1、CDFI上崗考試輔導超聲物理基礎雙城市人民醫院住院二部超聲科任傳江目錄超聲物理基礎超聲成像原理頻譜及彩色多普勒超聲診斷儀器幾項新技術的臨床應用一、超聲物理基礎什么是超聲波？超聲波是聲源振動的頻率大于20000Hz的機械波。臨床常用的超聲頻率在210MHz之間。目前腹部及心臟檢查所用的頻率范圍在2.55MHz之間，小器官、眼科檢查所用的頻率范圍在510MHz之間，皮膚及血管內檢查所用的頻率范圍在1030MHz之間，生物顯微鏡成像所用的頻率范圍在40100MHz之間。 超聲波是如何發生的？超聲的發生是利用換能器逆壓電效應的原理，而超聲的接收是利用正壓電效應的原理。超聲診斷儀的探頭里安裝著具有壓電效

2、應性質的晶體片（換能器），由主機發生高頻交電場，電場方向與晶體壓電軸方法一致，壓電晶片沿一定方向發生壓縮和拉伸，這種現象為逆壓電交應；當有回聲時，作用于晶體片上，則晶體片產生電荷，這種現象為正壓電效應。什么是超聲的頻率、波長和聲速？ 超聲波具有三個基本物理量，即頻率（f）、波長（）和聲速（c），三者之間的關系可用下列公式表示：c=f。頻率（f）：單位時間聲源振動的次數，以赫茲（Hz）為單位，每秒振動一次為1Hz。聲速（c）：聲波在介質中單位時間傳播的距離，以米/秒（m/s）表示。人體軟組織平均聲速為：1540m/s。 波長（）：聲波傳播時相鄰的兩個周期中，對應點的距離或相鄰的兩個波峰或波谷間的

3、距離，以毫米（mm）表示。 頻率、波長、聲速的關系不同頻率的超聲波在相同介質中傳播時，聲速基本相同 ；相同頻率的超聲波在不同介質中傳播，聲速和波長都不相同，人體組織中超聲波速度總體差異約為5%；聲波在相同介質中傳播時，波長與頻率成反比，頻率越高波長越短。聲阻抗聲阻抗（Z）等于介質的密度（P）和聲速（C）的乘積，聲Z=PC,當P的單位是g/cm3 時，聲阻抗的單位是瑞利。聲阻抗：阻抗聲波傳播的能力，具有類似于電阻抗的性能。超聲成像正是通過人體組織聲阻抗的不同來診斷病變的。由于正常肝組織與肝占位病灶組織密度不同，超聲回聲發生了改變，從而可以診斷出病變。人體正常組織的聲阻抗 組織器官密 度g/cm3

4、聲速m/s聲阻抗（105 瑞利）大 腦 1.03815401.588脂 肪0.95514761.410軟 組 織1.01615001.590肌 肉1.07415681.648肝 臟1.05015701.648顱 骨1.65833605.570胎 體1.02315051.579羊 水1.01314741.463血 液1.05515701.656眼晶體1.13616501.874肺及腸腔氣體0.001293320.000428超聲的反射超聲波傳播過程中，當遇到兩種聲阻抗不同的界面時，改變聲波傳播的方向，形成反射。聲場定義：發射超聲在介質中傳播時其能量所達到的空間，也可稱為超聲場或聲束。聲場特性掃描

5、聲束的形狀、大小（粗細）及聲束本身的能量分布是特殊的，隨所用探頭的形狀、大小、陣元數及其排列、工作頻率（超聲波長）、有無聚焦以及聚焦的方式不同而有很大的差異。聲束還受人體組織不同程度吸收衰減、反射、折射和散射等影響，即超聲與人體組織間相互作用的影響。聲束聚焦與分辨率聚焦方法固定式聲透鏡聚焦電子聚焦環陣聚焦相控陣聚焦其它聚焦新技術聚焦區聲束明顯變細，橫向和側向分辨率可望大大改善。超聲的束射特性（方向性）超聲成束發射，類似光線，符合幾何光學定律。束射特性或方向性是診斷用超聲首要的物理特性。大界面與界面反射界面回聲反射的角度依賴性：入射聲束垂直于大界面時，回聲反射強；入射聲束與大界面傾斜時，回聲反射

6、減弱甚至消失。小界面與后散射（背向散射）超聲的衰減超聲波在介質中傳播時，隨著距離增加，聲能將隨之減弱，這就是衰減。引起衰減的原因有：聲能轉換成熱能被“吸收”，聲束在傳播中逐漸發散開，以及能量的反射和散射。但超聲波被運動目標點產生頻移不會造成聲衰減。在診斷中使用STC或TGC就是為了補償聲能的衰減。超聲的散射超聲波在傳播中遇到粗糙面或極小的障礙物時，將有一部分能量被散射。紅細胞的直徑比超聲波要小得多，紅細胞是一種散射體，其背向散射信息是研究、分析紅細胞運動規律的有用信息，聲束內紅細胞數量越多，背向散射強度就越大 。超聲的分辨力分辨力是超聲在人體軟組織中傳播時，在顯示器上能夠區分聲束中兩個細小目標

7、的能力或最小距離。超聲的分辨力受多種因素的影響。包括：超聲波的頻率、脈沖寬度、聲束寬度（聚焦）、聲場遠近和能量分布、探頭類型和儀器性能等。空間分辨力主要與聲束特性有關。多普勒頻移多普勒效應：1842年奧地利物理學家Christain Doppler在研究行星與觀察者之間相對運動，使觀察的星光頻率發生改變而引起色彩變化時首先發現并命名。多普勒公式：fd=fR-f0=(2Vcos/c)f0，為fd多普勒頻移，f0為入射頻率，fR為反射頻率，V為反射物體運動速度， c為聲速，為運動方向與入射波間的夾角。多普勒頻移屬于可聽聲波范疇。超聲的生物學效應超聲能量的物理參數聲功率：單位時間內從超聲探頭發出的聲

8、功聲強：單位面積上的聲功率ISPTA：空間峰值時間平均聲強ISPPA：空間峰值脈沖平均聲強超聲生物學效應熱效應空化作用超聲診斷的安全因素超聲劑量（聲強）的限定值 Ispta100mW/cm2（ Ispta空間峰值時間平均聲強）超聲診斷妊娠應注意安全 ，應盡量選擇低輸出聲強，縮短對同一位置的檢查時間，選用脈沖式發射超聲波，減少妊娠期內的超聲檢查次數，不可采用陰道探頭探查胎兒臍血流。從安全角度考慮，通過增加超聲波發射輸出強度來提高多普勒檢測靈敏度是不可取的。 1、A型診斷法Amplitude，幅度調制式簡單，一維掃描線顯示反射界面A型掃描成像不是通常意義上的超聲成像2、B型診斷法Brightnes

9、s，輝度調制式多條掃描線動態圖像顯示切面圖像回波信號強度決定圖像象素的亮度B型顯像的幾個基本概念象素（pixel）回聲的基本單位（回聲點）灰度（gray）從最亮到最暗的象素變化過程白-較白-灰-較暗-暗-最暗灰階（gray scale）灰度的等級一般分成：16，32，64，128，256.超聲回聲分級超聲回聲分級強回聲：灰標最高部分，最亮高回聲：灰標中上部分，較亮等回聲：灰標中間水平，中等亮度低回聲：灰標中下水平，較暗弱回聲：灰標低、回聲點稀少，暗淡無回聲：正常條件下，無回聲點出現 3、M型診斷法Motion,運動輝度調制式時間深度掃描，Y軸代表檢測深度，X軸表示時間或時相。M超不是顯示Z軸上

10、的回波。，三、頻譜及彩色多普勒多普勒基本概念多普勒超聲血流檢測技術主要用于測量血流速度，確定血流方向，確定血流種類：如層流、射流等；獲得速度、時間積分，壓差等有關血流的參數。頻譜多普勒技術的應用，不能了解組織器官的結構。 多普勒公式：V= c(fd)/（2cosf0）Cos是血流與聲束夾角的余弦函數，當相對固定時，則fd與流速成正比， fd即反映流速值V。當聲束入射角（）恒定不變時，多普勒頻移主要決定于探頭發射的基礎頻率（f0）。對于一定的fd， f0越小，則可測的血流速度V就越大。欲測高速血流，f0就應選擇低頻率的探頭。多普勒公式：V= c(fd)/（2cosf0）角改變的一般規律當0090

11、0時，Cos為正值，即血流迎超聲探頭而來，頻率增加，fd為正向頻移。當9001800時，Cos為負值，即血流背離超聲探頭而去，頻率減低，fd為負向頻移。當=00或=1800時，Cos=1，即血流與聲束在同一線上相向或背向運動，這時fd最大。當=900時，Cos=0，即血流方向與聲束垂直，這時fd=0，檢不出多普勒頻移。多普勒角血流方向與超聲束之間的夾角稱為多普勒角。在臨床檢查中，多普勒角應采用小角度。聲束與血流方向夾角為90時，檢不出多普勒頻移。同一探頭測量同一處的血流信息其重復性好壞主要取決于聲速與血流方向的夾角 。兩種多普勒方式連續波多普勒（CW），不能提供距離信息，即不具有距離選通性，不

12、受深度限制，能測深部血流，無折返現象，可測高速血流。連續多普勒取樣線上的符號表示發射波束與接收回聲的焦點。兩種多普勒方式脈沖波多普勒（PW），具有距離選通能力，可設定取樣容積的尺寸，測值相對準確，但檢查深部及高速血流受到限制。多譜勒頻譜分析技術的基礎是快速傅立葉變換-FFT。超聲工作頻率與脈沖重復頻率T0=1/f0Tp=1/PRF脈沖多普勒局限性脈沖多普勒測量血流速度受到脈沖重復頻率(PRF)限制；當血流頻移大于1/2 PRF時出現折返，這稱為尼奎斯特（Ngquist）極限 ；擴大測量血流速度范圍，必須提高脈沖重復頻率（PRF）；反之，檢測低速血流，不能采用高重復頻率多普勒； PRF（脈沖重復

13、頻率）高，則探測的距離淺；探測距離深，則測量血流速度低 ；采樣容積越小，則速度分辨力愈差；調大采樣容積不能提高PW檢測血流速度值。 脈沖重復頻率與可測血流速度的關系PW、CW的脈沖重復頻率x0.33(經驗常數）約=可測血流速度例如，PW，通常脈沖重復頻率為2、3、4、5KHz等，當脈沖重復頻率為3KHz時，可測單向血流最大值約為1m/s；CW，通常脈沖重復頻率為10、15、20KHz等，當脈沖重復頻率為15KHz時，可測單向血流最大值約為5m/s。顯示方式頻移（速度）-時間顯示功率譜圖顯示三維顯示頻移（速度）-時間顯示在速度/頻率時間顯示的譜圖中， “橫軸”代表時間（時基），單位為秒（s） ；

14、“縱軸”代表速度（頻移），以KHz或cm/s表示。調節零位線，可擴大PW血流速度檢測值。基線移動，適用于單一方向（正向或反向）的血流頻譜信號，但不適用于同時具有正向和反向的血流頻譜信號。功率譜圖顯示頻率（頻移）代表血流速度，振幅代表具有該流速的紅細胞數目。紅細胞數目多少與檢測的頻移范圍大小無關。在心臟和血管的多譜勒檢測中，功率譜可看作是采樣容積或聲束內的紅細胞流速與紅細胞數量之間的關系曲線。 頻譜分析中的一些錯誤概念頻譜分析是把不同位置（采樣）的血流頻移顯示在同一譜圖中便于分析；顯示多普勒頻譜可直接測量血流量。彩色多普勒血流顯像定義：在二維超聲圖的基礎上，用彩色圖像實時顯示血流的方向和相對速度

15、的超聲診斷技術，稱為彩色多普勒血流成像法（CDFI）或彩色血流圖（CFM）。在二維超聲圖上，用彩色顯示運動組織的運動方向和相對速度的超聲診斷技術，稱為彩色多普勒組織成像法（CDTI）。彩色定義彩色圖，以紅、藍、綠三基色組成，規定以紅色表示朝探頭方向運動的血流，以藍色表示背離探頭方向運動的血流。單純紅色或藍色表示層流。綠色表示湍流。綠色的混合比率與血流的湍流程度成正比。正向湍流接近黃色，反向湍流接近青色。顏色愈鮮亮表示速度愈快，愈暗表示速度愈慢。MTI（Moving Target Indicator）MTI是彩色血流顯像的核心技術之一。MTI的濾波特性好壞與彩色顯像質量直接相關。從接收到的回聲中

16、，只分離出血流信號成分，而濾去非血流信號（心室壁，瓣膜）。當用于TDI時，作用正相反。自相關技術血流信息的自相關處理技術是彩色多普勒血流成像的核心技術之一。彩色多普勒血流顯像儀中自相關技術的作用是分析血流信號相位差，得出血流速度均值和血流方向。 彩色顯像的局限性彩色顯像與PW一樣，存在類似的問題。顯示深度受脈沖頻率影響；減少脈沖頻率最大速度又受影響；增加角度，每秒的成像速度也受影響。影響彩色多普勒成像幀頻最重要的因素是彩色取樣框大小及深度。彩色多普勒能量圖彩色多普勒能量圖（CDE），不受聲束與血流夾角的影響，無彩色信號混疊現象，它與血流中紅細胞的數量有關，對于低速血流檢測靈敏度高。CDE不能顯

17、示血流的速度和方向。彩色血流成像調節時，改變探頭的角度彩色能量圖顯示不會隨之改變。 彩色標尺彩超儀器有多種專門顯示血流的彩色標尺，常用的有速度、方差、功率方式。心臟彩色血流的彩色標尺應選擇速度一方差顯示模式。提高彩色血流檢測敏感度不能選擇方差顯示方式。從使用角度評價彩色多普勒血流顯像儀，不滿意的是調節速度標尺彩色血流顯示不變 。彩色血流顯像的調節調節彩色增益，濾波器及速度標尺是調節彩色血流顯示的重要手段。彩色血流顯像濾波器的主要功能是濾除低速血流或高速血流。改變彩色血流圖的基線，使其向紅色標尺方向調節，結果是藍色增多，反向血流測速范圍擴大。調節彩血流顯像，調節脈沖多普勒的取樣容積是錯誤的。彩色

18、血流顯像的調節調節“彩超”中的速度標尺及濾波范圍：高速血流選調高速標尺，低速血流選調低速標尺，低通濾波適合檢查低速血流，高通濾波適合檢查高速血流。 彩色血流顯像的一些錯誤概念彩色多普勒血流顯像，改變取樣框的位置彩色顯示不變 。彩色血流動態信息顯示與彩超的數字化/非數字化技術有關 。彩色多普勒血流顯像的工作流程包括完成圖像的編輯及病歷管理。彩色血流顯像，測量血流速度可以用于定量或半定量。 測量血流量定量及半定量分析是彩色多普勒血流成像品質評價依據。彩超、偽彩“彩超”是以顏色顯示血流信息，偽彩是對灰階的彩色變換。 “彩超”對血流信息處理方式與偽彩對灰階的處理方式完全不同。多種彩色血流顯像儀均帶偽彩

19、功能，它的作用是增加對灰階圖像的視覺分辨能力。偽彩色二維圖像處理技術不是當前超聲發展的熱點技術。 四、超聲診斷儀器超聲診斷儀器的基本結構超聲診斷儀器的基本結構：超聲探頭、主機、控制面板、顯示器、電源。超聲診斷儀器原理框圖面板發射 與接收探頭中央控制單元（含DSC）監視器控制信號視頻信號控制信息增益控制超聲探頭（壓電換能器）超聲探頭的核心是壓電晶片，其作用是將電能轉換為機械能，亦將機械能轉換為電能。超聲探頭最重要的部件是壓電振子。探頭匹配層的最主要的作用是使探頭與皮膚聲阻抗相匹配，有利于聲波傳播。探頭分類機械扇掃、電子線陣、電子凸陣、相控陣、環陣等；凸陣掃描探頭，臨床常用于腹部的檢查；心臟超聲檢

20、查最常用的探頭是相控陣探頭。環陣探頭雖然聚焦性能較好，但由于機械掃描方式故障率較高，價格較貴，目前各廠家已基本停產，臨床上基本上不采用此探頭。超聲探頭的一些錯誤概念在B型成像中，電子探頭比機械探頭遠場視野大。變頻探頭可解決超聲三維重建中的技術。心臟檢查要求探頭振子數比腹部探頭要多。 主機主機通常包含：發射電路、接收電路、波束形成器和控制電路核心：波束形成器波束形成器模擬波束形成器數字波束形成器模擬波束形成器VGADelayDemodulationADC數字波束形成器VGAADCDemodulationDelayMemory全數字化技術全數字化技術關健是采用數字式波束形成器，獲得全程動態聚焦。動

21、態實時跟蹤和面陣聚焦是新發展的技術。數字化“彩超” 不采用電阻-電感延遲聚焦技術。數字化“彩超”最關鍵技術是數字波束形成技術。數字化的彩超儀器最重要的是數字聲束形成及多聲束同步處理技術。 DSC數字掃描轉換器（DSC）是借助數字電路技術和存儲技術，把以不同掃描方式所獲得的超聲圖像信息，通過IC存儲器存入超聲信息，然后變成標準的電視掃描制式進行圖像文字顯示。數字化超聲的一些錯誤概念數字化的超聲儀在接收時回波信號不需再經放大。數字掃描變換器(DSC)所實現的功能是增強了濾波器的性能。對血流頻移信號進行FFT變換是數字掃描變換器(DSC)的功能。 超聲儀器的正確調節使用在進行超聲檢查時必須掌握方法學

22、，檢查不同的臟器，儀器設置的條件不變是錯誤的。調節灰階超聲儀器的工作條件達到最佳狀況，不重要的是調節M型的掃描速度。超聲儀器的維護對超聲診斷儀的維護保養，已使用帶地線的三相電源，不再接專門的地線是不恰當的。超聲診斷儀的工作條件，用紫外線照射或消毒液對探頭消毒是錯誤的。彩超使用中的壽命大致規律，長期使用性能無明顯變化是不現實的。彩超儀器使用一段時間后，最早出現敏感度下降的是：探頭老化，靈敏度下降。 彩超質量評價因素彩色多普勒血流顯像儀質量好的最主要標志是檢出低速血流的敏感度高，幀速率快。彩色血流顯像儀血流的最低實際流速不易檢測。高檔彩超儀器的技術指標中，使用者難以測知的是探頭的陣元數及通道數目。

23、五、幾項新技術的臨床應用全數字化超聲診斷技術 傳統的數字波束形成器使用ASIC器件來實現，研發和制造成本極高，因而世界上的幾個主要廠家，雖然擁有此項技術，卻一直將之應用于高檔彩超系統中，而未能普及到中低檔彩超及黑白超系統中。 隨著微電子工業的高速發展，利用大規模FPGA器件來實現數字波束形成器已成為現實，其優異的性能價格比和便利的升級能力，使得醫學超聲診斷系統全數字化已成潮流。 PC平臺技術 傳統的超聲診斷儀采用簡單的微處理器作為中央控制核心，而當今的先進技術是使用PC(即計算機)作為中央控制系統，兩者具有較大的技術差異。基于PC平臺技術的產品，電影回放、圖像處理、檔案管理及遠程傳輸，例如DI

24、COM 3.0接口等都能方便地實現。三維成像技術三維成像的技術發展趨勢是應用二維面陣探頭。但在工程實現時，由于二維面陣的陣元數量很大，每個陣元都需配置相應的通道，因此無論從技術的復雜性，還是系統的代價來說，都還有許多問題需要研究解決。相比而言，利用傳統二維超聲系統的Free-hand方式在相當一段時間內不失為一種較好的過渡解決方案。超聲三維重建技術目前的臨床應用情況是正處于發展改進階段。 諧波成像技術諧波的產生：聲波在人體組織中傳播，在反射和散射時，由于非線性效應，產生諧波。基波、二次諧波、高次諧波諧波成像原理人體組織的回波，其基波的幅度遠大于諧波。通常的超聲成像，濾去諧波，僅用基波的信息成像

25、；諧波成像則是濾去基波，利用諧波的信息成像。f02f0fA發射頻率諧波接收頻率利用基波或諧波成像的帶通濾波曲線 左：基波 右：二次諧波諧波成像的方法對比諧波成像（CHI）超聲造影劑組織諧波成像（THI）造影劑諧波成像與組織諧波成像的區別是造影諧波要使用造影劑，組織諧波是聲波的非線性傳播。自然組織諧波的作用是增加界面分辨力、清晰度及信噪比。 聲學造影劑要求：氣泡更穩定、半衰期長；微泡大小可控制，易排出；對人體無害，不影響人體血流動力學；具有良好的造影作用，經外圍靜脈注射，通過肺循環使心肌造影。作用：造影劑的散射截面比同樣大小的固體粒子大幾個數量級，可使背向散射的信號大大增強，提高顯像效果；血液中

26、有造影劑，可顯示小血管極低速的血流；正常組織與病變組織對造影劑反差存在差異，可提高腫瘤檢查率。諧波成像的作用諧波成像可以明顯改變超聲圖像質量消除近場偽像干擾消除近場混響諧波成像的臨床應用增強心肌和心內膜顯示增強細微病變的分辨力，了解心內血流狀態清晰顯示血栓輪廓及腹腔深部血管病變邊界增強心腔內聲學造影劑回聲信息清晰顯示腹部、肝、腎、胰腺局限性占位性病變清晰顯示腹部含液性臟器內病變及蘘性病變的內部回聲諧波成像的一些錯誤概念諧波成像在臨床中應用，用于基波顯像良好的臟器。自然組織諧波成像可改善圖像質量，諧波成像頻率比基波高一倍，可提高軸向分辨力。自然組織諧波成像技術中接收的基波和諧波能量相等。自然組織

27、二次諧波在應用中能準確的進行組織定征。超聲半定量、定量及組織定征技術 相比于X-RAY、CT、MRI等其它影像技術，超聲影像技術在發展定量分析方面明顯落后，這主要是由于超聲圖像中固有的斑點噪聲、信噪比低及反射成像法等原因，使得全自動的圖像分割與數據分類并不可靠。利用超聲儀器進行半定量、定量和組織定征，滿足醫患的需求，確實是一個艱難的過程。但是相信，隨著學科和技術的進展，這些技術最終必將得以實現。超聲組織定征技術的作用是分析組織結構聲學特性的改變。 PACSPACS的中文全名是圖像存檔與通訊系統，它不能完成的功能是檢索、查詢醫學科技文獻。現在Dicom3.0標準已被人們所熟悉，它的作用是對醫學數字圖像進行規范化交換與傳輸。 問題：采用頻譜技術研究血流運動規律，其信號來自什么？ A紅細胞運動信號B紅細胞反射信號C紅細胞背向散射信號D紅細胞衍射信號E紅細胞撓射信號問題：提高多