【医学ppt课件】超声基础

超声基础 上海第二医科大学附属仁济医院超声医学科李凤华 超声医学 Ultrasonicmedicine 是声学 医学和电子工程技术相结合的一门学科 是研究超声对人体的作用和反作用规律并加以利用 达到诊断 保健和治疗等目的的学科 包括超声诊断学 超声治疗学和生物医学超声工程 超声诊断学 Ultrasounddiagnostics 研究和应用超声的物理物性 以某种方式扫查人体 诊断疾病的科学称为超声诊断学超声检查 ultrasonicexamination 指运用超声波原理 对人体软组织的物理特性 形态结构与某些功能状态作出判断的非创伤性检查方法 超声医学基础 一 超声诊断的物理基础 声波的定义及分类 声波的定义 物体的机械性振动在具有质点和弹性的媒介中的传播现象称为波动 而引起听觉器官有声音感觉的波动则称为声波 声波的定义及分类 横波 指介质中的质点都垂直于传播方向运动的波 除骨路 肺外人体组均以纵波传播 声波的定义及分类 纵波 指介质中的质点都沿着传播方向运动的波 在纵波通过的区域内 介质的各点发生周期性的疏密变化 因此纵波是胀缩波 目前医用超声的研究和应用主要是纵波传播方式 超声检查成像原理 超声检查 ultrasonicexamination 是指运用超声波原理 对人体软组织的物理特性 形态结构与某些功能状态作出判断的非创伤性检查方法 超声波的波长极短 具有与光波十分相似的直线传播特性 医用超声频率范围 2 10MHz 基本物理量 超声波有三个基本物理量 即频率 f 波长 声速 c 它们的关系是 c f 或 c f 频率为单位时间内质点振动的次数 一般以每秒振动次数表示 以Hz为单位 每秒振动一次为1Hz 声速为单位时间波动传播的距离 常用单位为m s 人体软组织平均声速为 1540m s 或近似于是1500m s 波长为两个相邻振动波峰间的距离 常用单位为m 基本物理量 传播超声波的媒介物质叫做介质 不同频率的超声波在相同介质中传播时 声速基本相同 相同频率的超声波在不同介质中传播 声速不相同 人体软组织中超声波速度总体差异约为5 目前医用超声仪一般将软组织声速的平均值定为1541m s 通过该速度可测量软组织的厚度 声波的特性 反射 reflection 超声波在传播过程中 遇到两种介质所形成的界面 如介质间具有足够的特性阻抗差 0 1 而界面又大于超声波的波长 即可发生反射 反射声能的大小 则取决于特性阻抗差的大小 声波的特性 折射 refraction 折射 refraction 当分界面两边的声速不同时 超声波透入第二种介质后 其传播方向将发生改变即折射 声波从一种小声速介质向大声速介质入射时 声波经过这两种介质的分界面后出现折射波的折射角大于入射角 声波的特性 散射 scattering 散射 scattering 若界面小于超声波波长 则声波向物体的四面八方辐射 产生散射 散射是多向性的 朝向探头者称为背向散射 可被探头接收 红细胞的直径比超声波要小得多 是一种散射体 红细胞的背向散射是多普勒超声诊断的基础 声波的特性 衍射 衍射 当障碍物的直径等于或小于 2 超声波将绕过该障碍物而继续前进 反射很少 这种现象称为衍射或绕射 超声波的传播及成像原理 声阻抗 特性阻抗 Z c 为介质的密度 c为介质的声速超声波在声阻抗不同的介质中传播 可产生折射 反射 衍射 散射及多普勒效应 介质则吸收声波的能量 并产生声衰减 目前使用的超声诊断仪都是建立在回波的基础上 其物理基础便是人体内的声阻抗值是不同的 当声波穿过不同的组织器官时 其回声产生相应的变化 从而可提取各种诊断信息 声波遇到气体时 被全部反射 不能成像 声阻抗 impedance 介质密度 与超声波在其中传播速度 c 的乘积称为该介质的声阻抗 Z 即Z c 反映介质的密度及弹性 超声波在界面上反射的大小与界面两边介质的声阻抗差及超声波的入射角有关 人体软组织的声阻抗差异很小 只要有1 的声阻抗差 便可产生反射 通过接收反射和散射产生的回波 从而获得人体组织各层界面的位置 形态及组织内部结构的信息 分析其特征及规律 可判断组织或脏器病变的物理特征 如囊性 实性及囊实混合性 从而作出诊断 声衰减 attenuation 超声波在介质内的传播过程中 随着传播距离的增大 声波的能量逐渐减少的现象 其与介质对声波的吸收 散射及声束扩散等原因有关 其中介质对声波的吸收是主要因素 惠更斯原理 Huygensprinciple 惠更斯原理 Huygensprinciple 介质中波动传到的任何一点都可以看作是发射子波的波源 这些子波的包络决定了以后时刻的新波振面 多普勒效应 DopplerEffect 当声源与反射体之间存在相对移动时 使声源频率发生变化的现象称为Doppler效应 当声源与反射体作相向运动时 所接收到的声波频率高于声源所发出的频率 如这两者作相反方向运动时 则接收频率低于声源所发出的频率 两者的频率差 即频移 与它们之间的相对运动的速度成正比 多普勒效应 DopplerEffect 多普勒频移的表达公式为 fd fR f0 2Vcos f0 C 在公式中fd为多普勒频移 fR为反射频率 f0为入射频率 V为反射物体运动速度 C为声速 为运动方向与入射波之间的夹角 频谱多普勒 正频移为正向波 负频移为负向波 多普勒效应 彩色多普勒 正频移设为红色 负频移设为蓝色 超声波的发生与接受 压电效应 piezoelectriceffect 对某些非对称结晶材料进行一定方向的加压或拉伸时 其表面将会出现符号相反的电荷 这种现象称为压电效应 具有此性质的材料称为压电材料 主要有压电晶体 极化陶瓷 高分子聚合物等 当在压电材料上加机械振动时 材料表面产生电荷 即将机械能转变为电能 称为正压电效应 当在压电材料上加交变电信号时 材料几何变形 产生与交变信号同样频率的机械振动 即将电能转变为机械能 称为逆压电效应 产生超声波就是晶体的逆压电效应 超声波的发生与接受 医用超声换能器任何超声诊断仪均由以下三个组成部分组成 超声换能器 探头 部分 基本电路 包括计算机信号处理 部分 显示部分 超声换能器是发生超声波和接收超声回波的仪器 将电振荡变成超声 发射到人体内是换能器的发射作用 将超声回波转换成电信号回馈给接收电路是换能器的接收作用 在医用超声仪中 超声换能器被称为探头 医用超声换能器由三个部分组成 由外到内为 面材 压电材料和背材 二 超声诊断基础 B型超声诊断基础 BrightnessMode B型超声诊断法为辉度调制型 即把回声信号以光点的形式显示出来 回声强则光点亮 回声弱则光点暗 声像图中人体组织的回声强度顺序 肾中央区 肾窦 胰腺 肝 脾实质 肾皮质 肾髓质 肾锥体 血液 胆汁和尿液 正常肺 胸膜 肺 软组织 骨骼界面的回声最强 软骨回声很低 甚至接近于无回声 病理组织中 结石 钙化最强 纤维化次之 典型的淋巴瘤回声最低 甚至接近无回声 声像图分析 外形 脏器的外形正常 肿大或缩小 形态变胖或表面不平对疾病的诊断有价值 肿块外形是圆球形 条状 分叶状或不规则 肿瘤往往呈圆球形或椭圆球形 在探测时有球体感 边界回声 肿块有边界回声且平滑者 说明存在明显包膜 反之 无明显边界回声或形态不规则者 多为无包膜的浸润性病变 声像图分析 内部回声 器官和肿块的内部回声来自其内部结构的界面反射和微细结构的散射 人体组织超声回声强度分级 分为以下五个等级 强回声强回声后方常伴声影 见于结石 含气肺 胸膜 肺界面 骨骼表面等 高回声高回声与强回声不同 不伴有声影 见于肝脾等脏器的包膜等 等回声中等水平回声见于肝 脾实质等 低回声典型的低回声见于皮下脂肪组织 无回声典型的无回声见于胆汁 尿液 胸腹水 漏出液 等纯液性物质 声像图分析 声像图分析 后方回声 器官和肿块的出现后方声影 表示其衰减系数极大 反之 如果后方声影增强 表示其衰减系数较低 后方回声内收 表示其声速低于周围组织 反之后方回声外展 表示其声速高于周围组织 毗邻关系 正常器官与周围结构保持一定解剖关系 可以通过它们之间的关系进行识别 如根据脾静脉来识别胰腺等 同时 在产生病变时 也可以根据周围脏器的位置来鉴别肿块的来源 或根据毗邻结构的受压 浸润情况来了解病变情况 声像图分析 活动度和活动规律 正常器官和组织有一定的活动规律 病理改变时 器官的活动受限 提示存在粘连 浸润或外伤 同时 某些特定的活动规律是疾病的诊断依据 例如可滚动的强回声团块是结石的诊断依据 硬度 正常的器官有其各自的柔软度 如产生病理变化时 其原有的柔软度可消失或减退 排空 空腔脏器的排空功能是某些疾病的诊断依据 囊肿和实质性肿块的声像图比较 囊性肿块超声表现 外形呈圆形或椭圆形 内部呈无回声 前壁和后壁回声增强 侧壁回声消失 后方有回声增强 囊肿和实质性肿块的声像图比较 实质性肿块超声表现 外形不定 内部呈高 等 低回声 边界回声不定 侧缘声影不定 后方声影衰退或伴声影 囊肿和实质性肿块的声像图比较 肝囊肿 肝肿瘤 D型超声诊断法 多普勒超声诊断法Dopplermode 彩色多普勒血流成像 ColorDopplerFlowImaging 彩色多普勒血流诊断设备主要由脉冲多普勒系统 自相关器和彩色编码及显示器等组成 其图像输出方式是应用伪彩色编码技术 编码从自相关技术所获得的血流信息转变成可视影像来显示血流影像 伪彩色编码技术是由红 蓝 绿三种基本颜色组成 不同方向 速度 性质的血流以不同的颜色表示 D型超声诊断法 多普勒超声诊断法Dopplermode 目前 彩色多普勒超声仪一般均设定流向探头的血流为红色 背离探头的血流为蓝色 这两种不同方向的血流颜色的辉度水平与血流的速度成正比 即 速度越快 辉度越亮 速度越慢 辉度越暗淡 绿色常表示有湍流 其成分随湍流的比例增加而增加 层流的颜色显示为单纯的红色或蓝色 D型超声诊断法 多普勒超声诊断法Dopplermode 血流定量测定多普勒频谱技术为在生理条件下进行血流定量的无创伤研究提供了有效手段 临床上应用该技术可以测定血流速度 包括 瞬时速度 峰值速度 平均速度 主频速度 压力阶差及血流流量 包括 静脉血流量 动脉血流量 超声伪像 混响 混响 reverberations 超声垂直入射声阻抗差大的平整界面时 在界面与探头之间多次反射所形成的伪像 例如膀胱等表浅部位常出现回声延续的假性回声 可以通过侧动探头角度来鉴别 在组织内部两个界面之间的多次反射所形成的伪像是多次内部混响 例如胃肠道内的振铃状伪像 超声伪像 声影 声影 acousticshadowing 当声束遇到强反射 如含气肺 或声衰减程度很高的物质 如瘢痕 结石 钙化等 声束完全被阻挡时 在其后方出现条带状无回声区即声影 超声伪像 旁瓣伪像 旁瓣伪像 sidelobeartifact 在遇到强反射界面时 旁瓣回声能产生重影或虚影 常出现在液性暗区中 例如在胆囊或膀胱中的结石强回声两侧呈现的 狗耳 样图像 超声伪像 镜面伪像 镜面伪像 mirrorartifacts 遇到深部的镜面 即声阻抗差异较大的平整大界面时 在近侧的结构同时在图像的该界面另一侧出现的伪像 超声伪像 后方回声增强 后方回声增强 enhancementofbehindecho 前方的组织声衰减明显比两旁小时 其后方回声明显强于同深度的周围组织的伪像 例如 囊肿等液性结构的后方回声增强 而且内收 呈蝌蚪尾征 tadpoletailsign 临床上可以借此伪像鉴别液性与实质性 超声伪像 部分容积效应 部分容积效应 partialvolmeeffect 由于声束宽度引起周围组织重叠的伪像 也称为切层厚度伪像 三 超声仪器 超声诊断仪的组成部分 超声诊断仪由超声换能器 探头 部分 基本电路 包括计算机信号处理 部分 显示部分组成 超声换能器是发生超声波和接收超声回波的仪器 在医用超声仪中 超声换能器被称为探头 探头的类型 按工作原理可分为以下两大类 脉冲回声式探头和多普勒式探头 前者由同一晶片兼作发射和接受两种功能 按结构可分为单探头 机械探头和电子探头 目前的超声诊断采用的探头 大多既是B超探头又是多普勒探头 线阵型探头 构成 由几十乃至上千个阵元沿一直线排列组合 原理 由相邻的8 12个阵元构成的阵元组依一定顺序工作 用电子开关轮番地接通 形成线性扫描 评估 近场视野大 易受肋骨 气体影响 凸阵型探头 构成 阵元的窄条振子被均匀分布在凸形圆弧上 原理 同线阵 只是其波束是作扇形扫描 评估 能避开胸骨和肋骨遮挡 无噪音 可替代机械扇扫探头 超声诊断仪的类型 A超 Amplitudemodeultrasonograph B超 Brightnessmodeultrasonograph D超 Dopplermodeultrasonograph M超 Motionmodeultrasonograph A超 Amplitudemodeultrasonograph 以探头接收到的超声脉冲信号的幅度为纵坐标 而以超声脉冲的传播时间为横坐标的一种显示方式 型超声适用于简单解剖结构的检查 线度测量 如脑中线检查 眼科检查 B超 Brightnessmodeultrasonograph 显示的局部亮度代表回波的幅度的回波信息表示方法 在显示屏上 以探头阵元的位置为横坐标 以超声的传播时间纵坐标 并以回波幅度调制辉度 可得到探头扫查平面内的图象 频谱多普勒 频谱多普勒仪将多普勒频移信号的强弱以纵坐标的幅度来表示 频移的正负以信号波在基线的上下来表示 横坐标表示传播时间 其本质是一维的图象 这种显示可得到频移时间 速度大小 频移方向 信号振幅和频率范围信息 连续波多普勒 连续式多普勒使用双晶片探头 一个晶片连续地发射脉冲波 返回的声波由另一个晶体片连续地接收 理论上最大流速的测值无限制性 流速实际可测值常大于7米 秒 定量分析狭窄 分流和返流性病 其主要缺点是缺乏空间分辨能力 脉冲波多普勒 其超声脉冲波的发射与接收均以一个探头进行 它是在一选择性的时间延迟后 才开始接受回声信号 优点 疾病的定位诊断和血流的定量测定 缺点 受脉冲重复频率的限制 易频率失真 M超 Motionmodeultrasonograph 将沿声束方向各反射点位移随时间变化而显示 是一