物理診斷學/基本原理及儀器簡介
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目錄 |
一、超聲的概念
超聲波是聲波的一種，是機械振動在彈性介質中的傳播；頻率在16-20000赫（Herz）的聲波人耳可以聽到稱為可聞聲波；頻率高於20000赫的聲波，人耳聽不到稱為超聲波。
二、超聲的物理特性
（一）超聲場特性：超聲在介質內傳播的過程中，明顯受到超聲振動影響的區域稱超聲場。超聲場具有以下特點：如果超聲換能器的直徑明顯大於超聲波波長，則所發射的超聲波能量集中成束狀向前傳播，這現象稱為超聲的束射性（或稱指向性）。換能器近側的超聲波束寬度與聲源直徑相近似，平行而不擴散，近似平面波，該區域稱近場區。近場區內聲強分布不均勻。近場區以外的聲波以某一角度擴散稱遠場區。該區聲波近似球面向外擴散，聲強分布均勻，但逐漸減弱，換能器的頻率愈高，直徑愈大，則超聲束的指向性越好、其能量越集中（圖15-1-1）。近場距離，遠場擴散角與換能直徑及頻率的關係如公式所示：
L0=r2f/C sinθ=1.22λ/D
式中L0為近場距離，r為換能器半徑，f為頻率，C為聲速、 θ為半擴散角、D為換能器直徑，λ為超聲波波長。
L0近場區 θ半擴散角 D聲源直徑
1.聲阻抗：介質的密度與超聲在介質中傳播速度的乘積稱聲阻抗。聲阻抗值一般為固體>液>氣體。
超聲在密度均勻的介質中傳播，不產生反射和散射。當通過聲阻抗不同的介質時，在兩種介質的交界面上產生反射與折射或散射與繞射。
2.反射、折射與透射：凡超聲束所遇界面的直徑大於超聲波波長（稱大界面）時，產生反射與折射。成角入射，反射角等於入射角，反射聲束與入射聲束方向相反（圖15-1-2A）。垂直入射時，產生垂直反射與透射（圖15-1-2B）。反射聲強取決於兩介質的聲阻差異及入射角的大小。垂直入射時，反射聲強最大。反射聲能愈強則折射或透射聲能愈弱。進入第二介質的超聲繼續往前傳播，遇不同聲阻抗的介質時，再產生反射，依次類推，被檢測的物體密度越不均勻，界面越多，則產生的反射也愈多。
圖15-1-1超聲波的指向性
L0近場區 θ半擴散角 D聲源直徑
3.散射與繞射：超聲在傳播時，遇到與超聲波波長近似或小于波長（小界面）的介質時，產生散射與繞射。散射為小介質向四周發散超聲，又成為新的聲源（圖15-1-2、C）繞射是超聲繞過障礙物的邊緣，繼續向前傳播（圖15-1-2、D）。散射回聲強度與超聲入射角無關。
圖15-1-2超聲波的反射與散射
A.成角入射時反射與折射。B.垂直入射時反射與透射C.散射。D.繞射。
（三）超聲衰減：超聲在介質中傳播時，隨著傳播距離的增加，聲強逐漸減弱，這種現象稱為超聲的衰減。引起衰竭的主要原因是介質對超聲的吸收（粘滯吸收及熱傳導吸收）。超聲頻率愈高，介質的吸收愈多；其次為能量的分散如反射、折射、散射等。使原傳播方向上的能量逐漸減弱。
（四）都卜勒效應：聲源和接收體作相對運動時，接收體在單位時間內收到的振動次數（頻率），除聲源發出者外，還由於接收體向前運動而多接收到（距離/波長個）振動，即收到的頻率增加了。相反，聲源和接收體作背離運動時，接收體收到的頻率就減少，這種頻率增加和減少的現象稱為都卜勒效應（圖15-1-3）。
圖15-1-3都卜勒效應
三、超聲診斷基礎
（一）人體組織的聲阻與衰減係數
超聲診斷是通過人體各種組織聲學特性的差異來區分不同組織。按照聲學特性。人體組織大體上可分為軟組織和骨骼兩大類，軟組織的聲阻與水近似，骨骼則屬固體。人體組織的聲速、聲阻抗、聲吸收係數、衰減係數等反映人體組織的基本聲學特性，人體不同組織的聲學特性不同，見表1。人體各種軟組織的平均聲速約為1540米/秒，聲衰減係數約與聲頻率成正比。聲頻率1兆赫時，衰減係數約1分貝 /1厘米。
表15-1-1人體正常組織的聲速、密度、聲阻及衰減係數
| m/s g/cm3g/cm2.s）dB/cm MHz |
| 脂 脂 1476 0.955 14100.63 0.8～7.0 大 腦 1530 1.038 1588 0.95 0.9～3.4 腦 脊 液 1523 1.000 1523 血 液 1570 1.055 1656 0.18 1.0 肝 1570 1.050 1638 0.94 0.3～3.4 水（37°） 1523 0.993 1513 顱 骨 3360 1.658 5570 20 1.6 空 氣 332 0.00129 0.428 |
超聲在人體內傳播時，在兩種不同組織的界面處產生反射和折射，在同一組織內傳播，由於人體組織的不均勻性而發生散射。超聲通過不同器官和組織產生不同的反射與散射規律，儀器利用這些反射和散射信號，顯示出臟器的界面和組織內部的細微結構，作為診斷的依據。
（二）正常臟器的回聲規律：
1.含液體臟器如膽囊、膀胱、血管、心臟等，壁與周圍臟器及內部液體間為界面、液體為均勻的無回聲區（圖15-1-4A）
2.實質性軟組織臟器如肝、脾、腎等臟器均有包膜，周圍有間隙，內部各有一定結構，如肝可以顯示臟器輪廓、均勻的肝實質與肝內管道結構（圖15-1-4A）
3.含氣臟器如肺、由於肺泡內空氣與軟組織間聲阻差異極大，在其交界面上產生全反射（幾乎100％），並形成多次反射（圖15-1-4B），即超聲不能進入正常肺泡。脹氣的胃腸亦如此。
4.正常骨骼與周圍軟組織的差異大，在軟組織與骨皮質交界處產生強反射，進入骨骼的超聲由於骨松質組織吸收極多而不能穿透（除顱骨外）。其後方形成無回聲區稱聲影（圖15-1-4C）。
圖15-1-4正常人體組織與病理組織反射規律
A、實質性臟器（肝）與含液體臟器（膽）的聲象圖規律。
B、含氣臟器（肺）的多次反射。
C、骨骼的聲象圖（脊柱）
D、肝腫瘤、內部回聲不均勻、較強回聲區呈團狀，肝表面不平。
（三）病變髒器的回聲規律：
當臟器有病變時，由於病變組織與正常組織的聲學特性不同，超聲通過時產生不同正常的回聲規律，各種病變組織亦各有其聲學特性、其反射規律亦不相同。如肝內液性病變為無回聲區，肝癌為強弱不均的實質性回聲區、邊緣不整齊（圖15-1-4D），膽囊內結石則在無回聲區中有強回聲光團，後方有聲影（圖15-1-4E）。
（四）超聲都卜勒：
利用都卜勒效應原理檢測運動物體。當發射超聲傳入人體某一血液流動區，被紅細胞散射返回探頭，回聲信號的頻率可增可減，朝向探頭運動的血流，探頭接收到的頻率較發射頻率增高，背離探頭的血流則頻率減低。接收頻率與發射頻率之差稱都卜勒頻移或差頻。都卜勒頻移（fd）與發射頻率（fo）、血流速度（V）、超聲束與血流間夾角（θ）的餘弦成正比，與聲速（C）成反比，公式為：
fd= ±2v/λ =±2 v/C fo
fd=± 2v．cosθ /C fo
V=fd C/2fo．cosθ
式中fd、cosθ儀器均可顯示，fo及C為已知，可以計算出V。聲束與血流方向平行時可記錄到最大血流速度，聲束與血流方向垂直時則測不到血流信號。
目前常用的超聲都卜勒有連續波都卜勒（CWD）、脈衝波都卜勒（PWD）及彩色都卜勒（CDFI）。
（1）連續波都卜勒以頻譜顯示，可單獨使用，亦可與二維超聲心動圖結合。接收取樣線經過部位上所有頻移信號，其優點為可以測定高速血流，常用於測定心臟瓣口狹窄或返流的高速血流。缺點為不能區分信號來源深度。
（2）脈衝波都卜勒亦以頻譜顯示，與二維超聲相結合，可以選擇心臟或血管內任一部位的小容積血流顯示血流實時頻譜，頻譜可顯示血流方向（朝向探頭的血流在基線上，背離探頭的血流在基線下），血流性質（正常的層流呈空窗型如圖14-1-5，湍流則呈充填型如圖15-1-6），血流速度（頻譜上信號的振幅）、血流持續時間（橫座標顯示時間）。可供定性、定量分析。其特點為所測血流速度受探測深度及發射頻率等因素限制。通常不能測高速血流。
（3）彩色都卜勒：脈衝都卜勒原理，在心臟或血管內多線、多點取樣，回聲經處理後進行彩色編碼，顯示血流速度剖面圖，以紅色代表朝向探頭的血流、蘭色代表背離探頭的血流、與二維超聲心動圖套疊顯示，可直觀地顯示心臟或血管的形態結構及血流信息的實時動態圖像，信息最大，敏感性高，並可引導脈衝或連續都卜勒取樣部位，進行定量分析。
圖15-1-5正常脈衝都卜勒頻譜
左圖示超聲束經血管內層流血流 右圖為所顯示正常血流頻譜（空窗型）
圖15-1-6脈衝都卜勒湍流頻譜
左圖示超聲束經狹窄後的湍流血流。右圖為湍流頻譜（充填型）
（五）超聲對人體的影響
超聲是一種機械能，超聲的產熱和空化效應在人體內是否產生，取決於使用儀器的功率和頻率，現在超聲診斷儀的功率為10毫瓦/平方厘米，（超聲治療儀為0.5～2.5瓦/平方厘米），根據國內外實驗研究證明對機體無損害作用，但對胎兒的檢查時間不宜太長。
四、超聲診斷儀簡介
超聲診斷儀由兩大部分組成，即超聲換能器及儀器。
（一）超聲換能器（Transducer）：超聲換能器是由壓電晶片組成，晶片受電信號激發發射超聲，進入人體組織，遇不同聲阻界面產生反射與散射、晶片又接收回聲信號，轉換成電信號、送入儀器。晶片將電能轉換成聲能（發射），又能將聲能轉換成電能（接收），稱之為聲電換能器。
（二）儀器：目前所用超聲診斷儀多應用超聲脈衝回波技術，將接收到的回波信號、經過放大並顯示在顯示屏上。根據顯示的方式不同，分為A（Amplitude）型、M（Motion）型、B（Brightness）型及D（Doppler）型已為臨床廣泛應用。其它如超聲全息、超聲CT及超聲顯微鏡等目前尚處於研製階段。
1.A型：屬一維超聲、回聲強度以振幅顯示、探頭由單晶片構成，主要用於腹部、頭顱、眼、胸腔等檢查，現多已淘汰。
2.M型：一維、光點顯示、光點的亮度代表回聲強弱、探頭為單晶片，用於心臟、胎心、血管檢查、顯示心臟、血管結構的活動規跡曲線圖又稱M型超聲心動圖。
3.B型：以二維、光點顯示。
（1）機械掃描：由單個晶片擺動或三個晶片轉動掃描，探頭內晶片由微電機帶動，作扇形掃描、圖像呈扇面形。
（2）電子掃描儀：探頭內有多數晶片構成，又可分為①線陣：由數百個小晶片、排列成線形。②凸陣：由數百小晶片排成弧形。③相控陣：由32-64個晶片排成方形或矩形。顯示圖像呈矩形或扇形，線陣與凸陣主要用於腹部、扇形主要用於心臟。
現代高分辯力、高靈敏度儀器都具有實時（real time）顯像，顯示動態圖像、灰階（gray scale）編碼及動態聚集功能，橫向分辨力達2-3mm。時間增益補償（Time gain compensation），以補償由超聲衰減造成的深部組織顯示不清的缺陷。採用數字掃描轉換器（Digital scan converter），增加了很多附加功能。如圖像處理，圖像輪廓增強，探頭位置顯示、字元顯示、局部放大、停幀、拼幅、電子標尺，面積及心功能自動顯示，產科胎兒測量計算及預產期顯示等，便於臨床使用。並多附有攝影、錄像及印表機（printer）等現代記錄設備，記錄靜態的或實時圖像供會診或教學用。
超聲診斷工作原理方塊圖及各類型儀器顯像原理示意見下圖及圖15-1-7至圖15-1-11.
高頻信號發生器 ← 同步器
聲電換能器 ← →
← 接 收 放 大 ←顯示器
超聲診斷儀工作原理方塊圖
4.超聲都卜勒儀：
（1）連續波都卜勒：一維、頻譜顯示、探頭內有二個晶片一收一發，用於檢測高速血流。
（2）脈衝波都卜勒：一維、頻譜顯示，探頭由單晶片組成、兼收、發。常與二維超聲相結合，用於檢測血流速度、方向、性質等。
（3）彩色都卜勒：二維、光點顯示、以偽彩色代表血流方向、性質及速度。
都卜勒用於檢測心腔及血管內血流。彩色都卜勒儀都具有B型、M型、連續波、脈衝波都卜勒功能、根據需要任意選擇使用。
圖15-1-7A型回聲圖示意圖回聲圖Y軸
圖15-1-8M型超聲心動圖示意圖a、M 型掃描示意圖
(振幅高度)代表回聲強度、X軸代表深度 b、M型心動圖Y軸代表深度，X軸代表時間
圖15-1-9切面超聲心動圖示意圖
a、快速扇形掃描示意，b、切面超聲心動圖Y軸代表深度，X軸代表心臟長軸。
圖15-1-10B型電子線陣顯示示意圖
a、線陣儀掃描示意，b聲象圖顯示，Y軸代表深度。X軸代表上下或左右
圖15-1-11超聲脈衝都卜勒顯示示意圖
a、都卜勒取樣部位顯示。B都卜勒頻譜圖。Y軸代表頻移（血流速度）。X軸代表時間。
五、超聲診斷術語
［B］B型超聲命名［/B］
1.B型超聲法又稱二維超聲掃描（Two-dimensionalscan），超聲切面顯像（Cross-ection imaging），超聲斷層法（Ultrasound tomography），其圖像稱聲像圖（Ultrasonnogram）。
2.聲像圖命名
（1）以回聲強弱命名：
強回聲光點或稱高水平回聲。
中等回聲光點可分為較強或較弱回聲。
低回聲光點、低水平回聲或暗淡光點。
（2）以回聲分布命名：分布均勻與不均勻
（3）以回聲光點形態命名：
光點：亮度不同的回聲小點。
光團：多數光點集中成團狀。
光帶：多數光點排列成帶狀。
光環：光點排列成環形。
光斑：較弱的多數光點集中成片狀。
管狀結構：兩條平行光帶間為無回聲區。
（4）暗區：無回聲區
液性暗區：邊緣有明確光帶，內部無回聲，後方回聲增強，如膽囊。
實質暗區：正常靈敏度下無回聲或回聲極低，適當加大增益後回聲增強，如腎實質。
衰減暗區：在某些臟器或病變之後的無回聲區。在含氣臟器產生多次反射，聲能減弱，回聲消失。在骨骼、結石及鈣化病灶後方向由於反射及吸收，回聲突然消失稱聲影。
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