醫(yī)學(xué)影像診斷學(xué)課件：超聲診斷物理基礎(chǔ)

1、超聲診斷物理基礎(chǔ)一、醫(yī)學(xué)超聲發(fā)展簡(jiǎn)史起源于20世紀(jì)40年代，1942年德國(guó)精神科醫(yī)師用A型超聲探查顱腦，1949年二維超聲用于檢診疾??；80年代彩色多譜勒超聲問(wèn)世并用于臨床；90年代以后，三維超聲、超聲造影、能量多普勒、腔內(nèi)超聲、超聲組織定征及彈性成像等新技術(shù)相繼出現(xiàn)并用于臨床；20世紀(jì)末，我校王智彪教授等成功研制出高強(qiáng)度超聲（HIFU）腫瘤治療系統(tǒng)，并在臨床得到廣泛應(yīng)用。超聲成像(ultrasound imaging,USI)現(xiàn)代醫(yī)學(xué)影像學(xué)放射性核素掃描核磁共振成像（MRI）X線電子計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）傳統(tǒng)X線成像二、超聲診斷學(xué)定義 借助超聲診斷儀，利用超聲波的物理特性和人體組織器官的聲學(xué)

2、特性相互作用而產(chǎn)生的信息，經(jīng)處理后形成圖像、曲線或其他數(shù)據(jù)，通過(guò)分析這些資料進(jìn)而對(duì)人體疾病進(jìn)行診斷的一門學(xué)科即超聲診斷學(xué)。三、超聲診斷基礎(chǔ) 波長(zhǎng)(wave length ) 在波的同一傳播方向上，兩個(gè)相鄰的、相位相同的質(zhì)點(diǎn)間的距離。 1、與波有關(guān)的幾個(gè)物理量周期（period T） 波傳播一個(gè)波長(zhǎng)所需要的時(shí)間。頻率（ frequency f ） 單位時(shí)間內(nèi)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的次數(shù)，單位為赫茲。波速（wave velocity C） 單位時(shí)間內(nèi)波傳播的距離，單位米/秒。 聲阻抗：等于某介質(zhì)的密度()與聲波在該介質(zhì)中的傳播速度(C)的乘積(Z) Z=C7Z鈣化、骨骼、結(jié)石等Z實(shí)性Z液性Z氣體 Z固Z液Z氣

3、固液氣C固C液C氣介質(zhì):是傳播波的媒介物質(zhì) 頻率不同，介質(zhì)相同波速基本相同 相同頻率，介質(zhì)不同波速不相同 醫(yī)用超聲儀一般將軟組織聲速的平均值定為1540m/s界面:指兩種聲阻抗不同的介質(zhì)的相接處 大界面：長(zhǎng)度大于聲束波長(zhǎng)者 小界面：長(zhǎng)度小于聲束波長(zhǎng)者 超聲波：頻率超過(guò)人耳聽域高限(2萬(wàn)Hz）的機(jī)械波。常用醫(yī)用超聲診斷頻率范圍是2.5-12MHz四、超聲波的定義及強(qiáng)度指標(biāo)聲功（能）（ acoustic energy)探頭發(fā)射的超聲總能量，單位為焦耳(J)聲功率（ acoustic power)單位時(shí)間內(nèi)探頭發(fā)射的超聲能量，單位為瓦（W)聲強(qiáng) (intensity)單位面積上的聲功率，即單位時(shí)間內(nèi)

4、單位面積上的聲能。壓電效應(yīng)( piezoelectric effect) 在外力(壓力）作用下，壓電原件相對(duì)應(yīng)的面上產(chǎn)生性質(zhì)相反的電荷的現(xiàn)象，是接收超聲波的過(guò)程。（聲能轉(zhuǎn)換為電能）逆壓電效應(yīng)(converse piezoelectric effect) 將壓電原件置于交變的電場(chǎng)中，壓電原件發(fā)生厚薄改變的現(xiàn)象，是發(fā)射超聲波的過(guò)程。（電能轉(zhuǎn)換為聲能）五、超聲波的發(fā)射與接收聲源( sound source)：產(chǎn)生及發(fā)射超聲波的物體為聲源。聲束(sound beam)：從聲源發(fā)出的超聲波以束狀在一小的立體角內(nèi)向外傳播，稱聲束。聲場(chǎng)(sound field)：超聲波充斥的空間稱聲場(chǎng)，可分為近場(chǎng)、遠(yuǎn)場(chǎng)。六

5、、聲源、聲束、聲場(chǎng) 探頭頻率越高，縱向分辨力越高,但穿透力越差。傳播方式：超聲波在同種介質(zhì)中呈直線傳播。衰減(acoustic attenuation)：隨傳播距離的增加質(zhì)點(diǎn)振幅（amplitude）逐漸減小的現(xiàn)象 。傳播特性：頻率越高，束射性及方向性越好，分辨力越高，但衰減越快、穿透力越差。七、超聲波的傳播及衰減聲速（sound velocity C） 單位時(shí)間內(nèi)超聲波在介質(zhì)中傳播的距離，單位米/秒。 聲阻抗（acoustic impedance Z） 某種介質(zhì)的密度與聲波在該種介質(zhì)中傳播速度的乘積（z=c）。界面：兩種聲阻抗不同的組織相接處稱界面，大小小于波長(zhǎng)的稱小界面，大于波長(zhǎng)的稱大界面

6、。八、人體組織的聲學(xué)參數(shù)九、超聲波在人體內(nèi)傳播的物理特性反射、折射散射和繞射聲衰減分辨力與穿透力多普勒效應(yīng)17反射與折射超聲波在傳播過(guò)程中，遇到兩種具有不同聲阻抗的介質(zhì)所形成的界面，若介質(zhì)的聲阻抗差大于.，且界面大小遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于超聲波波長(zhǎng)時(shí)，一部分超聲能量將返回到第一種介質(zhì)中，另一部分超聲能量將穿過(guò)界面進(jìn)入第二種介質(zhì)前一現(xiàn)象稱為反射，后一現(xiàn)象稱為折射19斜入超聲波的反射和折射垂直入射超聲波的反射和透射反射和折射反射:入射到大界面;聲阻抗差值0.1%即可產(chǎn)生反射.聲阻抗差越大,反射越強(qiáng).界面反射是超聲成像的基礎(chǔ) 反射和折射（包括透射）產(chǎn)生的各層回聲帶來(lái)了人體內(nèi)部各層組織的信息，使人們利用這些信息進(jìn)行

7、超聲診斷2021散射和繞射散射 d 繞射 dD=界面大小，=波長(zhǎng)聲 衰 減 （acoustic attenuation)聲衰減：指在聲束傳播方向上單位面積聲能隨著傳播距離增加而減弱的現(xiàn)象 衰減量=頻率深度 頻率高,衰減重 原因：1）介質(zhì)對(duì)超聲波的吸收 2）聲束擴(kuò)散 3）反射、散射等23人體組織的聲衰減特點(diǎn)：鈣質(zhì)成分越多,蛋白成分越高,衰減越多;而含水量越多,衰減越少縱向分辨力(longitudinal resolution)為區(qū)別聲束軸線上兩個(gè)物體的能力，與超聲的頻率有關(guān)。 橫向分辨力(transverse resolution)：是區(qū)分與聲束軸線垂直方向兩個(gè)物體的能力，與聲束的寬度有關(guān)。超聲

8、的分辨力是指聲束分辨出兩個(gè)界面的最小距離。十、超聲波的穿透力與分辨力超聲波的穿透力與分辨力頻率越高，穿透力越差，分辨力越好頻率越低，穿透力越強(qiáng)，分辨力降低 對(duì)應(yīng)的臨床應(yīng)用：檢測(cè)淺表器官，采用高頻探頭檢測(cè)深部臟器，采用低頻探頭能產(chǎn)生有效反射回聲的傳播距離即穿透力 1842年由奧地利天文學(xué)家JCDoppler 研究星座時(shí)首先發(fā)現(xiàn)而命名。 它是指聲源與接收器之間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，接收體接收到的超聲波頻率發(fā)生改變的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象即為多普勒效應(yīng)(Doppler effect)。頻率的變化值稱為頻移fd。十一、多普勒效應(yīng) doppler effect 頻率改變的差叫頻移，頻移與速度和角度成正比。利用這個(gè)技術(shù)

9、可以檢測(cè)人體血流的各種參數(shù)。 fd = f- f0 = 2Vcosf0/C血管VC探頭f0 為入射超聲波頻率 f為回聲頻率V 為二者的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度 C為聲速為運(yùn)動(dòng)方向與聲束方向間的夾角 正頻移負(fù)頻移超聲在探測(cè)移動(dòng)的目標(biāo)時(shí)，其回聲的頻率會(huì)發(fā)生變化。利用多普勒效應(yīng)可檢測(cè)物體有無(wú)運(yùn)動(dòng)，及運(yùn)動(dòng)的方向和速度，如檢查有無(wú)血流、血流的方向和速度，以及心肌運(yùn)動(dòng)等。十二、超聲診斷原理 人體不同組織具有不同的聲阻抗，超聲波在人體內(nèi)傳播時(shí)，遇到具有不同聲阻抗的介質(zhì)形成的界面時(shí)，就會(huì)發(fā)生反射或散射，儀器接收由人體反射或散射回的超聲波，進(jìn)行各種處理后,以不同方式在熒光屏上成圖像、曲線及數(shù)據(jù)，通過(guò)這些資料分析，即可對(duì)疾病

10、進(jìn)行診斷。十三、常用超聲診斷類型A型超聲診斷法 (Amplitude mode)B型超聲診斷法 (Brightness mode)M型超聲診斷法 (time-Motion curve)D型超聲診斷法 (Doppler ultrasound) 超聲儀器接收單束超聲波傳播中所遇到的各界面的回聲(echo)，形成不同振幅的波，以波的振幅代表回聲的強(qiáng)弱，橫坐標(biāo)代表超聲波在介質(zhì)中傳播的距離，故稱為幅度調(diào)制型。A型超聲診斷法 圖像是由亮度或灰度不同的光點(diǎn)所組成的二維平面，由多束超聲波傳播中所遇到的各界面的回聲構(gòu)成，每一界面回聲對(duì)應(yīng)一個(gè)光點(diǎn)，光點(diǎn)愈亮，表示回聲愈強(qiáng)，無(wú)光點(diǎn)表示無(wú)回聲，故又稱灰度調(diào)制型。其橫向

11、距離為超聲束的總寬度，縱向距離為超聲束的傳播距離。界面B型超聲診斷法不同掃查模式形成的聲像圖線掃扇掃弧掃 由單聲束傳播中所遇到的各界面的回聲組成，多用于運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，為各運(yùn)動(dòng)界面的時(shí)間運(yùn)動(dòng)曲線(time-motion curve),波幅為運(yùn)動(dòng)界面的動(dòng)度，橫坐標(biāo)為時(shí)間，但成像原理與B超相似，仍以光點(diǎn)的亮度代表回聲的強(qiáng)弱。M型超聲診斷法 2b區(qū) 4區(qū)D型超聲診斷 利用多普勒效應(yīng)對(duì)心臟、血管內(nèi)的血流方向、速度和功能狀態(tài)進(jìn)行顯示的方式彩色多普勒頻譜多普勒脈沖多普勒連續(xù)多普勒彩色多普勒血流圖彩色多普勒能量圖原理: 用彩色編碼紅細(xì) 胞運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行顯像顏色表示血流方向: 血流迎向探頭, 用紅色表示; 血流遠(yuǎn)離探

12、頭, 用藍(lán)色表示色彩明亮度表示血流速度: 速度越快者顏色越鮮亮, 速度越慢顏色越黯淡44彩色多普勒血流圖Color Doppler flow imaging，CDFI1、彩色多普勒血流圖顯示方式血流時(shí)相血流方向血流速度血流范圍血流離散度2、彩色多普勒血流圖的局限性血流方向與聲束夾角對(duì)圖像的影響 (fd=f1-f0=2VcOsf0/c)彩色混疊探測(cè)深度與探測(cè)速度相互制約 (fd1/2PRF,dmax=c/PRF)成像速率慢不能定量計(jì)算彩色多普勒能量圖49原理: 將紅細(xì)胞散射 能量作為成像信息進(jìn) 行彩色編碼顯示優(yōu)點(diǎn): 利于顯示低流量, 低速度的血流信號(hào), 對(duì) 血流檢測(cè)敏感性提高. 高速血流不產(chǎn)生彩

13、色混迭缺點(diǎn): 不能判斷血流向和性質(zhì), 不能判斷血流 度快慢頻譜多普勒同樣以多普勒頻移為成像信息，用時(shí)間曲線去反映取樣容積內(nèi)各運(yùn)動(dòng)界面在不同時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)速度及運(yùn)動(dòng)方向。縱坐標(biāo)為運(yùn)動(dòng)速度（頻移），橫坐標(biāo)為時(shí)間；頻移為正，頻譜位于基線上方，頻移為負(fù)，頻譜位于基線下方；頻譜越高，代表運(yùn)動(dòng)速度越快。頻譜多普勒52頻譜分析的內(nèi)容頻移的方向（血流方向）頻移的時(shí)相頻移的大?。ㄟ\(yùn)動(dòng)速度的大?。╊l譜的輝度（亮度）頻譜的形態(tài)頻譜的離散度頻譜脈沖波多普勒的局限性受超聲束與血流方向夾角的影響探測(cè)深度受脈沖重復(fù)頻率的影響探測(cè)深度與探測(cè)速度相互制約連續(xù)波多普勒缺乏距離選通功能測(cè)量高速血流不出現(xiàn)混疊十四、人體組織的聲學(xué)特征無(wú)反

14、射型無(wú)回聲膽汁、尿液、血液等少反射型低回聲正常腎實(shí)質(zhì)等 等回聲肝、脾等多反射型強(qiáng)回聲管壁、包膜、腎竇區(qū)等全反射型極強(qiáng)回聲氣體、骨骼、結(jié)石等無(wú)回聲型59少回聲型多回聲型全反射型 無(wú)回聲 液性 生理：膽汁 病理：胸腹水 衰減性 生理：骨骼后方 病理：纖維化 低回聲 生理：心肌 病理：腫瘤 高回聲 生理：包膜 病理：葡萄胎 強(qiáng)回聲 生理：氣體 病理：結(jié)石人體組織的反射類型在B超上的表現(xiàn) 混響偽像 鏡像偽像 聲影 高衰減結(jié)構(gòu) 后方回聲增強(qiáng) 旁瓣偽像 部分容積效應(yīng)9/2/2022十五、超聲偽像混響偽像 聲束掃查體內(nèi)平滑大界面時(shí)，部分能量返回探頭表面之后，雙從探頭的平滑面再次反射第2次進(jìn)入體內(nèi)。為多次反射

15、的一種。多見于膀胱前壁、膽囊底、大囊腫前壁，可被誤診為壁增厚、分泌物或腫瘤等。9/2/2022鏡像偽像（鏡面折返虛像） 超聲束在體內(nèi)傳播，遇到較深的平滑大界面時(shí)，其淺面與之接近的結(jié)構(gòu)或病灶在聲像圖上會(huì)在該界面的兩側(cè)對(duì)稱顯示，即鏡面?zhèn)蜗瘢鼈?cè)者為實(shí)像，遠(yuǎn)側(cè)者為虛像，為入射聲束按入射徑路反射折回探頭所致。9/2/2022 聲影 在常規(guī)深度增益補(bǔ)償正補(bǔ)償調(diào)節(jié)后，在組織或病灶后方所顯示的回聲減弱，甚或接近無(wú)回聲的平直條狀區(qū)。系聲通道上較強(qiáng)衰減體所致。 高反射系數(shù)物體（如氣體）、高吸收系數(shù)物體（如骨骼、結(jié)石）后方具有聲影。高衰減偽像 超聲束在體內(nèi)傳播，遇到聲阻抗差較大的界面產(chǎn)生強(qiáng)反射或全反射、或組織吸收

16、超聲能量較多，超聲衰減明顯，使其后方回聲明顯減弱，形成高衰減偽像，常見于肌腱、軟骨、瘢痕后方。全反射時(shí)后方呈無(wú)回聲，即聲影。9/2/2022后方回聲增強(qiáng) 超聲束在傳播過(guò)程中不斷衰減，當(dāng)經(jīng)過(guò)含液臟器及病灶時(shí)，與周圍組織相比，該路徑聲束衰減甚少，使其后方回聲強(qiáng)于周圍組織，即后方回聲增強(qiáng)。9/2/2022旁瓣偽像 聲源發(fā)射的聲束于中心處形成主瓣，其軸線與聲源垂直，含總能量的8090%，主瓣周圍有對(duì)稱分布的數(shù)對(duì)旁瓣，旁瓣遇界面時(shí)也產(chǎn)生反射、散射，其形成的圖像重疊在主瓣形成的圖像上，但回聲弱且模糊不清，即旁瓣效應(yīng)，可在檢查膀胱、膽囊、膈肌及心臟時(shí)發(fā)生，表現(xiàn)為膀胱、膽囊及心腔內(nèi)薄紗狀弧形回聲，變換切面后可

17、減輕或消失。9/2/2022部分容積效應(yīng) 病灶尺寸小于聲束寬度，或雖然大于聲束寬度但部分處于聲束內(nèi)，則病灶回聲與正常組織的回聲重疊產(chǎn)生部分容積效應(yīng)。多見于小型液性病灶。如：肝囊腫因部分容積效應(yīng)?？娠@示內(nèi)部細(xì)小回聲（系周圍肝組織回聲重疊效應(yīng)）9/2/2022十六、超聲診斷病變的物理性質(zhì) 根據(jù)超聲的各種回聲表現(xiàn)將組織的物理性質(zhì)分為三類囊性占位性病變實(shí)質(zhì)性占位性病變混合性占位性病變囊性占位性病變 以各種液體為主要成分，病理主要表現(xiàn)為囊腫或液體積聚。實(shí)質(zhì)性占位性病變 包含各種軟組織成分，可以是良性也可以是惡性，主要根據(jù)良、惡性不同的病理特點(diǎn)加以區(qū)分。混合性占位性病變其內(nèi)有液體、實(shí)質(zhì)兩種成分，比例可以不

18、相同。病理可以是良性如肝膿腫，也可以是惡性如肝癌中心液化壞死。十七、超聲生物學(xué)效應(yīng)與安全性生物學(xué)效應(yīng) 熱效應(yīng)：可致局部溫升，如HIFU治療腫瘤 空化效應(yīng)：致空泡，造影劑微泡爆裂 增流效應(yīng)：水或液性介質(zhì)出現(xiàn)增流安全性：診斷用超聲對(duì)細(xì)胞畸變、染色體及組織器官的影響尚無(wú)定論注意：對(duì)于胎兒，眼球等的檢查應(yīng)盡量減少掃查時(shí)間，降低發(fā)射功率80十八、超聲檢查在臨床中的應(yīng)用對(duì)臟器的形態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察及測(cè)量檢測(cè)血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)和組織的血流灌注確定占位病變的物理性質(zhì)對(duì)某些臟器進(jìn)行功能測(cè)定能動(dòng)態(tài)觀測(cè)病變的變化和治療的效果介入性超聲:引導(dǎo)穿刺、活檢及導(dǎo)管插入等 優(yōu) 勢(shì)實(shí)時(shí)、快捷、無(wú)創(chuàng)、準(zhǔn)確率較高超聲檢查范圍全面危重病人可

19、在床旁檢查隨訪 不 足圖象易受氣體、偽像等干擾對(duì)骨骼、肺、腸道的檢查受到限制圖象顯示范圍較小，整體觀差超聲診斷報(bào)告受診斷醫(yī)生水平及機(jī)器分辨率等因素影響較大超聲檢查的優(yōu)勢(shì)與不足 上腹部凸陣探頭，頻率25MHZ（中心頻率34MHZ）。在X線鋇劑和胃鏡檢查前進(jìn)行，或上述檢查3d后 進(jìn)行。檢查前一晚進(jìn)食流食，檢查前禁食 8h12h。9/2/2022儀器條件及檢查前的準(zhǔn)備 下腹部凸陣探頭，頻率25MHZ（中心頻率34MHZ）。腎及輸尿管中上段檢查無(wú)需特殊準(zhǔn)備。輸尿管下段、膀胱、前列腺、子宮、卵巢及盆腔檢查需適度充盈膀胱。置有導(dǎo)尿管者不能測(cè)量殘余尿量。9/2/2022 心血管及小器官彩色超聲診斷儀，線陣或小凸陣探頭，頻率518MHZ（中心頻率79MHZ）。無(wú)需特殊準(zhǔn)備。對(duì)有切口或傷口者，最好拆線后檢查，必須檢查者須注意無(wú)菌操作，防止交叉感染。 三維超聲是將連續(xù)不同平面的二維圖像進(jìn)行計(jì)算機(jī)處理,得到一個(gè)重建的有立體感的圖形。主要用于檢查胎兒、心臟等器官 十九、超聲檢查新技術(shù)三維