石河子大学医学院 超声诊断学 讲义 (临床本科) 超声教研室 二O一三一二0一四学年
石河子大学医学院 超声诊断学 讲义 （临床本科） 超声教研室 二○一三—二○一四学年
第一节超声基础 超声波的定义物体的机械性振动在具有质点和弹性的 媒介中的传播现象称为波动，而引起人耳听觉器官有声 音感觉的波动则称为声波(Sonic wave,sound wave)(图 1-1-1)。人耳的听阈范围，其振动频率为16赫 (Hertz.Hz)~20千赫(KHz)。超过人耳听阈上限的声 波，即大于20千赫的称超声波(Ultrasonic wave)简称 超声，临床常用的超声频率在2~10MHz之间。 图1-1-1声波的产生 (一)超声波有三个基本物理量，即频率(f),波长（入）， 声速(c)。频率(Frequency)就是在每秒钟内，介质 第一节超声的物理基础 所振动的次数，以f表示，单位为赫(Hz):声速(Speed 一、超声波基本物理量 of sound)指声波在传播介质中的传播速度，用c表示： 波长(Wavelength为完成一次完全振动的时间内所传播 F=1/T 的距离，以入表示（图1-1-2）。三者的关系是：c=f入 或=℃f,传播超声波的媒介物质叫做介质。 (二)相同频率的超声波在不同介质中传播，声速不相 同。人体组织可分3类，即：软组织（包括血液、体液）， 骨与软骨，及含气脏器（如肺、胃肠道）。软组织平均 声速为1547m/s,骨骼声速约为软组织中的2.5倍。由 于不同的软组织中声速有所差异，因此目前医用超声仪 一般将软组织声速的平均值定为1541m/s(图1-1-3)。 通过该声速可测量软组织的厚度，公式为： 图1-1-2频率和周期 t 组织厚度=C·一一一 2 (三)声阻抗(Acoustic impedance)是用来表示介质传播超声波能力的一个重要的物理量，其数值的大小由 介质密度p与声波在该介质中的传播速度C的乘积所决定，即：Z=pC,单位为Kg/m2s
第一节 超声基础 图 1-1-1 声波的产生 超声波的定义 物体的机械性振动在具有质点和弹性的 媒介中的传播现象称为波动，而引起人耳听觉器官有声 音感觉的波动则称为声波（Sonic wave, sound wave）（图 1-1-1）。人耳的听阈 范围， 其振动频 率为 16 赫 （Hertz;Hz）~20 千赫（KHz）。超过人耳听阈上限的声 波，即大于 20 千赫的称超声波（Ultrasonic wave）简称 超声，临床常用的超声频率在 2～10 MHz 之间。 第一节 超声的物理基础 一、超声波基本物理量 图 1-1-2 频率和周期 （一）超声波有三个基本物理量，即频率（f），波长（λ）， 声速（c）。频率（Frequency）就是在每秒钟内，介质 所振动的次数，以 f 表示，单位为赫（Hz）；声速（Speed of sound）指声波在传播介质中的传播速度，用 c 表示； 波长（Wavelength 为完成一次完全振动的时间内所传播 的距离，以 λ 表示（图 1-1-2）。三者的关系是：c=f·λ 或 λ=c/f，传播超声波的媒介物质叫做介质。 （二）相同频率的超声波在不同介质中传播，声速不相 同。人体组织可分３类，即：软组织（包括血液、体液）， 骨与软骨，及含气脏器（如肺、胃肠道）。软组织平均 声速为 1547m/s，骨骼声速约为软组织中的 2.5 倍。由 于不同的软组织中声速有所差异，因此目前医用超声仪 一般将软组织声速的平均值定为 1541m/s（图 1-1-3）。 通过该声速可测量软组织的厚度，公式为： （三）声阻抗（Acoustic impedance） 是用来表示介质传播超声波能力的一个重要的物理量，其数值的大小由 介质密度 ρ 与声波在该介质中的传播速度 C 的乘积所决定，即： Z=ρ·C ，单位为 Kg／m2·s
》》》 致组织 竹醛 1540米/转 4620米/秒 图1-1-3不同组织中声速有所差异 二、超声波的物理性能 (一)超声波在介质中传播时，遇到不同声阻抗的分界面且界面厚度远大于波长，会产生反射(Reflection)(图 1-1-4)。人体软组织声阻抗差异很小，只要有1%的声阻抗差，便可产生反射。由于人体软组织的声阻抗比空气 的声阻抗大得多，超声波在该交界处几乎全部被反射，故超声的进行检查需用耦合剂，同样原因，超声一般不 适合于检查肺、骨等与周围软组织声阻抗差别极大的脏器。超声诊断仪就是利用人体组织对超声波的反射作用， 从声反射波中提取医学诊断信息的。 (二)当分界面两边的声速不同时，超声波透入第二 种介质后，其传播方向将发生改变即产生折射 (Refraction)(图l-1-4)。声波从一种小声速介质向大声 速介质入射时，声波经过这两种介质的界面后出现折射 波的折射角大于入射角。当入射角超过临界角(90°) 时，相应的折射波消失，出现全反射。我们在进行超声 检查时，需要尽可能地将声束垂直于界面，避免入射角 过大，否则将会引起反射体的实际位置与显示位置发生 错位，甚至出现全反射，从而导致超声无法检查该界面 图1-1-4声波在界面上的反射与折射 以下的组织器官。 (三)当障碍物的直径等于或小于入/2，超声波将绕过 该障碍物而继续前进，这种现象称为绕射(Diffraction) (图1-1-5)，故超声波波长越短（即频率越高），能发现 障碍物越小，也就是说分辨力越好，超声图象也越清晰， 不过对组织的穿透力较差。所以临床上高频探头多应用 于儿童和浅表器官的检查。 图1-1-5声波的绕射 (四)超声波在传播中遇到粗糙面或极小的障碍物（或 一组小障碍物形式)时，将有一部分能量被散射 (Scattering)(图1-l-6)。红细胞的直径比超声波要小 得多，红细胞是一种散射体，声束内红细胞数量越多， 背向散射强度就越大。红细胞的背向散射是多普勒超声 诊断的基础
图 1-1-3 不同组织中声速有所差异 二、超声波的物理性能 （一）超声波在介质中传播时，遇到不同声阻抗的分界面且界面厚度远大于波长，会产生反射（Reflection）（图 1-1-4）。人体软组织声阻抗差异很小，只要有 1‰的声阻抗差，便可产生反射。由于人体软组织的声阻抗比空气 的声阻抗大得多，超声波在该交界处几乎全部被反射，故超声的进行检查需用耦合剂，同样原因，超声一般不 适合于检查肺、骨等与周围软组织声阻抗差别极大的脏器。超声诊断仪就是利用人体组织对超声波的反射作用， 从声反射波中提取医学诊断信息的。 （二）当分界面两边的声速不同时，超声波透入第二 种 介 质 后 ， 其 传 播 方 向 将 发 生 改 变 即 产 生 折 射 （Refraction）（图 1-1-4）。声波从一种小声速介质向大声 速介质入射时，声波经过这两种介质的界面后出现折射 波的折射角大于入射角。当入射角超过临界角（90°） 时，相应的折射波消失，出现全反射。我们在进行超声 检查时，需要尽可能地将声束垂直于界面，避免入射角 过大，否则将会引起反射体的实际位置与显示位置发生 错位，甚至出现全反射，从而导致超声无法检查该界面 以下的组织器官。 图 1-1-4 声波在界面上的反射与折射 （三）当障碍物的直径等于或小于 λ／2，超声波将绕过 该障碍物而继续前进，这种现象称为绕射（Diffraction） （图 1-1-5），故超声波波长越短（即频率越高），能发现 障碍物越小，也就是说分辨力越好，超声图象也越清晰， 不过对组织的穿透力较差。所以临床上高频探头多应用 于儿童和浅表器官的检查。 图 1-1-5 声波的绕射 （四）超声波在传播中遇到粗糙面或极小的障碍物（或 一组小障碍物形式）时，将有一部分能量被散射 （Scattering）（图 1-1-6）。红细胞的直径比超声波要小 得多，红细胞是一种散射体，声束内红细胞数量越多， 背向散射强度就越大。红细胞的背向散射是多普勒超声 诊断的基础
图1-1-6声波的散射 (五)超声波在介质内的传播过程中，随着传播距离的 增大，声波的能量逐渐减少，这一现象称为声波衰减 (Acoustic attenuation)。声波衰减与介质对声波的吸收 波长压缩 (Acoustic absorption)、散射以及声束扩散等原因有关，其 颜常增烟 周定接收者 中吸收是衰减的主要因素。 (六)多普勒效应(Doppler effect)为声源与接收器之 间的相对运动而导致声波频率发生改变的现象（图 1-1-7)。当声源与接收器作相向运动时，接收器所接收到 的声波频率高于声源所发出的频率，如两者的运动方向 相反时，则接收频率低于声源所发出的频率，两者的频 率差为频移(Frequency shift)。 超声多普勒仪器的超声源和接收器均安装在探头（换能 倾半降低 器)中，探头工作时，换能器发出超声波，由运动着的 红细胞发出散射回波，再由接收换能器接收此回波。因 此接收换能器所收到的超声回波的频率经过了两次多普 《、运功南 勒效应过程，所以收发超声频率之差与血流相对于换能 器运动速度的两倍成正比，多普勒频移的表达式为： ±2Vc0s8fo fa=fR-f0=一一 C 式中fd为多普勒频移，f0为入射频率，fR为反射频率，图1-1-7多普勒效应 V为反射物体运动速度，C为声速，日为运动方向与人射 波间的夹角。 第二节超声仪器 主控电局 发射电路 一、 超声诊断仪的基本组成及构造 超声诊断仪均由三个组成部分组成：超声换能器 扫描 视颜信号 (Ultrasonic transducer)部分、基本电路部分和显示部分（图 发生器 教大器 波大器 1-2-1)。 (一)超声换能器 医用超声换能器是将电能转换成超声能，同时也可将声 显示器 电源 能转换成电能的一种器件，它是超声仪器中的重要部件。 图1-2-1超声诊断仪的基本组成 压电材料 压电材料 加电 压 电 施加压力 电极 几何形变 图1-2-2正压电效应
图 1-1-6 声波的散射 （五）超声波在介质内的传播过程中，随着传播距离的 增大，声波的能量逐渐减少，这一现象称为声波衰减 （Acoustic attenuation）。声波衰减与介质对声波的吸收 (Acoustic absorption)、散射以及声束扩散等原因有关，其 中吸收是衰减的主要因素。 （六）多普勒效应（Doppler effect） 为声源与接收器之 间的相对运动而导致声波频率发生改变的现象（图 1-1-7）。当声源与接收器作相向运动时，接收器所接收到 的声波频率高于声源所发出的频率，如两者的运动方向 相反时，则接收频率低于声源所发出的频率，两者的频 率差为频移（Frequency shift）。 超声多普勒仪器的超声源和接收器均安装在探头（换能 器）中，探头工作时，换能器发出超声波，由运动着的 红细胞发出散射回波，再由接收换能器接收此回波。因 此接收换能器所收到的超声回波的频率经过了两次多普 勒效应过程，所以收发超声频率之差与血流相对于换能 器运动速度的两倍成正比，多普勒频移的表达式为： 式中 fd 为多普勒频移，f0 为入射频率，fR 为反射频率， V 为反射物体运动速度，C 为声速，θ 为运动方向与人射 波间的夹角。 图 1-1-7 多普勒效应 第二节 超声仪器 一、 超声诊断仪的基本组成及构造 超声诊断仪均由三个组成部分组成：超声换能器 (Ultrasonic transducer)部分、基本电路部分和显示部分（图 1-2-1）。 （一）超声换能器 医用超声换能器是将电能转换成超声能，同时也可将声 能转换成电能的一种器件，它是超声仪器中的重要部件。图 1-2-1 超声诊断仪的基本组成 图 1-2-2 正压电效应
图1-2-3逆压电效应 1、换能器的构成换能器的核心是晶片，由它完成机械能与电能之间的转换。当在晶片上加一机械振动时，晶 片材料将将机械能转变为电能（正压电效应Piezoelectric effect)(图1-2-2，当在晶片上加一交变电信号，则此 材料将产生与交变信号同样频率的电能转变为机械能（逆压电效应Inverse Piezoelectric effect)(图l-2-3)。产生 超声波就是晶体的逆压电效应。 线阵探头 凸阵探头 扇形探头 2、换能器的类型与临床应用线阵探头、凸阵探头：这 类探头主要用于腹部、妇产、外围血管：机械扇形扫描 探头：主要用于心脏（图1-2-4)：高频探头：当频率在 40~100MHz范围时，称之为高频探头，主要用于皮肤 成像，冠状动脉内成像及眼部成像，如：超声生物显微 镜。 (二)基本电路(Basic Circuit) 超声诊断仪的基本结构大致相同，通常由主控电路、 发射电路、高频信号放大电路、视频信号放大和扫描发 生器组成。 (三)显示器(Diplayer) 从人体反射回来的超声信息最终是从显示器或记录仪上 显示的图象中提取的。常见的显示器是阴极射线管，它 由电子枪、偏转系统和荧光屏组成（图1-2-5）。 图1-2-5显示器的组成 二、超声诊断仪的类型 (一)A型超声诊断仪 在A型超声诊断仪的显示器上，以探头接收到的反射超声脉冲信号的幅度为纵坐标，而以超声脉冲的传播时间 为横坐标的一种显示方式（图1-26）。 (二)B型超声诊断仪 图1-2-6A型超声诊断仪 图1-2-7B型超声诊断仪 在B型超声诊断仪以局部亮度或光强代表回波的幅度的一种显示方式。在超声诊断仪显示屏上，以声束扫查移 动位置（或转动角度）为横坐标，以超声脉冲的传播时间纵坐标，并以回波幅度调制显示器辉度来表示探测结果， 可得到探头声束扫查经过的平面内的图像（图1-2-7）。这种超声诊断仪目前应用最为广泛。 用11图款2球 楠情 IT西 图1-2-6A型超声图 图1-2-7B型超声切面图
图 1-2-3 逆压电效应 1、换能器的构成 换能器的核心是晶片，由它完成机械能与电能之间的转换。当在晶片上加一机械振动时，晶 片材料将将机械能转变为电能（正压电效应 Piezoelectric effect）（图 1-2-2，当在晶片上加一交变电信号，则此 材料将产生与交变信号同样频率的电能转变为机械能（逆压电效应 Inverse Piezoelectric effect）（图 1-2-3）。产生 超声波就是晶体的逆压电效应。 2、换能器的类型与临床应用 线阵探头、凸阵探头：这 类探头主要用于腹部、妇产、外围血管；机械扇形扫描 探头：主要用于心脏（图 1-2-4）；高频探头：当频率在 40～100MHz 范围时，称之为高频探头，主要用于皮肤 成像，冠状动脉内成像及眼部成像，如：超声生物显微 镜。 （二）基本电路(Basic Circuit) 超声诊断仪的基本结构大致相同，通常由主控电路、 发射电路、高频信号放大电路、视频信号放大和扫描发 生器组成。 （三）显示器(Diplayer) 从人体反射回来的超声信息最终是从显示器或记录仪上 显示的图象中提取的。常见的显示器是阴极射线管，它 由电子枪、偏转系统和荧光屏组成（图 1-2-5）。 图 1-2-5 显示器的组成 二、 超声诊断仪的类型 （一）A 型超声诊断仪 在 A 型超声诊断仪的显示器上，以探头接收到的反射超声脉冲信号的幅度为纵坐标，而以超声脉冲的传播时间 为横坐标的一种显示方式（图 1-2-6）。 （二）B 型超声诊断仪 图 1-2-6 A 型超声诊断仪 图 1-2-7 B 型超声诊断仪 在 B 型超声诊断仪以局部亮度或光强代表回波的幅度的一种显示方式。在超声诊断仪显示屏上，以声束扫查移 动位置(或转动角度)为横坐标，以超声脉冲的传播时间纵坐标，并以回波幅度调制显示器辉度来表示探测结果， 可得到探头声束扫查经过的平面内的图像（图 1-2-7）。这种超声诊断仪目前应用最为广泛。 图 1-2-6 A 型超声图 图 1-2-7 B 型超声切面图