第一课超声显像基本知识.doc

一、超声显像基本知识

1、 什么是超声波，它与一般声波有什么不同？
超声是声波的一种。但其每秒的振动次数（频率）甚高，超出了人耳听觉的上限 （20000Hz），人们将这种听不见的声波叫做超声波。超声和可闻声本质上是一致的，它们的共同点都是一种机械振动，通常以纵波的方式在弹性介质内会传播，是一种能量的传播形式，其不同点是超声频率高，波长短，在一定距离内沿直线传播具有良好的束射性和方向性，目前腹部超声成象所用的频率范围在2∽5MHz之间，常用为3∽3.5MHz（每秒振动1次为1Hz，1MHz=106Hz,即每秒振动100万次，可闻波的频率在16－20，000HZ之间）。
2、 什么是超声的频率、声速和波长？
超声和一切波动一样，具有频率（f）、声速（c）、和波长（λ）三个物理量，三者之间的关系可用下列公式表示：c=f·λ。
频率（f）：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，每秒振动工次为1Hz。
声速（c）：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（λ）：波动传播过程中相邻的两个期中，对应点的距离或相邻的两个波峰或波谷间的距离，常用单位为mm。
波长、声速频率三个参数是超声诊断中最常用的物理量。
在人体软组织中传播时，超声频率与波长的关系如下表所示。
表1－1 常用超声的频率与波长

频率（MHz）  0.8  1.25  2.5   3.0  5.0  7.5  10.0  15.0
波长（m m） 1.88  1.20  0.6  0.5   0.3  0.2  0.15   0.1 
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3、 超声的发生和接收的原理是什么？
超声的发生是利用逆压电效应的原理，而超声的接收是利用正压效应的原理。超声诊断仪的探头里安装着具有压电效应性质的晶体片，由主机发生高频交电场，电场方向与晶体压电轴方法一致，压电晶片沿一定方向发生压缩和拉伸，当交变电流在20，000Hz以上时即产生超声，这种现象为逆压电交应，当有回声时，作用致电晶体片上，则晶体片上，则晶体片产生电荷，这种现为正压电效应（图1-1、图1-2）。

图1-1 正压电效应   
a. 晶体未受外力时，两侧不带电荷
b. 晶体受压力；c.晶体受拉力。

图1-2 逆压电效应
a.晶体两侧加电场时，长度伸展
c. 晶体两侧加与a相反的电场时，长度压压缩。
超声在介质中传播的过程中，遇到不同声阻抗的界面，反射回来的声能到达压电晶片。根据正压电效应的原理，回声的机械能变为电能，主机再将其转变的电信号经过处理，放大在荧光屏上显示出来。当电信号显示为振幅高低不同的波型时即为A型超声诊断法，显示为点状回声扫描时即为M型超声诊断法。显示辉度不同的点状回声进而组成图象时即为B型超声诊断法。显示超声的多普勒（Doppler）效应所产生的差频时即为D型超声诊断法;以上也分别为超声示波、超声点状回声扫描、超声显象和超声频移等诊断法。
4、 什么是超声换能器？
换能器是将一种物理能量变为另一种物理能量的器件。凡能将其它物理能量转变为超声能量的器件均为换能器。超声诊断仪的探头里安装着具有压电效应性质的晶体片。能将电能转变为声能，又能将声能转变为电能。完成物理能量的转变。所以，又将探头为换能器。医用超声诊断仪探头有多种形式，但其基本结构一致。还可根据需要制成使用功能不同，超声频率不一的各种各样的探头。
5、 什么是声阻抗，人体正常组织的声阻值是多少？
声阻抗是表示介质声学特性的一个重要物理量。声阻抗（Z）等于介质的密度（P）和声速（C）的乘积，声Z=P×C,当P的单位是g/cm3 时，声阻抗的单位是瑞利。人体正常组织的声阻抗见下表。
表1-2 人体正常组织的声阻抗
组织器官
密 度  g/cm3
声 速   m/s
声阻抗（×105 瑞利）
大 脑     
1.038
1540
1.588
小 脑
1.030
1470
1.514
脂 肪
0.955
1476
1.410
软 组 织
1.016
1500
1.590
肌 肉
1.074
1568
1.648
肝 脏
1.050
1570
1.648
肾 脏
-
1560
-
颅 骨
1.658
3360
5.570
胎 体
1.023
1505
1.579
羊 水
1.013
1474
1.463
血 液 
1.055
1570
1.656
眼晶体
1.136
1650
1.874
肺及肠腔气体
0.00129
332
0.000428
  6、 什么是超声的束射性？
当声源的直径甚大于传播介质内的波长时，超声的能量高度集中，成束状前传达室播，这就是超声波的束射性。从声源发出的超声波最近的一段声束几乎平行，这段区域为近场区。远离此区后，声束向前稍有扩散，为远场区。扩散的声束与平行声束间形成的夹角叫做扩散角（θ），如图1-3。

图1-3超声场扩散角示意图
从上图可以看出，半扩散角愈小，束射性愈好，则方向性愈强，探测效果愈好，从公式中可以看出，探头的半径r愈大，则半扩散角就愈小。
7．什么是超声反射与折射？
当声波从一种介质向另一种传播时，如果两者的声阻抗不同，就会在其分界面上产生反射和透射现象，使一部分能量返回第一种介质。另一部分能量，穿过界面进入第二种介质，继续向前传播。当两种不同介质的声阻抗差达到此为止0.1℅时，便能产生超声反射。
如果界面的尽寸大于声束的直径为大界面，这时其反射规律遵循几何学的反射定律，即；反射角（β）等于入射角（α）。显然，当超声的入射角大于0°时，由于反射角等于入射角，反射的声束就不能被一探头全部接收。当入射角接近0°时，反射的声束就可全部为同一探头所接收，所以，在超声诊断中，应注意手法，不断地转动或侧动探头，使入射声束方向与被探测脏器的表面垂直，以期得到尽可能多的回声。(图1－4）

8、什么是超声的绕射和散射？
绕射。声波在传播过程中，如遇到直径小于超声半个波长的障碍时，其声波会绕过障碍物而继续传播为绕射。如障碍物直径比波长的1/2小，则绕射现象更为明显。所以，诊断用的超声波仪器，常规要求对探测的对象加以选探，以使波长较被探测对象小很多，使绕身现象不显著或很小发生，从而提高分辨分。
散射。如果界面的尺寸小于声束的直径，为小界面。入射超声遇到小界面时，发生散射现象（图1-5）

图1-5超声传播图示
a发射；b绕射；c散射
9、什么是超声的吸收和衰减？
超声在介质的传播过程中，将随着传播距离的增加而减小，这种现象为超声的衰退减。
衰减的原因主要有两个方面：超声在其传播过程中由于反射和散射，使其一部分声能偏离其探测方向，而造成探测方向上声能的减小。另一方面是介质的吸收作用，将一部分声能转化成另一种能量（往往是热能），而使声强减小。衰减为反射、散射及吸收等效应的总和。
由于介质对超声能量的这种吸收和衰减作用，同样的组织在不同的距离上所得到的回声强度就不同，这一点在分析不同浓度界面回声强度上，应加以注意。
衰减的强弱通常用衰减系数来表示，其单位dB/cm，即经过1cm距离超声能量减小的分贝数。不同的介质不不同的衰减系数。不同频率的超声波，介质对它的衰减也不相同。一般认为：人体软组织的衰减系数与频率成正比。所以频率低的超声波其穿透力要强一些，反之，其穿透力弱些。
10、什么是超声的分辨力？
超声的分辨力是指超声诊断仪能够区分两个相邻界面的能力。分为轴向、侧向和横向三种分辨力。
（1） 轴向分辨力。是指在超声束轴线上，能分辨两点（两个病灶）间的最小纵深距离。这与脉冲宽度有关（脉冲宽度=脉冲时间×超声声速）。只有当两上障碍物（或病灶）相蹑大于脉冲宽度的1/2时，超声才能分别产生两个回声。目前用陶瓷制成的压电晶片脉冲宽度大约为1чs向分辨力为1mm左右。
（2） 侧向分辨力。是指垂直于超声束轴线平面上与线阵探头轴方向一致的轴线上，能分辨相邻两点（两个病灶）间的最小距离。侧向分辨力与超声束直径有关，只有当超声束直径小于两点距离时，才能把这两点显示出来。否则形成一个回声。在近场处的超声束与换能器直径大相同，远场的超声束宽度随着扩散角扩大而增大。因此，其侧向分辨力也随着传播加大下降。如采用电子聚焦，则侧向分辨力可大大得到改进。
（3） 横向分辨力。为与侧向分辨力在一平面上，是相互垂方向轴线上的分辨力。可用焦声透镜获得改善。
11、何谓超声仪的灵敏度？
灵敏度是指在某一具体条件下能够探测出界面声阻抗改变甚小的界面也能发生反射，灵敏度低需要界要的声阻抗差较大进才能有回声。灵敏度与许多因素有关，就仪而言，“输出”越大，放大器的“增益也越大，“抑制越小，则灵敏度越高，反之则灵敏度就低。在探测过程中，应根据脏器的不同和病灶的声学性质不同，不断地调整灵敏度，才能取得理想的切面图，有利于不同病变的鉴别。
12、什么是A型、B型和M型超声诊断仪？
（1） A型超声谯仪是用幅度调制型进行诊断的和中方法，由于幅度（amplitude）一词的英文单词第一个字母为A，故A型超声诊断。以回声振幅的高低和波数的流密显示。纵坐标代表回声信号的强弱，横坐横代表回声的时间（距离）。常用A型越声诊断仪测量组织界面距离，脏器大小，鉴别病变的声学性质，结果比较准确。
（2） B型超声诊断是辉度调制型，因brightness modulation 词组的第一个字母为B，故B型超声诊断。以点状回声的亮度强弱显示病变。回声强则亮，回声弱则暗。当探头声束按次序移动时，示波屏上的点状回声与之同步移动。由于扫描形成与声束方向一致的切面回声图，故属于二维图象，具有真实性强、直观性好、容易掌握和诊断方便等优点。按成象的速度，可分为慢速成象法和快速成象法。慢速成象只能显示脏器静态解剖图象，图象清晰、逼真、扫描与检查的空间范围较大至甚小。快速成象能显示脏器的活动状态，也为实时显象诊断法，但所显示的面积较小。
（3） M型超声诊断仪是一种单轴测量距离随着时间变化的曲线，用于心脏检查为单声束超声心动图。它把心脏各层结构的反射信号以点状回声显示在屏幕上。当心脏跳动时，这些点状回声作上下移动。此时，在示波管水平偏转板上加入一对代表时间的慢扫描锯齿波，使这列点状回声沿水平方向缓慢扫描，显示心脏各层的运动回波曲线。图象垂直方向代表人体深度，水平方向代表时间。由于探头位置固定，心脏有规律地收缩和舒张，心脏各层组织和探头间的距离便发生节律改改变。因而，反回的超声信号也同样发生改变。随着水平方向的慢扫描，便把心脏各层组织的回声显示成运动的曲线，即为M型超声心动图。
在新式的超声诊断仪中，一台仪器往往可双重显示或多重显示，即在同一屏幕上能分别显示B 型、M型、A型和D型的多种组合，可提供更可靠的诊断信号。
13、什么是深度（时间），增益补偿（T、G、C或S、T、C）？
超声在人体传播时，由于吸收和衰减，使近距离的回声强，远距离的回声弱。1MHz的超声信号在人体内传播1cm，衰减1dB。
为了适应诊断的需要，能得到深浅部位相同质量的图象，必须抑制某处的强回声、增强某处的弱回声、设置时间、增益控制电路，也为时间、增益补偿电路（T、G、C） 。
时间，T、G、C系统，从总的衰减角度考虑，以时间（即深度）函数予以补偿，使条件相同的病变于不同的深度处获得甚为相近的图象表现，进行对比，尚可将深部的低回声提升，使之显示。但使用了T、G、C系统而失去了对组织衰减的提升，使之显示。所以，有一部分学者主张使用非T、G、C系统。然而，使用T、G、C系统者占多数。有的仪器具有两种功能兼备的系统装置。
14、何谓聚焦式声束？常采用哪几种聚焦方式？
非聚集式声束其侧（横）向分辨力等于基大于声源的直径。因而其空间的噪声增大，而其组成图形的点状回声粗糙，使细小结构不易辩认。为了提高图象的清晰度，并声束进行聚集，B型成象系统中多使用聚集式声束，现代仪器采用了多种聚焦方式，一般彩以下几种。
（1） 机械聚集。利用光学上同样的原理，使用声透镜凹面晶片制成聚集探头以达到聚集声束的方法（图1-6）
图1-6机械聚集探头示意图
上图为凹面晶片制成的探头；
下图为平面型晶片加声透镜制成的探头。
（2） 短轴聚集。对于多晶片的线阵探头，把晶片的纵轴方向叫做短轴，而把晶片排列的方向为长轴。在短轴方向上，往往采用凹面晶片聚集或声透镜聚集方式，使得切面变薄，防止信息的重叠。（图1-7）
（3） 长轴电子聚集。通常应用电子聚集方式，即接收电子相控延迟，组成球面型聚集（即相控阵电子聚集）与非球同聚集，前者仅有一个焦点，后者可在全部深度范围内均具有接声束的聚集效果，大大提出仪器的侧向分辨力。
（4） 动态聚集电子聚集虽然可以使焦点附近区域的波束变细，但非聚集区的波束依然很多宽。为此，在电路中采用了动态聚集的方法，使波束在处深度范围都得以聚集。取得焦点越多成象速度慢。
15、超声成象中常见哪些伪差？
超声成象中的各种伪差有以下几种。
（1）速差（全反射）声影。由于超声从声速较低的介质进入声速较大介质，在入射角超过临界角时，在图象上出现声影。应与结石、骨骼产生的声影相区别。速差声影多发生在组织或脏器的两侧边缘部位，如胆囊或囊肿的两侧边缘处，羊水中胎头的两侧缘处，鞘膜积睾丸两侧边缘处等。
（2） 多次反射造成的假界面。超声经过衰减甚小的区域而遇到一个较平的界耐用，可在这个界面上将超声反回探头，并出现多次反复。在图象上则表现为脏器的前壁下方的条状多层平行回声。如探测充盈尿液的膀胱时，膀胱前壁呈现多层模糊不清的结构。
（3） 声束旁瓣造成的假界面。声束主瓣系沿探头面的中心轴分布，在这个中心轴线的两侧尚有数对能量较弱的旁瓣，其分布方向与中心轴线间形成一锐角。旁瓣遇到界面亦产生反射回声。因其传播途径较主瓣长，能量又小，故对同一界面产生在主瓣回声图形的两侧具有光亮度甚淡的浅拱形侧出现“纱状披肩“图形。
（4） 薄层气体干扰的伪差。胃底或十二指肠部的薄层气体，除其多次反射造成假界面外，其声影可使下方组织不显示。例如十二指肠内薄层气体可掩盖其下方的肝及胰腺头部。在膀胱后方肠道内，薄层气体作为一个强反射界面，产生膀胱区的多次反射。声象图上 膀胱的深部出现另一个无回声区，可被误为“囊肿”存在。
（5） 低衰减区的伪差。含液区域或脏器，例如胆囊，因其后缘增强效应，而使胆囊下方的肾皮质及反射超过肝组织，可影响对其识别。同样，正好在胆囊下方的肝癌结节亦可因为后缘增强效应的掩盖而被忽略。
（6） 高衰减区的伪差。上腹部横断面上镰状韧带以及延伸至圆韧带部位其衰减较多，下方组织的回声正常大为减少，胰腺可被掩盖显示不清，皮肤上的疤痕，皮下结节及肌层的疤痕组织亦有类似的表现。
（7） 声束剖面伪差。同一结构因声束剖面的大小在图象上呈不同的显示，在聚集区中图象呈现细而清晰，在聚集区以外则变粗模糊。例如膀胱后壁如处于非聚集区，其图象上稍有不平，并非一定为后壁内膜的不光滑。
（8） 增益调节伪差。增益过低，可使低回声的界面显示不清，亦可使实质性结构表现为无回声暗区。如增益过高，噪声增大，可掩盖微小的病变反射区，亦可使浅表的小囊肿误认为实质性肿块。
（9） 其他。例如空间定位伪差、图形的声速失真和图形切面厚度中的信息

16、什么是多普勒效应？
当声源与声接收器之间有相对运动时，接收器所接收到的声波的频率就会发生改变，这种物理现象为多普勒效应。
根据上述情况作以下的解释（图1-8），设声源发出声波的的频率为f，当声源与声接收器相对静止时，由于声波以速度C向前传播，声接收器在单位时间里所收到波的个数也正好是f个，即收到的声波频率仍是f。当声接收器以某一速度向着声源运动时，情况就不完全一样。设在单位时间里声接收器运动到了如图所示位置，则在这段时间里，声接收器所收到的波的个数比静止状态时要多。换句话说，声接收器收到（感觉到的）频率增高了，当反向运动时，声接收器收到的声波的频率要降低。相对运动的速度愈高，则收到的声波频率改变愈大。医学上利用这种超声多普勒效应，来测定人体器官的运动状态，如心脏、血管和胎心等的活动。

图1-8 多普勒效应示意图
17、 为什么在显示时会遗漏有价值的回声信号？
（1） 声影的遮盖；
（2） 探测方法不当，声束偏离了垂直入射；
（3） 不适当地调节扫查及灵敏度控制钮。
18、 如何保护超声显象仪？
超声显象仪属精密电子仪器，为保持仪器性能在最佳状态，减小故障，延长其使用寿命，必须加以保护，一般应注意以下几个方面。
（1） 电源稳压设备。超声显象必须配备精密的交流稳压电泊，以免电压的波动和网络杂波、尖峰等干扰而影响仪器性能。稳压电源建议采用苏州通达仪器厂制造的通达牌PS系列净化电源。该电源经过长期使用效果好良好，性能稳定。功率大小可根据超声显象仪的用电功率选用。一般选用比超声显象仪用电总功率大一倍的交流稳压电源为宜。
（2） 防潮湿措施。仪器应放置在干燥的环境中使用，空气相对温度控制在此30%至90%之间。相对温度过高可直接损坏电子元器件，霉雨潮湿季节。如果发现机内外有小小水滴凝集时，应先开空调机或进行室内内空气的干燥处理，待水滴消失后，才能使用仪器。
（3） 温度调节。仪器工作温度为10∽40℃。最佳工作温度为22∽27℃。为此室内应安装具有制冷、热两种功能的空气调节装置。使用仪器前应无调节室温。为了保持室内环境有相对稳定的温度和湿度，尽量减小门窗的开、关次数，有利于仪器的正常工作。
（4） 防上撞跌。仪器主机和探头均不能撞跌，搬运、安装时应特别注意。操作过程中应当心探头的使用，做到轻拿轻放，不得碰撞。
（5） 防止强光照射。强头（阳光、日光灯及其他高亮度照明光源）照射，最易使示波屏上的荧光粉老化，影响图象质量。
（6） 仪器的使用。机器工作之前，首先打开检查室门窗通风片刻，然后调节室内温度。打开总电源，开稳压器约2∽3分钟，待电压稳定后即可开机。工作时间内，如有一段等候时间，通常不必停机，可减低辉度用以保护示波屏。但也有人主张在一个工作单位时间（例如4小时）的中间停机10∽15分钟，以利散热，延长仪器寿命。工作结束时，探头进行必要的保养，盖上防尘罩，再行室内卫生整理。