什么是超声波？超声波成像的原理是什么？

什么是超声波？超声波成像的原理是什么？

声波是一种机械能的表现形式。声源每秒振动的次数叫频率，一般用赫兹表示，简写为Hz。频率在2000Hz以上的声波即为超声波。超声波在传播过程中要发生反射，折射以及多普勒效应等。超声波在介质中传播时，发生声能衰减。因此超声通过一些实质性器官，会发生形态及强度各异的反射。声束通过肿瘤组织，声能的吸收和衰减现象也比较明显。由于人体组织器官的生理，病理，解剖情况的不同，对超声波的反射，折射和吸收衰减各不相同。超声诊断就是根据这些反射信号的多少，强弱，分布规律来判断各种疾病。40年代初就已探索利用超声检查人体，50年代已研究、使用超声使器官构成超声层面图像，70年代初又发展了实时超声技术，可观察心脏及胎儿活动。超声诊断由于设备不似CT或MRI设备那样昂贵，可获得器官的任意断面图像，还可观察运动器官的活动情况，成像快，诊断及时，无痛苦与危险，属于非损伤性检查，因之，在临床上应用已普及，是医学影像学中的重要组成部分。不足之处在于图像的对比分辨力和空间分辨力不如CT和MRI高。一、超声的物理特性
超声是机械波，由物体机械振动产生。具有波长、频率和传播速度等物理量。用于医学上的超声频率为2.5～10MHz，常用的是2.5～5MHz。超声需在介质中传播，其速度因介质不同而异，在固体中最快，液体中次之，气体中最慢。在人体软组织中约为150m/s。介质有一定的声阻抗，声阻抗等于该介质密度与超声速度的乘积。超声在介质中以直线传播,有良好的指向性.这是可以用超声对人体器官进行探测的基础。当超声传经两种声阻抗不同相邻介质的界面时其声阻抗差大于0.1%,而界面又明显大于波长,即大界面时,则发生反射,一部分声能在界面后方的相邻介质中产生折射,超声继续传播,遇到另一个界面再产生反射,直至声能耗竭。反射回来的超声为回声。声阻抗差越大，则反射越强，如果界面比波长小，即小界面时，则发生散射。超声在介质中传播还发生衰减，即振幅与强度减小。衰减与介质的衰减系数成正比，与距离平方成反比，还与介质的吸收及散射有关。超声还有多普勒应(Doppler effect)，活动的界面对声源作相对运动可改变反射回声的回率。这种效应使超声能探查心脏活动和胎儿活动以及血流状态。
二、超声的成像基本原理
人体结构对超声而言是一个复杂的介质，各种器官与组织，包括病理组织有它特定的声阻抗(表1-4-1)和衰减特性。因而构成声阻抗上的差别和衰减上的差异。超声射入体内，由表面到深部，将经过不同声阻抗和不同衰减特性的器官与组织，从而产生不同的反射与衰减。这种不同的反射与衰减是构成超声图像的基础。将接收到的回声，根据回声强弱，用明暗不同的光点依次显示在影屏上，则可显出人体的断面超声图像，称这为声像图(sonogram或echogram)。人体器官表面有被膜包绕,被膜同其下方组织的声阻抗差大,形成良好界面反射,声象图上出现完整而清晰的周边回声,从而显出器官的轮廓。根据周边回声能判断器官的形状与大小。
超声经过不同正常器官或病变的内部，其内部回声可以是无回声、低回声或不同程度的强回声。
无回声：是超声经过的区域没有反射，成为无回声的暗区(黑影)，可能由下述情况造成：①液性暗区：均质的液体，声阻抗无差别或差很小，不构成反射界面，形成液性暗区，如血液、胆汁、尿和羊水等。这样，血管、胆囊、膀胱和羊膜腔等即呈液性暗区。病理情、况下，如胸腔积液、心包积液、腹水、脓液、肾盂积水以及含液体的囊性肿物及包虫囊肿等也呈液性暗区，成为良好透声区。在暗区下方常见回声增强，出现亮的光带(白影)。②衰减暗区：肿瘤，如巨块型癌，由于肿瘤对超声的吸收，造成明显衰减，而没有回声，出现衰减暗区。③实质暗区：均质的实质，声阻抗差别小，可出现无回声暗区。肾实质、脾等正常组织和肾癌及透明性变等病变组织可表现为实质暗区。
低回声：实质器官如肝，内部回声为分布均匀的点状回声，在发生急性炎症，出现渗出时，其声阻抗比正常组织小，透声增高，而出现低回声区(灰影)。
强回声：可以是较强回声、强回声和极强回声。①较强回声：实质器官内组织致密或血管增多的肿瘤，声阻抗差别大，反射界面增多，使局部回声增强，呈密集的光点或光团(灰白影)，如癌、肌瘤及血管瘤等。②强回声：介质内部结构致密，与邻近的软组织或液体有明显的声阻抗差，引起强反射。例如骨质、结石、钙化，可出现带状或块状强回声区(白影)，由于透声差，下方声能衰减，而出现无回声暗区，即声影(acoustic shadow)。③极强回声：含气器官如肺、充气的胃肠，因与邻近软组织之声阻抗差别极大，声能几乎全部被反射回来，不能透射，而出现极强的光带。
三、超声设备
超声设备类型较多。早期应用幅度调制型(amplitude mode)，即A型超声，以波幅变化反映回波情况。灰度调制型(brightness mode)，即B型超声，系以明暗不同的光点反映回声变化，在影屏上显示9～64个等级灰度的图像，强回声光点明亮，弱回声光点黑暗。M型超声诊断以及用于检测人体心脏功能的超声心动图，超声多普勒诊断（也叫D型超声诊断）等等。多普勒超声诊断是通过探头向需要检查的部位发出一定频率地的超声波，若界面向探头运动，回声频率增高，当界面离开探头运动，则回声频率降低。它们之间的差数称为差频，差频的大小与界面的运动速度成正比。把多普勒信号检出加以分析及处理，经放大或检波，在示波器的荧光屏上显示出来，就可制成各种多普勒超声诊断仪。如多普勒听诊型诊断仪，超声多普勒脉象仪，超声多普勒血流测量仪等等。它是一种无创伤性的检查方法，可检查胎儿心脏，胎儿和胎盘的血液循环，检查心血管，颅脑，肝胆，胰腺，脾脏，肾脏，眼，腹部和盆腔肿块，以及浆膜腔积液，乳腺，甲状腺，肾上腺和膀胱以及周围血管类疾病等。
根据成像方法的不同，分为静态成像和动态成像或实时成像(real timeimagimg)两种。前者获得静态声像图，图像展示范围较广，影像较清晰，但检查时间长，应用少，后者可在短时间内获得多帧图像(20～40帧/s)故可观察器官的动态变化，但图像展示范围小，影像稍欠清晰。
超声设备主要由超声换能器即探头(probe)和发射与接收、显示与记录以及电源等部分组成。换能器是电声换能器，由压电晶体构成，完成超声的发生和回声的接收，其性能影响灵敏度、分辨力和伪影干扰等。B型超声设备多用脉冲回声式。电子线阵式多探头行方形扫描，电子相控阵式探头行扇形扫描。为了借助声像图指导穿剌，还有穿剌式探头。探头性能分3.0、3.5、5.8MHz等。兆赫越大，其通透性能越小。根据检查部位选用合适的探头。例如眼的扫描用8MHz探头，而盆腔扫描，则选用3.0MHz探头。一个超声设备可配备几个不同性能的探头备选用。显示器用阴极射线管,记录可用多帧照相机和录像机等。
四、USG图像特点
声像图是以明(白)暗(黑)之间不同的灰度来反映回声之有无和强弱，无回声则为暗区(黑影)，强回声则为亮区(白影)。声像图是层面图像。改变探头位置可得任意方位的声象图，并可观察活动器官的运动情况。但图像展示的范围不像X线、CT或MRI图像那样大和清楚。
五、USG检查技术
超声探查多用仰卧位，但也可用侧卧位等其他体位。探查过程中可变更体位。切面方位可用横切、纵切或斜切面。患者采取适宜体位，露出皮肤，涂耦合剂，以排出探头与皮肤间的空气，探头紧贴皮肤扫描，扫描中观察图像，必要时冻结，即停帧，行细致观察，作好记录，并摄片或录像。应注意器官的大小、形状、周边回声，尤其是后壁回声、内部回声、活动状态、器官与邻近器官的关系及活动度等。
国际上超声诊断仪器随着计算机、通信、微电子、图像等相关技术迅猛发展，日益精臻。近几年来在以下几方面得到显著发展：
1. 超声换能器：
a. 复合材料
b. 微型超声换能器
c. 细声束换能器
d. 高密度换能器
e. 各种腔内探头及手术探头。
2. 全数字化超声诊断装置：自从90年代初ATL公司率先推出第一台全数字化B超后，至今世界上主要的几家医学超声诊断仪器生产厂家几乎都推出了自己的以全数字波束形成技术为代表的全数字化彩超。其发展趋势是多波束和大容量通道，提高了成像速度和分辨力。4声束以上，128通道至512通道的产品已经批量生产。
3. 几种新的成像技术：
a. 多普勒能量成像
b. 多普勒组织成像
c. 二次谐波和声学造影成像、
4. 三维成像
5. 远程及联网超声图像工作站。