超声物理基础及图像基础课件.ppt

1 全国大型医用设备使用人员上岗资格考试彩色多普勒 超声医师应知 应会 辅导材料 第一章 第四章 中国医学科学院基础医学研究所袁光华 2 3 4 二 频谱图与超声波1 谱图在很宽的频率范围内 机械波和振动都可以产生声音 这种频率范围叫做声学频谱 这个频谱从可听范围到构成物质振动状态的声子的范围 1012 在图1 1 1谱图中给出了声学频谱的图形解释 2 超声波人们能听到的声音 大约是20 20000Hz 高于20000Hz的声音叫做 超音 也就是通常所说的超声波图1 1 1声学频谱图 5 三 超声波应用范围在20到100KHz的频率范围内 很多动物都用超声波进行交流 导航及追捕它们的猎物 从100KHz 105Hz 到1MHz 106Hz 超声波最重要的应用就是声呐 声音导航及测距 2 5MHz到5MHz的频率用于心脏 腹部及软组织成像 这些频率能穿透组织可到达20 15cm的深度 5 10MHZ的频率的超声波可以用于小器官的成像 例如 腮腺 甲状腺 颈部血管及眼睛显像 它只需要4 5cm的穿透深度 10 30MHz用于皮肤及血管内检查 可以获得高分辩力的图像 40 100MHz用于生物显微镜成像 对眼活组织表面下的显微诊断 6 7 8 9 2 波长与介质的关系 1 同一介质不同频率的超声波 在同一介质内传播时其波长与频率成反比 1MHz的超声波在人体软组织中传播时 其波长为1 5mm 3MHz的超声波在人体软组织中传播时 其波长为0 5mm 5MHz的超声波在人体软组织中传播时 其波长为0 3mm 所以频率越高的超声波在同一脏器组织中传播其波长愈短 例如 用高频率的探头检查肝脏其波长也愈短 2 不同介质同一频率的超声波 在不同介质内传播 因传播声速不同 则波长也不相同 频率为3MHz的超声波在人体软组织中传播时 其波长为0 5mm 而在空气中传播 其波长为0 114mm 所以用同一种探头检查人体不同的组织时 由于声速存在差异 所以波长也是不相同的 10 11 人体组织的声像学特性 错误的是 A 软组织 肌肉 骨组织声阻抗不同 B 在肝组织中 3 5 Mhz 与 5 0 Mhz 探头检查声速相同 C 在软组织中频率高的超声波波长愈短 D 正常肝组织与肝占位病灶组织密度相同 E 10Mhz 超声波在虹膜中的声束大于巩膜中的声速 超声测距是按 1540 m s 平均速度设置电子尺的 下列测 量中哪项是错误的 A 测量肝 胆 脾 胰误差很小 B 测量脂肪组织大于真实值 偏大 C 测量胎儿股骨长径时小于真实值 偏小 D 测量颅骨钙化病灶测值偏小 E 测量眼组织玻璃体 角膜 虹膜无偏差 12 超声作用于人体组织的信息变化 13 二 超声波的反射是超声成像的基础1 分界面上的反射在两种不同介质的分界面传播时就可能发生反射和折射 图l 1 5表示一种简单的情况 所示其反射性能受到介质特性阻抗的影响 分界面两边的特性阻抗差将决定入射超声如何在透射和反射之间分配 图1 1 5分界面上的反射 2 介质的特性阻抗介质特性阻抗Z等于它的密度 和超声在其中的速度C的乘积 即 Z C l 1 2 物质的密度一般是固体 液体 气体 超声在介质中的速度是固体 液体 气体 故声阻抗值一般也是固体 液体 气体 人体软组织及实质性脏器的密度 声速和声阻抗与水相接近 因脏器内水的成份约占60 70 14 3 镜面反射如果特性阻抗相等 即Z1 Z 时 称为均匀介质 则不产生反射 如果特性阻抗不同 一部分超声波被反射 和光学情况一样 反射角等于入射角 这种反射称为镜面反射 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时是最简单的情况 此时 图1 2 3超声波的反射与透射 式中Z1是入射边介质的特性阻抗 Z2是透射边介质的特性阻抗 反射程度取决于Z1和Z2的相对值 Qi为声波入射角 Qr为反射角 Qi Qr Qj为透射角 1 2 2 反射系数 R1 15 16 5 阻抗差异小的界面反射特性如果Z1和Z 相当接近 则反射很少 但只要有1 的声阻抗差 就会产生反射波 所以超声波对软组织分辨力很高 软组织的特性阻抗彼此非常接近 垂直于肝一肾分界面的人射声波中反射回肝中的部分大约只占入射波能量的6 其余的94 透过界面送入肾 图1 1 7示出生物材料的特性阻抗 图中水平横条代表文献中报导的测量范围 软组织的特性阻抗都相当接近1 5 106kgm 2s 1 因此它们的密度大致都在1000kg m3左右 声速一般为1500m s 但肺的密度及声速都低得多 而骨骼的相应值侧高得多 界面反射是超声波诊断的基础 图1 1 7生物材料的特性阻抗 17 三 反 背 向散射是超声成像的重要信息来源1 散射在介质特性以粗糙表面 小障碍物或一组小障碍物形式出现时 只有几个波长或更小 上面计算平面分界面上反射量的公式就不能用 这时将有一部分能量被散射 Scattering 其程度决定于几何条件 如图1 1 8所示 每块面积把入射平面波作为球面子波加以散射 各子波组合起来便形成再发射的超声分布 a 孤立的小点不连续性所引起的球面散射 b 粗糙表面上的散射 散射场是各孤立球面子波的合成 c 一组小的颗粒引起的不连续性散射 散射场为各子波合成 图1 1 8引起超声散射的三种情况 18 19 20 21 22 23 24 2 衰减的表达式声波的声强I0与其传播距离X的关系为 Ix IOe 2 xIx为离声源距离x点的超声声强 x为离声源之距离 以厘米表示 e为自然对数之底 等于2 71 式中I0是x 0处的声强 为振幅衰减系数 是吸收和散射贡献的总和 即 a s 它几乎随频率而线性增加 声强或声压的衰减吸收以分贝 dB 作单位 分贝是个对数单位 采用它可以把相当大的电压比值用相当小的数值来描述振幅比值 6dB代表系数2 20dB代表系数1 0 6dB代表数0 5 20dB代表系数0 1 注意这些关系是很必要的 组织的衰减系数用dB cm作单位 生物组织的衰减系数不只决定组织的厚度 而且也决定于超声的频率 生物组织的衰减系数与频率成正比 所以频率高的超声波在人体组织中衰减愈大 只适用浅部器官的检查 25 超声在人体中传播特性 下列描述不对的是A 超声检查肺组织较困难是因为气与人体组织声阻抗差异大B 超声检查时要用耦合剂可减少气体干扰C 由于超声折射 检查胎儿有时会发生畸变D 因超声能量衰减 深部组织回声变弱E 由于超声波的散射 结石后方产生 声影 26 3 人体组织衰减程度一般规律人体软组织对超声波的吸收不仅与媒质的物理特性有关 而且与其生理状态有关 从临床实验得知 正常组织与病变组织对超声的反应不同 癌组织对超声吸收较大 炎症组织次之 血液和眼前房液的吸收最小 肌肉组织的吸收有所增加 纤维组织和软骨则能吸收大量能量 骨质的吸收更大 即 骨 或钙化 肌腱 或软骨 肝脏 脂肪 血液 尿液 或胆汁 液体内含蛋白成分的声衰越大 组织中含胶原蛋白和钙质越多 声衰减越大 27 人体不同组织的声衰减比较 28 人体不同组织声衰减的程度不同 下面何项不妥 A 骨骼 钙化极高B 肌腱 瘢痕声衰减高C 肝脏 肌肉属中等D 皮下脂肪组织属低衰减E 肺组织 含气 衰减程度更低 29 以下对组织声衰减的描述不正确的是 A 骨衰减程度极高 其后方伴有声影B 肌腱 软骨 瘢痕 衰减程度偏高 不伴有声影C 肝 肾 肌肉 心脑组织中等衰减 不伴有声影D 皮下脂肪衰减程度较低 不伴有声影E 血液衰减甚低 不伴有声影实性肺瘤声像图特征错误的是 A 边界回声可光滑 整齐或不规则B 外形常呈圆形 椭圆形或不规则C 内部有回声D 后方回声均有衰减E 侧方声影可有可无 30 人体组织 体液回声强弱排列顺序 正确的是 A 胰腺 肝脏B 肝脏 肾皮质C 肾皮质 肾髓质D 肾窦 胰腺E 胆汁 尿液 血液人体组织中 最易引起声衰减的是 A 皮肤 皮下脂肪B 肌肉C 肌腱D 肝 脾E 肺组织 31 七 超声波的衍射超声波在介质内传播过程中 如遇声阻不同的障碍物时 则声束方向和声强将发生改变 其变化的程度与障碍物之大小及声阻有关 若障碍物的直径大于 2 在该障碍物表面产生回声反射 在其边缘有少量绕射发生 若障碍物直径等于或小于 2时 超声即绕过该障碍物而继续前进 反射则很少 这种现象叫做衍射 diffraction 故超声波波长愈短 能发现的障碍物愈小 这种发现障碍物之能力 称之为显现力 发生衍射现象时 在障碍物的后方有一块没有声振动的区域 称为 声影 区 散射和衍射的重要区别在于散射时小障碍物又将成为新的声源 并向四周发射超声波 而衍射时 超声波仅绕过障碍物的边缘前进 32 33 三 超声波的分辨力 穿透力分辨力能在荧光屏上被分别显示为两个点的最小间距的能力 依方向不同可分为轴 纵 向分辨力和侧 横 向分辨力 1 轴向分辨力轴向分辨力是指声束穿过介质中能被分辨为前后两点的最小间距 它与超声波的频率成正比 从单纯理论上计算所能测到物体的最小直径 叫做最大理论分辨力 在数值上为1 2 在实际的B型超声设备中 轴向分辨力可以达2mm以下 图1 2 10表示出不同频率的超声波的轴向分辨力 图1 2 13轴向分辨率与频率的关系 34 2 侧向分辨力侧向分辨力是指与声束相垂直的面上 能被分辨两点的最小间距 它与超声束的宽窄带有关 声束越窄 细 其侧向分辨力越好 如图1 2 11所示 图1 2 14声束宽窄与侧向分辨力的关系 2020 1 29 35 可编辑 2020 1 29 36 可编辑 37 38 39 四 超声生物效应一定强度的超声在生物体中传播时 通过它们之间一定的相互作用机制 热机制 机械机制或空化机制 致使生物体系的功能和结构发生变化 40 1 空化作用 所谓空化作用就是指在液体中产生强超声时 会出现一种类似雾状的气泡 此种现象称超声空化作用 这种现象类似日常生活中所遇到的轮船推进器在产生推动力的同时会溅出气泡那样 这种空化作用使超声具有强烈的破坏作用 由于生物组织大多数属软组织 因此 在超声作用下 其细微结构多少会发生形变 在较大强度超声的作用下 如超声治疗所用的1W cm2以上的剂量 则生物组织会由于超声空化作用而产生不能复原的破坏性形变 以至使细胞坏死和整个生物组织坏死 这种强度剂量在超声治疗中 用以粉碎结石 血栓 在外科手术中 用更强的超声来作为非侵入性手术刀 但作为超声诊断 一般是禁止使用这种剂量的 41 2 热作用 生物组织在超声机械能的作用下 由于沾滞吸收 将一部分超声能转化为热能 使生物组织的温度上升 当超声辐射达到治疗剂量的强度时 热作用明显 并能使热量深入人体组织器官 甚至还会随着血液传导热能 在用超声进行治疗中得知 频率为800KHz 剂量为4w cm2的超声照射20s后 会在组织器官0 2 3cm的深处产生热作用 而起到治疗效果 HIFU 3 化学作用 超声的空化作用和热作用与化学作用是有机联系的 化学作用是氧化和还原作用 在高剂量超声情况下 因超声的化学作用还会破坏有机结构的蛋白质 42 4 超声诊断的安全因素超声诊断仪的输出脉冲声强是关系到人身安全的问题 尤其是孕产妇 胎儿影响更甚 超声诊断仪的超声源已列入国家强制检定项目 美国的510 K 导侧对于超声诊断设备的超声辐射 针对人体不同部位作规定 声强的定义空间峰值时间平均超强 Ispta 在声场中或某一指定平面上的时间平均声强的最大值 单位为w cm2 空间峰值脉冲平均声强 Isppa 在声场中或某一指定平面内的脉冲平均声强的最大值 单位为w cm2 最大声强度Imax 在空间最大值处 具有最大时间平均声强的脉冲半周期内的时间平均声强 单位为w cm2 真实声束声强 Iob 43 5 限定值表1 6 1为美国食品药品局 FDA 规定的超声强度限定值 限名定称IsppaW cm2Isptaw cm2Imaxw cm2值部位心脏190430310脉管190720310眼部281750胎儿等19094310 44 国际电工委员会IEC1157 92也作出了规定 Iob 20mW cm2 Ispta 100mw cm2如果超声诊断仪超出了这些规定值 必须公布其声输出的具体值 超声强度超出规定 将造成若干生物效应 如 育龄妇女早熟排卵 受孕率下降 胎儿体重减轻 生产后儿童发育迟缓等 6 超声照射时间及波形方式通常脉冲超声采用了短脉宽度 其平均声强是低的 与连续波超声相比 脉冲波超声较为安全 超声照射时间对生物组织会产生一定的影响 脉冲波声源可以照射的时间在30min内为好 在妊娠全过程期间使用超声诊断次数应控制在8 10次为好 45 第二节超声诊断图像基础一 超声成像的一般规律回声来源 来自大界面的反射和散射体的散射 界面反射与声束角度 界面与声束角度对图像影响较大 球形病灶常仅有前后壁回声 侧壁声常常消失 形成侧声影 衰减对成像的影响 物体衰减特征主要表现在后方的回声 囊性物体的声像图特征 内部为无回声区 前壁和后壁声增强 侧壁回声消失 后方有回声增强和侧声影 多重反射 超声强反射界面 在界面后出现一系列的间隔均匀的依次减弱的影像 成为多重反射 这是声束在探头与界面之间往返多次而形成 46 二 回声强度分级的条件1 通常使用的分级术语 1 高水平回声也可统称为强回声或较强回声 有的强回声常伴有声影 有的强回声伴随的声影不明显 2 中等水平回声亦称等回声 3 低水平回声亦称弱回声 还存在着接近无回声的很弱的回声 或 极低水平的回声 4 无回声 47 2 回声强度的分级与描述 48 囊肿和实性肿物的比较 以下描述何项不妥 A 典型的囊肿和实性肿物声像图 是容易鉴别的B 单凭外形 内部回声 有无后方回声增强或侧边声影来鉴别 均不可靠C 囊肿内均无回声 实性肿物内均有回声 故容易鉴别 D 部分小肿瘤如小肝癌 圆形 边界清晰 光滑 轻度后方回声增强E 有的恶性淋巴瘤呈圆形 边界清晰 光整 内部无回声酷似囊肿 49 胆道 泌尿系出血 感染时 胆汁 尿液回声强度变化规律是A 正常均匀性胆汁 尿液为无回声B 混有血细胞的胆汁 尿液回声增多C 混有凝血块的胆汁和尿液回声增多显著且不均匀D 混有微气泡的胆汁 尿液回声增多显著E 以上均正确 50 3 人体组织 体液回声强度的一般规律 1 均质性液体 介质 如胆汁 尿液为无回声 血液为很低回声 透明软骨 小儿肾锥体 可以出现无回声或接近无回声 2 非均质性液体 介质 尿液中混有血液和沉淀 囊肿合并出血或感染时回声增加 纤维化 钙化的软骨 非均质性改变 则由原来的无回声 或接近无回声 变成有回声 不能认为 液体均是无回声的 固体均是有回声的 51 以下人体组织 体液回声强度的描述 不正确的是A 骨骼和钙化的组织 回声显著增强B 软骨属于固体 但回声较弱甚至接近无回声C 均质性肝脏和脾脏呈低水平回声D 非均质性液体如囊肿内合并出血 回声可以增多 增强E 均质性液体如胆汁 尿液 通常为无回声 52 三 超声诊断的误诊因素 点状反射声源的横向变形 延伸 由于超声波束具有一定的宽度 所以在声束扫描检查时 点状反射源 目标靶 的回声波 在荧屏上呈现横向 声束移动方向 延伸 表现为横向失真 纵向变形 换能器激励电脉冲具有一定的宽度 它将引起界面或目标靶的声反射波沿纵向变形 使没有厚度的界面也表现一定的厚度 在有强反射界面或增益太大时 增厚现象更明显 甚至可使二条相邻介面重叠一条 所以超声脉冲宽度是影响纵向变形和分辨率下降的一个重要原因 重力变形 受检者的体位姿势对回声图像有明显影响 在各种不同体位姿势下都会表现出上 下的垂直延伸变形 这就是体位不同时的重力变形 反射和折射引起的变形 一个圆形体由线阵探头扫描 它可清楚的显示与声速较垂直的近段和远段 而与声束接近平行的两侧难于显示或不能显示 在回声图像中会将圆形体表现为两侧无显像区的似圆非圆的变形图像 由于声束的折射 对体内存在复杂的界面 会将其它方向的界面在声束直线方向上表现出来 出现假的界面 从而使回声图像变形 衰减变形 当超声波不能到达部位 即使该部位存在一些强反射界面 也不可能在那里产生回声 其回声图像表现为黑影 六 超声伪像包括 A型超声 B型超声 多普勒超声 彩色血流成像 三维成像 53 四 临床常见的声像图伪像1 混响混响 亦被通俗地称为 多次反射 1 外部混响声波在探头表面与平整界面之间如此来回反射 直至完全衰减 这种混响声像图表现为特征性的等距离排列的多条回声 其强度依次递减 经肋间和腹壁扫查时 此类混响伪像多见于胸膜 肺表面 正常含气肺 腹壁肌 筋膜 腹直肌鞘膜的后方器官 2 内部混响振铃伪像胃肠道内的含气性内容物 人体内的某些异物 如子宫内节育器 植入的人工瓣膜 眼球内金属异物 等 由于声波在成堆的微气泡中或在异物中亦称 靶 中多次来回反射 故称内部混响 其声像图特点 彗星尾征 彗星尾的长短不一 其强度和大小取决于含气量的多少和异物的形状 大小 性质 54 55 56 57 下列哪项与切面 断层 厚度伪像有关 A 发射超声的波长的宽度B 发射超声频带的宽度C 发射超声声束的宽度D 发射超声