超聲基礎(chǔ)-物理基礎(chǔ)

1、物理基礎(chǔ)一、超聲診斷物理 基礎(chǔ)1.超聲波的基本概念(1)超聲波的基本概念聲波的性質(zhì)可聽聲與超聲的頻率范圍診斷常用的超聲頻率范圍(2)聲學(xué)基本物理量(3)介質(zhì)中聲的傳播方式(縱波、橫波、表向波)聲速(4)聲場概念特性聲束的組成近場、遠(yuǎn)場 超聲波指向性優(yōu)劣的指標(biāo)聚焦聲束2.超聲物理特性(1)束射特性(方向性)大界囿與界囿反射小界面與后散射(2)衰減特性衰減的概念衰減的原因不同介質(zhì)聲衰減的顯著差別(肺、骨骼、肝、 脾、體液)衰減與距離、頻率的關(guān)系衰減系數(shù)(dB/cm? MH)人體最減吸收的重要因素(3)超聲分辨力空間分辨力 對比分辨力、細(xì)微分辨力、時間分辨力影響分辨力的諸多因素(4)超聲多普勒效應(yīng)(

2、5)生物學(xué)效應(yīng)超聲能量物理參數(shù)超聲的生物學(xué)作用及其機(jī)制診斷用超聲的安全原則和規(guī)定第一節(jié)聲波的定義及分類一、定義物體的機(jī)械性振動在具有質(zhì)點和彈性的媒介中的傳播現(xiàn)象稱為波動，而引起聽覺器官有聲音感覺的波動則稱為聲波。根據(jù)聲波的傳導(dǎo)方向與介質(zhì)的的振動方向的關(guān)系， 聲波有縱波和橫波之分。二、橫波 所謂橫波是指介質(zhì)中的質(zhì)點都垂直于傳播方向運動的波。人體的骨骼中，不但傳播縱波，還傳播橫波。三、縱波 即介質(zhì)中質(zhì)點沿傳播方向運動的波。在縱波通過的區(qū)域內(nèi)， 介質(zhì)各點發(fā)生周期性的疏密變化，因此縱波是脹縮波。理想流體（氣體和液體）中聲振動傳播方向與質(zhì)點振動方向是平行的，只存在于縱波。人體中含水7080%,故除骨路、

3、肺部以外軟組織中的聲速和密度均接近于水。目前醫(yī)用超聲的研究和應(yīng)用主要是縱波傳播方式。第二節(jié)超聲顯像物理基礎(chǔ)一、超聲波基本物理量1、超聲波是聲源振動的頻率大于20000 Hz的聲波。2、超聲波有三個基本物理量，即頻率（f）,波長（入），聲速（c）,它們的關(guān)系是：c=f 入或入=c/f,傳播超聲波的媒介物質(zhì)叫做介質(zhì)，不同頻率的超聲波在相同介質(zhì)中傳播時，聲速 基本相同。3、相同頻率的超聲波在不同介質(zhì)中傳播，聲速不相同，人體軟組織中超聲波速度總體 差異約為5%。因此目前醫(yī)用超聲儀一般將軟組織聲速的平均值定為1541m/so通過該聲速可測量軟組織的厚度，由于目前超聲儀所采用的是脈沖回聲法，故該回聲測距的

4、公式是：t組織厚度=C2利用超聲方法進(jìn)行測距的誤差也是5 %左右。4、聲阻抗 是用來表示介質(zhì)傳播超聲波能力的一個重要的物理量，其數(shù)值的大小由介 質(zhì)密度P與聲波在該介質(zhì)中的傳播速度c的乘積所決定，即：Z= p - c單位為Kg/m2 s。5.臨床常用的超聲頻率在 210 MHz之間。二、超聲波的物理性能1、超聲波在介質(zhì)中傳播時，遇到不同聲阻的分界面且界面厚度遠(yuǎn)大于波長，會產(chǎn)生反 射，反射的能量由反射系數(shù)Ri=（Z2-Z1） / （Z2+Z1）2決定。Z1、Z2為兩種介質(zhì)的特性聲阻抗，Z= p c （密度聲速）當(dāng)Zi=Z2,為均勻介質(zhì)，則 RI=0,無反射。當(dāng)Z1VVZ2 （如水和氣）則 Ri很大

5、，產(chǎn)生強(qiáng)反射。當(dāng)Z1WZ2, RiW0,則反射存在。由此可見，超聲波在界面上反射的大小與界面兩邊介質(zhì)的聲阻差及超聲波的入射角有 關(guān)。人體軟組織聲阻抗差異很小，只要有1%。的聲阻抗差，便可產(chǎn)生反射，故超聲波對軟組織分辨力很高。脈沖反射式超聲診斷儀就是利用人體組織對超聲波的反射作用，從聲反射波中提取醫(yī)學(xué)診斷信息的。2、當(dāng)分界面兩邊的聲速不同時，超聲波透入第二種介質(zhì)后，其傳播方向?qū)l(fā)生改變即 產(chǎn)生折射。聲波從一種小聲速介質(zhì)向大聲速介質(zhì)入射時，聲波經(jīng)過這兩種介質(zhì)的分界面后出現(xiàn)折射波的折射角大于入射角。當(dāng)入射角超過臨界角（90。）時，相應(yīng)的折射波消失，出現(xiàn)全反射。3、當(dāng)障礙物的直徑等于或小于入/2,超聲

6、波將繞過該障礙物而繼續(xù)前進(jìn)，反射很少，這種現(xiàn)象稱為衍射，故超聲波波長越短，能發(fā)現(xiàn)障礙物越小。這種發(fā)現(xiàn)最小障礙物的能力， 稱為顯現(xiàn)力。4、超聲波在傳播中遇到粗糙面或極小的障礙物（或一組小障礙物形式）時，將有一部 分能量被散射，散射聲波可進(jìn)行組合，等頻同相波迭加后能量（幅度）加強(qiáng)，等頻反相迭加 后能量減弱。紅細(xì)胞的直徑比超聲波要小得多，紅細(xì)胞是一種散射體， 聲束內(nèi)紅細(xì)胞數(shù)量越多， 背向散射強(qiáng)度就越大。紅細(xì)胞的背向散射是多普勒超聲診斷的基礎(chǔ)。5、.超聲波在介質(zhì)內(nèi)的傳播過程中， 隨著傳播距離的增大，聲波的能量逐漸減少， 這一 現(xiàn)象稱為聲波衰減。 聲波衰減與介質(zhì)對聲波的吸收、 散射以及聲束擴(kuò)散等原因有關(guān)

7、， 其中吸 收是衰減的主要因素。為了使深度回聲信息清楚，在診斷中要使用 STC或TGC調(diào)節(jié)，補(bǔ)償 聲能的衰減。吸收是聲波在傳播或反射過程中，體內(nèi)組織使聲能轉(zhuǎn)換為熱能的現(xiàn)象。散射衰減是超聲波在非均勻介質(zhì)中傳播，因散射而使得聲波能量減弱。聲束擴(kuò)散是因為聲波在單位面積內(nèi)的 能量減少所致。超聲衰減還與超聲頻率有關(guān)，它與超聲頻率呈正比，頻率越高，聲波衰減越大。第三節(jié)多普勒超聲基礎(chǔ)一、超聲多普勒效應(yīng)聲源與接收器在連續(xù)介質(zhì)中存在著相對運動而導(dǎo)致聲波頻率發(fā)生了改變。當(dāng)聲源與接收器作相對運動時，接收器所接收到的聲波頻率高于聲源所發(fā)出的頻率，如兩者的運動方向相反時，則接收頻率低于聲源所發(fā)出的頻率，兩者的頻率差（頻

8、移）與它們之間的相對運動速度成正比。超聲多普勒儀器的超聲源和接收器均安裝在探頭（換能器）中，探頭工作時，換能器發(fā)出超聲波，由運動著的紅細(xì)胞發(fā)出散射回波，再由接收換能器接收此回波。因此接收換能器所收到的超聲回波的頻率經(jīng)過了兩次多普勒效應(yīng)過程，所以收發(fā)超聲頻率之差與血流相對于換能器運動速度的兩倍成正比，多普勒頻移的表達(dá)式為：士 2Vcos 0 f0f d= fR-f0=C1、式中fd為多普勒頻移，f0為入射頻率，fR為反射頻率，V為反射物體運動速度，C為 聲速，0為運動方向與人射波間的夾角。2、當(dāng) fo=3MHz fR= 3.005MHz 貝U fd= fR-fo= 5 kHz所以fd 一般都在音

9、頻范圍內(nèi)。檢出fd后，以聲音發(fā)出響聲來監(jiān)聽，并通過 FFT對fd進(jìn)行頻譜分析，所以多普勒頻移屬于聲波范疇。二、多普勒基本概念1、多普勒超聲血流檢測技術(shù)主要用于測量血流速度，確定血流方向，確定血流種類： 如，層流、射流等；獲得速度、時間積分，壓差等有關(guān)血流的參數(shù)。2、多普勒方式表達(dá)血流速度的公式如下C （ fd）V =2cos 0 f0式中c為聲速（ 1540 m/s） f。為發(fā)射頻率（已知）cos 0是血流與聲束夾角的余弦函數(shù)，當(dāng)相對固定時，則fd與流速成正比，fd即影響流速值V。（2）當(dāng)多普勒人射角（。）恒定時，頻移fd僅決定于發(fā)射頻率f0o對于某一定的fd, f0越小，則可測白血流速度V就

10、越大。欲測高速血流，fd就應(yīng)選擇低頻率的探頭。（3）當(dāng)血流速度保持恒定時，如：100cm/s （以及，f1定的fd和c）,那影響fd的參數(shù)只有cos。，即頻移的數(shù)值依賴于入射角的變化，而速度的數(shù)值與入射角無關(guān)。0角改變的一般規(guī)律（a）當(dāng)0。90。時，cos。為正值，即血流迎超聲探頭而來，頻率增加，fd為正向頻移。（b）當(dāng)90。180。時，cos。為負(fù)值，即血流背離超聲探頭而去，頻率減低，fd為負(fù)向頻移。（c）當(dāng)時0 = 0或。=180時，cosQ = 1,即血流與聲束在同一線上相向或背向運 動，這時fd最大。（d）當(dāng)時。=90 , cos。= 0時即血流方向與聲束垂直，此時fd=0,檢不出多普

11、勒頻移。診斷基礎(chǔ)第一節(jié)超聲聲像圖診斷基礎(chǔ)一、超聲顯像的一般規(guī)律1、回聲來源 來自大界面的反射和散射體的散射。2、界面反射與聲束角度界面與聲束角度對圖像影響較大，球形病灶常僅有前后壁回聲，側(cè)壁回聲常常消失一一形成側(cè)聲影。3、衰減對成像的影響物體衰減特征主要表現(xiàn)在后方的回聲。4、囊性物體的聲像圖特征內(nèi)部為無回聲區(qū)；前壁和后壁回聲增強(qiáng)；側(cè)壁回聲消失；后方有回聲增強(qiáng)和側(cè)聲影。5、多重反射 超聲遇強(qiáng)反射界面， 在界面后出現(xiàn)一系列的間隔均勻的依次減弱的影像， 稱為多重反射，這是聲束在探頭與界面之間往返多次而形成。二、人體不同組織和體液回聲強(qiáng)度（一）分級高回聲（高水平回聲）、中等水平回聲、低回聲（低水平回聲

12、）、無回聲。至少可分高、中、低、無四級。實際上，在高回聲之前還應(yīng)增加一級，稱強(qiáng)回聲。強(qiáng)回聲常伴聲影，見于：含氣肺（胸膜一肺界面）、膽結(jié)石、骨骼表面（軟組織.骨界面）；中等水平回聲見于肝、脾實質(zhì)；典型的低回聲見于皮下脂肪；典型的無回聲見于膽汁、尿液和胸腹水（漏出液）。高回聲與強(qiáng)回聲不同，不伴有聲影。見于肝脾包膜，血管瘤及其 邊界等。需要說明，有些強(qiáng)回聲結(jié)構(gòu)如小結(jié)石、前列腺內(nèi)小鈣化灶等，由于超聲聚焦和超聲頻率等條件，不一定有聲影。（二）一般規(guī)律1、均質(zhì)性液體（介質(zhì)）如膽汁、尿液為無回聲。應(yīng)當(dāng)注意：有些均質(zhì)的固體如透明軟骨、小兒腎錐體，可以出現(xiàn)無回聲或接近無回聲。所以，少數(shù)固體呈無回聲，但必須是均

13、質(zhì)性的。2、非均質(zhì)性液體（介質(zhì)）如尿液中混有血液和沉淀，囊腫合并出血或感染時，液體內(nèi)回聲增加。軟骨等均質(zhì)性組織如果纖維化、鈣化（非均質(zhì)性改變），則由原來無回聲（或接近無回聲）變成有回聲。所以，認(rèn)為“液體均是無回聲的.固體均是有回聲的”.這種看法是不正確的。3、引起回聲增強(qiáng)的常見原因舉例：均質(zhì)性的液體（如血液、膿液）中混有許多微氣泡；血液常是無回聲的，但是新鮮的出血、新鮮的血腫、靜脈內(nèi)血栓形成時回聲增多、增強(qiáng)（凝血塊內(nèi)有大量纖維蛋白）；纖維化、鈣化等非均質(zhì)性改變等。4、人體不同組織回聲強(qiáng)度順序腎中央?yún)^(qū)（腎竇）胰腺肝、脾實質(zhì)腎皮質(zhì)腎髓質(zhì)（腎錐體）血液膽汁和尿 液。正常肺（胸膜-肺）、軟組織-骨骼界

14、面的回聲最強(qiáng)； 軟骨回聲很低，甚至接近于無回聲。病理組織中，結(jié)石、鈣化最強(qiáng)；纖維化、纖維平滑肌脂肪瘤次之；典型的淋巴瘤回聲最 低，甚至接近無回聲。三、不同器官或組織成分的顯像特點1、皮膚呈線狀強(qiáng)回聲。2、脂肪 回聲強(qiáng)弱不同，層狀分布的脂肪呈低回聲。腫瘤組織中脂肪與其他組織成分 混雜分布時，常呈現(xiàn)強(qiáng)回聲反射。3、纖維組織 纖維組織與其他成分交錯分布，其反射回聲強(qiáng)，排列均勻的纖維瘤回聲 則較弱。一般纖維組織的衰減程度較明顯。4、肌肉組織 回聲較脂肪組織強(qiáng)，且較粗糙。5、血管 形成無回聲的管狀結(jié)構(gòu)，動脈常顯示明顯的搏動，有時能看到紅細(xì)胞散射點 狀回聲。6、骨組織、鈣化或結(jié)石 形成很強(qiáng)的回聲，其后方留

15、有聲影。7、實質(zhì)臟器 形成均勻的低回聲。以肝臟為標(biāo)準(zhǔn)：脾臟回聲較肝臟低而均細(xì)腎臟實質(zhì)較肝臟實質(zhì)回聲低胰腺回聲較肝臟高而粗糙8、空腔臟器 其形狀、大小和回聲特征因臟器的功能狀態(tài)改變而有不同，充滿液體時 可表現(xiàn)為無回聲區(qū)；充滿含有氣體的腸內(nèi)容物可形成雜亂的強(qiáng)回聲反射、氣體反射，常曳有多重反射的斑紋狀強(qiáng)回聲，稱為彗星尾征四、不同組織的聲衰減程度的一般規(guī)律（一）組織內(nèi)含水分愈多.聲衰減愈低血液是人體中含水分最多的組織，比脂肪、肝、腎、肌肉等軟組織更少衰減。但是，血 液比尿液、膽汁、囊液等衰減程度高，后方回聲增強(qiáng)程度遠(yuǎn)不及尿液、膽汁、囊液顯著。（二）液體中含蛋白成分愈多.聲衰減愈高由于血液蛋白含量比膽汁

16、、囊液、尿液高得多，故聲衰減較高，后方回聲增強(qiáng)不顯著。聲像圖上血液和囊液、膽汁后方回聲增強(qiáng)的顯著區(qū)別，具有鑒別診斷意義。（三）組織中含膠原蛋白和鈣質(zhì)愈多，聲衰減愈高例如，瘢痕組織、鈣化、和結(jié)石、骨組織均可有顯著的聲衰減，而且常伴有聲影。從表 5-1中可以看出，人體組織中以骨骼和含氣肺衰減程度最高，而且均伴有聲影（注：骨骼 或結(jié)石后方聲影邊界清晰；含氣肺的混響后方聲影的邊界模糊不清）。（四）人體不同組織和體液聲衰減的比較在人體組織中衰減程度一般規(guī)律是：骨組織肝組織血液。若進(jìn)一步細(xì)分：骨（或者鈣化） 肌腱（或軟骨） 肝臟脂肪血液尿液 （或膽汁） 組織中含膠原蛋白和鈣質(zhì)越多，聲衰減越大液體內(nèi)含蛋白成

17、分的聲衰減大。五、腹部超聲掃查與超聲圖像方位標(biāo)識方法(一)、被檢查者體位仰臥位、俯臥位、左側(cè)臥位、半臥位。其他：坐位或立位。(二)、基本斷面1-縱向掃查縱切面(矢狀切面),即掃查面與臟器的長軸平行。2、橫向掃查橫切面(水平切面),即掃查面與臟器的長軸相垂直。3-斜向掃查斜切面，即掃查面與臟器的長軸成一定角度。4-冠狀面掃查冠狀切面(額狀切面),即掃查面與臟器的額狀面平行。(三)、圖像方位的標(biāo)準(zhǔn)1、橫斷面：圖像左側(cè)示被檢查者右側(cè)，圖像右側(cè)示被檢查者左側(cè)。2、縱斷面：圖像左側(cè)示被檢查者頭側(cè)，圖像右側(cè)示被檢查者足側(cè)。3、冠狀斷面：左、右側(cè)冠狀斷面圖像左側(cè)均示被檢查者頭測，圖像右側(cè)示被檢查者足 側(cè)。超

18、聲多普勒診斷基礎(chǔ)1.頻譜多普勒(1)多普勒基本概念(2)脈沖波多普勒技術(shù)的局限性(3)增大脈沖波多普勒技術(shù)檢測血流速度、檢測深度的方法2.彩色多普勒(1)彩色多普勒技術(shù)原理(2)彩色多普勒技術(shù)的種類(3)彩色多普勒血流顯示方式(4)彩色多普勒血流顯像技術(shù)的局限性3.頻譜多普勒技術(shù)的 應(yīng)用(1)血流動力學(xué)基礎(chǔ)知識(2)頻譜多普勒技術(shù)的調(diào)節(jié)方法(3)頻譜多普勒波型的意義(4)用頻譜多普勒判斷血流性質(zhì)(5)頻譜多普勒的用途4.彩色多普勒技術(shù)的 應(yīng)用(1)彩色多普勒的調(diào)節(jié)方法(2)彩色多普勒技術(shù)檢測血流的用途(3)彩色多普勒技術(shù)的臨床應(yīng)用二、多普勒超聲技 術(shù)基礎(chǔ)及應(yīng)用一、多普勒血流頻譜分析基礎(chǔ)(一)頻

19、譜多普勒顯示方式多普勒信號經(jīng)過頻譜分析之后，通過兩種方式加以輸出， 一種是音頻輸出，另一種是圖象輸出。1、音頻輸出：多普勒超聲的發(fā)射頻率和接收頻率均超出了人耳可聽范圍。然而，多普 勒頻移的數(shù)值范圍一般為 1千赫至20千赫之間，因此，頻移信號恰為音頻信號。音頻信號 可以反映血流的性質(zhì)， 其高低反映頻率的高低， 而響度則反映振幅的高低。 血流在流經(jīng)心腔 和大血管的不同部位時，可將產(chǎn)生不同的音頻信號。故借助于音頻信號，可正確地判斷血流 的性質(zhì)并指導(dǎo)聲束的方向。2、頻譜顯示：頻譜顯示是多普勒頻移信號圖象輸出的主要方式。它有以下指標(biāo)供以分析:頻移時間：以橫坐標(biāo)的數(shù)值表示，代表血流持續(xù)的時間，單位為秒。頻

20、移大小：以縱坐標(biāo)的數(shù)值表示， 代表血流速度的大小， 單位常以速度單位即米/秒頻移方向：以頻譜圖中間的零位基線為界，基線以上的頻移信號為正值。表示血流方向朝向探頭；基線以下的頻移信號為負(fù)值，表示血流方向背離探頭。信號振幅：以頻譜的灰度加以表示，代表取樣容積或探查聲束內(nèi)具有相同流速的血細(xì) 胞相對數(shù)量的多少，速度相同的血細(xì)胞數(shù)量越多，反向散射信號就越強(qiáng)，頻譜的灰度就越深；反之，速度相同的血細(xì)胞數(shù)量越少，反射散射信號就越弱，頻譜的灰度就越淡。頻率范圍：以縱坐標(biāo)上頻譜的寬度加以表示，代表某一瞬間或取樣容積中血細(xì)胞速度分布范圍。若速度分布范圍大，頻譜增寬；反之，若流速分布范圍小，頻譜變窄。在層流狀 態(tài)時流

21、速分布梯度小，因此頻譜較窄。在湍流狀態(tài)時，速度梯度變大，頻譜增寬。當(dāng)頻譜增 寬至整個頻譜高度時稱為頻譜充填。（二）頻譜多普勒測量血流速度參數(shù)可以測量收縮期峰值速度（Vs）、平均速度（Vm）、舒張期速度（Vd ）、加速度（ACC）、 搏動指數(shù) （PI）、阻力指數(shù)（RI）、收縮期與舒張期速度之比值 S/D等。（三）頻譜多普勒判斷血流的種類、性質(zhì)搏動性的即有尖峰脈沖波的為動脈血流， 呈連續(xù)不斷出現(xiàn)的為靜脈血流， 但血流速度可 因深呼吸而有起伏或方向倒錯， 層流是血流方向、 速度均無變化，射流為高速血流，湍流為 方向較雜亂的血流，在頻譜多普勒上表現(xiàn)為零位線上下有雜亂的信號出現(xiàn)。二、彩色血流顯像分析基礎(chǔ)（一）彩色