第一部分 儿童肌骨超声基础
　　第1章 儿童肌骨超声检查：物理特性和技术
　　一、引言
　　肌骨超声（MSUS）相比其他影像学方法有若干优势，是一种特别适用于儿科的影像学检查方法。在过去的几十年里，探头的发展和MSUS图像质量的提高，更利于获得不同发育年龄的关节表现的新知识、新见解。了解物理学机制并应用合适的技术评估儿童和青少年的肌肉骨骼情况，是正确使用MSUS和解释声像图的基础。本章将介绍MSUS应用中的基本物理概念、技术和主要缺陷。
　　二、超声波及其原理属性
　　超声（US）是指频率为1～20MHz的机械波（声波）。这种波由施加电流到传感器上的压电晶体产生，用于发射声波和接收反射的回声。
　　与所有机械波一样，声波的特征包括频率（每秒一个完整波的周期数，单位：赫兹），波长（相邻两个波峰之间的距离，单位：米）和强度（峰值的振幅，单位：瓦特/厘米2、帕斯卡或分贝）。频率越高，波长越短。
　　声波的速度取决于它们所穿过物质的密度：密度越高，声波的速度就越快。
　　超声在不同组织层中被处理的方式不同。它们可以被部分吸收、部分透射，在不同组织的交界面被反射，这取决于不同组织的密度，即声阻抗。密度低的组织比密度高的组织需要更多的能量来传播声波。当超声波穿过不同声阻抗的组织时，产生不同程度的波的反射、吸收和折射，这是回声产生的基础（图1.1）。
　　图1.1 超声波穿过两种介质交界面（介质1和介质2）的物理机制
　　声波在穿越介质时逐渐减弱（吸收）。声波减弱的程度取决于组织密度，并与超声频率成正比，即频率越高，声波被吸收地越多，声波的穿透性越小。
　　超声波经过两种不同声阻抗组织的界面时产生反射；反射的程度取决于介质表面的结构（光滑或粗糙，平直或弯曲）及超声束入射时与介质表面形成的夹角。另外，散射会引起超声波的偏转，从而产生伪像。
　　三、焦点
　　在传感器中，多个晶体产生多个单向波，然后汇聚成一束，声束在近场（Fresnel区）聚集并在远场（Fraunhofer区）发散；焦点为近场和远场的过渡点，起到透镜的作用（图1.2）。
　　在现代传感器中，可以使用多透镜（或焦点）在多个不同深度的感兴趣区得到优化的清晰图像。
　　四、分辨率
　　分辨率是指能分辨两个相邻结构之间的最小距离。横向分辨率表示在同一深度的相邻结构的分辨率，主要取决于声束的宽度；纵向和轴向分辨率是在超声波束传播方向上的分辨率，主要取决于声波的频率。频率越高，深度越小，分辨率越好（图1.3）。
　　图1.2 超声波束形状，近端聚集，远端发散。焦点是这两部分之间的过渡点，焦点部位的分辨率最高
　　图1.3 超声束的空间分辨率
　　五、超声设备及性能
　　超声设备包括以下部分：①传感器，负责发射和接收超声波；②处理超声信号的系统（由硬件和软件组成）；③电缆，用于连接传感器和显示屏；④键盘；⑤存储系统；⑥文档工具。
　　传感器的晶体负责发射超声束，代表传感器“灵敏性”的部分。超声耦合剂（或替代品）使传感器与皮肤良好接触，消除空气干扰使超声波更好地传播到组织，获取清晰图像。超声波部分被吸收，部分在两种介质的交界面产生反射。这时晶体又是超声波的接收器：被反射的超声波在晶体中产生电信号，其能量随着反射波的能量增强而放大。更多的反射波会以更多的能量影响晶体，使信号更亮（回声更强）；反射较弱，回声较弱；没有反射就不会检测到声波，显示为无回声。
　　反射结构的空间位置是由超声波发射和接收之间的时间间隔来定义的：结构越深，超声束需要往返于其间的距离就越长，所用时间就越长。超声图像由处理后的超声信号表现，这取决于它们的能量和途经不同结构间的时间间隔。
　　六、超声参数
　　增益是指放大器对接收超声信号（回声）的总体放大，依赖于输出增益、被测物体的大小和面积。
　　深部结构的反射回声，要比表面结构的反射回声途经更多的组织，因此被吸收得更多。为补偿这种效应造成的信号损失，可通过时间放大增益补偿（TGC）将信号进行成比例放大，因此在超声检查过程中需要不断进行调整和优化。值得注意的是，最新的设备可能已具备自动 TGC功能。
　　图像更新的速度定义了余辉或帧速率。更高的帧速率得到快速的单个图像序列，减少了运动伪像，但通常也同时降低了分辨率。长余辉图像可以通过一系列的单个图像进行最终成像，增加组织密度信息和分辨率，但是图像显示得较慢。
　　在超声检查期间，超声信号可以经过预处理，调整晶体的信号质量和灵敏度。不同超声制造商会有自己的特点，在图像采集后可能会有后处理，通过调节对比度、灰度增益等方法，对冻结图像进行后处理。
　　七、彩色多普勒和能量多普勒
　　MSUS通过彩色多普勒和（或）能量多普勒检查滑膜、肌腱或肌肉的炎性充血。值得注意的是，检查儿童需要一定的知识和经验，因为要注意不能混淆肌肉、骨骼内部和周围的生理性与病理性的血管充血。
　　多普勒效应是一种物理现象，指运动物体产生的波的频率与物体自身运动的速度有关。多普勒技术比较并测量两个频率之间的差异。获得的信息可以在灰阶图像规定的框形区域内用点对点的色斑表示。依据制造商不同，彩色/能量多普勒取样框的大小可以是预定义的，也可以由操作者决定。取样框应始终包含感兴趣区到皮肤表面。由于风湿病主要是检测增厚滑膜的低速血流，应调整多普勒参数以评估低速血流，应用低壁滤波器（WF）和700Hz至1MHz的脉冲重复频率（PRF）。调整增益应逐步增加到取样框中出现多普勒伪像（也称为“噪声”），然后逐渐减少增益至伪像刚刚消失。根据制造商的不同和检查者的喜好，血管内流动的血流可以在不同的尺度上用色彩显示出来。能量多普勒通常只显示血液的流动，而彩色多普勒可以显示血流方向是背离探头还是朝向探头。
　　八、探头
　　探头的特性对于体积小且相对浅表部位的检查非常重要，如儿科的肌骨检查。
　　现在的探头通常可使用一系列的频率（多频率探头），因此可以兼具较高的穿透力和分辨率，对儿童浅表结构和深部结构进行研究。最新一代的超声设备的频率可达20MHz，可以精细地显示距离探头几毫米内的亚毫米结构。检查更深的肌肉、骨骼结构，最好选用6～13MHz的多频探头。
　　目前，不同大小的线性探头均可用于肌肉、骨骼检查，包括大型（＞40mm）、中型（＜40mm）和小型探头（曲棍球探头）。探头频率的选择主要取决于待检查的肌骨区域或结构。对于体积小、表浅且与皮肤接触面较小的结构，用曲棍球探头特别适合；相反，对于深一些的结构，高频大型探头的成像效果最好，因为它们能在较深的地方保持超声波束形状，发散较小，而在较浅的深度，它们往往有较大的近场波束宽度和较差的横向分辨率。
　　九、如何手持探头
　　肌骨系统检查时应尽可能保持探头的稳定性，且避免加压。检查者可以将检查手的中指、环指和小指直接放在患者皮肤上或一个稳定的表面上，同时用拇指和示指握住探头来保持探头的稳定性。这样，检查者就可以很容易地沿探头短轴方向以最小角度旋转探头。
　　十、探头定位
　　患者的体位应既方便检查者，又方便患者。超声波束的角度必须完全垂直于被检查的组织结构，避免伪像以获取正确的图像。建议做纵向和横向扫查，必要时进行斜向扫查和非常规扫查，以详细评估肌肉骨骼结构。相应章节会介绍不同肌骨部位推荐的探头标准检查位置。
　　十一、超声软件
　　近年来，多种软件不断改进超声图像，各制造商的软件特点不同，其潜在价值仍需要在儿童应用中广泛探索。
　　在复合模式中，数字波束形成器在实时采集速率期间以多个转向角度操纵超声波束，可减少图像失真（如斑点、杂波、噪声、角度产生的伪像），更清晰地勾画组织界面，并能在背景中更好地识别病变，尤其是由镜面反射回声形成的结构，如肌腱和肌肉。将光束导向功能应用于 B型超声，获得了平行四边形视野，而不是矩形视野。斜视线沿深度轴运行，从表面到深度的斜行，可以更好地显示各向异性结构，如肌腱或韧带。
　　探头尺寸通常限制在4cm以下，因此即使在检查相对较小的儿童肌肉骨骼结构时，全景成像也可以有所帮助。全景成像技术使用特定的图像配准分析跟踪探头运动，并在长距离和曲面的实时扫描过程中重建大的复合图像。例如，它可以显示大量的液体和检查区域的概况。
　　近年来，三维技术已经用于超声。专用的三维容积探头通过机械驱动沿 Z轴倾斜扫描头来扫描整个组织容积；经容积扫描采集后，显示器可按纵向、横向和冠状面显示重建切面，它可以定向，通过移动任何空间轴进行详细分析。这项技术可能有助于更好地理解儿童关节的生理表现和血管情况；但是，三维探头通常更大，比传统探头更难握持，而且在儿童关节方面的经验很少。
　　另一种新技术是首次由 Krouskop等在1987使用的弹性超声。它可以获得关于软组织硬度和弹性的信息，尤其适用于结节或肌肉病变。它类似一种基于简单原理的电子触诊，用超声探头检查时组织受压会产生变形，硬组织形变较小，软组织形变较大，这些可以通过再处理得到的数据进行检测和量化。该软件可显示一幅弹性图像，在图像中，通常根据病变硬度来着色，从具有较大形变能力的组织结构（即软结节）的红/绿色到形变小或无形变（即硬和非弹性结节）的蓝色。该技术最初主要用于弥漫性肝脏病变和甲状腺结节的检查，研究已证明，该技术对可疑的肌腱、肌肉、滑膜改变和其他软组织的检查也非常有用。
　　十二、伪像
　　超声检查者应该意识到几种可能出现的伪像，了解这些伪像有助于解释检查结果，相反则可能导致误诊。伪像可能是物理现象或错误的扫描技术导致的。
　　事实上，有些伪像降低了扫描的诊断能力（混响、镜像效应、部分容积、倍增、空腱伪像），另一些则对鉴别诊断很有帮助（后方回声增强、声影、彗星尾、振铃伪像）。以适当的方式进行扫描并对超声设备设置得当，可以避免某些伪像；而另一些伪像由无法改变的物理特征引起，是不可避免的。尽管如此，我们必须了解伪像，以避免诊断错误。
　　以下为主要的超声伪像特征。后方回声增强：液体后方的组织回声强度增加。当液体量小或扩散面积较大时，可能无法检测到（图1.4）。声影：在气体（声束高吸收）、骨表面（声束高衰减）或钙化后方回声减弱或消失。侧方声影：当超声束以切线入射不同声阻抗的两种组织时就会发生这种现象。阻抗差越大，伪像就越明显（图1.5）。
　　图1.4 10岁女孩，患有青少年特发性关节炎，伴有增生性和分泌性滑囊炎，在积液（#）后方可见回声增强（*）
　　图1.5 5岁男孩，Baker囊肿两侧的侧方声影（箭头）
　　雨效应：由增益曲线引起的混响伪像。这是一个重要的征象，发生在软组织覆盖液体时，表现为与探头平行的中低回声带，从软组织中产生，并顺着液体向下移动。
　　混响伪像：由于其外观，该伪像也被称为“振铃伪像”和“彗星尾伪像”。这是由于超声波束在相邻的两个界面之间多次来回反射所引起的。由此，在下一次脉冲传输达探头前，多次来回反射的回声产生了多次组织重复。
　　混响伪像常见于软组织与气体/骨/金属界面。
　　镜像伪像：当声束遇到高反射的界面时产生图像的复制，从而引起反射和混响现象（图1.6）。
　　图1.6 9岁男孩，掌骨远端及第三指骨近端可见镜面伪像
　　部分容积伪像：当声束比被扫描的结构更宽或结构本身只是被部分分割，而被不同声阻抗的组织包围时所产生的伪像。例如，如果声束对液体的截面比声束本身窄，则会出现部分容积伪像。
　　重复和三重伪像：发生在超声束跨越两个不同的声阻抗组织时。当被检查的结构小于1cm时，就会出现图像的复制或三重伪像；当被检查的结构较大时，就会出现图像的变形、放大或中断（图1.7）。
　　空腱伪像：在纵向和轴向扫描中，当超声束不垂直于肌腱时发生。肌腱整体或局部呈低回声，无正常纤维回声或完全呈无回声（异向性），这是由声