超聲基礎(chǔ)知識(shí)詳解

超聲基礎(chǔ)知識(shí)詳解第1頁(yè)，共113頁(yè)，2023年，2月20日，星期四超聲檢查

利用超聲波的物理特性和人體器官組織聲學(xué)特性相互作用后產(chǎn)生的信息，并將其接收、放大和信息處理后形成圖形(聲像圖、血流圖)、曲線(M型心動(dòng)圖、頻譜曲線)或其他數(shù)據(jù)，借此進(jìn)行疾病診斷的檢查方法，簡(jiǎn)稱(chēng)超聲檢查法（USG）。第2頁(yè)，共113頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

物體的機(jī)械性振動(dòng)在具有質(zhì)點(diǎn)和彈性的媒介中傳播，且引起人耳感覺(jué)的波動(dòng)為聲波。<20Hz：次聲波20--20000Hz：聲波>20000Hz：超聲波聲波第3頁(yè)，共113頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

超過(guò)人耳聽(tīng)閾上限的聲波，即大于20000HZ的稱(chēng)超聲波，簡(jiǎn)稱(chēng)超聲，臨床常用的超聲頻率在2～10MHz之間。超聲波的定義第4頁(yè)，共113頁(yè)，2023年，2月20日，星期四逆壓電效應(yīng)(發(fā)生)正壓電效應(yīng)(接收)在交變電場(chǎng)的作用導(dǎo)致壓電晶體厚度的交替改變從而產(chǎn)生聲振動(dòng)，即由電能轉(zhuǎn)變?yōu)槁暷?。?/p>

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由聲波的壓力變化使壓電晶體兩端的電極隨聲波的壓縮(正壓)與弛張(負(fù)壓)發(fā)生負(fù)電位交替變化，聲能轉(zhuǎn)化為電能。超聲的發(fā)生第5頁(yè)，共113頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

在交變電場(chǎng)的作廠導(dǎo)致厚度的交替改變從而產(chǎn)生聲振動(dòng)，即由電能轉(zhuǎn)變?yōu)槁暷?，?shí)現(xiàn)超聲波發(fā)射。逆壓電效應(yīng)

第6頁(yè)，共113頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

由聲波的壓力變化使壓電晶體兩端的電極隨聲波的壓縮(正壓)與弛張(負(fù)壓)發(fā)生負(fù)電位交替變化，聲能轉(zhuǎn)化為電能，依據(jù)電能的強(qiáng)弱，經(jīng)過(guò)分析處理顯示在熒光屏上，形成明暗圖像，同電視機(jī)原理。正壓電效應(yīng)

第7頁(yè)，共113頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

超聲

透射

transmission

反射

reflection

折射

refraction

衍射

difration

散射

scattering

衰減

attenuation

吸收

absorption

人體超聲波特性第8頁(yè)，共113頁(yè)，2023年，2月20日，星期四超聲的物理特性具有波長(zhǎng)（λ）、頻率（f）和傳播速度（Ｃ）

Ｃ＝λ·f超聲是機(jī)械波第9頁(yè)，共113頁(yè)，2023年，2月20日，星期四一、聲速、波長(zhǎng)與介質(zhì)的關(guān)系1、聲速與介質(zhì)的關(guān)系（1）.同一介質(zhì)：不同頻率的探頭在同一介質(zhì)中傳播時(shí)聲速基本相同。（2）.不同介質(zhì)：同一頻率的超聲波在不同介質(zhì)中傳播的聲速是不同的，例如：1MHz超聲波在0℃的水中為150Om／s；在0℃的鋼材中為6000m／s；在人體軟組織中平均聲速為1540m／s，存在一定的差異，但誤差很小。第10頁(yè)，共113頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

2、波長(zhǎng)與介質(zhì)的關(guān)系（1）同一介質(zhì)：不同頻率的超聲波，在同一介質(zhì)內(nèi)傳播時(shí)其波長(zhǎng)與頻率成反比，根據(jù)上述公式可知頻率與波長(zhǎng)呈反比，頻率越高波長(zhǎng)越短，分辨力越高。

1MHz的超聲波在人體軟組織中傳播時(shí)，其波長(zhǎng)為1.5mm。

3MHz的超聲波在人體軟組織中傳播時(shí)，其波長(zhǎng)為0.5mm。

5MHz的超聲波在人體軟組織中傳播時(shí)，其波長(zhǎng)為0.3mm，

（2）不同介質(zhì)：同一頻率的超聲波，在不同介質(zhì)內(nèi)傳播，因傳播聲速不同，則波長(zhǎng)也不相同。頻率為3MHz的超聲波在人體軟組織中傳播時(shí)，其波長(zhǎng)為0．5mm，而在空氣中傳播，其波長(zhǎng)為0.114mm。所以用同一種探頭檢查人體不同的組織時(shí)，由于聲速存在差異，所以波長(zhǎng)也是不相同的。第11頁(yè)，共113頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

二、超聲波的反射是超聲成像的基礎(chǔ)1．分界面上的反射在兩種不同介質(zhì)的分界面?zhèn)鞑r(shí)就可能發(fā)生反射和折射。分界面兩邊的特性阻抗差將決定入射超聲如何在透射和反射之間分配。2、介質(zhì)的特性阻抗介質(zhì)特性阻抗Z等于它的密度ρ和超聲在其中的速度C的乘積，即：

Z=ρ×C物質(zhì)的密度一般是固體＞液體＞氣體，超聲在介質(zhì)中的速度是固體＞液體＞氣體，故聲阻抗值一般也是固體＞液體＞氣體。人體軟組織及實(shí)質(zhì)性臟器的密度、聲速和聲阻抗與水相接近(因臟器內(nèi)水的成份約占60～70％)。

第12頁(yè)，共113頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

3,鏡面反射

如果特性阻抗相等，即Z1＝Z２時(shí)，稱(chēng)為均勻介質(zhì)（肝臟是均勻介質(zhì)嗎？），則不產(chǎn)生反射，沒(méi)有回聲顯示，如液性暗區(qū)，如果特性阻抗不同，一部分超聲波被反射。和光學(xué)情況一樣，反射角等于入射角。這種反射稱(chēng)為鏡面反射。其反射的能量占入射能量的比例，在入射方向垂直于分界面時(shí)是最簡(jiǎn)單的情況。此時(shí)(反射系數(shù))R1=式中Z1是入射邊介質(zhì)的特性阻抗，Z2是透射邊介質(zhì)的特性阻抗，反射程度取決于Z1和Z2的相對(duì)值。Qi為聲波入射角,Qr為反射角,Qi=Qr,Qj為透射角。第13頁(yè)，共113頁(yè)，2023年，2月20日，星期四4.阻抗差異大的界面反射特性根據(jù)上訴公式，當(dāng)Z1和Z２相差很大時(shí)，將會(huì)發(fā)生近乎全部反射而沒(méi)有透射。如在水和空氣的界面上，其中：

Z水＝1.492kg／m2／s(kgm-2s-1)，

Z氣=0.00428(kgm-2s-1)，則反射回來(lái)的能量比為：

此時(shí)入射超聲能量中有99％被反射，由此可見(jiàn)，超聲從液體(或固體)向氣體中傳播幾乎是不可能，反之從氣體向液體(或固體)中傳播也幾乎不可能。為什么說(shuō)超聲在人體診斷中對(duì)肺組織是困難的，就是因?yàn)榉谓M織中充滿氣體的緣故。按同樣的道理，在臨床診斷時(shí)，要在探頭與人體受檢部位之間涂上足夠的超聲耦合劑，以減少空氣對(duì)聲波傳送的影響。另外探頭上的匹配層亦遵循這個(gè)原理。第14頁(yè)，共113頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

5、阻抗差異小的界面反射特性

如果Z1和Z２相當(dāng)接近，則反射很少。但只要有1‰的聲阻抗差，就會(huì)產(chǎn)生反射波，所以超聲波對(duì)軟組織分辨力很高。軟組織的特性阻抗彼此非常接近，垂直于肝一腎分界面的入射聲波中反射回肝中的部分大約只占入射波能量的6％。其余的94%透過(guò)界面送入腎。第15頁(yè)，共113頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

三、反（背）向散射是超聲成像的重要信息來(lái)源

1、散射

在介質(zhì)特性以粗糙表面、小障礙物或一組小障礙物形式出現(xiàn)時(shí)(只有幾個(gè)波長(zhǎng)或更小)，上面計(jì)算平面分界面上反射量的公式就不能用，這時(shí)將有一部分能量被散射，其程度決定于幾何條件。如圖所示。每塊面積把入射平面波作為球面子波加以散射，各子波組合起來(lái)便形成再發(fā)射的超聲分布。（a）孤立的小點(diǎn)不連續(xù)性所引起的球面散射(b)粗糙表面上的散射，散射場(chǎng)是各孤立球面子波的合成。(c)一組小的顆粒引起的不連續(xù)性散射，散射場(chǎng)為各子波合成。第16頁(yè)，共113頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

2．反（背）向散射在大小與超聲波波長(zhǎng)可比或比之更小的臟器或組織內(nèi)部的微小結(jié)構(gòu)上進(jìn)行的超聲波的散射對(duì)形成軟組織的超聲圖像起了重要的促進(jìn)作用，可以認(rèn)為超聲波的這種反向散射形式構(gòu)成了超聲圖像中的決定性的信息，是超聲成像法研究?jī)?nèi)部結(jié)構(gòu)的重要依據(jù)。標(biāo)志反向散射的數(shù)量和定量參數(shù)稱(chēng)為反向散射系數(shù)μb，定義為：μb=

從組織中反向散射的能量(參考能量)(立體角)(距離)式中：參考能量等于脈沖的總能量。

所以超聲成像的回聲來(lái)源是：超聲波的背向散射及鏡面反射。

3．紅細(xì)胞散射

在研究紅細(xì)胞運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí)，反向散射是極有用的超聲信息。

超聲束內(nèi)紅細(xì)胞的數(shù)量越多，散射源也就越多，超聲探頭接收的反向散射信號(hào)的強(qiáng)度也就越大。

紅細(xì)胞數(shù)目的多少與頻移范圍無(wú)關(guān)。

采用頻譜多普勒技術(shù)研究紅細(xì)胞（血流）運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí)，其信號(hào)是來(lái)自紅細(xì)胞背向散射。

第17頁(yè)，共113頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

（四）超聲波的折射

1．折射系數(shù)

由于超聲在分界兩邊的聲速不同，其聲速之比決定折射程度。其間關(guān)系是：

式中θi為入射角，為θj折射角，C1為入射邊介質(zhì)中超聲聲速，C2為透射邊介質(zhì)中超聲聲速。根據(jù)超聲波束的折射原理，采用超聲速較大或較小，而衰減系數(shù)又很小的材料作成超聲聚焦透鏡，使聲束聚焦至焦平面處，集中超聲能量，以有利于提高臨床診斷效果。當(dāng)兩種介質(zhì)的聲速相差甚大時(shí)，由于折射引起被測(cè)目標(biāo)的變形，即產(chǎn)生偽象。第18頁(yè)，共113頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

2．全內(nèi)反射折射角的大小取決于兩種媒質(zhì)的聲速比n=c1/c2，當(dāng)c2＞c1時(shí),則折射角j>i，當(dāng)入射角由0逐漸增大到某一角度ik時(shí),將有j=90°,即折射波沿界面?zhèn)鞑?，如圖所示全內(nèi)反射角臨界示意圖

而當(dāng)入射角超過(guò)θik時(shí),入射聲能將全部反射到媒質(zhì)1中,故θik稱(chēng)為”全內(nèi)反射臨界角”。在臨床檢查中,應(yīng)使探頭放置正確的角度,以避免由”全內(nèi)反射”引超的圖像偽差。臨界角引起全內(nèi)反射第19頁(yè)，共113頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

(五)超聲波的聲場(chǎng)特性

1.聲場(chǎng)分布:所謂超聲場(chǎng)，系指超聲在彈性介質(zhì)中傳播時(shí),介質(zhì)中充滿超聲波能量的空間區(qū)域,叫作超聲波的聲場(chǎng)。由換能器發(fā)出超聲之后,呈狹窄的圓柱形分布,其直徑與換能器壓電晶體之大小相接近,有明顯的方向性,故稱(chēng)為超聲束。

2、聲束副瓣近場(chǎng)區(qū)是一個(gè)復(fù)瓣區(qū)。形成許多大小不一的超聲組成的“花瓣”，如圖所示。只有其中心區(qū)利于診斷。副瓣在超聲掃描時(shí)將產(chǎn)生偽象。第20頁(yè)，共113頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

（六）超聲波的衰減特性

衰減的主要影響是逐步減弱由深處反射回聲的振幅，使它們更難以檢測(cè)。在診斷中，要使用STC以補(bǔ)償聲能的衰減。

1、引起超聲強(qiáng)度衰減原因：

（1）由于“內(nèi)摩擦”，超聲波機(jī)械能變?yōu)闊崮鼙唤M織“吸收”。

（2）由于聲束發(fā)散，散射及反射引起聲束方向改變?nèi)鐖D所示

引起超聲強(qiáng)度衰減的過(guò)程由于發(fā)散、散射或反射引起的波束方向改變，使得流經(jīng)某一特定面積的超聲波能量減小。超聲能量的衰減過(guò)程第21頁(yè)，共113頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

2、衰減的表達(dá)式

聲波的聲強(qiáng)I0與其傳播距離X的關(guān)系為：Ix＝IOe—2αx

Ix為離聲源距離x點(diǎn)的超聲聲強(qiáng)，x為離聲源之距離，以厘米表示，e為自然對(duì)數(shù)之底，等于2.71。式中I0是x＝0處的聲強(qiáng)，α為振幅衰減系數(shù)，是吸收和散射貢獻(xiàn)的總和，即α=αa+αs，它幾乎隨頻率而線性增加。聲強(qiáng)或聲壓的衰減吸收以分貝(dB)作單位。

分貝是個(gè)對(duì)數(shù)單位，采用它可以把相當(dāng)大的電壓比值用相當(dāng)小的數(shù)值來(lái)描述振幅比值。6dB代表系數(shù)2，20dB代表系數(shù)1.0,-6dB代表數(shù)0.5，-20dB代表系數(shù)0.1。注意這些關(guān)系是很必要的。組織的衰減系數(shù)用dB／cm作單位，生物組織的衰減系數(shù)不只決定組織的厚度，而且也決定于超聲的頻率，生物組織的衰減系數(shù)與頻率成正比，所以頻率高的超聲波在人體組織中衰減愈大，只適用淺部器官的檢查。第22頁(yè)，共113頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

3、人體組織衰減程度一般規(guī)律

人體軟組織對(duì)超聲波的吸收不僅與媒質(zhì)的物理特性有關(guān)，而且與其生理狀態(tài)有關(guān)。從臨床實(shí)驗(yàn)得知，正常組織與病變組織對(duì)超聲的反應(yīng)不同，癌組織對(duì)超聲吸收較大，炎癥組織次之。血液和眼前房液的吸收最小；肌肉組織的吸收有所增加；纖維組織和軟骨則能吸收大量能量；骨質(zhì)的吸收更大。

即：骨（或鈣化）>肌腱（或軟骨）>肝臟>脂肪>血液>尿液（或膽汁）

液體內(nèi)含蛋白成分的聲衰越大，組織中含膠原蛋白和鈣質(zhì)越多，聲衰減越大，第23頁(yè)，共113頁(yè)，2023年，2月20日，星期四人體不同組織的聲衰減比較第24頁(yè)，共113頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

七、超聲波的衍射

超聲波在介質(zhì)內(nèi)傳播過(guò)程中，如遇聲阻不同的障礙物時(shí)，則聲束方向和聲強(qiáng)將發(fā)生改變，其變化的程度與障礙物之大小及聲阻有關(guān)。若障礙物的直徑大于λ／2。在該障礙物表面產(chǎn)生回聲反射，在其邊緣有少量繞射發(fā)生。若障礙物直徑等于或小于λ／2時(shí)，超聲即繞過(guò)該障礙物而繼續(xù)前進(jìn)，反射則很少。這種現(xiàn)象叫做衍射。故超聲波波長(zhǎng)愈短，能發(fā)現(xiàn)的障礙物愈小，這種發(fā)現(xiàn)障礙物之能力，稱(chēng)之為顯現(xiàn)力。發(fā)生衍射現(xiàn)象時(shí)，在障礙物的后方有一塊沒(méi)有聲振動(dòng)的區(qū)域，稱(chēng)為“聲影”區(qū)。

散射和衍射的重要區(qū)別在于散射時(shí)小障礙物又將成為新的聲源，并向四周發(fā)射超聲波；而衍射時(shí)，超聲波僅繞過(guò)障礙物的邊緣前進(jìn)。第25頁(yè)，共113頁(yè)，2023年，2月20日，星期四衍射：當(dāng)障礙物直徑小于波長(zhǎng)一半時(shí)，超聲波會(huì)繞過(guò)障礙物，不產(chǎn)生反射。第26頁(yè)，共113頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

（八）超聲波的干涉

當(dāng)兩個(gè)或兩個(gè)以上的聲源同時(shí)向周?chē)鷤鞑ィ橘|(zhì)內(nèi)有些質(zhì)點(diǎn)因?yàn)閮蓚€(gè)聲波的疊加，使振動(dòng)幅度增加；有些質(zhì)點(diǎn)則可以相互產(chǎn)生減弱作用。這種現(xiàn)象叫做聲的干涉。如圖所示。波的干涉a為幅度加倍，

b為相互抵消，合成為零，c為部分加強(qiáng)，部分減弱。第27頁(yè)，共113頁(yè)，2023年，2月20日，星期四分辨力能在熒光屏上被分別顯示為兩個(gè)點(diǎn)的最小間距的能力。依方向不同可分為縱向分辨力、側(cè)向分辨力、橫向分辨力。超聲波的分辨力、穿透力縱向分辨力（聲束長(zhǎng)軸）側(cè)向分辨力（聲束寬度）橫向分辨力（聲束厚度）第28頁(yè)，共113頁(yè)，2023年，2月20日，星期四(1)軸向分辨力軸向分辨力是指聲束穿過(guò)介質(zhì)中能被分辨為前后兩點(diǎn)的最小間距，它與超聲波的頻率成正比。從單純理論上計(jì)算所能測(cè)到物體的最小直徑，叫做最大理論分辨力。在數(shù)值上為1/2λ。在實(shí)際的B型超聲設(shè)備中，軸向分辨力可以達(dá)2mm以下。故探頭頻率越高分辨力越高。第29頁(yè)，共113頁(yè)，2023年，2月20日，星期四12理論上一個(gè)周期的振動(dòng)產(chǎn)生兩個(gè)最強(qiáng)振幅，最大分辨率為1/2λ。第30頁(yè)，共113頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

(2)橫向（側(cè)向）分辨力橫、側(cè)向分辨力是指與聲束相垂直的面上，能被分辨兩點(diǎn)的最小間距。它與超聲束的寬窄帶有關(guān)。聲束越窄（細(xì)），其側(cè)向分辨力越好。如圖所示：L：側(cè)向分辨力E：橫向分辨力第31頁(yè)，共113頁(yè)，2023年，2月20日，星期四橫向（側(cè)向）分辨力提高側(cè)向、橫向分辨力的方法就是使聲束變窄，我們使用聚焦方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。聚焦可分為：非電子聚焦和電子聚焦非電子聚焦有：透鏡聚焦、反射鏡聚焦、壓電材料凹面聚焦。電子聚焦：線陣列和環(huán)陣列，使用電子延遲線路（LC）實(shí)現(xiàn)。第32頁(yè)，共113頁(yè)，2023年，2月20日，星期四聲透鏡聚焦穿過(guò)透鏡的聲波是聚焦還是發(fā)散取決于透鏡內(nèi)波速與透鏡外波速的大小變化。這就決定了透鏡采取何種材質(zhì)和何種形態(tài)。聚乙烯和合成樹(shù)脂作為透鏡材料，聲波在其中的傳播速度大于人體中的傳播速度，故應(yīng)制成凹透鏡。但為了與人體皮膚有良好接觸，探頭需制成凸形，采用另一種低速材料制成凸透鏡覆于表面，常用硅膠做材料。為什么不直接用低速材料制成一個(gè)凸透鏡聚焦？

第33頁(yè)，共113頁(yè)，2023年，2月20日，星期四θ1θ2C1C2C1>C2θ1>θ2超聲晶體凹透鏡人體組織第34頁(yè)，共113頁(yè)，2023年，2月20日，星期四電子聚焦激勵(lì)脈沖晶體LC延遲電路焦點(diǎn)兩邊距離焦點(diǎn)最遠(yuǎn)，延遲時(shí)間最小，中央距離焦點(diǎn)近，延遲時(shí)間長(zhǎng)，同時(shí)到達(dá)焦點(diǎn)位置，實(shí)現(xiàn)聚焦。第35頁(yè)，共113頁(yè)，2023年，2月20日，星期四焦點(diǎn)問(wèn)題對(duì)于發(fā)射聚焦來(lái)說(shuō)，一次發(fā)射只有一個(gè)焦點(diǎn)，若要多個(gè)焦點(diǎn)需要多次發(fā)射，每次發(fā)射聚焦在不同位置，如上中下三個(gè)焦點(diǎn)，然后將三次信號(hào)疊加成一幅圖像，此時(shí)整體空間分辨力提高了，但卻降低了時(shí)間分辨力，也就是圖像幀頻減低。第36頁(yè)，共113頁(yè)，2023年，2月20日，星期四焦點(diǎn)問(wèn)題對(duì)于接收聚焦來(lái)說(shuō)，因?yàn)榻邮盏幕夭ㄔ磾?shù)據(jù)全面、龐大，可以將接收來(lái)的各點(diǎn)信息利用電子延遲進(jìn)行信息聚集，在計(jì)算機(jī)后臺(tái)處理，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)聚焦或動(dòng)態(tài)聚焦。動(dòng)態(tài)聚焦：電子延遲的切換速度能跟上聲波在組織中的傳播速度，即可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)聚焦。第37頁(yè)，共113頁(yè)，2023年，2月20日，星期四第38頁(yè)，共113頁(yè)，2023年，2月20日，星期四二維聚焦縱向分辨力：超聲頻率決定側(cè)向分辨力：電子聚焦橫向分辨力：聲透鏡聚焦，但聲透鏡聚焦只能固定一個(gè)焦點(diǎn)，與側(cè)向的電子聚焦不等同，分辨力差，如何實(shí)現(xiàn)均勻的分辨力？方法有二：1、由6-10個(gè)同心環(huán)晶片組成環(huán)形換能器，各環(huán)之間電子延時(shí)實(shí)現(xiàn)聚焦。2、二維列陣換能器，長(zhǎng)軸128單元，短軸8單元，都實(shí)行電子聚焦。第39頁(yè)，共113頁(yè)，2023年，2月20日，星期四1288晶片第40頁(yè)，共113頁(yè)，2023年，2月20日，星期四3、穿透力

分辨力的增加將以穿透力的損失為代價(jià)。所有的人體組織都表現(xiàn)出隨頻率增加超聲衰減也增加。

典型軟組織衰減系數(shù)為0.5dB/mm.MHZ.

3MHz系統(tǒng)可達(dá)到最大穿透力為220mm（a）

5MHz系統(tǒng)可達(dá)到最大穿透力為150mm（b）

10MHz系統(tǒng)可達(dá)到最大穿透力為50mm（c）

60MHz系統(tǒng)可達(dá)到最大穿透力為5mm（d）應(yīng)針對(duì)不同部位的診斷，可選擇不同頻率的超聲探頭。實(shí)際工作中不要拘泥于使用一種探頭，有些腹部臟器或病灶較表淺可用高頻探頭，顯示更清晰，有些淺表臟器的病灶較大，可用低頻探頭，如可嘗試用腔內(nèi)探頭探查不易顯示的膽總管或小兒心臟，用高頻探頭探查小兒腎臟。第41頁(yè)，共113頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

四、生物效應(yīng)

一定強(qiáng)度的超聲在生物體中傳播時(shí)，通過(guò)它們之間一定的相互作用機(jī)制（熱機(jī)制、機(jī)械機(jī)制或空化機(jī)制）致使生物體系的功能和結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。

第42頁(yè)，共113頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

(1)．空化作用：

所謂空化作用就是指在液體中產(chǎn)生強(qiáng)超聲時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一種類(lèi)似霧狀的氣泡，此種現(xiàn)象稱(chēng)超聲空化作用。這種現(xiàn)象類(lèi)似日常生活中所遇到的輪船推進(jìn)器在產(chǎn)生推動(dòng)力的同時(shí)會(huì)濺出氣泡那樣。這種空化作用使超聲具有強(qiáng)烈的破壞作用。

由于生物組織大多數(shù)屬軟組織，因此，在超聲作用下，其細(xì)微結(jié)構(gòu)多少會(huì)發(fā)生形變。

在較大強(qiáng)度超聲的作用下，如超聲治療所用的1W/cm2以上的劑量，則生物組織會(huì)由于超聲空化作用而產(chǎn)生不能復(fù)原的破壞性形變，以至使細(xì)胞壞死和整個(gè)生物組織壞死，這種強(qiáng)度劑量在超聲治療中，用以粉碎結(jié)石、血栓，在外科手術(shù)中，用更強(qiáng)的超聲來(lái)作為非侵入性手術(shù)刀。但作為超聲診斷，一般是禁止使用這種劑量的。

第43頁(yè)，共113頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

(2)熱作用：

生物組織在超聲機(jī)械能的作用下，由于沾滯吸收，將一部分超聲能轉(zhuǎn)化為熱能，使生物組織的溫度上升。當(dāng)超聲輻射達(dá)到治療劑量的強(qiáng)度時(shí)，熱作用明顯，并能使熱量深入人體組織器官，甚至還會(huì)隨著血液傳導(dǎo)熱能。在用超聲進(jìn)行治療中得知，頻率為800KHz、劑量為4w/cm2的超聲照射20s后，會(huì)在組織器官0.2~3cm的深處產(chǎn)生熱作用，而起到治療效果。(HIFU)(3)化學(xué)作用:超聲的空化作用和熱作用與化學(xué)作用是有機(jī)聯(lián)系的；化學(xué)作用是氧化和還原作用。在高劑量超聲情況下，因超聲的化學(xué)作用還會(huì)破壞有機(jī)結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì).

第44頁(yè)，共113頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

(4)、超聲診斷的安全因素超聲診斷儀的輸出脈沖聲強(qiáng)是關(guān)系到人身安全的問(wèn)題，尤其是孕產(chǎn)婦、胎兒影響更甚，超聲診斷儀的超聲源已列入國(guó)家強(qiáng)制檢定項(xiàng)目。美國(guó)的510（K）導(dǎo)側(cè)對(duì)于超聲診斷設(shè)備的超聲輻射。針對(duì)人體不同部位作規(guī)定

聲強(qiáng)的定義空間峰值時(shí)間平均超強(qiáng)——Ispta：在聲場(chǎng)中或某一指定平面上的時(shí)間平均聲強(qiáng)的最大值。單位為w/cm2?？臻g峰值脈沖平均聲強(qiáng)——Isppa：在聲場(chǎng)中或某一指定平面內(nèi)的脈沖平均聲強(qiáng)的最大值。單位為w/cm2。最大聲強(qiáng)度Imax：在空間最大值處，具有最大時(shí)間平均聲強(qiáng)的脈沖半周期內(nèi)的時(shí)間平均聲強(qiáng)。單位為w/cm2。真實(shí)聲束聲強(qiáng)——Iob。第45頁(yè)，共113頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

(5)

限定值

表1-6-1為美國(guó)食品藥品局（FDA）規(guī)定的超聲強(qiáng)度限定值。

限名定稱(chēng)IsppaW/cm2Isptaw/cm2

Imaxw/cm2值部位心臟190430310脈管190720310眼部281750胎兒等19094310第46頁(yè)，共113頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

國(guó)際電工委員會(huì)IEC1157—92也作出了規(guī)定：

Iob＜20mW/cm2；Ispta＜100mw/cm2如果超聲診斷儀超出了這些規(guī)定值，必須公布其聲輸出的具體值。超聲強(qiáng)度超出規(guī)定，將造成若干生物效應(yīng)，如：育齡婦女早熟排卵、受孕率下降，胎兒體重減輕、生產(chǎn)后兒童發(fā)育遲緩等。

(6)超聲照射時(shí)間及波形方式

通常脈沖超聲采用了短脈寬度，其平均聲強(qiáng)是低的，與連續(xù)波超聲相比，脈沖波超聲較為安全。超聲照射時(shí)間對(duì)生物組織會(huì)產(chǎn)生一定的影響，脈沖波聲源可以照射的時(shí)間在30min內(nèi)為好。在妊娠全過(guò)程期間使用超聲診斷次數(shù)應(yīng)控制在8~10次為好。

第47頁(yè)，共113頁(yè)，2023年，2月20日，星期四第二節(jié)超聲診斷圖像基礎(chǔ)

一、超聲成像的一般規(guī)律

回聲來(lái)源：來(lái)自大界面的反射和散射體的散射。界面反射與聲束角度：界面與聲束角度對(duì)圖像影響較大，球形病灶常僅有前后壁回聲，側(cè)壁聲常常消失—形成側(cè)聲影。

衰減對(duì)成像的影響：物體衰減特征主要表現(xiàn)在后方的回聲。

囊性物體的聲像圖特征：內(nèi)部為無(wú)回聲區(qū)；前壁和后壁聲增強(qiáng)；側(cè)壁回聲消失；后方有回聲增強(qiáng)和側(cè)聲影.

多重反射：超聲強(qiáng)反射界面，在界面后出現(xiàn)一系列的間隔均勻的依次減弱的影像，成為多重反射，這是聲束在探頭與界面之間往返多次而形成。第48頁(yè)，共113頁(yè)，2023年，2月20日，星期四二,回聲強(qiáng)度分級(jí)的條件1,通常使用的分級(jí)術(shù)語(yǔ)(1)

高水平回聲也可統(tǒng)稱(chēng)為強(qiáng)回聲或較強(qiáng)回聲。有的強(qiáng)回聲常伴有聲影；有的強(qiáng)回聲伴隨的聲影不明顯(2)中等水平回聲亦稱(chēng)等回聲。(3)低水平回聲亦稱(chēng)弱回聲。還存在著接近無(wú)回聲的很弱的回聲，或“極低水平的回聲”。(4)無(wú)回聲第49頁(yè)，共113頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

2,回聲強(qiáng)度的分級(jí)與描述第50頁(yè)，共113頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

3,人體組織，體液回聲強(qiáng)度的一般規(guī)律(1)均質(zhì)性液體（介質(zhì)）:如膽汁、尿液為無(wú)回聲。血液為很低回聲。透明軟骨、小兒腎錐體，淋巴結(jié)可以出現(xiàn)無(wú)回聲或接近無(wú)回聲。(2)非均質(zhì)性液體（介質(zhì)）:尿液中混有血液和沉淀，囊腫合并出血或感染時(shí)回聲增加。纖維化、鈣化的軟骨（非均質(zhì)性改變），則由原來(lái)的無(wú)回聲（或接近無(wú)回聲）變成有回聲。不能認(rèn)為“液體均是無(wú)回聲的，固體均是有回聲的”。無(wú)回聲只代表介質(zhì)中結(jié)構(gòu)細(xì)微、均質(zhì)，不足以產(chǎn)生反射或散射，沒(méi)有回波接收。第51頁(yè)，共113頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

三、超聲診斷的誤診因素：

㈠點(diǎn)狀反射聲源的橫向變形（延伸）：由于超聲波束具有一定的寬度，所以在聲束掃描檢查時(shí)，點(diǎn)狀反射源（目標(biāo)靶）的回聲波，在熒屏上呈現(xiàn)橫向（聲束移動(dòng)方向）延伸，表現(xiàn)為橫向失真。

㈡縱向變形：換能器激勵(lì)電脈沖具有一定的寬度，它將引起界面或目標(biāo)靶的聲反射波沿縱向變形，使沒(méi)有厚度的界面也表現(xiàn)一定的厚度，在有強(qiáng)反射界面或增益太大時(shí)，增厚現(xiàn)象更明顯，甚至可使二條相鄰介面重疊一條。所以超聲脈沖寬度是影響縱向變形和分辨率下降的一個(gè)重要原因。

㈢重力變形：受檢者的體位姿勢(shì)對(duì)回聲圖像有明顯影響。在各種不同體位姿勢(shì)下都會(huì)表現(xiàn)出上、下的垂直延伸變形。這就是體位不同時(shí)的重力變形。

㈣反射和折射引起的變形：一個(gè)圓形體由線陣探頭掃描，它可清楚的顯示與聲速較垂直的近段和遠(yuǎn)段，而與聲束接近平行的兩側(cè)難于顯示或不能顯示，在回聲圖像中會(huì)將圓形體表現(xiàn)為兩側(cè)無(wú)顯像區(qū)的似圓非圓的變形圖像。由于聲束的折射，對(duì)體內(nèi)存在復(fù)雜的界面，會(huì)將其它方向的界面在聲束直線方向上表現(xiàn)出來(lái)，出現(xiàn)假的界面，從而使回聲圖像變形。

㈤衰減變形：當(dāng)超聲波不能到達(dá)部位，即使該部位存在一些強(qiáng)反射界面，也不可能在那里產(chǎn)生回聲，其回聲圖像表現(xiàn)為黑影。

（六）超聲偽像包括：A型超聲；B型超聲；多普勒超聲；彩色血流成像；三維成像第52頁(yè)，共113頁(yè)，2023年，2月20日，星期四超聲顯像類(lèi)型第53頁(yè)，共113頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

A型回聲以波型顯示Ａ超

幅度調(diào)制型以波幅的高低代表界面反射信號(hào)的強(qiáng)弱。反射強(qiáng)，波幅高。反射弱，波幅低。目前巳基本淘汰，僅應(yīng)用于眼科第54頁(yè)，共113頁(yè)，2023年，2月20日，星期四B–modeＢ型Brightnessmode回聲以光點(diǎn)顯示,二維空間展開(kāi),成為斷面圖像。

輝度調(diào)制型以不同輝度光點(diǎn)反射信號(hào)的強(qiáng)弱。反射強(qiáng)則亮，反射弱則暗。采用多聲束連續(xù)掃描，顯示臟器的二維圖像，是目前使用最為廣泛的超聲診斷法。第55頁(yè)，共113頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

B超圖像由不同亮度的像素構(gòu)成，像素亮度由反射回聲的強(qiáng)弱所決定。黑色：沒(méi)有反射灰色：中等反射白色：反射較強(qiáng)像素在屏幕上形成不同亮度的層次，既為灰階?；译A

第56頁(yè)，共113頁(yè)，2023年，2月20日，星期四M–modeM型Time–motionmodeB型的一種變異型：系在水平偏轉(zhuǎn)板上加入一對(duì)慢掃描鋸齒波，使回聲光點(diǎn)沿水平方向掃描，代表時(shí)間。采用時(shí)間展開(kāi)，形成波群曲線。第57頁(yè)，共113頁(yè)，2023年，2月20日，星期四以單聲束取樣獲得活動(dòng)界面回聲，再以慢掃描方式將某活動(dòng)界面展開(kāi)“距離-時(shí)間”曲線第58頁(yè)，共113頁(yè)，2023年，2月20日，星期四由于探頭位置固定，心臟有規(guī)律地收縮和舒張，心臟各層組織和探頭間的距離便發(fā)生節(jié)律性的改變。隨著水平方向的慢掃描，便把心臟各層組織的回聲展開(kāi)成曲線，即為M型超聲心動(dòng)圖第59頁(yè)，共113頁(yè)，2023年，2月20日，星期四M型超聲心動(dòng)圖第60頁(yè)，共113頁(yè)，2023年，2月20日，星期四Ｄ–modeＤ型Dopplermode頻譜顯示超聲射向流動(dòng)的紅細(xì)胞，接收到紅細(xì)胞散射回聲，提取多普勒頻移,經(jīng)ＦＦＴ處理，形成頻譜顯示。頻譜在baseline以上者為迎向探頭的血流，baseline以下者為離開(kāi)探頭的血流。baseline第61頁(yè)，共113頁(yè)，2023年，2月20日，星期四多普勒效應(yīng)

聲源與物體作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，頻率增高。聲源與物體作背向運(yùn)動(dòng)時(shí)，頻率減低。這種聲波頻率變化的現(xiàn)象為多普勒效應(yīng)。

第62頁(yè)，共113頁(yè)，2023年，2月20日，星期四多普勒公式由上式可知，當(dāng)0°≤θ<90°時(shí)，fd>0,即回波頻率高于入射頻率，反之，當(dāng)90°≤?180°時(shí)，fd<0，即回波頻率低于入射頻率。90度時(shí)，無(wú)頻移，0度時(shí)最大，實(shí)際檢查中應(yīng)盡量減小夾角。第63頁(yè)，共113頁(yè)，2023年，2月20日，星期四利用聲波的多普勒效應(yīng)，使用多種方式顯示多普勒頻移，從而對(duì)疾病作出診斷第64頁(yè)，共113頁(yè)，2023年，2月20日，星期四連續(xù)波(CW)兩個(gè)超聲換能器分工發(fā)射與接收第65頁(yè)，共113頁(yè)，2023年，2月20日，星期四脈沖波(PW)

單個(gè)超聲換能器發(fā)射后再接收

具有距離選通能力第66頁(yè)，共113頁(yè)，2023年，2月20日，星期四連續(xù)多普勒：優(yōu)點(diǎn)：由于它是連續(xù)發(fā)射超聲波，沿超聲束出現(xiàn)的血流信號(hào)頻移全部接收分析顯示出來(lái)，來(lái)自不同深度的血流頻移疊加，理論上不受血流速度限制，可以檢測(cè)高速血流。缺點(diǎn)：不能提供距離信息，不能表達(dá)某一特定區(qū)域血流性質(zhì)。脈沖多普勒：優(yōu)點(diǎn)：采用單個(gè)換能器以很短的脈沖期發(fā)射超聲波，有一個(gè)間歇期，通過(guò)選擇性時(shí)間延遲，對(duì)目標(biāo)定位，所以具有距離選通性，可以精確檢測(cè)某一目標(biāo)血流。缺點(diǎn)：不能檢測(cè)高速血流（奈奎斯特頻率極限）。優(yōu)缺點(diǎn)第67頁(yè)，共113頁(yè)，2023年，2月20日，星期四脈沖重復(fù)頻率.一秒鐘發(fā)射脈沖波的個(gè)數(shù)稱(chēng)為脈沖重復(fù)頻率。是控制激勵(lì)探頭超聲波發(fā)射所組成的脈沖群。.而超聲波頻率是指每個(gè)激勵(lì)脈沖波內(nèi)，探頭發(fā)射出的超聲波頻率。第68頁(yè)，共113頁(yè)，2023年，2月20日，星期四快速傅里葉變換（FFT）：頻譜分析是利用數(shù)學(xué)方法對(duì)多普勒信號(hào)的頻率，振幅，及隨時(shí)間而變過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)分析的一種技術(shù)，自動(dòng)的實(shí)現(xiàn)頻譜分析，篩選和定量處理與紅細(xì)胞流速相關(guān)的頻率資料。速度/頻移-時(shí)間顯示圖譜橫軸代表時(shí)間，即流速持續(xù)時(shí)間縱軸代表速度中間水平線代表零頻移線（基線）在基線上面為正向頻移，血流方向朝向探頭在基線下面則為反向頻移，血流方向背離探頭。尼奎斯特極限：fd<1/2PRF如fd超過(guò)這一極限，回會(huì)造成頻普混疊。頻譜分析第69頁(yè)，共113頁(yè)，2023年，2月20日，星期四尼奎斯特極限運(yùn)動(dòng)者觀察者1、跑步的人每一分鐘跑一圈，跑完四圈，觀察者持續(xù)觀看，他就可以很準(zhǔn)確的知道他跑了四圈。2、跑步的人每一分鐘跑一圈，跑完四圈，觀察者每?jī)煞昼娍匆淮?，他就不能知道他到底跑了多少圈，誤以為他就跑了兩圈。這就是信息混跌，讓觀察者產(chǎn)生錯(cuò)誤的判斷第70頁(yè)，共113頁(yè)，2023年，2月20日，星期四波峰空窗頻寬頻譜灰階基線第71頁(yè)，共113頁(yè)，2023年，2月20日，星期四tt1t2V空窗頻寬零基線0頻譜灰度第72頁(yè)，共113頁(yè)，2023年，2月20日，星期四四種彩色血流顯示方式速度-方差顯示，顯示血流速度及方向，同時(shí)顯示湍流變化程度，多用于心臟高速血流檢查。速度顯示顯示速度及方向，彩色表示方向，顏色的飽和度表示平均速度范圍，用于腹部及低速血流檢查方差顯示顯示血流分散，彩色的飽和度顯示湍流的大小，用于高速湍流的檢查能量顯示用彩色的飽和度顯示血流能量強(qiáng)度，多用于中低速血流檢查。第73頁(yè)，共113頁(yè)，2023年，2月20日，星期四彩色多普勒血流顯示ColorDopplerFlowImagingCDFI

用自相關(guān)處理提取到的多普勒信息,再用偽彩色編碼,形成彩色血流圖像,疊加到二維聲像圖上,形成彩色多普勒血流圖。三基色：紅、藍(lán)、綠紅迎蘭離當(dāng)出現(xiàn)湍流時(shí)，血流方向不一致，則以紅藍(lán)混合的雜亂色彩或以綠色表示。第74頁(yè)，共113頁(yè)，2023年，2月20日，星期四彩色多普勒血流顯示ColorDopplerFlowImagingCDFI第75頁(yè)，共113頁(yè)，2023年，2月20日，星期四彩色能量ColorDopplerenergy

把提取紅細(xì)胞散射的多普勒信息，用積分法處理。彩色圖像也疊加在二維聲像圖上。此法與紅細(xì)胞散射的能量強(qiáng)度有關(guān)，與頻移無(wú)關(guān)，故無(wú)方向性，不存在混疊。目前亦有方向能量圖。第76頁(yè)，共113頁(yè)，2023年，2月20日，星期四儀器調(diào)節(jié)

彩色多普勒超聲儀器的調(diào)節(jié)二維調(diào)節(jié)深度增益

●MTI濾波器●彩色增益

●聲束-血流夾角●幀速調(diào)節(jié)

●速度范圍●彩色零線的移動(dòng)

第77頁(yè)，共113頁(yè)，2023年，2月20日，星期四彩色多普勒超聲儀器的調(diào)節(jié)深度調(diào)節(jié)第78頁(yè)，共113頁(yè)，2023年，2月20日，星期四彩色多普勒超聲儀器的調(diào)節(jié)●二維增益調(diào)節(jié)第79頁(yè)，共113頁(yè)，2023年，2月20日，星期四彩色多普勒超聲儀器的調(diào)節(jié)彩色增益調(diào)節(jié)第80頁(yè)，共113頁(yè)，2023年，2月20日，星期四彩色多普勒超聲儀器的調(diào)節(jié)取樣框傾斜角度調(diào)節(jié)聲束方向盡量與血管平行或成角第81頁(yè)，共113頁(yè)，2023年，2月20日，星期四●取樣容積置于管腔中央●容積的長(zhǎng)度是管徑的1/3—1/4●取樣線的角度<60?！袼俣攘砍毯线m彩色多普勒超聲儀器的調(diào)節(jié)第82頁(yè)，共113頁(yè)，2023年，2月20日，星期四彩色多普勒超聲儀器的調(diào)節(jié)取樣容積長(zhǎng)度對(duì)圖象影響第83頁(yè)，共113頁(yè)，2023年，2月20日，星期四彩色多普勒超聲儀器的調(diào)節(jié)取樣線夾角對(duì)頻譜圖象影響第84頁(yè)，共113頁(yè)，2023年，2月20日，星期四彩色多普勒超聲儀器的調(diào)速度量程對(duì)血流的影響高速標(biāo)尺會(huì)濾過(guò)低速血流低速標(biāo)尺會(huì)濾過(guò)高速血流調(diào)節(jié)速度標(biāo)尺或PRF過(guò)低合適過(guò)高第85頁(yè)，共113頁(yè)，2023年，2月20日，星期四濾波器filter

高通濾波器

英文名稱(chēng)：high-passfilter定義：讓某一頻率以上的信號(hào)分量通過(guò)，而對(duì)該頻率以下的信號(hào)分量大大抑制的電容、電感與電阻等器件的組合裝置。第86頁(yè)，共113頁(yè)，2023年，2月20日，星期四濾波器filter低通濾波器

英文名稱(chēng)：low-passfilter定義：讓某一頻率以下的信號(hào)分量通過(guò)，而對(duì)該頻率以上的信號(hào)分量大大抑制的電容、電感與電阻等器件的組合裝置。

第87頁(yè)，共113頁(yè)，2023年，2月20日，星期四濾波器filter壁濾波器wallfilter

心臟與血管由于搏動(dòng)而為動(dòng)目標(biāo)，血流中大量的血細(xì)胞也為動(dòng)目標(biāo)，均可產(chǎn)生多普勒頻移。但心壁、血管壁活動(dòng)速度低，其頻移量小；心腔、血管腔內(nèi)血細(xì)胞流速高，其頻移量大。壁濾波器為一“高通濾波器”，可選調(diào)閾值以濾除心臟與血管壁搏動(dòng)所產(chǎn)生的多普勒信號(hào)。第88頁(yè)，共113頁(yè)，2023年，2月20日，星期四超聲偽像第89頁(yè)，共113頁(yè)，2023年，2月20日，星期四偽像超聲成像中可出現(xiàn)多種形式的偽像。其成因多與超聲的物理特性有關(guān)，有的與儀器設(shè)計(jì)性能及調(diào)節(jié)有關(guān)，有的與人體生理或病理等情況有關(guān)。我們不僅要會(huì)識(shí)別偽像以免誤診，而且要利用偽像幫助診斷。

第90頁(yè)，共113頁(yè)，2023年，2月20日，星期四混響偽像

(reverberations)鏡面型大界面如其兩側(cè)聲阻抗差別較大，而第一界面中物質(zhì)的衰減甚小或厚度甚小時(shí)最易發(fā)生，形成多次反射（界面上）。消除或鑒別：側(cè)動(dòng)探頭或加壓探測(cè)。第91頁(yè)，共113頁(yè)，2023年，2月20日，星期四多次內(nèi)部混響（振鈴效應(yīng)）

超聲在靶內(nèi)部來(lái)回反射，形成彗尾征，利用子宮內(nèi)彗尾征可以識(shí)別金屬節(jié)育環(huán)的存在。第92頁(yè)，共113頁(yè)，2023年，2月20日，星期四部分容積效應(yīng)（厚度偽像）因聲束具有一定厚度，把鄰近靶區(qū)結(jié)構(gòu)的回聲一并顯示在聲像圖上小囊腫、小淋巴結(jié)進(jìn)行穿刺時(shí)，尤其對(duì)于位置較深的小病變，要特別提防部分容積效應(yīng)所至偽像（以為“針尖刺入靶標(biāo)”），可以旋轉(zhuǎn)探頭橫切。第93頁(yè)，共113頁(yè)，2023年，2月20日，星期四旁瓣偽像(sidelobeartifact)由超聲束的旁瓣回聲造成，在結(jié)石等強(qiáng)回聲兩側(cè)出現(xiàn)，呈“狗耳”或“披紗”樣改變第94頁(yè)，共113頁(yè)，2023年，2月20日，星期四聲影(acousticshadow)

有強(qiáng)反射或聲衰減甚大的靶存在，使超聲能量急劇減弱或消失，致其后方?jīng)]有超聲到達(dá)，當(dāng)然也檢測(cè)不到回聲，稱(chēng)為聲影，聲影可以作為結(jié)石、鈣化和骨骼等存在的診斷依據(jù)。第95頁(yè)，共11