超声影像诊断学(diagnostic ultrasono-graphy)属于医学影像学(medical imageology)的范畴，是一门边缘学科。它吸收了当今电子学和生物工程学上的最新成就，以人体解剖学、病理学等形态学为基础，获取活体器官和组织的断面解剖图像，观察病理形态学改变，并与临床医学密切结合，从而诊断人体疾病的科学口它是继X线之后成为临床可以直观地显示人体内部器官和形态的又一重大技术进展。近年来，伴随其迅速发展，它已经与X线一CT、核素成像(ECT)、磁共振成像(MRI )构成了当今四大现代医学影像诊断学科，在临床诊断中占有重要的地位。   

       超声影像诊断学的发展历经了不足百年的历史:在20世纪40年代末，A型超声诊断仪开始用于临床，不久B型、M型和D型超声诊断仪相继问世。70年代二维灰阶B型超声诊断仪迅速发展，它们显示的均为人体内的结构形态信息，成像基础是人体内声阻抗的变化。与此同时，建立在多普勒效应基础上的，显示血流及心脏运动信息的D型超声诊断仪也开始出现，其后出现的双功能型(duplex mode)超声诊断仪便是B型与D型结合的产物，它可用同一探头既显示B型图，又可在图像中任一处取样显示其多普勒频谱。80年代出现的彩色血流显像(color flow imaging, CFI)则是在B型超声图像中，以彩色表示心脏及血管中的血液流动，故属于结构形态一生理功能型显像仪。随着科学技术的飞速发展，超声影像诊断学的新技术也不断出现。近年来经颅多普勒(TCD)诊断仪应用低频多普勒超声，通过颜部、枕部、眶部及颈部等透声窗，可以显示颅内脑动脉的血流动力学状况，因而受到临床医师的青睐。具有三维空间技术的诊断仪、高频超声、彩色多普勒能量图、超声声学造影和介人性超声等超声诊断技术的新发展为临床应用提供了更多可供选择的辅助手段，也使得超声影像诊断学越来越受到临床医师的广泛应用和重视。

   一、超声波的基本概念   

       波动是具有激发波动的波源在弹性介质中的传播过程，它分为机械波和电磁波两大类。物体在平衡位置附近往返运动即机械振动，其在介质中的传播即为机械波。在机械波中，质点的振动方向与波的传播方向相互垂直称为横波，与波的传播方向相互平行则称为纵波。波动的实质是一种能量的传递过程。   

       声波是能够引起听觉器官出现声音感觉的机械波，它是纵波即疏密波，传播时弹性介质的质点通过稀疏和密集的变化而传播声能。由于人耳的听阑范围的声波频率为20-20,000Hz，因此，频率高于20,000Hz的声波称为超声波(ultrasound wave)。目前超声诊断常用的频率一般为1--- 30MHz。浅表器官与外周血管探头常用7一  1OMHz，冠脉内超声的探头频率可高达20 --- 30MHz，而新近一些用于体外研究的超声探头的频率甚至达到50MHz.   

      法国物理学家比埃尔·居里等于1880年发现了压电效应(piezoelectric effect)，它指的是自然界中的一类晶体如石英、电气石等，当在它的一定方向上施加压力或拉力时，晶体的两侧表面即出现异性电荷;反之，晶体处于交变电场中，如电场方向与晶体压电轴的方向一致，则晶体厚度出现强烈压缩或扩张，此压力与电荷相互转换的现象即压电效应。其中，由压力(机械能)而产生电荷(电能)为正压电效应，反之则为逆压电效应。诊断用的超声波的发生就是利用逆压电效应，即将仪器产生的高频交流电信号加在压电晶体上，使晶体发生体积胀缩，推动周围介质使之振动，形成疏密波，输人的电振荡频率即为产生的超声波频率。而超声波在接收时则利用正压电效应，反射回的疏密波作用于压电晶体而产生的异性电荷，经仪器接收放大后显示在示波屏上，形成代表界面反射强弱的光点与波幅。   

      描述声波的物理量包括:频率(f)指单位时间内通过介质中某点的完整疏密波的数目，VA赫兹(Hz)表示，1H:即每秒振动1周。声速(。)指(超)声波在介质中单位时间内传播的距离，其快慢与介质的密度和弹性有关，并与介质的温度、压强和存在的杂质有关，与频率无关。声速在气体中较小，液体中居中，固体中最大，在体内软组织中声速近似相等。周期(T)指在传播中两个相邻的周期相同质点(即一完整波长)之间所经历的时间，即自平衡位置往返振动一次所需的时间，单位是秒，频率越高周期越短，其与频率的关系可用下面公式表示:周期二1/频率，即T = 1/f。波长(劝指声波在传播中两个相邻的周期相同质点之间的长度，即声波在一完整周期内通过的距离，单位是米。在同一介质或组织中，波长与频率成反比，即频率越高波长越短。波长、频率与声速的关系可用下面公式表示:波长=声速/频率，即入二c/f。声能、声压与声强为衡量声波能量的指标。当声波传播至介质中某处时，原来静止的质点因受到激发开始振动而具有动能，同时因离开平衡位置而具有势能，声能即为声波质点动能和势能之和，声波传播时，介质由远而近传递振动，声能也向前传播。声压(P)即介质中有声波传播时压强与无声波传播时静压之差，相当于与超声波传播方向垂直的平面上每单位面积所承受的压力，声压与介质密度、质点振动速度和声速成正比。声强为单位时间内通过垂直于声波传播方向的单位面积的平均能量，还可以理解为单位时间内在介质中传递的超声能量或超声功率，声强与声压的平方成正比，与介质密度和声速成反比。声特性阻抗(简称声阻抗，Zc)是声波在介质中传播时所受到的阻力，它反映介质的声学特性，不同的介质有不同的声特性阻抗，其定义为介质密度(p)与介质声速(。)的乘积，同时也等于介质中某点的声压振幅与该点介质速度振幅之比，即Zc= p"c= Pm/Vm。

   二、超声波的物理性能   

       1.方向性   

       根据几何声学原理，超声波在介质内以直线传播，有良好的方向性。超声波因其频率极高，波长很短，远小于换能器(探头压电晶体片)的直径，在传播时发射的超声波集中于一个方向，类似平面波，声场分布呈狭窄的圆柱状，声场宽度与换能器压电晶体片之大小近似，因而有明显的方向性，故称为超声束。一般在近场(接近探头处)超声束可能较换能器直径小，而在远场(距离探头稍远处)因声束有扩散而逐渐增宽。   

       2.反射与折射   

       超声波在传播中经过两种声阻抗不同介质的界面时，两介质的界面大小如明显大于波长，两介质的声阻抗差又大于0.1%，人射超声波的则产生反射和折射。一部分能量由界面处返回第一介质即反射(reflection)，其方向同界面之间的夹角有关。另外一部分能量穿过界面进人第二介质即透射(transmission)，此时声束方向可能改变(即折射)，其角度大小依照折射率而定:即人射角的正弦与折射角的正弦之比等于界面两侧介质的声速之比，声能在界面处反射与透射的总值不变，与人射的能量相等，但是反射的多少则由界面前后介质的声阻差异而有所不同。两介质的声阻相差愈小，则界面处反射愈少，透人第二介质愈多;反之，声阻相差愈大，则界面处反射愈强，透人第二介质愈少。反射和折射产生的各层回波为人们提供了人体内部各层组织的信息，人们可以利用其进行超声诊断。例如:空气与人体组织间声特性阻抗差异比较大，当超声在人体内传播遇到空气(含气脏器或组织)时反射强烈，回波幅度很大，出现亮点。另外，折射声波能量减少，因而在显示屏上很难见到含气脏器或组织后方的组织。如果两介质的界面很小，大约相当于超声波的波长时，超声波将偏离原来的传播方向，绕过介质继续前进，即产生绕射。当介质为明显小于波长的微小粒子时，微粒吸收声能后再向各方向辐射声波成为新的声源，即散射(见下面)。   

       3.吸收与衰减   

       声波在介质中传播时，声波的能量随着传播距离的增大而逐渐减小，这种现象称为衰减，衰减规律遵从指数定律，即:I二10 e一 tad(式中:Io为人射声波的强度，I为通过厚度为 d的物质层后声波的强度，a为衰减系数)。声波在介质中传播时其能量衰减主要包括距离衰减和吸收衰减，前者指声波在向前传播过程中因发生扩散、反射、折射和散射等而使声能随着传播距离的增大而逐渐减弱的现象。这种情况下，声波的总能量并不减少，只是转移到别的方向上了。在声波穿过介质时，由于“内摩擦”或所谓的“粘滞性”而使声波的振幅逐渐减低，介质对声能的此种作用即为吸收，而这种在介质中传播时出现的衰减则称为吸收衰减，它使声波的总能量减少。超声波在生物介质中的吸收程度主要依赖于介质特性和超声的频率，总体说来，介质中含水量越大，超声波吸收越少;超声的频率越高，吸收越大。各种不同的组织都有不同的声衰减特征，在医学超声中，对衰减的研究有助于了解内部组织的病变，作出有价值的超声诊断。   

      4.散射与背向散射   

      当超声波束遇到大于波长的、声阻不同的组织界面时，仪器通过接收反射波来显示图像。但如果超声波束遇到远远小于声波波长且声阻不同的界面时会产生散射，其能量向各方向辐射，而其中朝向探头方向(与人射波呈1800夹角)的散射波称为背向散射或后散射(backscat-ter)。散射时探头接收到的散射回声强度与人射角无明显关系，人体内构成超声散射界面的主要有红细胞和脏器内微小组织结构。   

       5.多普勒效应(Doppler effect)   

       这是奥地利物理学家Doppler在观察星球运动时发现的，当星球与地球之间存在相对运动时，所接收到的光波频率会与发射频率出现差异，由此频率差异(频移)可推算出相对运动的速度。人体内可作为运动体的主要有心脏、血管壁和血流等，多普勒超声主要用来检测这些脏器和血流的运动状况，以达到非侵人性检测体内生理状态的目的。如超声用于血流测定时，多普勒诊断仪可截取红细胞的后散射能量信号，根据频移大小计算出血液流速和血流量。多普勒超声包括频谱多普勒(spectral Doppler)和彩色多普勒(color Doppler)，前者在观察血流方向和速度上有重要意义，后者则能显示血流方向、速度、动态、有无反流和分流等多种信息。

   三、超声诊断仪的原理和基本结构   

      超声波通过人体组织内的不同声学特性、不同大小或不同运动状态的界面时，会产生不同的超声反射、背向散射或频移。超声诊断仪的工作原理即是向被检人体组织发射超声波，并将被人体组织界面反射或后散射的回波加以接收，检出其物理参量的变化，然后以合理的方式在显示器上显示、记录，供医生诊断分析。   

       超声诊断仪的基本结构由探头、基本电路、显示系统和记录系统组成。   

       1.探头   

      在超声诊断仪中，同时具有超声发射和接收作用的部件称为探头。它将电振荡变为超声，穿透人体组织，是探头的发射作用;将人体组织返回的超声回波变为电信号，馈送至接收电路，是探头的接收作用。仪器的性能，如灵敏度、分辨力、伪像的大小与探头都有关，探头是超声诊断仪的关键部件，其基本结构包括换能器、壳体、电缆和其他部分。其中换能器是探头的功能件，具有发射和接收超声波的功能，因其完成电声能量之间的相互转换而称为换能器。换能器由聚焦件、匹配层、压电振子(此为核心部件)和背衬块组成。超声换能器的结构和形式很多，依据晶片的形状分为圆形、矩形、球面形或聚焦形，依据晶片的个数分为单晶片快速机械扫描、双晶片或三晶片旋转扫描、多晶片电子扫描等。目前使用比较多的是多晶片电子扫描，包括线阵型探头(由多个晶片排列成线性阵列，在电子开关的控制下按一定的时序受到激励，发射超声束，同时按一定的时序接收回声)和相控阵式探头(每一晶片在电子延迟线路的控制下，受到等级差时序延迟激励信号的激发，使叠加声束一定的角度偏移，而接收回波则以相反的时序工作)。其他结构的作用分别是:壳体担负支撑、屏蔽、封闭和保护换能器的功能，电缆则起联接换能器和插件作用。    2.基本电路    超声诊断仪有采用连续波的，也有采用脉冲波的，由于脉冲检测技术不仅能对回声界面进行定位，还能消除很强的发射信号对反射信号的影响，具有比较高的灵敏度，因此，临床上应用的超声诊断仪除连续波多普勒技术外，都是采用脉冲式的。脉冲式回声诊断仪的基本结构见图27一1。

      

27-1.jpg

      3.显示器   

       显示器是用来显示超声回声信号的最终信息的，常用的显示器是采用阴极射线管(CRT).其工作基本原理是:用电场(示波管)或磁场(显像管)把阴极发射的聚焦电子束按照某种关系控制其运动方向(偏转)，依次轰击不同部位的荧光粉使之发光，由这些光点组成一幅图像。荧光屏上的发光点是组成图像的基本单元，称为像素。光点的明暗对比的表现力用灰阶表示。因此，像素、灰阶和线性(扫描)是显示器表达图像质量的三要素。此外，电子束轰击荧光屏产生光点的维持时间取决于荧光粉的余辉时间。对于扫描慢的成像方式要用长余辉荧光粉的CRT才能保持图像的连续性。对中短余辉的CRT要采用够快的重复扫描才能维持无闪烁的图像。每秒25帧以上的扫描速度成像称为实时图像。显示器要求显示图像清晰、层次分明、优美逼真。常用亮度、对比度及灰度和分辨力来评估图像的质量。亮度指垂直于光束传播方向上单位面积的发光强度。对比度指画面上最大亮度和最小亮度之比，显示器的最大对比度约30:1。灰度是画面上亮度的等级差，等级差越多，即灰度越多，图像层次越丰富，感觉越柔和。分辨力是图像清晰程度的标志，对于电子束显示器来说，常用一定显示面积上的扫描像素数目(即像素密度)来衡量。在一定显示面积上，光点越小，扫描的线数越多，分辨力越好。高分辨力显示器的扫描线数可达5000行左右，光点的直径小于20pm，比头发丝还细，而一般显像管的光点直径为0.5-0.8mm。   

       4.记录系统   

      超声诊断除直接观察CRT荧光屏上显示的图像外，还需要把荧光屏显示的图像、信号和资料记录下来，以供进一步分析研究、会诊、追踪对比及日后的参考总结用。记录方法有照相记录、光线扫描记录器(光纤记录器)、视频图像记录器、录像机和电脑图像存储等。   

   四、超声诊断仪的分类   

       超声诊断仪的种类比较多，而且互有交叉，国内外均未统一。可以按照发射、接收、控制扫查方法及显示回声方式和空间不同进行分类。   

       1.按照发射超声的方式分类   

      分为连续发射法和脉冲发射法，而脉冲发射法常和反射法联合应用，也称脉冲反射法，是现在超声诊断仪采用最多的方法。   

      2.按接收声能的方式分类   

      反射法:利用探头发射的超声在人体组织内传播过程中，遇到声阻抗不同的界面方式反射时，再由同一探头接收，将声能变为电信号，经过处理，在荧光屏上显示出来。透射法:应用两个探头，一发一收，一个探头发射的超声穿透人体组织器官后，再由另一个探头接收并显示出来。   

       3.按控制扫查的方式分类   

       手控式:所用探头为单或双探头，操作时以手固定，移动探头，在皮肤上直接或经水囊进行扫查，如A型或 M型超声诊断法。机械式:用机械方法(有的用小型计算机控制)驱动换能器，为经水或油质的间接扫查法。电子式:用电子线路控制的快速扫查法，又分为线阵(将数十至数百个晶片排列成一行，由电子开关控制，高频的电脉冲依次通向单个或数个晶片分组的工作阵元而发射超声，为方形扫查)、相控阵(将数百个晶片按雷达相控阵原理，以电子控制，先后激励各工作阵元而改变声束方向，呈扇形扫查)、凸阵(介于线阵和相控阵之间，晶片按凸形的弧形排列，可实行扇形扫查)和环阵(由7片或更多直径不同的同心圆环晶体组成，可以动态聚焦，进行扇形扫查)几种扫查方法。   

       4.按显示回声的方式分类   

      (1)超声示波诊断法:此即A型诊断法，常用于测量界面距离、脏器径值及鉴别病变的性质，为最早兴起和使用的超声诊断法，目前已多为其他方法取代。   

      (2)二维超声显像诊断法:即B型诊断法，将回声信号以光点的形式显示出来，为辉度调制型(brightness modulation)，回声强则光点亮，反之则弱，光点随探头的移动或晶片的交替轮换而移动扫查，因此是二维空间显示，故称二维法。   

      (3)超声光点扫描法:在辉度调制型中加人慢扫查锯齿波，使回声光点从左向右自行扫描，故称M型(motion type)诊断法，是B型诊断法中的一种特殊显示方式，常以此法探测心脏，即通称的M型超声心动图。   

      (4)超声频移诊断法:即D型(Dopplertype)诊断法，通称多普勒超声，应用多普勒效应原理，当超声发射体(探头)与反射体之间有相对运动时，回声频率有所改变，此种频率变化即频移，频移的程度与相对运动的速度成正比，距离近则频率增加，远则频率减少，其增减的数字可由检波器检出，用不同类型的仪器可以不同方式显示出多普勒信号和多普勒曲线图。   

      以上4种显示方式在一台仪器上可以有双重或多重显示，多以B型或D型为主，可参考其他型回声作出诊断，也可有复合显示，即荧光屏的同一空间位置上显示有B型和D型。   

       5.按显示的空间分类   

       一维超声诊断法:如 A型或 M型诊断法，探头只探测组织的某一条线，显示的波形代表一维空间。二维超声诊断法:如B型,D型诊断法，所显示的是组织的一个切面。三维超声诊断法:目前应用计算机图像处理技术在二维成像基础上进行三维重建，显示出立体图像，即三维超声诊断法。   

   五、影响超声检查分辨性能的几个因素   

       1.显现力与波长   

       声波在介质中传播时，超声波束遇到大于波长的、声阻不同的组织界面时，超声波反射回探头形成回声，仪器接收反射波经过滤波、检波等处理后转为视频信号，显示图像;而遇到小于波长且声阻不同的界面时会产生散射，不易探及回声。能探及回声而发现的物体最小直径即为超声的显现力(discoverable ability)。从理论上看，最大的显现力是波长的 1/2,频率越高，波长越短，能探及的物体越小，其显现力越高;反之则较低。   

       2.纵深分辨力与脉冲宽度   

       分辨力是指超声波检查时能在荧光屏上被分别显示为两点的最小距离，依据方向不同可分为纵深分辨力(depth resolution)与横向分辨力(lateral resolution)，两者均属于空间分辨力。前者指声束穿过之介质中能被分辨为前后两点的最小间距，与发射脉冲宽度(即持续时间)有关，即只有当脉冲宽度小于两点的间距时，两点回波之间有一间隔，才能在示波屏上形成两个独立的光点。另外，因为频率高者脉冲较窄，反之较宽，故频率高低间接影响纵深分辨力。   

       3.横向分辨力与声束直径   

       横向分辨力是指与声束垂直的直线上，能在荧光屏上被分别显示为左右两点的最小距离。距离大小与声束之宽窄及发射声束的数量密切相关:发射声束的数量越多，横向分辨力越好，反之则较差;当声束直径小于两点的间距时，此两点即可分别显示，反之则变为一点。在超声检查时，横向分辨力差者，可将不在同一条线上的周围结构同时显示出来，致使单层结构变为多层结构，使图像观察增加一些困难.o另外在横向上直径较小的缺损可因孔径小于声束，图像上两侧缘回声相互连接，合二为一，不能发现，常导致误诊。可以通过提高超声频率，减小扩散角，使声束变窄来改善分辨力;或利用焦点区域声束狭窄的特点，应用多点聚焦、全程聚焦和连续聚焦等技术显示超声图像，使不同深度和层次的解剖结构显示得更清晰，因而在观察某一深度的结构时，避开周围组织的杂乱反射，获得清晰的图像，便于临床诊断。自从出现电子聚焦的相控阵探头、相阵探头和凸形探头后，声束的截面成为矩形，就有了侧向分辨力，它是指与声束垂直的直线上能被分别显示的两个目标的最小距离，即探头长轴方向的分辨力，而短轴方向的分辨力称为横向分辨力。   

      4.透入深度与频率   

      由上面所述，在一定范围内频率越高，其显现力与分辨力越好，显示组织的结构也越清晰。但是，随着频率的提高，超声波在介质中的衰减也越显著，故透人深度亦大为减小，因此，在选择频率时应根据情况而定:一般对部位表浅、范围较小的病变(如皮肤、皮下组织和周围血管等)不需要透人太深者，可用高频(如7 . 5MHz以上)超声，以清楚显示其形态和结构;而对范围较大、前后径较长的病变(如肝脏、妊娠子宫和腹部肿瘤等)，则需要用较低频率(如 2一3 . 5MHz)的超声，以利于观察其轮廓、性质及其与周围脏器的关系。随着超声探头的不断改进，超声探头从原来的单频、多频、多频变频发展到现在的超宽频带探头，结合影像融和技术和扩展信号处理等技术，使超声图像的质量得到不断提高。超宽频带探头频率范围通常在1. 8.12MHz之间，它能同时发射频带范围内不同频率的超声，并同时接收频带范围内所有频率的信号，通过影像融和技术将低频信号的远场图像和高频信号的近场图像选择性接收并融和成一幅图像，使二维图像更加清晰。同时，由于一个探头能覆盖多个探头的频率，因此无需更换探头，只需要调节融和频率和选择不同的融和方式，即使检查不同患者也可获得高质量和高分辨力的图像。   

       5.脉冲重复频率(pulsed repeated frequen-cy, PRF或fPR)   

       是指每秒超声脉冲群发射的次数，它不同于超声发射频率，后者是指每秒钟内超声振荡的次数，即探头的频率。在超声仪器中，超声发射频率一般为数MHz，而脉冲重复频率只有数kHz。超声换能器在发出一组超声脉冲波后，需经过时间延迟(Td)后才发出下一组超声脉冲，因此超声的脉冲重复频率为:环R二1 /rd。

       6.时间分辨力   

      是指获得图像信息的时间间隔的长短。对于超声成像时间分辨力的要求，往往取决于生理变化的速度，以达到对生理现象进行实时观察的目的。时间分辨力在声学理论上是有极限的，用公式表示如下:nrf < c/2(其中n为扫描线数，r为探测深度，f为帧频，c为声速)。