第一篇　重症超声基础理论部分

第一章　重症超声基础知识

第一节　超声诊断的物理基础

我们生活在充满声音的世界里，鸟语虫鸣，管乐弦乐，歌声和语言……但是还有一些声音是人耳听不到的。人耳所能听到声波的频率范围通常在20～20000Hz，频率高于20000Hz的声波就叫做超声波（ultrasound）。

琴弦振动发出乐声，声带振动发出语声，超声波作为声波的一种，其本质也是机械振动波，和人耳能够听到的声波具有共同的物理性质。例如，必须通过弹性介质进行传播；在液体、气体和人体软组织中的传播方式为纵波；具有反射、折射、衍射和散射的效应；在不同介质中具有不同的传播速度和不同的衰减等。由于超声波方向性好、穿透力强，在无损检测方面有着非常广泛的应用，例如工业中的流量、液位测量，对材料的无损探伤等。医学中常用的临床超声检测，就是利用超声波的物理特性进行无损检测的一个重要方向。

若想理解临床超声图像，势必要理解超声波的物理特性和与周围介质的相互作用。重症医师还经常作为超声检查的执行者操作机器，获取图像，因此对超声基本理论的学习是非常必要的。由于本书面向的是医学专业人员，在超声物理原理方面的介绍将力求简明实用、通俗易懂。读者如对超声技术原理的细节有兴趣，可以参考超声学专业书籍。

一、超声成像的基本原理

1.回声成像的基本原理

当声波遇到两种不同介质的界面时，一部分能量会穿透界面继续向前传播，剩下的能量将反射回声源形成回声（echo）。回声信号的延迟时间由声速和界面位置决定，其强度与界面的物理性质有关。因此，回声可以为我们提供生成图像所需的信息，这便是超声最基本的原理。在界面上未被反射的声波会继续向前传播，这一透射声波在到达下一界面会再次发生透射和反射。通过不同时间返回的回声信号，可以获知不同深度界面的情况。

在界面上反射超声能量与入射超声能量的比例由界面两侧介质的“声阻抗”（acoustic impedance）决定。声阻抗是介质的一种物理特性，对于同一种材料（介质、组织），声阻抗通常不会发生改变。界面两侧介质声阻抗的差异越大，反射信号越强，透射信号越弱。当界面两侧介质声阻抗相等时，声信号完全透过，不会产生反射。图1-1-1直观地反映了声信号垂直入射时，不同声阻抗介质界面上透射信号和反射信号强度的关系，以及反射信号到达时间与界面距离的关系。

2.超声模式的类型和成像过程

超声机实际使用的检测模式分为A型、B型和M型。不同模式下，超声机发出超声信号的方式和对接收信号的处理和显示并不相同（图1-1-2）。

A型（amplitude mode）：

即幅度调制式，又叫一维超声，显示单声束界面回声幅度，主要用于测量器官的径线，以判定其大小。可用来鉴别病变组织的一些物理特性，如实质性、液体或是气体是否存在等。此时，超声探头仅在一个方向上发出和接收超声信号，并将回声的强与弱以脉冲波形的幅度显示。

B型（brightness mode）：

即亮度模式，显示超声束扫描切面的回声图像。在这一模式中，超声探头在一个切面的各个方向上依次发出和接收超声信号，并将每个方向上的回声信号的强弱映射为亮度显示在屏幕上，并排列起来。这样屏幕上就可以得到由亮度表示回声强度的一个切面上的二维图像了。

M型（motion mode）：

即运动模式，可用于显示心脏各层次，如心脏房室壁、心脏瓣膜和大血管的运动。在这一模式下，超声探头仅在一个方向上发出和接收超声信号，并将回声信号的强与弱用亮度表示。这一测量反复进行，将测量结果按时间排列起来，可以得到一幅Y轴（垂直方向）代表软组织空间位置深浅，而X轴（水平方向）代表时间的二维图像。从这幅图像上，可以读出不同反射面随时间的变化，即不同位置的运动情况。

二、超声检查中的重要参数

1.探头频率和分辨率

超声检查最后的输出结果为图像。图像的质量很大程度取决于成像的分辨率。对于常用的B超检查而言，其图像两个方向上的分辨率分别称为横向分辨率和轴向分辨率。物理上说，横向分辨率对应的是反射超声信号分辨出同一深度界面上细节的能力，而轴向分辨率对应的是对深度接近的不同界面所产生反射信号的区分能力。

和其他机械波一样，超声波的频率（f）、波长（λ）和声速（c）满足以下基本公式：

λ　＝c/f

由于在同一介质中声速是恒定不变的，因此声波的频率越高，其波长就越短；反之，频率越低，波长就越长。在其他物理条件相同的情况下，高频率的超声波能够在更小的物体上发生反射，即回声信号能够包含更小物体的信息，从而使解析出的图像具有更高的横向分辨率。图1-1-3阐释了这一现象。

当两个界面相距较远时，它们各自回声的延迟时间不同，将在图像上分别显示出来。但是，当两个界面离得较近时，它们各自的回声信号时间差异很小，致使在图像上分辨不出，看上去像是一个界面。两个界面能被分辨的最小间距被称为轴向（纵向）分辨率。高频超声的轴向分辨率优于低频超声的轴向分辨率。表1-1-1总结了高频超声与低频超声的特点比较。

因此，在进行不同深度，不同分辨率需求的超声成像时，需要选用不同频率的探头进行检测。

2.衰减、增益和动态范围

超声信号的响度与声波的振幅有关，其能量与振幅的平方成正比。在超声领域中，常用“输出增益”（output gain）或“声功率”（acoustic power）来反映输出超声信号振幅和能量的大小。和声波一样，超声信号的强度也会在介质中的传播过程中逐渐衰减（attenuation），即能量降低，幅度减小。这样的衰减是由于能量在传播介质中的散射和释放造成的。信号强度衰减的多少与声信号传播的距离以及信号频率相关。超声信号传播的距离越长，衰减越多，这一点很容易理解；而在同样的传播距离上，高频信号相较低频信号衰减得更多。为了便于理解，不妨想想我们在搓手时的状况：搓手频率越高双手越热，这是因为更多的能量由于摩擦转化为了热量，这与高频信号衰减较快的原理类似。

由于超声探头接收到的信号是发射信号经历了传播过程中衰减、反射，甚至多次反射后的回声信号，这一信号非常微弱。为了让回声信号构成的图像合理地显示在屏幕上，需要对这些信号做一些处理工作：

首先，由于接收信号非常微弱，需要对信号进行放大。对所有回声信号进行整体无差别放大的操作是通过调节　“增益”（gain）实现的。由于回声信号的振幅反映在显示屏上是图像的亮度，提高增益将增加整个图像的亮度。

其次，由于信号在传播过程中的衰减，较深处的回声信号（返回较晚）与较浅处的回声信号（返回较早）相比，信号会不成比例地减弱。另外由于浅层界面的反射，到达深层界面上的信号本身较弱，即使在深层界面发生了较强的反射，也很难得到很强的回声信号。为了补偿这样的问题，需要对回声信号根据深度（到达时间）进行有区别的补偿（compensation）。这一调控方法被称为时间增益补偿（t ime-gain compensation，TGC）或深度增益补偿（depth-gain compensation，DGC）。

补偿结束之后，图像生成的基本信息已经准备就绪，接下来是图像的生成和显示。超声机屏幕显示（人眼可见）的亮度范围是有限的，生成图像时需要将不同强弱的信号使用不同亮度的点表示，即需要完成信号强度到亮度的映射，这一步骤被称为“信号压缩”。屏幕能够显示的（人眼可见的）最亮和最暗的点所对应的信号强度差，称为检测的“动态范围”（dynamic range）。当需要观察回声影像整体情况时，可以采用较大的动态范围，使图像包含所有不同强弱回声对应的亮度信息。这样做的缺点是图像对比度不高，可能会有回声强度接近的点映射到了相近的灰度上而难以区分。若需要区分亮度相近的点以观察细节时，可以缩小动态范围来增加图像对比度，但此时整体图像上亮度较高/较低的部分可能会落在动态范围之外，统一以最高亮度/最低亮度显示而无法观察。动态范围的数值需要根据实际情况进行调节。

3.多普勒成像

1842年的一天，奥地利一位名叫克里斯蒂安·多普勒的物理学家路过铁路，恰逢一列火车从他身边飞驰而过。他发现火车从远而近时汽笛声调变高，而火车从近而远时汽笛声调变低。研究后发现，这是由于振源与观察者之间存在着相对运动，使观察者听到的声音频率不同于振源频率。这就是多普勒现象。

对于定向声源发出声波的反射，若反射物向声源移动，声波将被压缩，其反射波频率升高（正向多普勒位移）；若反射物相对声源远去，声波将被拉长，反射波频率降低（负向多普勒位移）。在多普勒频移公式中，频移的大小与声源运动速度在声波发射方向上的分量相关，即与声源运动方向和声波发射方向夹角的cosine值成正比。因此，在夹角为0°或180°时频移最大，在夹角为90°时频移为0。

由于血管中的红细胞能够反射超声信号，因此可以通过比较从超声探头发射超声信号和由运动中红细胞反射的回声信号的频率差来测量红细胞的运动速度，即血液的流速（图1-1-4）。

在利用多普勒效应进行的超声血流测量中，有两种常用的方式：连续波多普勒（continuous wave Doppler，CWD）和脉冲波多普勒（pulsed wave Doppler，PWD）。　在连续波多普勒方式下，超声探头发射和接收连续的超声信号，并通过对收/发连续信号频移的测量计算血流速度。连续波多普勒方式主要用于高速血流的定量分析，优点是能测量较高的血流速度（流速≥2m/s），缺点是由于使用了连续波测量，无法计算回声的延迟时间，因而不能提供距离信息。在脉冲波多普勒方式下，超声探头发出一系列脉冲超声波信号，并通过对回声时间和频率的测量计算位置和血流流速。脉冲多普勒方式的优点是能够与B超显像进行组合，精确测量特性位置的血流情况，缺点是由于脉冲时间短，获取信息较少，所能准确检测的血流速度有上限限制（流速＜2m/s）。

彩色多普勒血流显像就是以显示解剖结构的二维声像图为背景，对感兴趣的血流区域进行实时取样，把平均血流速度以彩色显示的一种检测方式。在彩色多普勒血流显像的影像中，红色代表血液流向探头，血流速度加快时颜色变成黄色。蓝色代表血流流离探头，血流速度加快时颜色变成天蓝色。

4.人体组织的回声特点

人体组织可分成三类，第一类是气体和充气的肺，第二类是液体和软组织，第三类是骨骼和矿物化后的组织。

人体软组织与水的声阻抗相近。人体体液的一般性规律为：均质性液体，如胆汁、尿液为无回声；非均质性液体，如尿液中混有血液和沉淀，或囊肿合并出血或感染时，液体内回声增加；体液中含蛋白成分越多，声衰减越高。

人体组织和体液回声强度可分为高水平回声（强回声）、中等水平回声、低水平回声（弱回声）和无回声四级，可以简称为高、中、低、无四级。很高（很强）回声常伴声影，见于含气肺（胸膜-肺界面）、胆结石、骨骼表面（软组织-骨界面）；典型的中等水平回声（等回声）见于肝、脾实质；典型的低回声见于皮下脂肪；典型的无回声见于胆汁、尿液和胸腹水（漏出液）。高回声见于皮肤、肝脾包膜、血管瘤及其边界等。

表1-1-2归纳了人体不同组织的回声强度情况。

三、超声机的重要组成

（一）探头的基本原理

超声的基本原理就是超声波，超声探头发射超声波，发出的超声波经过组织后发生回波，回波再次作用于超声探头，探头内部的压电晶体就产生电流，产生的电流经过处理以图像形式显示到屏幕上，这是超声的最基本的原理。但是探头为什么能产生超声波，同时又能接收超声波？我们需要对超声探头内部做进一步的了解。

超声探头主要构件是压电晶体，压电晶体的一个非常重要的特性是在压电晶体两边加载电场（电压），压电晶体就会产生形状变化（压电晶体的厚度发生增加或减少），这种现象在物理学上称为“逆压电效应”。如果作用在压电晶体两端的电场不停发生变化，在这种作用下压电晶体的厚度也会随着电场的变化发生厚度的变化，压电晶体厚度变化导致压电晶体产生振荡，晶体振荡产生超声波。同时压电晶体厚度变化的幅度和作用于压电晶体的电压高低是相关的（一定的电压决定压电晶体变化幅度），压电晶体厚度的变化和产生的超声波的频率相关，不同的超声频率穿透组织的深度和清晰度明显不同，频率越高，超声的穿透性越低，但是清晰度越高；超声频率越低，组织穿透性越高，清晰度越低，这也是为什么对于不同的检查部位需要选择不同探头的原因。

探头不仅要产生超声波，同时超声波作用于人体后要产生回波，这种回波会作用于探头，探头的压电晶体在回波的影响下也会产生形变，这种形变导致压电晶体产生不同的电流变化，超声的这种作用在物理学上称为“正压电效应”。由于压电晶体的这两种特性（负压电效应和正压电效应），我们在实际应用时可以这样理解：探头的压电晶体在电场作用下产生超声波，这种超声波发出后作用于人体，超声波遇到的不同组织或器官会发生反射、散射、折射、吸收等，发射的超声波频率是固定的，但反射回来的超声波却不相同，由于不同组织和器官在人体的深度和产生（发射、散射、折射、吸收）也不一样。不同深度不同超声的信息转化成不同的图像信号。这种不同的超声信息显示的图像是不一样的。也就有了临床上用的强回声、弱回声、等回声、无回声。这些回声和器官组织直接相关，比如气体、骨骼表现为强回声，实体器官（肝脏、脾脏）等回声，液体、血液等为无回声。

以上介绍了超声探头产生超声波和接收超声波的基本原理，下面简单介绍超声探头的内部结构（图1-1-5）。将探头的不同的结构按照探头接触人体的距离由近到远分别介绍。

1.声透镜

使压电晶体发出的超声波以汇聚的形式将超声波传入人体内，同时又可以将反射的超声波以汇聚的形式接受；主要作用是提高探头的灵敏度，同时起到防止水分、耦合剂等进入探头内部的作用。

2.匹配层

如果压电晶体直接和人体接触因为声阻抗有很大的差别，这样超声波会产生发射，为了更好使超声传播及接收，就要添加匹配层使之更好地检查。匹配层的主要作用是提高探头的能量传出和接收；提高轴向分辨力；起到绝缘作用，防止电击伤发生。

3.压电晶体

这是超声探头的主要构件，主要是产生和接收超声波，但是压电晶体机械强度低，受外力会导致损坏，所以在用探头检查时要轻拿轻放，防止由于机械力导致探头损坏。

4.电极

位于压电晶体两侧，将银层涂到压电晶体两侧，然后连接到电极上，产生脉冲电压作用于压电晶体，导致压电晶体发生厚度变化从而产生超声波。同时脉冲间歇期压电晶体接受超声波时会产生电流变化通过电极转化成电流信号。

5.背衬材料

由于压电晶体具有双向辐射作用，超声波可以向压电晶体双方向产生超声波，但是我们只需要向检查方向产生超声波。如果有反方向的超声波，会产生杂波，会对回波信号产生干扰。最好要消除探头后方的干扰，加入的这种材料称作背衬材料，主要作用是最大限度使向后发射的超声波消耗，避免对反射的声波造成影响，同时缩短压电晶体的振动周期。

6.开关电路板

通过程序控制使不同的压电晶体完成发射组合及接收组合。

（二）探头的选择

临床上应用的探头很多种，但基本的工作原理是一致的。涉及重症超声的应用，目前能够应用到的探头有腹部探头、血管探头、心脏探头、食管超声探头等，根据不同的检查需求设计探头不同的形状（图1-1-6）。

探头设计成不同的形状主要是为了不同部位的检查，腹部探头成弧形，扫描深度较深，范围比较广，如临床检查肝脏、脾脏；中间位心脏探头，探头比较小，便于从肋间隙检查心脏，同时检测深度较深；右侧探头为血管探头呈线性，深度较浅。需要强调一个概念，上述各种探头的称呼如上面所述是临床的称呼，实际上合理的称呼是探头的标注的赫兹数，同时也并不是腹部探头只能检查腹部、心脏探头检查心脏、血管探头检查血管。实际应用需要结合临床，如检查腹主动脉应用血管探头就不合适，腹主动脉比较深在需要腹部探头才能达到检查的深度，血管探头的深度达不到腹主动脉的深度。对于重症患者肺部检查是常规检查项目，上述探头都能检查，但是腹部探头和血管探头更为合适。探头的选择需要根据临床需要检查患者的部位、自身条件及经验而选择，并不是固定不变的。

目前大多数的超声机具有预设功能，根据不同的探头、组织特点、检查深度等条件提前选择探头的频率、深度等同时优化了图像的质量，可以在此预设条件下配好一定的测量条件，预设探头就可以满足一定的测量，这样减少了临床上检查调节机器的时间。所以我们在选择探头时，可以在选择探头后再做进一步选择，比如血管探头，可以选择检查动脉、静脉、甲状腺、体表等。由于不同的机型预设不完全相同，检查时根据检查部位，可以按设定好的预设条件进行选择。

由于超声机配有不同的探头，所以牵涉不同探头的切换问题。目前多数床边超声机并不是像超声科一样每台超声机具有探头转换架，在检查中如果需要更换探头时，需要按freeze键冻结图像才能更换探头。如果不进行上述操作探头是在加电状态，这种情况下很容易导致超声机或探头损坏，这一点需要每个临床医生注意，尤其是初学者。

（三）耦合剂的应用

超声波遇到空气会衰减得非常严重。如果探头直接接触人体表面，超声波也无法进入人体，那么超声波也不会产生回波用于检查，为了使超声波能够很好地进入人体就要消除这一障碍，就必须使用耦合剂才能完成超声检查。耦合剂是一种水溶性高分子胶体，中性，对人体无毒、无害、无刺激性、不易干燥、无油腻性。应用耦合剂主要是消除探头和人体之间空气屏障作用，有利于超声波进入人体，同时还起到超声检查时的润滑作用，所以耦合剂对于临床超声检查是不可缺少的一部分，而且耦合剂的质量优劣在一定程度上影响超声图像的质量。检查时可以涂到探头或是检查部位上才能进行超声检查。

临床上经常需要超声引导下操作。如果应用成品套装一般配有无菌套和无菌的耦合剂，然而临床上有时没有无菌的耦合剂应用，经常应用无菌手套套在探头操作，这样操作解决了探头的无菌问题。但是无菌手套和检查部位的接触部考虑应用碘仿或无菌生理盐水涂抹后才能得到清楚的图像。这种方法紧急情况可以考虑应用，条件允许建议使用无菌套装完成相关操作，上述操作不符合无菌的原则。

（李晗歌 王小亭）