第7-2(1)超声成像基本原理

动的影响。如果两者的距离不随时间而改变，
视在频率与振源频率相等，如果随时间而变短，
则接收器接收到的频率升高，反则相反。
波源
v fd=v/
接收器
-v fd=-v/
参照波
fd=-v/ c
运动波源
v fd=v/ c
2. 多普勒频移（差频）公式： fd ＝ fR － f0 ＝ ± 2f0vcosθ/c fd：多普勒频移; f0：振源频率; fR ：反射超声频率；v： 血流速度 c： 声速 cosθ：超声束与血流方向夹角的余弦
（四）声束聚焦与分辨力
为什么要使声束聚焦？特别要注意聚焦分发 射聚焦和接收聚焦两种情况（常有混淆）。聚 焦有那些方法？ 1 声透镜聚焦 2 电子相控阵聚焦（发射聚焦） （1）相控阵扇扫：包括扇扫、扇扩 （2）环阵扇扫 （3）线阵、凸阵 （4）多点聚焦 （5）聚焦新技术：二维多阵元（矩阵）探头
聚焦和未聚焦声束
超声成像基本原理
人类通过感觉器官从外界获得信息，认识外 周世界，其中，视觉和听觉所获取的信息量最 大。也就是说，我们主要是通过波从外界获取 信息的。
超声成像技术和原理现在看起来很复杂，但 如果从基本物理原理出发，结合它从简单到复 杂的发展历史来认识，其实并不神秘。 让我们沿着超声诊断仪器发展的主线来看超 声成像的基本原理。
四、多普勒超声 D型超声 （80年代）
频谱多普勒及彩色多普勒血流成像， 使我们能在无创的条件下进入血流定性和 定量分析阶段。 是超声成像发展的重大突破，也是医 学诊断学的重要革命。
及
（一）物理原理
1. 超声的多普勒效应 我们对超声多普勒效应做了如下的定义：
振源的视在频率受振源与接收器之间相对运
1. 时间延迟动态聚焦原理
声波发射时电子聚焦的基本原理 延迟时间的改变
时间延迟的曲率半径、 c
F
多振子探头声场分布呈花瓣状，超声技
术需消除副瓣。
二、
超声的物理特性
（一）方向性（束射性或集束性） 1. 大界面与界面反射（specular reflection） （1）发射的声波在遇到大界面时会产生反射与 折射（透射），大界面指界面长度大于声束波长 的界面。 （2）界面回声反射的角度依赖性：如果声束垂 直于界面时的回声反射强度为100％，入射角6° 时，回声强度降低到10％，12 °时，到1％，≥20 °时，则几乎检测不到回声反射，出现“回声失 落”。
说明超声对软组织的密度分辨力很高。
人体许多器官，如：肝、胆、脾的包膜，腹壁
各层肌肉筋膜及皮肤层等，都是典型的大界面。
2. 小界面与后散射（背向散射back scattering） （1）小界面是指小于声束波长的界面。 （2）发射的声波在遇到小界面时，会产生散射， 如：肝、脾等实质脏器或软组织内的细胞、红 细胞等。以小界面为震源散射波向四面八方发 射超声能量。 只有朝向探头方向的散射信号才会被探头检 测到，称为后散射或背向散射信号。 （3）后散射或背向散射回声无角度依赖性。
*机械波 包括声波、超声波、次声波等。超声波
是一种机械压力波。
（一） 基本概念
1. 何为超声? 2. 超声波的共性: 弹性介质中传播、在液体、气体和 人体组织中以纵波方式传播，具有反射、折射、衍 射和散射特性等。 3.诊断最常用的频率是2－10MHz 机械波按频率划分为：
次声 ＜20Hz 可闻声 20—20KHz 超声 ＞20KHz 高频超声 ＞100MHz以上 微波超声(特超声) 100MHz--106MHz
了扇扫、线阵等。
二维超声心动图形成原理示意
Brightness
Depth
Lateral distance
B-mode
早期的手动二维
后来的实时二维 （Real-Time）
超声成像技术与X光成像技术相比，发 展极其迅速，到1980年 美国临床使用的 B型超声诊断仪已经超过了X光机的数量， 以致宣称进入了“医学超声年”，出现 了世界范围的超声热。
（2）横向分辨力：与探头厚度方向上声束宽度和曲
面聚焦性能有关。焦区宽度一般<2mm。 （3）侧向分辨力：与线阵、凸阵探头长轴方向上 声束宽度有关。通常采用相控阵聚焦，声束愈细 侧向分辨力愈好。焦区，3－3.5MHz探头，一般 在1.5-2.0mm。 4. 时间分辨力（帧频）、对比度分辨力（灰阶）、 细微分辨力（宽频带和数字化声束处理）穿透力 （超声探查所能到达的深度）、显现力（超声技 术能显现最小物体的能力）等。
注意：以上情况出现在大界面。垂直于界面时 可接收到最强的反射信号。 （3）界面反射的强度和反射系数
声阻抗的概念。
声阻抗（特性阻抗）z = ρc (密度〃声速) 声强反射系数(RI) = 反射波声强/入射波声强 RI = （Z2-Z1）2/（Z2+Z1）2 Z1和Z2代表两种介质的声阻抗。
• 当Z2＝Z1时，为均匀介质，RI＝0, 无反射。
M超声技术
M型是B型诊断仪的一种变异型，通常 用单晶片即可完成。
采用亮度调制(光点)工作原理类似B型。 M型仪在水平偏转板上加入一对慢扫描锯 齿波，使回声光点沿水平方向扫描、代 表时间、各层结构展开形成曲线，即称 超声心动图。
正常主动脉根部M型超声心动图
三、二维超声 （70年代）
B型图象化阶段,发展极为迅速，出现
3. 衰减系数(单位: dB/（cm•MHz)) 衰减服从指数规律
ζ（x）= ζ0e-αx
式中：ζ（x）为在声束传播方向离x处质点振 动的振幅，ζ0为起始点处质点振动的振幅，α为 衰减系数，单位为dB/（cm•MHz), e = 2.718…。 Ζ[zi:t*]
(1) 人体软组织和体液声衰减是不同的（见教材 P5）; （2）蛋白质是人体组织声衰减的主要原因，约占 80％，不含蛋白质成分的水几乎无衰减（透声）;
（2）组织体液中蛋白成分尤其是胶元蛋白成 分愈高，衰减就愈显著；水分含量愈多， 衰减就愈少，钙质成分愈多，衰减也愈明 显。
（三）超声的分辨力 1. 指利用超声成像技术在显示器上区分细小目 标的能力或最小距离。 2. 分辨力受多种因素影响，如：声波频率、脉 冲宽度、声束宽度（聚焦程度）、声场的远近 等等。 3. 空间分辨力主要与声束特性有关。分三类： （1）轴向（纵向）分辨力：与波长密切相关， 纵向分辨力大致等于5－8倍波长。
利用声波诊断疾病
叩诊（percussion）：叩击、震动、音响和震
动的性质判断有无异常。 清音（resonant note）：正常肺部； 浊音（dull note）：被少量肺组织覆盖的实质脏器； 鼓音（tympanitic note）：含大量气体的空腔器官；
实音（flant note）：实质性脏器；
和频率f 三者的关系 c=fλ
t
λ = c /f 周期与频率的关系
T = 1/f
声速（波速）c：指波动的某一振动相位在 介质中的传播速度。人体软组织中声波的传播速
度为 1540 m/s ，不同介质中声速有很大的差别。
（三）声场 1. 超声场
何谓声场：发射超声在介质中传播时其能量所 达到的空间，叫超声场，简称声场，亦称声束。 2.声场特性 声场（或声束）的形状与探头和介质有关。 主瓣、旁瓣（与伪像的关系）、近场、远场、 聚焦区、扩散角等概念。
Amplitude
Distance
A型超声技术 A-mode
B型技术
B型成像模式(B型：Brightness modulation display)，用单晶片或多晶 片 与A型诊断原理相同，都是应用回声原 理作诊断，即发射脉冲超声进入人体， 然后接原各层组织界面的回声和脏器的 内部散射回声作为诊断依据，与A型不同 之处：①光点；②二维。
注意：成像、频谱多普勒及彩色多 普勒用的是短阵脉冲波
3 电子相控阵动态聚焦（接收聚焦）沿回声方向全 程接收聚焦。 4 聚焦声束与非聚焦声束的比较 （1）聚焦区明显变细，大大提高分辨力 （2）近场（旁瓣区）声能分布不均现象依然存在 （3）远场（非聚焦区）散焦现象依然存在，或许 更为严重 （4）与纤细的X线束相比仍不同。
4. 对抗超声衰减的技术措施
TCG（time compensation gain）, 又称DCG (distance compensation )。 TGD或DGC在仪器出厂时已经有预设定值，同 时，TCG调节也可以起到补充作用。
5. 人体组织对超声衰减不同程度的一般规律
(1) 骨>软骨>肌腱>肝、肾>血液>尿液、胆 汁（见教材P5）;
对于圆形单晶片探头来说，近场声束呈圆柱形， 其直径接近于探头直径，长度取决于超声频率和 探头的半径，公式如下： L ＝ （2rf）/ c 其中， L 为近场长度，r为振动源半径，f为频 率，c为声速。 超声波指向性好坏的指标是近场的长度和扩散 角的大小，从此公式可以看出其中的关系。
超声声场的形状
3. 利用多普勒频移公式（方程）计算散射体（血 细胞）的运动速度：
v = ± fd c /2f0cosθ
对比：fd ＝± 2f0vcosθ/c 可得上式。 注意：c为1540 m/s；仪器内设有θ角度校正计算 软件，但操作者必须给出正确的θ角度；如果 θ角＝90°，cosθ＝0，就不可能测出血流速度。 操作中要尽可能使θ角小于60° θ角愈小，侧 值误差愈小。
（1）连续波多普勒（CW）：两组晶片同时工作，
一组连续发射和另一组接收超声。不同深度出现
的血流频移和组织运动多普勒频移信号都被叠加 起来。不能提供距离信息，但最大可测血流速度 不受限。 注意：连续波多普勒取样线上的标记表示的
• 当Z2≠Z1时，为不同介质，RI≠0, 有反射。
• 当Z2和Z1相差很大时，如骨与软组织或空气 与软组织等，RI则接近于1（100％）,则产生 强反射。 • 从上述公式很容易推断不同声阻抗组织介面 所出现的反射情况。
（4）界面回声反射的能量与界面形状的关系 声束垂直于凹面或凸面，分别具有聚焦和散焦 的作用。 垂直于不规则界面时，呈现乱反射情况。 人体软组织只要有0.1%密度差即产生反射波，