超声基本原理及仪器简介

1、超声基本原理及仪器简介来源：医学全在线 更新：2008-10-15 医学论坛一、超声的概念超声波是声波的一种，是机械振动在弹性介质中的传播；频率在16-20000赫（Herz）的声波人耳可以听到称为可闻声波；频率高于20000赫的声波，人耳听不到称为超声波。二、超声的物理特性（一）超声场特性：超声在介质内传播的过程中，明显受到超声振动影响的区域称超声场。超声场具有以下特点：如果超声换能器的直径明显大于超声波波长，则所发射的超声波能量集中成束状向前传播，这现象称为超声的束射性（或称指向性）。换能器近侧的超声波束宽度与声源直径相近似，平行而不扩散，近似平面波，该区域称近场区。近场区内声强

2、分布不均匀。近场区以外的声波以某一角度扩散称远场区。该区声波近似球面向外扩散，声强分布均匀，但逐渐减弱，换能器的频率愈高，直径愈大，则超声束的指向性越好、其能量越集中（图15-1-1）。近场距离，远场扩散角与换能直径及频率的关系如公式所示：L0=r2f/Csin=1.22/D式中L0为近场距离，r为换能器半径，f为频率，C为声速、为半扩散角、D为换能器直径，为超声波波长。L0近场区，半扩散角，D声源直径（二）超声的反射与散射1.声阻抗：介质的密度与超声在介质中传播速度的乘积称声阻抗。声阻抗值一般为固体>液体>气体。超声在密度均匀的介质中传播，不产生反射和散射。当通过声阻抗不同的介质

3、时，在两种介质的交界面上产生反射与折射或散射与绕射。2.反射、折射与透射：凡超声束所遇界面的直径大于超声波波长（称大界面）时，产生反射与折射。成角入射，反射角等于入射角，反射声束与入射声束方向相反（图15-1-2A）。垂直入射时，产生垂直反射与透射（图15-1-2B）。反射声强取决于两介质的声阻差异及入射角的大小。垂直入射时，反射声强最大。反射声能愈强则折射或透射声能愈弱。进入第二介质的超声继续往前传播，遇不同声阻抗的介质时，再产生反射，依次类推，被检测的物体密度越不均匀，界面越多，则产生的反射也愈多。图15-1-1 超声波的指向性L0近场区，半扩散角，D声源直径3.散射与绕射：超声在传播时，

4、遇到与超声波波长近似或小于波长（小界面）的介质时，产生散射与绕射。散射为小介质向四周发散超声，又成为新的声源（图15-1-2、C）绕射是超声绕过障碍物的边缘，继续向前传播（图15-1-2、D）。散射回声强度与超声入射角无关。图15-1-2 超声波的反射与散射A.成角入射时反射与折射；B.垂直入射时反射与透射；C.散射；D.绕射（三）超声衰减：超声在介质中传播时，随着传播距离的增加，声强逐渐减弱，这种现象称为超声的衰减。引起衰竭的主要原因是介质对超声的吸收（粘滞吸收及热传导吸收）。超声频率愈高，介质的吸收愈多；其次为能量的分散如反射、折射、散射等。使原传播方向上的能量逐渐减弱。（四）多普勒效应：

5、声源和接收体作相对运动时，接收体在单位时间内收到的振动次数（频率），除声源发出者外，还由于接收体向前运动而多接收到（距离/波长个）振动，即收到的频率增加了。相反，声源和接收体作背离运动时，接收体收到的频率就减少，这种频率增加和减少的现象称为多普勒效应（图15-1-3）。图15-1-3 多普勒效应三、超声诊断基础（一）人体组织的声阻与衰减系数超声诊断是通过人体各种组织声学特性的差异来区分不同组织。按照声学特性。人体组织大体上可分为软组织和骨骼两大类，软组织的声阻与水近似，骨骼则属固体。人体组织的声速、声阻抗、声吸收系数、衰减系数等反映人体组织的基本声学特性，人体不同组织的声学特性不同，见表1。人

6、体各种软组织的平均声速约为1540米/秒，声衰减系数约与声频率成正比。声频率1兆赫时，衰减系数约1分贝 /1厘米。表15-1-1 人体正常组织的声速、密度、声阻及衰减系数 声速 m/s密度 g/cm3声阻 g/cm2/s衰减系数 dB/cm MHz脂肪14760.95514100.63 0.87.0大脑15301.03815880.95 0.93.4脑脊液15231.0001523 血液15701.05516560.18 1.0肝15701.05016380.94 0.33.4水（37°）15230.9931513 颅骨33601.658557020 1

7、.6空气3320.001290.428 超声在人体内传播时，在两种不同组织的界面处产生反射和折射，在同一组织内传播，由于人体组织的不均匀性而发生散射。超声通过不同器官和组织产生不同的反射与散射规律，仪器利用这些反射和散射信号，显示出脏器的界面和组织内部的细微结构，作为诊断的依据。（二）正常脏器的回声规律：1.含液体脏器如胆囊、膀胱、血管、心脏等，壁与周围脏器及内部液体间为界面、液体为均匀的无回声区（图15-1-4A）2.实质性软组织脏器如肝、脾、肾等脏器均有包膜，周围有间隙，内部各有一定结构，如肝可以显示脏器轮廓、均匀的肝实质与肝内管道结构（图15-1-4A）3.含气脏器如肺、由于肺

8、泡内空气与软组织间声阻差异极大，在其交界面上产生全反射（几乎100），并形成多次反射（图15-1-4 B），即超声不能进入正常肺泡。胀气的胃肠亦如此。4.正常骨骼与周围软组织的差异大，在软组织与骨皮质交界处产生强反射，进入骨骼的超声由于骨松质组织吸收极多而不能穿透（除颅骨外）。其后方形成无回声区称声影（图15-1-4 C）。图15-1-4 正常人体组织与病理组织反射规律A、实质性脏器（肝）与含液体脏器（胆）的声象图规律。B、含气脏器（肺）的多次反射。C、骨骼的声象图（脊柱）D、肝肿瘤、内部回声不均匀、较强回声区呈团状，肝表面不平。E、胆囊内结石、胆囊无回声区中一强回声光团，后方有声影。（三）病

9、变脏器的回声规律：当脏器有病变时，由于病变组织与正常组织的声学特性不同，超声通过时产生不同正常的回声规律，各种病变组织亦各有其声学特性、其反射规律亦不相同。如肝内液性病变为无回声区，肝癌为强弱不均的实质性回声区、边缘不整齐（图15-1-4D），胆囊内结石则在无回声区中有强回声光团，后方有声影（图15-1-4E）。（四）超声多普勒：利用多普勒效应原理检测运动物体。当发射超声传入人体某一血液流动区，被红细胞散射返回探头，回声信号的频率可增可减，朝向探头运动的血流，探头接收到的频率较发射频率增高，背离探头的血流则频率减低。接收频率与发射频率之差称多普勒频移或差频。多普勒频移（fd）与发射频率（fo）

10、、血流速度（V）、超声束与血流间夹角（）的余弦成正比，与声速（C）成反比，公式为：fd=±2v/=±2v/Cfofd=±2v.cos/CfoV=fdC/2fo.cos式中fd、cos仪器均可显示，fo及C为已知，可以计算出V。声束与血流方向平行时可记录到最大血流速度，声束与血流方向垂直时则测不到血流信号。目前常用的超声多普勒有连续波多普勒（CWD）、脉冲波多普勒（PWD）及彩色多普勒（CDFI）。（1）连续波多普勒以频谱显示，可单独使用，亦可与二维超声心动图结合。接收取样线经过部位上所有频移信号，其优点为可以测定高速血流，常用于测定心脏瓣口狭窄或返流的高速血流。缺

11、点为不能区分信号来源深度。（2）脉冲波多普勒亦以频谱显示，与二维超声相结合，可以选择心脏或血管内任一部位的小容积血流显示血流实时频谱，频谱可显示血流方向（朝向探头的血流在基线上，背离探头的血流在基线下），血流性质（正常的层流呈空窗型如图14-1-5，湍流则呈充填型如图15-1-6），血流速度（频谱上信号的振幅）、血流持续时间（横座标显示时间）。可供定性、定量分析。其特点为所测血流速度受探测深度及发射频率等因素限制。通常不能测高速血流。（3）彩色多普勒：脉冲多普勒原理，在心脏或血管内多线、多点取样，回声经处理后进行彩色编码，显示血流速度剖面图，以红色代表朝向探头的血流、兰色代表背离探头的血流、与

12、二维超声心动图套叠显示，可直观地显示心脏或血管的形态结构及血流信息的实时动态图像，信息最大，敏感性高，并可引导脉冲或连续多普勒取样部位，进行定量分析。图15-1-5 正常脉冲多普勒频谱左图示超声束经血管内层流血流 右图为所显示正常血流频谱（空窗型）图15-1-6 脉冲多普勒湍流频谱左图示超声束经狭窄后的湍流血流。右图为湍流频谱（充填型）（五）超声对人体的影响超声是一种机械能，超声的产热和空化效应在人体内是否产生，取决于使用仪器的功率和频率，现在超声诊断仪的功率为10毫瓦/平方厘米，（超声治疗仪为0.52.5瓦/平方厘米），根据国内外实验研究证明对机体无损害作用，但对胎儿的检查时间不宜太长。医学

13、.全在.线四、超声诊断仪简介超声诊断仪由两大部分组成，即超声换能器及仪器。（一）超声换能器（Transducer）：超声换能器是由压电晶片组成，晶片受电信号激发发射超声，进入人体组织，遇不同声阻界面产生反射与散射、晶片又接收回声信号，转换成电信号、送入仪器。晶片将电能转换成声能（发射），又能将声能转换成电能（接收），称之为声电换能器。（二）仪器：目前所用超声诊断仪多应用超声脉冲回波技术，将接收到的回波信号、经过放大并显示在显示屏上。根据显示的方式不同，分为A（Amplitude）型、M（Motion）型、B（Brightness）型及D（Doppler）型已为临床广泛应用。其它如超声全息、超声

14、CT及超声显微镜等目前尚处于研制阶段。1.A型：属一维超声、回声强度以振幅显示、探头由单晶片构成，主要用于腹部、头颅、眼、胸腔等检查，现多已淘汰。2.M型：一维、光点显示、光点的亮度代表回声强弱、探头为单晶片，用于心脏、胎心、血管检查、显示心脏、血管结构的活动规迹曲线图又称M型超声心动图。3.B型：以二维、光点显示。（1）机械扫描：由单个晶片摆动或三个晶片转动扫描，探头内晶片由微电机带动，作扇形扫描、图像呈扇面形。（2）电子扫描仪：探头内有多数晶片构成，又可分为线阵：由数百个小晶片、排列成线形。凸阵：由数百小晶片排成弧形。相控阵：由32-64个晶片排成方形或矩形。显示图像呈矩形或扇形，线阵与凸

15、阵主要用于腹部、扇形主要用于心脏。现代高分辩力、高灵敏度仪器都具有实时（real time）显像，显示动态图像、灰阶（gray scale）编码及动态聚集功能，横向分辨力达2-3mm。时间增益补偿（Time gain compensation），以补偿由超声衰减造成的深部组织显示不清的缺陷。采用数字扫描转换器（Digital scan converter），增加了很多附加功能。如图像处理，图像轮廓增强，探头位置显示、字符显示、局部放大、停帧、拼幅、电子标尺，面积及心功能自动显示，产科胎儿测量计算及预产期显示等，便于临床使用。并多附有摄影、录像及打印机（printer）等现代记录设备，记录静态的

16、或实时图像供会诊或教学用。超声诊断工作原理方块图及各类型仪器显像原理示意见下图及图15-1-7至图15-1-11.高频信号发生器 同步器声电换能器 接 收 放 大 显示器超声诊断仪工作原理方块图4.超声多普勒仪：（1）连续波多普勒：一维、频谱显示、探头内有二个晶片一收一发，用于检测高速血流。（2）脉冲波多普勒：一维、频谱显示，探头由单晶片组成、兼收、发。常与二维超声相结合，用于检测血流速度、方向、性质等。（3）彩色多普勒：二维、光点显示、以伪彩色代表血流方向、性质及速度。多普勒用于检测心腔及血管内血流。彩色多普勒仪都具有B型、M型、连续波、脉冲波多普勒功能、根据需要任意选择使用。图15-1-7

17、 A型回声图示意图回声图（Y轴(振幅高度)代表回声强度、X轴代表深度图15-1-8 M型超声心动图示意图a、M 型扫描示意图；b、M型心动图Y轴代表深度，X轴代表时间图15-1-9 切面超声心动图示意图a、快速扇形扫描示意，b、切面超声心动图Y轴代表深度，X轴代表心脏长轴。图15-1-10 B型电子线阵显示示意图a、线阵仪扫描示意，b声象图显示，Y轴代表深度。X轴代表上下或左右图15-1-11 超声脉冲多普勒显示示意图a、多普勒取样部位显示。B多普勒频谱图。Y轴代表频移（血流速度）。X轴代表时间。五、超声诊断术语B型超声命名1.B型超声法又称二维超声扫描（Two-dimensional scan），超声切面显像（Cross-ection imaging），超声断层法（Ultrasound tomography），其图像称声像图（Ultrasonnogram）。2.声像图命名（1）以回声强弱命名：强回声光点或称高水平回声。中等回声光点可分为较强或较弱回声。低回声光点、低水平回