超聲物理基礎(chǔ)上崗考試輔導(dǎo)

CDFI上崗考試輔導(dǎo)

超聲物理基礎(chǔ)清華大學(xué)工業(yè)開(kāi)發(fā)研究院張送根博士研究員目錄超聲物理基礎(chǔ)超聲成像原理頻譜及彩色多普勒超聲診斷儀器幾項(xiàng)新技術(shù)的臨床應(yīng)用一、超聲物理基礎(chǔ)什么是超聲波？超聲波是聲源振動(dòng)的頻率大于20000Hz的機(jī)械波。臨床常用的超聲頻率在2∽10MHz之間。目前腹部及心臟檢查所用的頻率范圍在2.5∽5MHz之間，小器官、眼科檢查所用的頻率范圍在5∽10MHz之間，皮膚及血管內(nèi)檢查所用的頻率范圍在10∽30MHz之間，生物顯微鏡成像所用的頻率范圍在40∽100MHz之間。超聲波是如何發(fā)生的？超聲的發(fā)生是利用換能器逆壓電效應(yīng)的原理，而超聲的接收是利用正壓電效應(yīng)的原理。超聲診斷儀的探頭里安裝著具有壓電效應(yīng)性質(zhì)的晶體片（換能器），由主機(jī)發(fā)生高頻交電場(chǎng)，電場(chǎng)方向與晶體壓電軸方法一致，壓電晶片沿一定方向發(fā)生壓縮和拉伸，這種現(xiàn)象為逆壓電交應(yīng)；當(dāng)有回聲時(shí)，作用于晶體片上，則晶體片產(chǎn)生電荷，這種現(xiàn)象為正壓電效應(yīng)。超聲在氣、液、固體媒質(zhì)中的振動(dòng)模式傳播超聲波的媒介物質(zhì)叫做介質(zhì)；超聲波是機(jī)械波，有橫波、縱波、表面波三種主要振動(dòng)模式；在固體中存在縱波、橫波和表面波，在液體和氣體中存在縱波，在生物和人體組織中存在縱波，但在真空中這幾種波都不存在。什么是超聲的頻率、波長(zhǎng)和聲速？

超聲波具有三個(gè)基本物理量，即頻率（f）、波長(zhǎng)（λ）和聲速（c），三者之間的關(guān)系可用下列公式表示：c=f·λ。頻率（f）：?jiǎn)挝粫r(shí)間聲源振動(dòng)的次數(shù)，以赫茲（Hz）為單位，每秒振動(dòng)一次為1Hz。聲速（c）：聲波在介質(zhì)中單位時(shí)間傳播的距離，以米/秒（m/s）表示。人體軟組織平均聲速為：1540m/s。波長(zhǎng)（λ）：聲波傳播時(shí)相鄰的兩個(gè)周期中，對(duì)應(yīng)點(diǎn)的距離或相鄰的兩個(gè)波峰或波谷間的距離，以毫米（mm）表示。頻率、波長(zhǎng)、聲速的關(guān)系不同頻率的超聲波在相同介質(zhì)中傳播時(shí)，聲速基本相同；相同頻率的超聲波在不同介質(zhì)中傳播，聲速和波長(zhǎng)都不相同，人體組織中超聲波速度總體差異約為5%；聲波在相同介質(zhì)中傳播時(shí)，波長(zhǎng)與頻率成反比，頻率越高波長(zhǎng)越短。聲速聲速與超聲波的頻率(f)無(wú)關(guān)。聲速與人體組織的彈性（ｋ）、密度（ρ）、聲阻抗（ｚ）有關(guān)。利用超聲方法進(jìn)行測(cè)距，是假定所有人體組織的聲速相同，因此聲速與人體組織測(cè)距的精度有關(guān)。由于超聲測(cè)距是按1540m/s平均速度設(shè)置電子尺的，人體組織中聲速總體差異約為5%，因而測(cè)距的誤差也是5%左右。測(cè)量肝、膽、脾、胰誤差很小，測(cè)量脂肪組織大于真實(shí)值，測(cè)量胎兒股骨長(zhǎng)徑時(shí)小于真實(shí)值，測(cè)量顱骨鈣化病灶測(cè)值偏小。聲阻抗聲阻抗（Z）等于介質(zhì)的密度（P）和聲速（C）的乘積，聲Z=P×C,當(dāng)P的單位是g/cm3時(shí)，聲阻抗的單位是瑞利。聲阻抗：阻抗聲波傳播的能力，具有類似于電阻抗的性能。超聲成像正是通過(guò)人體組織聲阻抗的不同來(lái)診斷病變的。由于正常肝組織與肝占位病灶組織密度不同，超聲回聲發(fā)生了改變，從而可以診斷出病變。人體正常組織的聲阻抗

組織器官密度g/cm3聲速

m/s聲阻抗（×105瑞利）大腦

1.03815401.588脂肪0.95514761.410軟組織1.01615001.590肌肉1.07415681.648肝臟1.05015701.648顱骨1.65833605.570胎體1.02315051.579羊水1.01314741.463血液

1.05515701.656眼晶體1.13616501.874肺及腸腔氣體0.001293320.000428超聲的反射超聲波傳播過(guò)程中，當(dāng)遇到兩種聲阻抗不同的界面時(shí)，改變聲波傳播的方向，形成反射。界面兩種聲阻抗相交接的部位構(gòu)成界面；反射是在界面上進(jìn)行；垂直入射時(shí)，反射效果最佳；人體組織內(nèi)引起超聲波反射的條件是人體組織的聲阻抗存在差異。阻抗差別越大，反射越強(qiáng)；引起反射的最小阻抗差異為千分之一。在超聲檢查部位涂上超聲耦合劑是為了使探頭與檢查部位聲阻抗匹配良好。X1X2超聲的衰減超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，隨著距離增加，聲能將隨之減弱，這就是衰減。引起衰減的原因有：聲能轉(zhuǎn)換成熱能被“吸收”，聲束在傳播中逐漸發(fā)散開(kāi)，以及能量的反射和散射。但超聲波被運(yùn)動(dòng)目標(biāo)點(diǎn)產(chǎn)生頻移不會(huì)造成聲衰減。在診斷中使用STC或TGC就是為了補(bǔ)償聲能的衰減。超聲的散射超聲波在傳播中遇到粗糙面或極小的障礙物時(shí)，將有一部分能量被散射。紅細(xì)胞的直徑比超聲波要小得多，紅細(xì)胞是一種散射體，其背向散射信息是研究、分析紅細(xì)胞運(yùn)動(dòng)規(guī)律的有用信息，聲束內(nèi)紅細(xì)胞數(shù)量越多，背向散射強(qiáng)度就越大。多普勒頻移多普勒效應(yīng)：1842年奧地利物理學(xué)家ChristainDoppler在研究行星與觀察者之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使觀察的星光頻率發(fā)生改變而引起色彩變化時(shí)首先發(fā)現(xiàn)并命名。多普勒公式：fd=fR-f0=±(2Vcosθ/c)·f0，為fd多普勒頻移，f0為入射頻率，fR為反射頻率，V為反射物體運(yùn)動(dòng)速度，c為聲速，θ為運(yùn)動(dòng)方向與入射波間的夾角。多普勒頻移屬于聲波范疇。超聲診斷圖像基礎(chǔ)超聲成像的回聲來(lái)源：是超聲波的背向散射及反射。采用頻譜技術(shù)研究血流運(yùn)動(dòng)規(guī)律，其信號(hào)是來(lái)自：紅細(xì)胞背向散射信號(hào)。衰減對(duì)成像的影響主要表現(xiàn)在后方的回聲上。骨組織、鈣化或結(jié)石，形成很強(qiáng)的回聲反射，其后方留有“聲影”。超聲診斷的安全因素超聲劑量（聲強(qiáng)）的限定值Ispta<100mW/cm2（Ispta空間峰值時(shí)間平均聲強(qiáng)）超聲診斷妊娠應(yīng)注意安全，應(yīng)盡量選擇低輸出聲強(qiáng)，縮短對(duì)同一位置的檢查時(shí)間，選用脈沖式發(fā)射超聲波，減少妊娠期內(nèi)的超聲檢查次數(shù)，不可采用陰道探頭探查胎兒臍血流。從安全角度考慮，通過(guò)增加超聲波發(fā)射輸出強(qiáng)度來(lái)提高多普勒檢測(cè)靈敏度是不可取的。二、超聲成像原理1、A型診斷法Amplitude，幅度調(diào)制式簡(jiǎn)單，一維掃描線顯示反射界面A型掃描成像不是通常意義上的超聲成像2、B型診斷法Brightness，輝度調(diào)制式多條掃描線動(dòng)態(tài)圖像顯示切面圖像回波信號(hào)強(qiáng)度決定圖像象素的亮度3、M型診斷法Motion,運(yùn)動(dòng)輝度調(diào)制式時(shí)間深度掃描，Y軸代表檢測(cè)深度，X軸表示時(shí)間或時(shí)相。M超不是顯示Z軸上的回波。，三、頻譜及彩色多普勒多普勒基本概念多普勒超聲血流檢測(cè)技術(shù)主要用于測(cè)量血流速度，確定血流方向，確定血流種類：如層流、射流等；獲得速度、時(shí)間積分，壓差等有關(guān)血流的參數(shù)。頻譜多普勒技術(shù)的應(yīng)用，不能了解組織器官的結(jié)構(gòu)。多普勒公式：V=c(±fd)/（2cosθ·f0）Cosθ是血流與聲束夾角的余弦函數(shù)，當(dāng)相對(duì)固定時(shí)，則fd與流速成正比，fd即反映流速值V。當(dāng)聲束入射角（θ）恒定不變時(shí)，多普勒頻移主要決定于探頭發(fā)射的基礎(chǔ)頻率（f0）。對(duì)于一定的fd，f0越小，則可測(cè)的血流速度V就越大。欲測(cè)高速血流，f0就應(yīng)選擇低頻率的探頭。多普勒公式：V=c(±fd)/（2cosθ·f0）Θ角改變的一般規(guī)律當(dāng)00<θ<900時(shí)，Cosθ為正值，即血流迎超聲探頭而來(lái)，頻率增加，fd為正向頻移。當(dāng)900<θ<1800時(shí)，Cosθ為負(fù)值，即血流背離超聲探頭而去，頻率減低，fd為負(fù)向頻移。當(dāng)θ=00或θ=1800時(shí)，Cosθ=±1，即血流與聲束在同一線上相向或背向運(yùn)動(dòng)，這時(shí)fd最大。當(dāng)θ=900時(shí)，Cosθ=0，即血流方向與聲束垂直，這時(shí)fd=0，檢不出多普勒頻移。多普勒角血流方向與超聲束之間的夾角θ稱為多普勒角。在臨床檢查中，多普勒角應(yīng)采用小角度。聲束與血流方向夾角為90°時(shí)，檢不出多普勒頻移。同一探頭測(cè)量同一處的血流信息其重復(fù)性好壞主要取決于聲速與血流方向的夾角。兩種多普勒方式連續(xù)波多普勒（CW），不能提供距離信息，即不具有距離選通性，不受深度限制，能測(cè)深部血流，無(wú)折返現(xiàn)象，可測(cè)高速血流。連續(xù)多普勒取樣線上的符號(hào)表示發(fā)射波束與接收回聲的焦點(diǎn)。兩種多普勒方式脈沖波多普勒（PW），具有距離選通能力，可設(shè)定取樣容積的尺寸，測(cè)值相對(duì)準(zhǔn)確，但檢查深部及高速血流受到限制。多譜勒頻譜分析技術(shù)的基礎(chǔ)是快速傅立葉變換-FFT。超聲工作頻率與脈沖重復(fù)頻率T0=1/f0Tp=1/PRF脈沖多普勒局限性脈沖多普勒測(cè)量血流速度受到脈沖重復(fù)頻率(PRF)限制；當(dāng)血流頻移大于1/2PRF時(shí)出現(xiàn)折返，這稱為尼奎斯特（Ngquist）極限；擴(kuò)大測(cè)量血流速度范圍，必須提高脈沖重復(fù)頻率（PRF）；反之，檢測(cè)低速血流，不能采用高重復(fù)頻率多普勒；PRF（脈沖重復(fù)頻率）高，則探測(cè)的距離淺；探測(cè)距離深，則測(cè)量血流速度低；采樣容積越小，則速度分辨力愈差；調(diào)大采樣容積不能提高PW檢測(cè)血流速度值。顯示方式頻移（速度）-時(shí)間顯示功率譜圖顯示三維顯示頻移（速度）-時(shí)間顯示時(shí)間速度/頻率頻移（速度）-時(shí)間顯示在速度/頻率——時(shí)間顯示的譜圖中，“橫軸”代表時(shí)間（時(shí)基），單位為秒（s）；“縱軸”代表速度（頻移），以KHz或cm/s表示。調(diào)節(jié)零位線，可擴(kuò)大PW血流速度檢測(cè)值?；€移動(dòng)，適用于單一方向（正向或反向）的血流頻譜信號(hào)，但不適用于同時(shí)具有正向和反向的血流頻譜信號(hào)。功率譜圖顯示紅細(xì)胞數(shù)目紅細(xì)胞流速功率譜圖顯示頻率（頻移）代表血流速度，振幅代表具有該流速的紅細(xì)胞數(shù)目。紅細(xì)胞數(shù)目多少與檢測(cè)的頻移范圍大小無(wú)關(guān)。在心臟和血管的多譜勒檢測(cè)中，功率譜可看作是采樣容積或聲束內(nèi)的紅細(xì)胞流速與紅細(xì)胞數(shù)量之間的關(guān)系曲線。三維顯示頻譜分析中的一些錯(cuò)誤概念頻譜分析是把不同位置（采樣）的血流頻移顯示在同一譜圖中便于分析；顯示多普勒頻譜可直接測(cè)量血流量。彩色多普勒血流顯像定義：在二維超聲圖的基礎(chǔ)上，用彩色圖像實(shí)時(shí)顯示血流的方向和相對(duì)速度的超聲診斷技術(shù)，稱為彩色多普勒血流成像法（CDFI）或彩色血流圖（CFM）。在二維超聲圖上，用彩色顯示運(yùn)動(dòng)組織的運(yùn)動(dòng)方向和相對(duì)速度的超聲診斷技術(shù)，稱為彩色多普勒組織成像法（CDTI）。彩色定義彩色圖，以紅、藍(lán)、綠三基色組成，規(guī)定以紅色表示朝探頭方向運(yùn)動(dòng)的血流，以藍(lán)色表示背離探頭方向運(yùn)動(dòng)的血流。單純紅色或藍(lán)色表示層流。綠色表示湍流。綠色的混合比率與血流的湍流程度成正比。正向湍流接近黃色，反向湍流接近青色。顏色愈鮮亮表示速度愈快，愈暗表示速度愈慢。血流的彩色顯示原理圖紅洋紅黃白綠青藍(lán)亮765432

暗1暗-1-2-3-4-5-6

亮-7血流方向正向反向藍(lán)青紅黃湍流慢慢快快血流速度MTI（MovingTargetIndicator）MTI是彩色血流顯像的核心技術(shù)之一。MTI的濾波特性好壞與彩色顯像質(zhì)量直接相關(guān)。從接收到的回聲中，只分離出血流信號(hào)成分，而濾去非血流信號(hào)（心室壁，瓣膜）。當(dāng)用于TDI時(shí)，作用正相反。自相關(guān)技術(shù)血流信息的自相關(guān)處理技術(shù)是彩色多普勒血流成像的核心技術(shù)之一。彩色多普勒血流顯像儀中自相關(guān)技術(shù)的作用是分析血流信號(hào)相位差，得出血流速度均值和血流方向。彩色顯像的局限性彩色顯像與PW一樣，存在類似的問(wèn)題。顯示深度受脈沖頻率影響；減少脈沖頻率最大速度又受影響；增加角度，每秒的成像速度也受影響。影響彩色多普勒成像幀頻最重要的因素是彩色取樣框大小及深度。彩色多普勒能量圖彩色多普勒能量圖（CDE），不受聲束與血流夾角的影響，無(wú)彩色信號(hào)混疊現(xiàn)象，它與血流中紅細(xì)胞的數(shù)量有關(guān)，對(duì)于低速血流檢測(cè)靈敏度高。CDE不能顯示血流的速度和方向。彩色血流成像調(diào)節(jié)時(shí)，改變探頭的角度彩色能量圖顯示不會(huì)隨之改變。

彩色標(biāo)尺彩超儀器有多種專門顯示血流的彩色標(biāo)尺，常用的有速度、方差、功率方式。心臟彩色血流的彩色標(biāo)尺應(yīng)選擇速度一方差顯示模式。提高彩色血流檢測(cè)敏感度不能選擇方差顯示方式。從使用角度評(píng)價(jià)彩色多普勒血流顯像儀，不滿意的是調(diào)節(jié)速度標(biāo)尺彩色血流顯示不變。彩色血流顯像的調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)彩色增益，濾波器及速度標(biāo)尺是調(diào)節(jié)彩色血流顯示的重要手段。彩色血流顯像濾波器的主要功能是濾除低速血流或高速血流。改變彩色血流圖的基線，使其向紅色標(biāo)尺方向調(diào)節(jié)，結(jié)果是藍(lán)色增多，反向血流測(cè)速范圍擴(kuò)大。調(diào)節(jié)彩血流顯像，調(diào)節(jié)脈沖多普勒的取樣容積是錯(cuò)誤的。彩色血流顯像的調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)“彩超”中的速度標(biāo)尺及濾波范圍：高速血流選調(diào)高速標(biāo)尺，低速血流選調(diào)低速標(biāo)尺，低通濾波適合檢查低速血流，高通濾波適合檢查高速血流。彩色血流顯像的一些錯(cuò)誤概念彩色多普勒血流顯像，改變?nèi)涌虻奈恢貌噬@示不變。彩色血流動(dòng)態(tài)信息顯示與彩超的數(shù)字化/非數(shù)字化技術(shù)有關(guān)。彩色多普勒血流顯像的工作流程包括完成圖像的編輯及病歷管理。彩色血流顯像，測(cè)量血流速度可以用于定量或半定量。測(cè)量血流量—定量及半定量分析是彩色多普勒血流成像品質(zhì)評(píng)價(jià)依