超聲物理基礎(chǔ)分解

1、醫(yī)學(xué)超聲基礎(chǔ),超聲科,Sound Navigation and Ranging SONAR 聲納,,聲吶技術(shù)至今已有100年歷史，它是1906年由英國(guó)海軍的劉易斯·尼克森所發(fā)明，SONAR是利用水中聲波對(duì)水下目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)、定位和通信的電子設(shè)備.,醫(yī)用超聲發(fā)展史,超聲診斷始于20世紀(jì)40年代，50年代初期應(yīng)用于臨床，70年代超聲快速成像技術(shù)得以應(yīng)用，80年代聲學(xué)多普勒效應(yīng)用于超聲診斷，90年代三維超聲和介入超聲得以實(shí)現(xiàn)。目前

2、，組織諧波超聲造影、3D/4D超聲成像使得醫(yī)學(xué)超聲進(jìn)入一個(gè)全新時(shí)代。,超聲是超過正常人耳能聽到的聲波，頻率在20 000赫茲(Hertz，Hz)以上。超聲在介質(zhì)中以直線傳播,有良好的指向性。這是可以用超聲對(duì)人體器官進(jìn)行探測(cè)的基礎(chǔ)。當(dāng)超聲在傳播過程中會(huì)發(fā)生反射、折射、散射、衰減等。反射回來的超聲為回聲(Echo)。,人耳能聽到的聲波：20-20000Hz超聲波的頻率：＞20000Hz常用超聲波的頻率：2～12MHz3～5MHz

3、低頻，≥7.5MHz高頻,物體在一定的位置附近作來回往復(fù)運(yùn)動(dòng)稱為機(jī)械振動(dòng)。機(jī)械振動(dòng)在介質(zhì)中傳播形成機(jī)械波。波是振動(dòng)在介質(zhì)中傳播的過程。聲波是機(jī)械波的一種。當(dāng)聲源振動(dòng)時(shí)，由于介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)之間的相互作用力，能夠由近及遠(yuǎn)得使介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)陸續(xù)發(fā)生振動(dòng)。由此振動(dòng)就以一定速度向各個(gè)方向傳播出去形成聲波。波動(dòng)只是振動(dòng)狀態(tài)的傳播，介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)并不隨波前進(jìn)。,介質(zhì)內(nèi)各質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向和波的傳播方向相互垂直，這種波稱為橫波。,介質(zhì)內(nèi)各質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向和波的傳播方向相互平行，

4、這種波稱為縱波。超聲波在人體軟組織中主要傳播的是縱波。,,C=λ f,λ是超聲波的特征尺度。波長(zhǎng)與頻率呈反比，f越大，λ越小，超聲波的空間分辨率越好（影像上能夠識(shí)別的兩個(gè)相鄰物體最小距離的能力）。應(yīng)用于淺表軟組織的高頻超聲，其波長(zhǎng)短，空間分辨率好，圖像清晰。但是穿透力弱，不適于檢查深部組織（低頻超聲）。,3MHz vs 5MHz探頭前者的空間分辨力（軸向+側(cè)向）均低于后者,分辨力,衡量探頭的一個(gè)重要指標(biāo)是分辨力，包括空間分辨力、

5、密度分辨力、時(shí)間分辨力。假設(shè)人體內(nèi)有兩個(gè)目標(biāo)，當(dāng)它們之間的距離比較大時(shí)儀器能夠區(qū)分開兩者，若兩者間的距離很小時(shí)超聲儀器就會(huì)將其視為一個(gè)目標(biāo)。儀器能夠區(qū)分的這個(gè)最小距離稱為空間分辨力，其與聲束的方向有關(guān)，又分為橫向、縱向和側(cè)向分辨力。,空間分辨力,軸向分辨力 Axial resolution側(cè)向分辨力 Lateral resolution橫向分辨力 Elevation or transverse resoulution,人體內(nèi)各組織

6、聲速C不同： 固體＞液體、軟組織＞氣體 人體軟組織聲速約為1540m/s,Z = ρ×C ρ--- 介質(zhì)密度 Z --- 聲阻抗 Z反映了介質(zhì)的性質(zhì)。,當(dāng)超聲波從一種介質(zhì) 傳播到另外一種介質(zhì)時(shí)，由于聲阻抗Z不同，兩種介質(zhì)間形成一個(gè)聲學(xué)界面。若該界面尺寸大于λ，則一部分超聲波發(fā)生反射，一部分發(fā)生折射。兩種介質(zhì)的聲阻抗差越大反射就越強(qiáng)。,,衍射（繞射）：在超聲波傳播過程中

7、，遇到障礙物的尺寸與1-2倍λ相接近時(shí)，聲波可繞過這一障礙物邊緣向前傳播。,,散射：在超聲波傳播過程中，遇到障礙物的尺寸小于λ時(shí)，該物體吸收超聲波能量后向四周輻射聲波。紅細(xì)胞的直徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于 λ ，是超聲波散射的主要源泉，多普勒超聲主要接收來自紅細(xì)胞的背向散射。,,超聲波在介質(zhì)中傳播，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的振幅隨傳播距離增大而減小，這種現(xiàn)象稱為聲衰減。聲衰減主要是因?yàn)榻橘|(zhì)對(duì)聲波的吸收、散射、聲束擴(kuò)散等。,人體是一個(gè)復(fù)雜的介質(zhì)，各種器官與組織以及在病

8、理狀態(tài)下都具有特定的聲阻抗和衰減特性。因而構(gòu)成聲阻抗上的差別和衰減上的差異。超聲波射入體內(nèi)，由表面到深部，將經(jīng)過不同聲阻抗和不同衰減特性的器官與組織，從而產(chǎn)生不同的反射、散射、衰減。將接收到的回聲，根據(jù)回聲強(qiáng)弱，用明暗不同的光點(diǎn)（灰階）依次顯示在顯示器上，則可顯出人體的斷面超聲圖像，醫(yī)學(xué)上稱之為聲像圖（sonogram）。,,超聲波的發(fā)射和接收都是通過超聲探頭完成，核心部件為壓電晶體,壓電效應(yīng),正壓電效應(yīng)：某些材料在外部壓力或拉力作用下

9、引起材料內(nèi)部正負(fù)電荷中心位移，在材料表面上出現(xiàn)正負(fù)電荷。此時(shí)機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，超聲波的接收就是根據(jù)這一原理逆壓電效應(yīng)：在壓電晶體表面加上電壓引起材料內(nèi)部正負(fù)電荷中心位移而產(chǎn)生應(yīng)力，最終導(dǎo)致材料形變。此時(shí)電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，超聲波的發(fā)射依據(jù)此原理。,超聲探頭類型,凸陣相控陣線陣,線陣：許多壓電單元等間隔地排列成一條 直線，聲像圖呈矩形。屬于高頻探頭，用于淺表軟組織、血管，空間分辨率高、穿透能力相對(duì)低，許多術(shù)中探頭、

10、腔鏡探頭都采用線陣。,,相控陣（由信號(hào)的相位控制聲束方向）：壓電單元排列成一段向外凸出的圓弧，聲像圖呈扇形。長(zhǎng)度一般20-30mm，適于肋間掃查心臟。,,凸陣：壓電單元排列成一段圓弧，但圓弧半徑大于相控陣探頭，聲像圖是介于扇形和矩形間的一個(gè)圖形。屬于低頻探頭，空間分辨率相對(duì)低、穿透能力高，用于腹部掃查。,,面陣探頭：三維容積探頭，壓電單元排列成一個(gè)面，能夠獲取更多數(shù)據(jù)而形成三維影像。常用于胎兒、心臟。,超聲波圖像產(chǎn)生過程,電脈沖信號(hào)→探

11、頭（逆壓電效應(yīng)、聚焦）→聲束→人體→回波（反射、散射）→探頭（正壓電效應(yīng)、信號(hào)檢測(cè)電路）→圖像顯示,醫(yī)學(xué)超聲儀的不同模式,A型（Amplitude modulation）,A型為波幅調(diào)制型，超聲波每遇到一個(gè)界面就產(chǎn)生一個(gè)回聲，該回聲在顯示器上以波幅高低反映回聲強(qiáng)度大小。,B型（Brightness modulation）,B型為輝度調(diào)制型，回波以不同灰階的光點(diǎn)顯示，光點(diǎn)的強(qiáng)弱反映回波的強(qiáng)弱。聲像圖為直觀的二維斷面圖像，是超聲儀器

12、最基本和最重要的模式。,M型（Motion ）,,M型是輝度調(diào)制型中的一個(gè)特殊類型，主要用于心臟及大血管檢查。原理是將來自心臟或血管不同深度的回波進(jìn)行亮度調(diào)制，然后隨時(shí)間展開，這樣就直觀地顯示了取樣線上（聲束方向上）各點(diǎn)的灰度隨時(shí)間的變化。,M型,橫軸為時(shí)間，縱軸為深度．可見沿時(shí)間軸方向的條紋結(jié)構(gòu)，它反映了心臟的運(yùn)動(dòng)情況（可測(cè)量瓣膜開口距離、各心房、心室大小等）。該聲像圖即為超聲心動(dòng)圖。,D型（Doppler ）,D型是利用超聲波多普勒

13、原理，即波在波源移向觀察者時(shí)接收頻率變高、而在波源遠(yuǎn)離觀察者時(shí)接收頻率變低（波源相當(dāng)于血管內(nèi)的紅細(xì)胞，觀察者相當(dāng)于超聲探頭）。主要用于檢測(cè)血流。,多普勒頻移(doppler shift),探頭接收的聲波頻率f'與聲源頻率f存在多普勒頻移Δf（或fd），即Δf=f'-f 。當(dāng)探頭與血流相互靠近時(shí)，接收頻率f'大于發(fā)射頻率f即：Δf>0（正性頻移，血流朝向探頭，一般以紅色表示） 。當(dāng)探頭與血流相互遠(yuǎn)離時(shí)，接

14、收頻率f'小于發(fā)射頻率 即： Δf<0（負(fù)性頻移，血流遠(yuǎn)離探頭，一般以藍(lán)色表示） 。,fd=±2vCosθ.f0/cfd為頻移，v為血流速度，c為軟組織內(nèi)平均聲速（1540m/s），f0為探頭頻率，θ為聲束與血流方向的夾角。除v以外全部參數(shù)都可測(cè)量，以此推算血流速度。,超聲多普勒成像,彩色血流成像： （1）彩色多普勒血流成像（Color Doppler flowing imaging,CDFI)

15、 （2）彩色多普勒能量圖（Color Doppler energy,CDE）,彩色血流成像技術(shù),CDFI：將fd 提取處理后，運(yùn)用彩色編碼顯示血流，定義為“紅迎藍(lán)離”。彩色顯示的亮度與血流速度呈正比。血流的清晰顯示與探測(cè)角度及頻移有關(guān)，前者小于60度；fd 小于Nyquist極限（超聲儀發(fā)射超聲脈沖重復(fù)頻率的1/2，PRF/2是血流速度能被檢測(cè)的極限，稱為Nyquist頻率極限）。CDE：利用紅細(xì)胞散射的能量成像，不受角度影響、

16、探測(cè)靈敏度增高、不出現(xiàn)混疊現(xiàn)象。,超聲多普勒成像,頻譜多普勒 （1）脈沖多普勒（Pulse wave，PW） 由同一組晶片發(fā)射并接收超聲波，采用距離選通技術(shù)可定點(diǎn)測(cè)量血流速度，但是受Nyquist頻率限制，在檢測(cè)高速血流時(shí)容易出現(xiàn)混疊現(xiàn)象（fd 超過Nyquist頻率就會(huì)產(chǎn)生血流方向倒錯(cuò)表達(dá)）。 （2）連續(xù)多普勒（Continue wave，CW） 由不同組晶片連續(xù)發(fā)射并連續(xù)接收超聲波，能檢測(cè)深部及高速血

17、流，但是缺乏距離分辨能力。,PW,,CW,超聲偽像,超聲偽像指在超聲成像過程中出現(xiàn)的某些與被測(cè)目標(biāo)不相符的征象，并不代表真實(shí)的聲學(xué)界面。,多次反射偽像（混響）,聲束通過兩個(gè)聲反射較強(qiáng)的界面時(shí)，聲波在探頭與反射界面之間來回反復(fù)傳播，聲像圖上表現(xiàn)為逐漸減弱的等距離反射信號(hào)，例如膀胱前壁出現(xiàn)的高回聲帶。多次反射偽像中又包括振鈴偽像，特征表現(xiàn)為“彗星尾征”，例如膽囊壁固醇、子宮內(nèi)節(jié)育環(huán)。該偽像可以通過加壓、改變探頭方向、加水囊改善。,折射偽像,

18、聲束通過不同組織時(shí)在界面處產(chǎn)生折射，聲束偏轉(zhuǎn)，由此產(chǎn)生反射體實(shí)際位置與超聲顯示位置錯(cuò)位，其中包括透鏡效應(yīng)、側(cè)后方聲影。透鏡效應(yīng)一般出現(xiàn)于經(jīng)腹直肌掃查時(shí)，腹直肌使聲束發(fā)生折射，深面的血管（例如腹主動(dòng)脈、腸系膜上動(dòng)脈）在聲像圖上表現(xiàn)為實(shí)像、虛像雙重顯示。側(cè)后方聲影常出現(xiàn)于有包膜的球形、橢圓形病灶，在病灶側(cè)面邊緣及后方出現(xiàn)“失照射”區(qū)。,鏡面反射偽像,聲波投射到強(qiáng)反射的平滑大界面時(shí)（如膈肌），產(chǎn)生與平面鏡相似的反射現(xiàn)象，實(shí)像、虛像并存。該偽像

19、可以通過側(cè)動(dòng)探頭改變超聲波投射方向而改善。,部分容積效應(yīng)（束寬效應(yīng)偽像）,聲束具有一定的寬度，尤其是在非聚焦區(qū)聲束較寬，使得相鄰兩個(gè)位置的反射界面在聲像圖上互相重疊。例如無回聲結(jié)構(gòu)與周圍組織相重疊。通過不同角度側(cè)動(dòng)探頭可能將兩種重疊的結(jié)構(gòu)分辨開。,旁瓣偽像,由于探頭發(fā)射的超聲波包括主瓣與外側(cè)的旁瓣，超聲波成像主要依靠主瓣，當(dāng)旁瓣與高反射體作用時(shí)可以干擾主瓣成像。例如充盈膀胱檢查子宮時(shí)，可見子宮前壁上方向膀胱內(nèi)延伸的細(xì)弱光帶。在膽囊或膀胱

20、中結(jié)石強(qiáng)回聲兩側(cè)呈現(xiàn)的“狗耳”樣或“披紗”樣圖像。,高衰減區(qū)、低衰減區(qū)偽像（后方聲影、后方回聲增強(qiáng)）,超聲波通過骨組織、結(jié)石、瘢痕、纖維組織、韌帶等時(shí)因聲能被吸收而造成聲衰減，聲像圖上顯示深面回聲減弱。當(dāng)超聲波通過低衰減區(qū)域時(shí)（液體），深面回聲增強(qiáng)。,頻譜和色彩倒錯(cuò)偽像（混迭效應(yīng)）,超聲波多普勒成像中，被測(cè)血流速度過快，即多普勒頻移超過脈沖重復(fù)頻率的二分之一時(shí)，脈沖多普勒出現(xiàn)頻譜超過閾值的部分重疊到基線下方、而彩色多普勒出現(xiàn)色彩到錯(cuò)。

21、可以通過提高脈沖重復(fù)頻率、降低探頭頻率而改善。,圖像質(zhì)量,,聲學(xué)原理決定了聲像圖可能存在某些偽像與差異，而檢查者、患者及超聲儀器的主客觀因素都可能導(dǎo)致檢查結(jié)果與實(shí)際病變間的差異。超聲質(zhì)量控制的目的是在規(guī)范操作的前提下，盡可能為臨床提供準(zhǔn)確的影像信息。,,條件選擇正確圖像清晰，患者自身情況導(dǎo)致圖像質(zhì)量下降時(shí)，盡最大可能優(yōu)化圖像 深度合適 焦點(diǎn)位置正確 體表標(biāo)志正確重要陽性圖片均加入 感興趣區(qū)域放置圖像正中，遠(yuǎn)場(chǎng)無效圖像少,,