第1章超声物理基础与超声仪器原理
**节超声物理基础
医学影像检查方法的基本原理是：*先对身体系统施以某种形式的能量进行扰动，其次就机体对该扰动的反应进行信息收集，*后根据所收集的信息进行分析并以图像的方式展示出来。因此，为了更好地理解检查方法及提取影像资料中的相关信息，我们有必要*先认识一下其中的物理学原理。
一、超声波的定义
振动在空间传播成为波。波有机械波和电磁波两大类。超声成像中所使用的能量属于声波机械能，其通过使传播介质中的粒子发生振动而传播（图1-1-1）。这意味着声波在没有粒子的空间中是不能传播的。传声介质是能够传递声波的物质，是具有质量和弹性的物质，包括各种气体、液体、固体，都是传声介质。机械波的传播方式有横波和纵波两种方式，而声波的传播主要以纵波的形式进行传播。描述声波的参数有：波长U），频率（/），周期（T），振幅U），以及传播速度（C）。这些参数之间相互转换关系是：
机械波因频率不同而分为次声波、声波和超声波。通常把频率高于可听声频率范围（20000Hz）的机械波称为超声波（ultrasonicwave），有时简称为超声（ultrasound）。而超声成像所用的医用声源振动频率一般为1～10MHz，常用2.5～5.0MHz。
二、超声波的发生
超声诊断仪通常借助探头（probe）发射和接收超声波。医用成像的超声波是由压电元件通过压电效应生成的，常见的压电元件有天然晶体（石英）、压电陶瓷（锆钛酸铅）或有机压电薄膜（PVDF）等。压电效应是指在力的作用下（压力或负压力），压电元件的一对面上产生电场，其符号（正、负）相反。所加的力愈大，电场强度亦愈大；反之则小。或者，在电场的作用下，压电元件产生如同外力作用下的改变，或增厚，亦可减薄（电场反向时）。所加的电场强度越大，厚薄的变化亦越大。凡加力后产生电场的变化，称正压电效应；而加电场后产生厚度的变化，称逆压电效应。
声场，指声波传播时能量分布的空间（图1-1-2）。探头发出的超声波在较小的立体角内呈指向性传播，称为声束。其中心轴线称为声轴，为声束传播的主方向。声轴周围半声压（-3dB）点包络线间的距离称为声束宽度。探头连续发射非聚焦声束，其直径随传播距离的增加而缓慢减小，但是达到某点后开始迅速增大。此点与换能器间为近场区，此点远侧为远场区。近场的长度i与探头的形状和发射超声波的波长有关。
图1-1-2声场不意图
A.声场（声束）能量分布剖面示意图，显示近场区的复杂性和非均勻性，较远场区规则但有声束扩散；主瓣周围分布旁瓣。B.近场、远场和扩散角（&）
三、超声波在人体中的传播
超声波可以在人体组织中传播是超声成像的前提，而其与人体组织间发生的各种相互作用是超声成像的基础。
（一）超声波的传播
超声波在同种介质中呈直线传播。其传播速度，即声速，是由传播介质的弹性及其密度所决定的。声波在空气中的传播速度*低，在固体中传播速度*高。而在非均质的介质中，例如人体，声速的影响因素将变得十分复杂。描述组织自身不均质性对声波传播能力影响的参数是组织的声阻抗（acoustic impedance，Z），其是由介质的密度及声速计算得出的。
（二）超声波的反射与散射
两种声阻抗不同的组织接触面称为界面。接触面大小称为界面尺寸，尺寸小于波长时称为小界面，反之称为大界面。大界面对人射超声波可产生反射现象，而小界面对人射超声波主要产生散射现象。反射现象是器官轮廓成像的基础，而散射现象是器官内部细小结构成像的基础（图1-1-3）。
（三）超声波的衰减
声束在介质中传播时，因小界面散射与大界面的反射，以及声束的扩散和软组织的吸收等原因，将造成超声的衰减。以反射为例，在界面两侧介质的声阻抗基本相同时透射程度是*大的，而反射则是可以忽略的。而当两侧介质的声阻抗相差很大的时候，反射的程度*大。例如，在两种软组织间的界面：肌肉与脂肪，仅有1%的声能被反射。而在空气与软组织间的界面上，几乎为完全反射（99.9%）。这也是为什么超声检查时需要在患者体表涂抹耦合剂的原因。涂抹在体表的耦合剂可以消除探头与身体之间的空气，从而克服这种声阻抗的差异。
四、超声成像的分辨力
分辨力是评价图像空间分辨本领与清晰度的重要参数。通常*先关注的是空间分辨力，此外，还有时间分辨力、对比分辨力等。
1.空间分辨力（spatial resolution）仪器能够区分两个相邻反射体*小距离的能力称为空间分辨力。空间分辨力应是三维方向的分辨力，包括如下内容。
（1）轴向分辨力（axial resolution，AR）：能够分辨沿声束传播方向上两个相邻回声源*小距离的能力称为轴向分辨力，亦称纵向分辨力，主要由空间脉冲长度（spatml pulse length，SPL）决定（图1-1-4）。
通常，超声成像的一个短脉冲包含1～2个波，声束的扫描线数为4～5条。可见超声波的波长越短，频率越高，分辨力越高。
（2）侧向分辨力（lateral resolution，LR）：能够分辨垂直于扫查平面且与声束垂直方向的两个回声源*小距离的能力称为侧向分辨力，侧向分辨力亦称度分辨力。
若两个紧邻回声源距探头的距离相等，而两者之间的距离又比声束的宽度小，它们的回波就会出现在同一个位置，发生重叠，仪器不能区分它们的空间位置（图1-1-5）。因此，*小的侧向分辨距离约等于声束在扫查方向上的宽度。侧向分辨力在不同深度有所差别。为了提高侧向分辨力，必须对声束聚焦，使声束变细。
与侧向分辨力相似的另一维度的分辨力称横向分辨力（transverse resolution），在线阵和凸阵探头，是指与扫查平面平行方向上能够分辨两个相邻回声源*小距离的能力。
2.时间分辨力（temporal resolution）是指能识别图像变换的*短时间，是帧频的倒数。而帧频又取决于脉冲重复频率（pulse repetition frequency，PRF）和单帧频扫描线数。PRF越高，单帧频扫描线数越低，帧频越高，时间分辨力越好。对检测运动功能和血流动力学的细微变化至关重要。
3.对比分辨力（contrast resolution）是显示和分辨不同灰阶（明暗程度）的能力。超声仪器将回声强度以灰阶显示于屏幕，并在一侧显示相对应的灰阶标记。但是人的视觉的对比分辨力仅8～10个灰阶。
五、多普勒效应
多普勒效应是一种物理现象，当声源与探测器之间存在相对运动时即会出现多普勒效应，其主要表现为所探测到的声波频率与声源的频率不一致。由于物体的运动速度将会叠加到声波传播的速度上，因而频率的改变与物体的相对运动方向有关。如果声源与探测器之一保持静止，探测到的频率在二者相近时增加，而在相离时降低。
多普勒原理的数学方程式为：
实际应用中/。即为探头频率；C为超声波在人体软组织中的平均传播速度，为1540m/s。多普勒频移与声速成正比。为获得*大血流信号，应使声束与血流方向尽可能平行角尽量小）。
多普勒效应可以用于血流及组织活动的测量，判断有无血流，以及组织的活动、活动方向及活动速度。多普勒效应也是彩色多普勒超声血流成像的理论基础。
六、人体组织回声强度
人体组织回声强度取决于组织内部的界面构成及其声学特征。根据临床超声诊断和声像图描述的需要，对人体组织回声的强度进行分级。
（一）回声强度
强回声（strong echo），达到灰标*亮端亮度的回声。
高回声（hyperecho，high levelecho），亮度介于强回声与等回声之间。
中等水平回声（medium levelecho）亦称等回声（isoechogenicity），亮度相当于灰标中段。
低水平回声（low level echo），也可称低回声（hypoechogenicity），亮度介于无回声与等回声之间。
弱回声（dark hypoecho，weakecho），比低回声更暗，接近无回声。
无回声（anechogenicity），相当于灰标的*暗端。
（二）人体组织的回声强度
人体组织回声强度的一般规律为：骨骼>肾窦>胰腺>肝、脾实质>肌肉>肾皮质>肾髓质（肾锥体）>血液>胆汁和尿液。部分组织的回声见表1-1-1。
组织回声的强弱与其内部不同构成部分的声阻抗差别有关。与X线成像的密度概念无关。在病理组织中，结石、钙化回声*强；典型的淋巴瘤呈弱回声，甚至接近无回声，肝组织纤维化或细胞内脂肪浸润可使其回声增高。某些组织（如肌肉和肌腿等）的回声强度还与声束的人射方向有关。因此，对组织的回声特征判断，必须综合分析。
第二节超声仪器原理
在超声成像发展初期，仿照x线与CT的成像原理，人们也曾对超声透射及断层成像进行过研究，但均未获得明显的进展，因而目前超声成像所使用的是超声反射成像方法。应用这一成像技术所制造的超声诊断仪是由多个具有不同功能的组件构成的，整个工作流程始于超声信号的发射与接收，在将这些信号处理分析之后，*终成像于显示器之上。
一、超声仪器的结构组成
超声诊断仪的基本结构是由探头、发射电路、接收电路、显示器和记录器组成的。其中探头是超声仪器的核心部件。
（一）探头的结构
超声探头又称超声换能器，是超声诊断仪器中发射和接收超声波的器件，其中的核心是振元。超声探头既可以把电能转换成声能向人体内发射超声波，又可以接收体内反射和散射回来的声波，把声能转换为电能，进人接收电路放大处理，形成图像。许多材料可用于制作换能器的振元，其中*传统和*有代表性的是压电陶瓷。一个标准超声换能器的主要组件包括外壳、电子联件、压电元件、背衬材料、声透镜及声阻抗匹配层。
（二）探头的类型
1.单晶片/双晶片笔式探头此类探头由一个晶片或两个晶片组成，前者多用于A型扫描，后者多用于连续多普勒扫描。
2.机械扫描探头将一个或几个组合聚焦单探头，安装在一个盛有耦合剂液体的容器内或导管的前端，用微电机带动，使其摆动或旋转。仪器工作时，探头发出的声束在探查区域内扫描，将接收的每一条回声信号线按扫描顺序组合，得到一个扫查面的回波，处理后成为二维切面图像。
3.电子扫描探头
（1）线阵探头：线阵探头由许多尺寸很小的压电晶片等间隔地排列成一条直线（阵列），用于生成垂直于换能器表面的平行扫描线，因而该种换能器的视野是矩形的。线阵换能器一般用于浅表结构和血管的成像，因而工作频率通常高于4MHz。其广泛用于血管、小器官及肌肉骨骼系统的超声检查之中。
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