抗＝密度×声速界面回声反射的能量与界面形状密切相关：垂直于凹面――聚焦；

垂直于凸面――散焦；

垂直于不规则面――乱散射。

超声界面反射的特点：非常敏感。

人体许多器官如肝、脾、胆囊的包膜、腹壁各层肌肉筋膜以及皮肤层都是典型的大界面。

小界面：指小于声束波长的界面。其后散射（背向散射）回声无角度依赖性。

后散射：超声遇到肝、脾等实质性器官或软组织内的细胞、包括成堆的红细胞（称散射体），会发生微弱的散射波。散射波向四面八方分散能量，只有朝向探头的微弱散射信号――后散射（背向散射），才会被检测到。

现代超声诊断仪正是利用大界面反射原理，能够清楚显示体表和内部的表面和轮廓；
还利用无数小界面后散射的原理，清楚显示人体表层，以至于内部器官、组织复杂而细微的结构。

二、衰减特性――衰减与超声传播距离和频率有关；

衰减的原因主要有吸收、散射、声束扩散。

软组织平均衰减系数：1dB/cm·MHz；

蛋白质成分是人体组织衰减的主要因素（占80%）。

衰减规律：骨＞软骨＞肌腱＞肝、肾＞血液＞尿液、胆汁；

超声的分辨力：显示器上能区分声束中两个细小目标的能力或最小距离。

影像因素：超声波得频率；

脉冲宽度；

声束宽度（聚焦）；

声场远近和能量分布；

探头类型；

仪器功能（二维图像中像素多少、灰阶的级数多少等）。

分类：空间分辨力（与声束特性有关） ――轴向（纵向）分辨力：与超声频率（正）和超声宽度（负）有关；
理论值：λ／2 横向分辨力：与探头厚度方向上声束的宽度和曲面聚焦性能有关；
――常采用透镜聚焦侧向分辨力：与探头长轴方向上声束的宽度有关；

――常采用相控聚焦细微分辨力――宽频带和数字化声束处理；

对比分辨力――与灰阶级数有关；

时间分辨力――单位时间成像速度即帧频超声的生物学效应――声功率：单位时间内探头发出的功率。单位：W或mW；

声强：单位面积上声功率。单位：W/cm2或mW/cm2；

ISPTA：空间峰值时间平均声强（mW/cm2） ISPPA：空间峰值脉冲平均声强（W/cm2）分贝：两个声强的比值；
超声系统可控制的最大能量与最小能量之比为动态范围。

生物学分类――热效应：诊断用超声一般不会造成明显的温度升高；
（mW/cm2级）空化效应：可形成气体微泡；
诊断用超声尚未得到证实；

对细胞畸变、染色体、组织器官的影响；

高强聚焦超声（HIFU）：热凝固和杀灭肿瘤细胞作用；

（KW/cm2级）强烈机械震荡――用于碎石治疗；

在物理治疗学方面的作用（W级，一般0.5-3 W/cm2）超声辐射剂量是超声强度与辐射时间的乘积。

热指数（TI）：1.0以下无致伤性，胎儿应调至0.4以下；
眼球应0.2以下；

机械指数（MI）：指超声驰张期的负压峰值（MPa数）与探头中心频率（MHz）的平方的比值。1.0以下无致伤性，胎儿应调至0.3以下；
眼球应0.1以下；

超声声学造影应采用低机械指数，可以防止微气泡破裂，提高造影效果。

多普勒超声技术的基础及应用多普勒效应的公式：fd＝2Vcosθf0／c――V＝fd c／2f0cosθ 在超声医学诊断中，V为红细胞运动速度；
fd为多普勒效应产生的红细胞散射回声的频移；
c探头发射的超声在人体组织中的传播速度；
f0为探头发射的超声频率；
θ为探头发射的超声的传播方向与红细胞运动方向间的夹角。

分类――脉冲多普勒：选择性接收回声信号，所需检测位置的深度用延迟电路完成；

连续多普勒：无选择检测深度的功能，但可测很高速的血流；

高脉冲重复频率（HPRF）多普勒：增大检测血流的能力；
可有多个取样容积。

多普勒超声所检测的不是一个红细胞，而是众多的红细胞，各个红细胞的运动速度及方向不可能完全相同，因此，出现多种不同颜色的频移信号，被接受后成为复杂的频谱分布（波形），对它用快速傅立叶转换技术（FFT）进行处理后，把复杂的频谱信号分解为若干个单频信号之和，以流速-时间曲线波形显示，以便于从中了解血流的方向、速度、时相、血流性质等问题。

脉冲多普勒技术的局限性：
（1）最大频移即最大测量速度受脉冲重复频谱频率的限制（fd＝PRF/2）（2）PRF与检测深度（d）的关系：d＝c/2PRF，说明检测深度受PRF的影响；

（3）检测深度（d）与速度（v）关系：vd＝c2/8f0cosθ，为常数，v、d相互制约；

（4）当被检测目标的运动速度超过PRF/2时，出现混迭现象。

增大脉冲波多普勒技术检测速度、检测深度的方法：
       降低发射频率；

       移动零位基线；

       减低检测深度；

       增大超声入射角（θ），但cosθ在分母位置，值越小计算出速度值误差越大，所以此法不可取。

用HPRF的频谱多普勒：fd＝HPRF/2 彩色多普勒――原理：以脉冲多普勒技术为基础，用运动目标显示器（MTI），自相关函数计算（自相关处理技术），数字扫描转换、彩色编码等技术，达到对血流的彩色现象。

三基色――红、蓝、绿三色；
三基色混合时，可产生其他彩色，称为二次色；

红色加绿色产生黄色（二次色），就以红-黄表示正向高速血流。

种类――速度型彩色多普勒：以红细胞运动速度为基础；

能量型彩色多普勒：以红细胞散射能量（功率）的总积分进行编码；

速度能量型彩色多普勒：
显示方式――速度-方差显示：朝向探头―黄色；
背向探头―青蓝色。

速度显示：朝向探头―红色；
背向探头―蓝色；
明暗表示快慢。

方差显示：高速血流显示时从单一彩色变为五彩镶嵌。

能量显示：适应于对低速血流的显示；
明亮度表示多普勒振幅。

局限性――（1）受入射角的影响；

（2）超过尼奎斯特频率极限（PRF/2）时，彩色信号发生混迭；

（3）检测深度与成像帧频及可检测流速间的互相制约；

（4）对二位图像质量的影响；

（5）湍流显示的判断误差。

彩色多普勒技术的调节方法：
1、彩色标尺（PRF）的选择：中、低速血流――速度显示方式；

高速血流――速度-方差及方差显示方式；

2、发射超声频率：检测较浅表的器官、组织及经腔道检测――高频超声；

对高速血流的检测――低频超声；

对低速血流的检测，达到被检测深度的情况下―高频超声；

3、滤波器调节：低速血流――低通滤波；
高速血流――高通滤波；

4、速度标尺：腹部及外周血管――低速标尺；
心血管系统――高速标尺；

5、增益调节：检测开始时，用较高的增益调节，使血流易于显示；
然后再降低增益使血流现象最清楚而又无噪音信号。

6、取样框调节：取样框应包括需检测区的血流，但不宜太大，使帧频及显像灵敏度下降；

7、零位基线的调节：零位基线下移，可增大检测的速度范围；

8、余辉调节：persistence调节钮可使帧频图像重叠，增大信/噪比，使低速度、低流量的血流更易于显示清楚；

9、扫查范围与方向的调节：较小的扫查范围（角度）可增加帧频，彩色显像更清楚。与血流方向相同的扫查方法，可使彩色显像更敏感，更清晰。

10、消除彩色信号的闪烁：可选用高速度标尺、高通滤波抗干扰，最佳方法是令病人屏住呼吸频谱多普勒血流流动学基础知识――一般规律：当雷诺数（Re）＞2000时成为湍流能量守恒定律：ΔP＝4V2max；
估算跨瓣压、心腔及肺动脉压；

质量守恒定律：ρAV＝恒定（连续方程），计算瓣膜口面积；

频谱多普勒技术的调节方法：
1、多普勒种类的选择：中、低速血流――脉冲多普勒；

高速血流――连续多普勒 2、滤波条件：检测低速血流，用低通滤波；
对高速血流，用高通滤波；

3、速度标尺：选择与被检测血流相匹配的速度标尺；

4、取样容积：对血管检测，取样容积应小于血管内径；

5、零位基线：可增大频移测量范围；

6、频谱信号上下翻转：便于测量及自动包络频谱波形；

7、超声入射角：心血管系统检查θ≦20°；
外周血管检测θ≦60° 频谱宽度（频带宽度）：表示在某一瞬间取样容积中红细胞运动速度分别范围的大小。

层流――窄频谱；

湍流――宽频谱；

取样容积小――窄频谱；

取样积大――宽频谱；

大动脉――窄频谱；

外周小动脉――宽频谱；

超声诊断仪超声探头―核心部分：压电材料，如天然石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅、压电有机聚合物；

吸声材料（压电晶片背面）：产生短促的超声脉冲信号，提高纵向分辨率；

匹配层（声能压电晶片前面）：保护压电材料；
使压电材料与人体皮肤之间的声阻抗相近；
减少声能损失，提高探头灵敏度；

种类――电子扫描探头：线阵探头:采用电子开关控制；
阵子呈直线排列；

凸阵探头：采用电子开关控制；
阵子呈弧形排列；

相控阵探头：扫描角度80-90，最大深度20cm；
用于心脏检查机械扫描探头：扇形扫描探头；
单晶片；
电机驱动；

环阵（相控）探头；
电子相控聚焦；
电机驱动；

其他旋转式扫描探头等频率――单频探头：中心频率固定的探头（频带较窄）；

变频探头：可根据临床需要选择2-3种发射频率；

宽频探头：采用宽频带复合电材料（发射频率范围：2-5MHz、5-10MHz、6-12MHz）；
接收时分三种情况：
       选频接收：选择某一特定的1-3个中心频率；

       动态接收：随深度变化选取不同的频率；

       宽频接收：接收宽频带内所有频率回声；

高频探头：频率高达40-100MHz，如皮肤超声成像、超声生物显微镜等。

阵子数――是超声探头质量的重要标志。

1个阵元由4-6个阵子分组构成；

阵子数愈多，理论上成像质量愈好。

采用高密度探头，可提高声束扫描线的密度，图像分辨率显著提高。

超声成像原理声束扫描――利用探头发射的聚焦束进行的断层扫描。

聚焦超声的特点：声束形态特殊，聚焦区较细，远、近区即两端均较粗，呈喇叭形；

超声波长取决于所用探头频率，故其分辨率、穿透力随之改变。

声像图――将探头在体表（横向或纵向）移动，示屏上的超声扫描线（系列回声信号）作相应的移动，如此构成一幅（横向或纵向）超声声像图，也称声像图（B型超声）或二维超声。

帧频（f）――每秒所成声像图的帧数；
帧频数目不应低于16f/s；

理想帧频:20cm深宜达到20-30f/s；
浅表成像宜超过30f/s；

制约因素：脉冲重复频率（PRF）；

所需观察声像图的深度；

多点聚焦的数目等。

增加彩色多普勒血流显示，帧频可能下降；
彩色取样框愈大，帧频更低。

超声诊断装置基本组成：发射与接收单元（包括探头），即超声扫描器；

数字扫描转换器（DSC）；

超声图像显示装置；

超声图像记录装置；

超声电源。

超声诊断仪器的类型：静态超声诊断仪（已被淘汰）；

实时灰阶超声诊断仪；

双功超声诊断仪：实时灰阶超声诊断仪兼有血流多普勒显示彩色多普勒超声诊断仪（三功超声诊断仪）：可以彩色编码；

超声新技术和新方法三维超声成像――种类：静态三维超声成像；

动态三维超声成像；

显示方式：表面成像；
（高档彩色三维模式中还包括三维血流显像）透明成像；

结构成像。

超声造影――基本原理：超声造影的散射回声源（微气泡）；

散射回声信号强度――与微气泡、发射功率大小成正比；

与检测的深度成反比；

造影剂在血液中持续时间――与微气泡密度、最大截面成正比；

与微气泡弥散度、饱和度成反比；

途径：右心造影――直径大于红细胞（大于8um）；

左心造影――直径小于红细胞（小于8um）；

心肌造影――与左心造影相同，但需使用彩色能量多普勒谐波成像、反向脉冲谐波成像以增强造影剂显示；

如造影剂直径小于1-2um，用二次谐波成像、间歇式超声成像技术即可；

全身血管及外周血管超声造影：采用的造影剂参考上述。

成分：以人血白蛋白、脂类、糖类及有机聚合物作包裹；

以空气、氧、二氧化碳、氟烷类、氟碳类、六氟化硫等为微气泡。

注入人体的方法：弹丸式注射；
――一次性注入；

连续性注射；
――与静脉输液法相似；

增强超声造影效果的技术：
1、二次谐波成像：超声的传播及散射存在非线性关系，可出现两倍于发射波（基频）的反射频率，即二次谐波；
其强度比基波低，但频率高。信/噪比高，分辨力高。

2、间歇式超声成像：用心电触发或其他方法使探头间歇发射超声，使造影剂避免连续性破坏而大量积累于检测区，再次触发能瞬间产生强烈的回收信号。

3、能量多普勒谐波成像：对低速低血流量能成像；

4、反向脉冲谐波成像：在甚短的时间间隔内相继发射两组相位相反的超声（基波），在反射回声时基波因相位相反而被抵消；
而谐波相相加因而信号更增强。

5、实时超声造影成像：其方法是交替发射高功率和低功率超声，能实时显示微气泡在血管内的充盈情况。

自然组织二次谐波成像：原理与造影剂谐波成像不同。超声在人体组织中传播时，在压缩期声速增加，而驰张期声速减低。此即产生声速的非线性效应而可提取其二次谐波。自然组织二次谐波成像具有分辨力高，噪声信号小，信/噪比高等特点。

多普勒组织成像：改变滤波条件为低通，速度低、能量高的组织被显像，而血流不显像。

显示方式――速度型：用于显示心肌活动速度、方向；

能量型：以单一彩色显示室壁的运动，但不能表示方向和速度。

速度型的显示方式――二维成像：以彩色编码显示和测量心肌运动速度的分布情况（心内膜＞心肌＞心外膜） M型：以彩色编码表示心肌在一定的运动速度与时相变化，可表示室壁运动方向及运动速度；

脉冲多普勒：用于检测室壁及瓣环的运动速度、方向。

用途：室壁运动异常的检测诊断；

收缩功能及舒张功能减低；

心脏传导系统的电生理研究；

心肌超声造影，能量型多普勒成像，可增强心肌造影的回声强度。

超声临床诊断基础超声回声的一般规律 1、有些均质的固体如透明软骨、小儿肾椎体，可以出现无回声或接近无回声；

典型的淋巴瘤呈圆形或椭圆形，接近于无回声，有时酷似囊肿；

2、非均质性液体及软骨等均质性组织如果纤维化、钙化，则由无回声变成有回声；

3、人体不同组织回声强度顺序：肺、骨骼＞肾中央区（肾窦）＞胰腺、胎盘＞肝、脾实质＞肾皮质＞肾髓质（肾锥）＞血液＞胆汁和尿液；

4、脂肪组织的特殊性：由于其中胶原纤维含量和血管成分的多少的不同，回声不同。

皮下脂肪组织――典型的低回声回声；

肾中央区――呈高水平回声或强回声；

腹腔动脉和肠系膜上动脉周围脂肪组织――高回声；

大网膜中的脂肪组织（含血管、纤维成分）――高回声；

不同组织声衰减程度的一般规律组织内含水分愈多，声衰减愈低；

液体中含蛋白成分愈多，声衰减愈高；

组织中含胶原蛋白和钙质愈多，声衰减愈高；

超声伪像（伪差）――超声显示中的断层图像与其相应解剖断面图像之间存在的差异。

产生原因――反射、折射：混响、多次内部混响、镜面反射、回声失落、折射声影、棱镜现象；

衰减：衰减声影、后方回声增强；

断层厚度（扫描厚度）伪像：部分容积效应伪像；

旁瓣效应；

声速伪像：实际组织声速与仪器设定的平均速度（1540m/s）差别所造成伪像和测量误差；

仪器设备：仪器和探头的质量；

操作者技术因素：增益、DCG、聚焦调节不当、测量不规范；

分类――混响：产生的条件超声垂直照射到平整的界面；

识别混响的方法：适当侧动探头，使超声勿垂直于胸壁或腹壁；

加压探测，可见多次反射的间距缩小；

内部混响：超声在器官组织的异物内来回反射直至衰减，产生特征性的彗星尾征，此现象称内部混响；

振铃效应：超声束在若干微气泡包裹的极少量液体中强烈地来回反射，产生很长的条状图像干扰。振铃效应在胃肠道内（含微气泡和粘液）相当多见。