超声基础知识总结

物理基础

基本概念――人耳听觉范围：20-20000HZ

超纵声波频率＞20000HZ――纵波（疏密波）：粒子运动平行于波传播轴；

诊断最常用超声频率：2-10MHZ

基本物理量：频率（f）、波长（λ）、声速（c）；三者关系：λ＝c／f

人体软组织的声速平均为1540m/s，与水的声速相近；骨骼的声速最高，相当于软组织平均声速的2倍以上。

超声场：发射超声在介质中传播时其能量所达到的空间；简称声场，又称声束。

声束的影响因素：探头的形状、大小；

阵元数及其排列；

工作频率（超声的波长）；

有无聚焦及聚焦的方式；

吸收衰减；

反射、折射和散射等。

声束由一个大的主瓣和一些小的旁瓣组成。超声的成像主要依靠探头发射高度指向性的主瓣并接收回声；旁瓣的反向总有偏差，容易产生伪像。

声场可分为近场和远场两部分

（1）近场声束集中，呈圆柱状；

直径――探头直径（较粗）；

（横断面声能分布不均匀）

长度――超声频率和探头半径。

公式：L＝（2r·f）／c

L为近场长度，r为振动源半径，f为频率，c为声速

（2）远场声束扩散，呈喇叭状；声束扩散角越小，指向性越好。

（横断面声能分布较均匀）

声束两侧扩散的角度为扩散角（2θ）；半扩散角（θ）。

超声波指向性优劣指标是近场长度和扩散角。

影像因素：增加超声频率；――近场变断、扩散角变小；

增加探头孔径（直径）――但横向分辨率下降。

采用聚焦技术――方法：固定式声透镜聚焦；

电子相控阵聚焦；

声束聚焦：采用声束聚焦技术，可改善图像的横向和（或）侧向分辨力。

固定式声透镜聚焦――将声透镜贴附在探头表面。

常用于线阵探头、凸阵探头；

可提高横向分辨力，但远场仍散焦。

电子相控阵聚焦――（1）利用延迟发射是声束偏转，实现发射聚焦或多点聚焦；可提高侧向分辨力；

常用于线阵探头、凸阵探头；

（2）动态聚焦：在长轴方向上全程接收聚焦。

（3）利用环阵探头进行环阵相控聚焦；

可改善横向、侧向分辨力；

（4）其他聚焦技术：如二维多阵元探头。

超声物理特性：

一、束射特性（方向性）――是诊断用超声首要的物理特性；

（如反射、折射、聚焦、散焦）

大界面：指长度大于声束波长的界面；大界面的回声反射有显著的角度依赖性。

入射声束垂直于大界面时，回声反射强；

入射声束与大界面倾斜时，回声反射减弱甚至消失。

两种介质存在真声阻抗，是界面反射的必要条件。

声强反射系数（R1）＝（Z2－Z1）2／（Z2＋Z1）

Z1，Z2代表两种介质的声阻抗；声阻抗＝密度×声速

界面回声反射的能量与界面形状密切相关：垂直于凹面――聚焦；

垂直于凸面――散焦；

垂直于不规则面――乱散射。

超声界面反射的特点：非常敏感。

人体许多器官如肝、脾、胆囊的包膜、腹壁各层肌肉筋膜以及皮肤层都是典型的大界面。

小界面：指小于声束波长的界面。其后散射（背向散射）回声无角度依赖性。

后散射：超声遇到肝、脾等实质性器官或软组织内的细胞、包括成堆的红细胞（称散射体），会发生微弱的散射波。散射波向四面八方分散能量，只有朝向探头的微弱散射信号――后散射（背向散射），才会被检测到。

现代超声诊断仪正是利用大界面反射原理，能够清楚显示体表和内部的表面和轮廓；还利用无数小界面后散射的原理，清楚显示人体表层，以至于内部器官、组织复杂而细微的结构。

二、衰减特性――衰减与超声传播距离和频率有关；

衰减的原因主要有吸收、散射、声束扩散。

软组织平均衰减系数：1dB/cm·MHz；

蛋白质成分是人体组织衰减的主要因素（占80%）。

衰减规律：骨＞软骨＞肌腱＞肝、肾＞血液＞尿液、胆汁；

超声的分辨力：显示器上能区分声束中两个细小目标的能力或最小距离。

影像因素：超声波得频率；

脉冲宽度；

声束宽度（聚焦）；

声场远近和能量分布；

探头类型；

仪器功能（二维图像中像素多少、灰阶的级数多少等）。

分类：空间分辨力（与声束特性有关）

――轴向（纵向）分辨力：与超声频率（正）和超声宽

度（负）有关；理论值：λ／2

横向分辨力：与探头厚度方向上声束的宽度和曲面聚焦性能有关；――常采用透镜聚焦

侧向分辨力：与探头长轴方向上声束的宽度有关；

――常采用相控聚焦

细微分辨力――宽频带和数字化声束处理；

对比分辨力――与灰阶级数有关；

时间分辨力――单位时间成像速度即帧频

超声的生物学效应――声功率：单位时间内探头发出的功率。单位：W或mW；

声强：单位面积上声功率。单位：W/cm2或mW/cm2；

ISPTA：空间峰值时间平均声强（mW/cm2）

ISPPA：空间峰值脉冲平均声强（W/cm2）

分贝：两个声强的比值；超声系统可控制的最大能量与最小能量之比为动态范围。

生物学分类――热效应：诊断用超声一般不会造成明显的温度升高；（mW/cm2级）

空化效应：可形成气体微泡；诊断用超声尚未得到证实；

对细胞畸变、染色体、组织器官的影响；

高强聚焦超声（HIFU）：热凝固和杀灭肿瘤细胞作用；

（KW/cm2级）

强烈机械震荡――用于碎石治疗；

在物理治疗学方面的作用（W级，一般0.5-3

W/cm2）

超声辐射剂量是超声强度与辐射时间的乘积。

热指数（TI）：1.0以下无致伤性，胎儿应调至0.4以下；眼球应0.2以下；

机械指数（MI）：指超声驰张期的负压峰值（MPa数）与探头中心频率（MHz）的平方的比值。1.0以下无致伤性，胎儿应调至0.3以下；眼球应0.1以下；

超声声学造影应采用低机械指数，可以防止微气泡破裂，提高造影效果。

多普勒超声技术的基础及应用

多普勒效应的公式：fd＝2Vcosθf0／c――V＝fd

c／2f0cosθ

在超声医学诊断中，V为红细胞运动速度；fd为多普勒效应产生的红细胞散射回声的频移；c探头发射的超声在人体组织中的传播速度；f0为探头发射的超声频率；θ为探头发

射的超声的传播方向与红细胞运动方向间的夹角。

分类――脉冲多普勒：选择性接收回声信号，所需检测位置的深度用延迟电路完成；

连续多普勒：无选择检测深度的功能，但可测很高速的血流；

高脉冲重复频率（HPRF）多普勒：增大检测血流的能力；可有多个取样容积。

多普勒超声所检测的不是一个红细胞，而是众多的红细胞，各个红细胞的运动速度及方向不可能完全相同，因此，出现多种不同颜色的频移信号，被接受后成为复杂的频谱分布（波形），对它用快速傅立叶转换技术（FFT）进行处理后，把复杂的频谱信号分解为若干个单频信号之和，以流速-时间曲线波形显示，以便于从中了解血流的方向、速度、时相、血流性质等问题。

脉冲多普勒技术的局限性：

（1）最大频移即最大测量速度受脉冲重复频谱频率的限制（fd＝PRF/2）

（2）PRF与检测深度（d）的关系：d＝c/2PRF，说明检测深度受PRF的影响；

（3）检测深度（d）与速度（v）关系：vd＝c2/8f0cosθ，为常数，v、d相互制约；

（4）当被检测目标的运动速度超过PRF/2时，出现混迭现象。

增大脉冲波多普勒技术检测速度、检测深度的方法：

降低发射频率；

移动零位基线；

减低检测深度；

增大超声入射角（θ），但cosθ在分母位置，值越小计算出速度值误差越大，所以此法不可取。

用HPRF的频谱多普勒：fd＝HPRF/2

彩色多普勒――原理：以脉冲多普勒技术为基础，用运动目标显示器（MTI），自相关函数

计算（自相关处理技术），数字扫描转换、彩色编码等技术，达到对血流的彩色现象。

三基色――红、蓝、绿三色；三基色混合时，可产生其他彩色，称为二次色；

红色加绿色产生黄色（二次色），就以红-黄表示正向高速血流。

种类――速度型彩色多普勒：以红细胞运动速度为基础；

能量型彩色多普勒：以红细胞散射能量（功率）的总积分进行编码；

速度能量型彩色多普勒：

显示方式――速度-方差显示：朝向探头―黄色；背向探头―青蓝色。

速度显示：朝向探头―红色；背向探头―蓝色；明暗表示快慢。

方差显示：高速血流显示时从单一彩色变为五彩镶嵌。

能量显示：适应于对低速血流的显示；明亮度表示多普勒振幅。

局限性――（1）受入射角的影响；

（2）超过尼奎斯特频率极限（PRF/2）时，彩色信号发生混迭；

（3）检测深度与成像帧频及可检测流速间的互相制约；

（4）对二位图像质量的影响；

（5）湍流显示的判断误差。

彩色多普勒技术的调节方法：

1、彩色标尺（PRF）的选择：中、低速血流――速度显示方式；

高速血流――速度-方差及方差显示方式；

2、发射超声频率：检测较浅表的器官、组织及经腔道检测――高频超声；

对高速血流的检测――低频超声；

对低速血流的检测，达到被检测深度的情况下―高频超声；

3、滤波器调节：低速血流――低通滤波；高速血流――高通滤波；

4、速度标尺：腹部及外周血管――低速标尺；心血管系统――高速标尺；

5、增益调节：检测开始时，用较高的增益调节，使血流易于显示；然后再降低增益使血流现象最清楚而又无噪音信号。

6、取样框调节：取样框应包括需检测区的血流，但不宜太大，使帧频及显像灵敏度下降；

7、零位基线的调节：零位基线下移，可增大检测的速度范围；

8、余辉调节：persistence调节钮可使帧频图像重叠，增大信/噪比，使低速度、低流量的血流更易于显示清楚；

9、扫查范围与方向的调节：较小的扫查范围（角度）可增加帧频，彩色显像更清楚。与血流方向相同的扫查方法，可使彩色显像更敏感，更清晰。

10、消除彩色信号的闪烁：可选用高速度标尺、高通滤波抗干扰，最佳方法是令病人屏住呼吸

频谱多普勒

血流流动学基础知识――一般规律：当雷诺数（Re）＞2000时成为湍流

能量守恒定律：ΔP＝4V2max；估算跨瓣压、心腔及肺动脉压；

质量守恒定律：ρAV＝恒定（连续方程），计算瓣膜口面积；

频谱多普勒技术的调节方法：

1、多普勒种类的选择：中、低速血流――脉冲多普勒；

高速血流――连续多普勒

2、滤波条件：检测低速血流，用低通滤波；对高速血流，用高通滤波；

3、速度标尺：选择与被检测血流相匹配的速度标尺；

4、取样容积：对血管检测，取样容积应小于血管内径；

5、零位基线：可增大频移测量范围；

6、频谱信号上下翻转：便于测量及自动包络频谱波形；

7、超声入射角：心血管系统检查θ≦20°；外周血管检测θ≦60°

频谱宽度（频带宽度）：表示在某一瞬间取样容积中红细胞运动速度分别范围的大小。

层流――窄频谱；

湍流――宽频谱；

取样容积小――窄频谱；

取样积大――宽频谱；

大动脉――窄频谱；

外周小动脉――宽频谱；

超声诊断仪

超声探头―核心部分：压电材料，如天然石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅、压电有机聚合物；

吸声材料（压电晶片背面）：产生短促的超声脉冲信号，提高纵向分辨率；

匹配层（声能压电晶片前面）：保护压电材料；使压电材料与人体皮肤之间的声阻抗相近；减少声能损失，提高探头灵敏度；

种类――电子扫描探头：线阵探头:采用电子开关控制；阵子呈直线排列；

凸阵探头：采用电子开关控制；阵子呈弧形排列；

相控阵探头：扫描角度80-90，最大深度20cm；用于心脏检查

机械扫描探头：扇形扫描探头；单晶片；电机驱动；

环阵（相控）探头；电子相控聚焦；电机驱动；

其他

旋转式扫描探头等

频率――单频探头：中心频率固定的探头（频带较窄）；

变频探头：可根据临床需要选择2-3种发射频率；

宽频探头：采用宽频带复合电材料（发射频率范围：2-5MHz、5-10MHz、6-12MHz）；接收时分三种情况：

选频接收：选择某一特定的1-3个中心频率；

动态接收：随深度变化选取不同的频率；

宽频接收：接收宽频带内所有频率回声；

高频探头：频率高达40-100MHz，如皮肤超声成像、超声生物显微镜等。

阵子数――是超声探头质量的重要标志。

1个阵元由4-6个阵子分组构成；

阵子数愈多，理论上成像质量愈好。

采用高密度探头，可提高声束扫描线的密度，图像分辨率显著提高。

超声成像