醫(yī)用超聲波相關課件

1、超聲基礎超聲醫(yī)學(Ultrasonic medicine) 是聲學、醫(yī)學和電子工程技術相結合的一門學科，是研究超聲對人體的作用和反作用規(guī)律并加以利用，達到診斷、保健和治療等目的的學科。包括超聲診斷學、超聲治療學和生物醫(yī)學超聲工程。超聲診斷學(Ultrasound diagnostics)研究和應用超聲的物理物性，以某種方式掃查人體、診斷疾病的科學稱為超聲診斷學超聲檢查（ultrasonic examination）指運用超聲波原理，對人體軟組織的物理特性、形態(tài)結構與某些功能狀態(tài)作出判斷的非創(chuàng)傷性檢查方法超聲醫(yī)學基礎一、超聲診斷的物理基礎聲波的定義及分類 聲波的定義： 物體的機械性振動在具有質點

2、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。聲波的定義及分類橫波：指介質中的質點都垂直于傳播方向運動的波。除骨路、肺外人體組均以縱波傳播聲波的定義及分類縱波：指介質中的質點都沿著傳播方向運動的波。在縱波通過的區(qū)域內，介質的各點發(fā)生周期性的疏密變化，因此縱波是脹縮波，目前醫(yī)用超聲的研究和應用主要是縱波傳播方式。超聲檢查成像原理 超聲檢查（ultrasonic examination）是指運用超聲波原理，對人體軟組織的物理特性、形態(tài)結構與某些功能狀態(tài)作出判斷的非創(chuàng)傷性檢查方法。超聲波的波長極短，具有與光波十分相似的直線傳播特性。醫(yī)用超聲頻率范圍：210MHz。 基本

3、物理量超聲波有三個基本物理量，即頻率（f）、波長（），聲速（c），它們的關系是：cf，或c/f。頻率為單位時間內質點振動的次數(shù)，一般以每秒振動次數(shù)表示，以Hz為單位，每秒振動一次為1Hz。聲速為單位時間波動傳播的距離，常用單位為m/s。人體軟組織平均聲速為：1540m/s，或近似于是1500m/s。波長為兩個相鄰振動波峰間的距離，常用單位為m?；疚锢砹?傳播超聲波的媒介物質叫做介質，不同頻率的超聲波在相同介質中傳播時，聲速基本相同，相同頻率的超聲波在不同介質中傳播，聲速不相同。人體軟組織中超聲波速度總體差異約為5，目前醫(yī)用超聲儀一般將軟組織聲速的平均值定為1541m/s，通過該速度可測量軟組

4、織的厚度。聲波的特性反射（reflection） 超聲波在傳播過程中，遇到兩種介質所形成的界面，如介質間具有足夠的特性阻抗差(0.1%)，而界面又大于超聲波的波長，即可發(fā)生反射。 反射聲能的大小，則取決于特性阻抗差的大小。1聲波的特性折射（refraction） 折射（refraction） 當分界面兩邊的聲速不同時，超聲波透入第二種介質后，其傳播方向將發(fā)生改變即折射。 聲波從一種小聲速介質向大聲速介質入射時，聲波經(jīng)過這兩種介質的分界面后出現(xiàn)折射波的折射角大于入射角。 2C1C2聲波的特性散射（scattering） 散射（scattering） 若界面小于超聲波波長，則聲波向物體的四面八方輻

5、射，產(chǎn)生散射。散射是多向性的，朝向探頭者稱為背向散射，可被探頭接收。紅細胞的直徑比超聲波要小得多，是一種散射體。紅細胞的背向散射是多普勒超聲診斷的基礎。聲波的特性衍射衍射：當障礙物的直徑等于或小于2，超聲波將繞過該障礙物而繼續(xù)前進，反射很少，這種現(xiàn)象稱為衍射或繞射。超聲波的傳播及成像原理聲阻抗(特性阻抗)：Zc。為介質的密度、c為介質的聲速超聲波在聲阻抗不同的介質中傳播，可產(chǎn)生折射、反射、衍射、散射及多普勒效應，介質則吸收聲波的能量，并產(chǎn)生聲衰減。目前使用的超聲診斷儀都是建立在回波的基礎上，其物理基礎便是人體內的聲阻抗值是不同的，當聲波穿過不同的組織器官時，其回聲產(chǎn)生相應的變化，從而可提取各種

6、診斷信息。聲波遇到氣體時,被全部反射,不能成像。聲阻抗（impedance） 介質密度（）與超聲波在其中傳播速度（c）的乘積稱為該介質的聲阻抗（Z），即Z c，反映介質的密度及彈性。 超聲波在界面上反射的大小與界面兩邊介質的聲阻抗差及超聲波的入射角有關，人體軟組織的聲阻抗差異很小，只要有1。的聲阻抗差，便可產(chǎn)生反射。 通過接收反射和散射產(chǎn)生的回波，從而獲得人體組織各層界面的位置、形態(tài)及組織內部結構的信息，分析其特征及規(guī)律，可判斷組織或臟器病變的物理特征（如囊性、實性及囊實混合性），從而作出診斷。聲衰減（attenuation）超聲波在介質內的傳播過程中，隨著傳播距離的增大，聲波的能量逐漸減少的

7、現(xiàn)象。其與介質對聲波的吸收、散射及聲束擴散等原因有關，其中介質對聲波的吸收是主要因素?；莞乖?（Huygens principle）惠更斯原理 （Huygens principle） 介質中波動傳到的任何一點都可以看作是發(fā)射子波的波源。這些子波的包絡決定了以后時刻的新波振面。多普勒效應（Doppler Effect）當聲源與反射體之間存在相對移動時，使聲源頻率發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為 Doppler效應。當聲源與反射體作相向運動時，所接收到的聲波頻率高于聲源所發(fā)出的頻率，如這兩者作相反方向運動時，則接收頻率低于聲源所發(fā)出的頻率，兩者的頻率差（即頻移）與它們之間的相對運動的速度成正比。多普勒效應（

8、Doppler Effect）多普勒頻移的表達公式為： fdfRf02Vcosf0/C。在公式中fd為多普勒頻移，fR為反射頻率，f0為入射頻率，V為反射物體運動速度，C為聲速，為運動方向與入射波之間的夾角。頻譜多普勒：正頻移為正向波，負頻移為負向波。多普勒效應彩色多普勒:正頻移設為紅色，負頻移設為藍色。超聲波的發(fā)生與接受 壓電效應（piezoelectric effect）對某些非對稱結晶材料進行一定方向的加壓或拉伸時，其表面將會出現(xiàn)符號相反的電荷，這種現(xiàn)象稱為壓電效應。具有此性質的材料稱為壓電材料，主要有壓電晶體，極化陶瓷，高分子聚合物等。當在壓電材料上加機械振動時，材料表面產(chǎn)生電荷（即將

9、機械能轉變?yōu)殡娔埽?，稱為正壓電效應。當在壓電材料上加交變電信號時，材料幾何變形，產(chǎn)生與交變信號同樣頻率的機械振動（即將電能轉變?yōu)闄C械能），稱為逆壓電效應。產(chǎn)生超聲波就是晶體的逆壓電效應。超聲波的發(fā)生與接受醫(yī)用超聲換能器 任何超聲診斷儀均由以下三個組成部分組成：超聲換能器（探頭）部分、基本電路（包括計算機信號處理）部分、顯示部分。超聲換能器是發(fā)生超聲波和接收超聲回波的儀器。將電振蕩變成超聲，發(fā)射到人體內是換能器的發(fā)射作用，將超聲回波轉換成電信號回饋給接收電路是換能器的接收作用。在醫(yī)用超聲儀中，超聲換能器被稱為探頭。醫(yī)用超聲換能器由三個部分組成：由外到內為：面材、壓電材料和背材。二、超聲診斷基礎B

10、型超聲診斷基礎（Brightness Mode） B型超聲診斷法為輝度調制型，即把回聲信號以光點的形式顯示出來，回聲強則光點亮，回聲弱則光點暗。聲像圖中人體組織的回聲強度順序腎中央?yún)^(qū)（腎竇）胰腺肝、脾實質腎皮質腎髓質（腎錐體）血液膽汁和尿液；正常肺（胸膜肺）、軟組織骨骼界面的回聲最強，軟骨回聲很低，甚至接近于無回聲；病理組織中，結石、鈣化最強；纖維化次之；典型的淋巴瘤回聲最低，甚至接近無回聲。聲像圖分析外形：臟器的外形正常、腫大或縮小，形態(tài)變胖或表面不平對疾病的診斷有價值。腫塊外形是圓球形、條狀、分葉狀或不規(guī)則。腫瘤往往呈圓球形或橢圓球形，在探測時有球體感。邊界回聲：腫塊有邊界回聲且平滑者，說

11、明存在明顯包膜。反之，無明顯邊界回聲或形態(tài)不規(guī)則者，多為無包膜的浸潤性病變。聲像圖分析內部回聲：器官和腫塊的內部回聲來自其內部結構的界面反射和微細結構的散射。人體組織超聲回聲強度分級，分為以下五個等級。強回聲 強回聲后方常伴聲影，見于結石、含氣肺（胸膜肺界面）、骨骼表面等；高回聲 高回聲與強回聲不同，不伴有聲影，見于肝脾等臟器的包膜等；等回聲 中等水平回聲見于肝、脾實質等；低回聲 典型的低回聲見于皮下脂肪組織；無回聲 典型的無回聲見于膽汁、尿液、胸腹水（漏出液）等純液性物質。聲像圖分析聲像圖分析后方回聲：器官和腫塊的出現(xiàn)后方聲影，表示其衰減系數(shù)極大，反之，如果后方聲影增強，表示其衰減系數(shù)較低。

12、后方回聲內收，表示其聲速低于周圍組織，反之后方回聲外展，表示其聲速高于周圍組織。毗鄰關系：正常器官與周圍結構保持一定解剖關系，可以通過它們之間的關系進行識別，如根據(jù)脾靜脈來識別胰腺等。同時，在產(chǎn)生病變時，也可以根據(jù)周圍臟器的位置來鑒別腫塊的來源，或根據(jù)毗鄰結構的受壓、浸潤情況來了解病變情況。聲像圖分析活動度和活動規(guī)律：正常器官和組織有一定的活動規(guī)律。病理改變時，器官的活動受限，提示存在粘連、浸潤或外傷。同時，某些特定的活動規(guī)律是疾病的診斷依據(jù)，例如可滾動的強回聲團塊是結石的診斷依據(jù)。硬度：正常的器官有其各自的柔軟度，如產(chǎn)生病理變化時，其原有的柔軟度可消失或減退。排空：空腔臟器的排空功能是某些疾

13、病的診斷依據(jù)。囊腫和實質性腫塊的聲像圖比較囊性腫塊超聲表現(xiàn)：外形呈圓形或橢圓形，內部呈無回聲，前壁和后壁回聲增強，側壁回聲消失；后方有回聲增強。囊腫和實質性腫塊的聲像圖比較實質性腫塊超聲表現(xiàn)：外形不定，內部呈高/等/低回聲，邊界回聲不定，側緣聲影不定，后方聲影衰退或伴聲影。囊腫和實質性腫塊的聲像圖比較肝囊腫肝腫瘤D型超聲診斷法（多普勒超聲診斷法 Doppler mode） 彩色多普勒血流成像（Color Doppler Flow Imaging） 彩色多普勒血流診斷設備主要由脈沖多普勒系統(tǒng)、自相關器和彩色編碼及顯示器等組成，其圖像輸出方式是應用偽彩色編碼技術，編碼從自相關技術所獲得的血流信息轉

14、變成可視影像來顯示血流影像。偽彩色編碼技術是由紅、藍、綠三種基本顏色組成，不同方向、速度、性質的血流以不同的顏色表示。D型超聲診斷法（多普勒超聲診斷法 Doppler mode） 目前，彩色多普勒超聲儀一般均設定流向探頭的血流為紅色，背離探頭的血流為藍色，這兩種不同方向的血流顏色的輝度水平與血流的速度成正比，即：速度越快，輝度越亮；速度越慢，輝度越暗淡。綠色常表示有湍流，其成分隨湍流的比例增加而增加。層流的顏色顯示為單純的紅色或藍色。D型超聲診斷法（多普勒超聲診斷法 Doppler mode）血流定量測定 多普勒頻譜技術為在生理條件下進行血流定量的無創(chuàng)傷研究提供了有效手段。臨床上應用該技術可以

15、測定血流速度（包括：瞬時速度、峰值速度、平均速度、主頻速度）、壓力階差及血流流量（包括：靜脈血流量、動脈血流量）。 超聲偽像:混響 混響（reverberations） 超聲垂直入射聲阻抗差大的平整界面時，在界面與探頭之間多次反射所形成的偽像。例如膀胱等表淺部位常出現(xiàn)回聲延續(xù)的假性回聲，可以通過側動探頭角度來鑒別。在組織內部兩個界面之間的多次反射所形成的偽像是多次內部混響，例如胃腸道內的振鈴狀偽像。超聲偽像:聲影 聲影（acoustic shadowing） 當聲束遇到強反射（如含氣肺）或聲衰減程度很高的物質（如瘢痕、結石、鈣化等），聲束完全被阻擋時，在其后方出現(xiàn)條帶狀無回聲區(qū)即聲影。超聲偽像

16、:旁瓣偽像 旁瓣偽像 (side lobe artifact) 在遇到強反射界面時，旁瓣回聲能產(chǎn)生重影或虛影，常出現(xiàn)在液性暗區(qū)中，例如在膽囊或膀胱中的結石強回聲兩側呈現(xiàn)的“狗耳”樣圖像。超聲偽像:鏡面?zhèn)蜗?鏡面?zhèn)蜗瘢╩irror artifacts）遇到深部的鏡面，即聲阻抗差異較大的平整大界面時，在近側的結構同時在圖像的該界面另一側出現(xiàn)的偽像。超聲偽像:后方回聲增強 后方回聲增強（enhancement of behind echo） 前方的組織聲衰減明顯比兩旁小時，其后方回聲明顯強于同深度的周圍組織的偽像。例如，囊腫等液性結構的后方回聲增強，而且內收，呈蝌蚪尾征（tadpole tail s

17、ign）。臨床上可以借此偽像鑒別液性與實質性。超聲偽像:部分容積效應 部分容積效應（partial volme effect）由于聲束寬度引起周圍組織重疊的偽像，也稱為切層厚度偽像。三、超聲儀器超聲診斷儀的組成部分 超聲診斷儀由超聲換能器（探頭）部分、基本電路（包括計算機信號處理）部分、顯示部分組成。超聲換能器是發(fā)生超聲波和接收超聲回波的儀器。在醫(yī)用超聲儀中，超聲換能器被稱為探頭。探頭的類型 按工作原理可分為以下兩大類：脈沖回聲式探頭和多普勒式探頭。前者由同一晶片兼作發(fā)射和接受兩種功能，按結構可分為單探頭、機械探頭和電子探頭。目前的超聲診斷采用的探頭，大多既是B超探頭又是多普勒探頭。線陣型探頭

18、構成：由幾十乃至上千個陣元沿一直線排列組合。原理：由相鄰的812個陣元構成的陣元組依一定順序工作，用電子開關輪番地接通，形成線性掃描。評估：近場視野大，易受肋骨、氣體影響。凸陣型探頭 構成：陣元的窄條振子被均勻分布在凸形圓弧上； 原理：同線陣，只是其波束是作扇形掃描； 評估：能避開胸骨和肋骨遮擋，無噪音，可替代機械扇掃探頭。超聲診斷儀的類型A超（Amplitude mode ultrasonograph）B超（Brightness mode ultrasonograph）D超（Doppler mode ultrasonograph） M超（Motion mode ultrasonograph）

19、A超（Amplitude mode ultrasonograph） 以探頭接收到的超聲脈沖信號的幅度為縱坐標，而以超聲脈沖的傳播時間為橫坐標的一種顯示方式。 型超聲適用于簡單解剖結構的檢查、線度測量，如腦中線檢查、眼科檢查。B超（Brightness mode ultrasonograph）顯示的局部亮度代表回波的幅度的回波信息表示方法。 在顯示屏上，以探頭陣元的位置為橫坐標，以超聲的傳播時間縱坐標，并以回波幅度調制輝度，可得到探頭掃查平面內的圖象。頻譜多普勒頻譜多普勒儀將多普勒頻移信號的強弱以縱坐標的幅度來表示，頻移的正負以信號波在基線的上下來表示，橫坐標表示傳播時間，其本質是一維的圖象，這

20、種顯示可得到頻移時間、速度大小、頻移方向、信號振幅和頻率范圍信息。連續(xù)波多普勒 連續(xù)式多普勒使用雙晶片探頭，一個晶片連續(xù)地發(fā)射脈沖波，返回的聲波由另一個晶體片連續(xù)地接收。理論上最大流速的測值無限制性。流速實際可測值常大于7米秒，定量分析狹窄、分流和返流性病，其主要缺點是缺乏空間分辨能力。脈沖波多普勒 其超聲脈沖波的發(fā)射與接收均以一個探頭進行，它是在一選擇性的時間延遲后，才開始接受回聲信號。優(yōu)點：疾病的定位診斷和血流的定量測定。缺點：受脈沖重復頻率的限制， 易頻率失真。M超（Motion mode ultrasonograph） 將沿聲束方向各反射點位移隨時間變化而顯示，是一種以亮點亮度來表示反射聲信