医学影像物理学 第六章学习指南

第六章 超声成像

教学大纲要求

了解声强、声压、声强级的基本概念，声波在媒质中的传播规律，掌握超声成像的基本原理，了解超声波的特性及其在医学中的应用，了解各种超声诊断仪。 重点和难点

声波在媒质中的传播规律，超声成像的基本原理和基本规律，B 超和多普勒彩超技术的成像特点。

教学要点

一、声波

1．声波的基本概念

（1）声波（sound wave ）、超声波、次声波

频率为20～20000 Hz 的机械纵波（液体和气体中传播时）可以引起人的听觉，称为声波；频率高于20000 Hz 的机械波称为超声波；频率低于20Hz 的机械波称为次声波。

（2）声压（sound wave ）

当声波在介质中传播时，介质的密度作周期性变化，稠密时压强大，稀疏时压强小，在某一时刻，介质中某一点的压强与无声波通过时的压强之差，称为该点的瞬时声压。用P 表示，对于平面简谐波而言，t 时刻的声压为

?????

?+-=2)(cos πωωρc x t cA P 式中，ωρcA P m =称为声压幅值。

（3）声阻（acoustic impedance ）

声压与声速的比值，表征介质声学特性的一个重要物理量，其大小取决于介质密度与声速，即

c A cA P Z m m

ρω

ωρυ=== （4）声强（intensity level ）

单位时间内通过垂直于声波传播方向的单位面积的声波能量，用I 表示

Z

P I cA c I m 2 21222===或ωρε （5）声强级（intensity of sound ）

是用对数的标尺量度声强的物理量。取1000 Hz 声音的听阈值2120W.m 10--=I 为国际

标准声强，则声强级定义为

dB lg 100

I I L = （6）多普勒效应（Doppler effect ）

当声源与接收者相对与媒质发生相对运动时，接收者收到的声波频率与声源发出的声波频率出现不相同的现象，称为多普勒效应。

（7）多普勒效应频率公式

0cos cos να

βννu c c μ±= 其中ν为接收者收到的声波频率，ν0为声源发出声波的频率，c 为声速，u 为声源运动速度，υ为接收者运动速度，α为声源运动方向与接收者和声源连线方向间的夹角，β为接收者运动方向与接收者和声源连线方向间的夹角，分子中的加号和分母中的减号适用于接收者和声源相对运动的情况，而分子中的减号和分母中的加号则适用于二者背离运动的情况。

（8）多普勒频移

发射频率与接收频率之差称为频移。可表示为

ννν-=?0

2．声波在介质中的传播

（1）声强反射系数I r 和透射系数I t ，

声波垂直入射时有

22121221221)(4 ；)()(Z Z Z Z I I t Z Z Z Z I I r i t I i r I +==+-==

式中，21Z Z >>时，0=I r ，1=I t 发生全透射；当Z 1 ≈ Z 2时，0=I t ，1=I r 发生全反射。

（2）衍射与散射

1）声影（acoustic shadowing ） 由于障碍物线度较大，声波不能完全绕过障碍物，在障碍物之后，存在声波不能达到的空间，称为声影。声影在图像上表现为暗区，是探测不到的盲区。

2）散射 当声波传到障碍物上时，如果介质中存在许多悬浮粒子，这些粒子又将成为新的波源而向四周发射超声波，有一部分声能就要偏离原来的传播方向，这种现象，称为声波的散射。

（3）干涉与驻波

声波的干涉（interference of sound wave ） 当两列相干声波在媒质中相遇时，有些质点因为两个声波的叠加而使振幅增加，有些质点则因声波的叠加而使振幅减弱，因此在媒质中形成一个强弱稳定分布的声场，这种现象称为声波的干涉。

驻波（standing wave ） 频率相同，振动方向相同，相差恒定，传播方向相反的两列相干声波叠加而成。主要特点是在驻波区域没有能量的传播，只有质点的振动。形成驻波时，驻波场是一个振动体，其频率与入射波频率相同，但最大振幅增值一倍。

（4）驻波比r

表示驻波的发生程度，可表示为

mr

mi mr mi P P P P r -+= 其中，mi P 和mr P 分别表示入射波和反射波的声压幅值。当0P =mr ，r =1驻波不存在；当mr mi P P =，r ≈∞，驻波比为无穷大，即全反射驻波。

（5）声通量反射系数φr 和透射系数φt

2cos cos p I i r I i r r r r r ====

θθφφφ 22

1cos cos cos cos p i i i t I i t t Z Z t t θθθθφφφ=== 其中I r 为声强反射系数，p t 为声压透射系数，Z l 、Z 2分别为界面两侧介质的声阻抗，显然，声通量的透射系数与声强的不一样。

3．声波在介质中的衰减规律

（1）声波的衰减（attenuation of sound wave ）

声波在介质中传播时，随着距离的增加，其声强逐渐减弱，这种现象称为声波的衰减。

（2）声波衰减的主要原因

1）扩散衰减 由于声波在空间传输中由能量分布的改变造成的衰减，如反射、折射、波阵面表面的扩大造成单位截面积通过的声能减少。

2）散射衰减 散射过程可以看成是声波与众多的散射中心的多次相互作用的过程，作用的结果是部分声能转化为热能而散失掉。

3）吸收衰减 吸收衰减的本质是声能转变为其它形式的能量，包括热能及其它形式的机械能等。

（3）球面波扩散衰减公式

2200r

r I I = （4）吸收衰减公式

ax e I I -=0

式中，I 0为x =0处入射波声强，a 为介质的衰减系数，x 为传播距离。

二、超声波

1．超声与物质的相互作用

（1）超声与物质的相互作用

1）机械作用 高频超声波通过介质时，使介质中粒子作受迫高频振动，其加速度可达重力加速度的几十万至几百万倍，这种强烈的机械振动能破坏物质的力学结构。

2）空化作用 高频大功率超声通过液体时，液体中产生疏密变化，稠区受压，稀区受拉。在受拉时，因为液体承受拉力的能力很差，特别是在含有杂质和气泡处，液体将被拉断，形成空腔。在受压时，使空腔迅速闭合，从而产生局部高压、高温和放电现象，称为空化作用。空化作用可被用来清洗精密仪器的内部、雾化、乳化以及促进化学反应发生等多方面。

3）热作用 当超声波在介质中传播时，将会有一部分能量被介质吸收而转化为热量，引起介质温度升高，称为热效应或热作用。超声波的热效应可以用于临床理疗。

（2）压电效应（piezoelectric effect ）

当压电晶体的两个表面受到压力或拉力时，它的厚度将发生变化，在晶体的两个表面出现等量异号电荷，这种机械能转变成电能的现象称为压电效应；反之，在晶体表面施加交变电场，晶体的厚度将沿着电场的方向而变化，在媒质中出现伸缩，这种现象称为逆压电效应。

（3）超声探头

超声探头又称作超声换能器，由压电晶体构成。有单晶片、多晶片、旋转探头和多普勒探头。

2．超声场轴线上的声压分布

（1）超声场轴线上的声压分布（圆形活塞声源）

??? ??-??

???????????????????? ??-+=D t X X D P P λπωλπsin 4sin 2220 式中0P 为圆形晶体表面的声压幅值，D 为晶体直径，λ为超声波长。

其中声压幅值为

???????????? ?

?-+=X X D P P m 2204sin 2λπ （2）近场区（near field region ）内的声压分布

1）声压极小值 0)2(2

2>-λn D ，即λ

2D n <（取正整数） 2）声压极大值 0)12(222>+-λλm D ，即λλ2-

λ2

24a D L ==（a 晶片半径） （3）远场区（far field region ）内的声压幅值分布

X A P X

A P P m 112sin 200?≈??? ???=λλ 声压随声程距离X 作单值变化。

3．超声场的角分布

（1）声压的空间角度分布 ??????=θθλsin )sin (210

ka ka J r A P P

其中r 为圆片中心到场点的距离，θ为r 与轴线之间的夹角，J 1为第一类贝塞尔函数。

（2）指向性因数c D

距晶片中心距离为r 并与声场的中轴线成θ角处的声压与中心轴线上同样距离r 处的声压之比，用公式表示为

θ

θθsin )sin (2)0,(),(1ka ka J r P r P D c ==

（3）半扩散角 D λθ22

.1sin 1-=（圆形晶片直径D ）

4．声束聚焦 聚焦声束轴上的声压幅值（x > a ，f >a ）

???? ??-÷?????????? ??-??=f x f x x f B P P m 112

sin 20π 其中f

L f a B ==λ2，当x → f 时，p = p 0πB ，说明聚焦距离愈短，声压上升幅度越高，聚焦效果愈好。但焦距不能比近场距离小得太多，否则焦点后面声束迅速扩散，无法探测信息。

三、超声成像的基本方法

1．超声成像简介

超声是超过正常人耳能听到的声波，频率在20000赫兹（Hertz ，Hz ）以上。超声检查是利用超声的物理特性和人体器官组织声学性质上的差异，以波形、曲线或图像的形式显示和记录，借以进行疾病诊断的检查方法。20世纪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，因此，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。

2．USG 的成像基本原理

（1）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2.5～5 MHz 。超声在介质中传播的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15001

-?s m 。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。

1）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。

2）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。超声还有多普勒效应，活动的界面对声源作相对运动可改变反射回声的频率。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。

（2）超声成像的物理假定

1）声束在介质中以直线传播。

2）声波在各种介质中声速均匀一致（温度一定）。

3）在各种介质中介质的吸收系数均匀一致。

（3）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和衰减特性。因而构成声阻抗上的差别和衰减上的差异（见表6.1）。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荧屏上，则可显出人体的断面超声图像，这就是声像图（sonogram或echogram）。

表6.1人体不同介质的声速与声阻抗

介质密度（g·cmg-3）超声纵波速度（m·s-1）特征阻抗（105R*）测试频率（MHz）

空气水血液软组织肌肉骨脂肪肝0.001293

0.9934

1.055

1.016

1.074

1.658

0.955

1.050

332

1523

1570

1500

1568

3860

1476

1570

0.000429

1.513

1.656

1.524

1.684

5.571

1.410

1.648

2.9

2.9

1.0

1.0

1.0

1.0

1.0

1.0

*R（Rayls）=1kg·m-2·s-1

人体器官表面有被膜包绕，被膜同其下方组织的声阻抗差较大，形成良好界面反射，声像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。

（4）回声强度

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。

1）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液性暗区由均质的液体构成，声阻抗无差别或相差很小，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，成为良好遗声区。在暗区下方常见回声增强，出现亮的光带（白影）。

②衰减暗区由于肿瘤（如巨块型癌）对超声的吸收，造成明显衰减，而没有回声，出现衰减暗区。

③实质暗区是均质的实质，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。

2）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）。

3）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。

（5）时间增益补偿

1）在不同深度上的回波脉冲幅度由于其声程不同，造成的吸收程度也不同，这使回波脉冲幅度的差异很大，而回波幅度又决定了像点的亮度（灰度），同样声学性质的介质，在不同深度上，由于吸收衰减使回波亮度有很大差异，给成像造成困难，因此必须对不同深度上的回波进行增益补偿，使从深度部位声界面反射的回波信号的放大倍数较大，而距离换能器较近的反射信号，也就是时间上较早达到的回波信号的放大倍数较小。由此进行的幅度补偿称为时间增益补偿（time gain compensation, TGC ），也称深度增益补偿（DGC ）或灵敏度时间补偿（STC ）。

2）深度衰减规律

（6）USG 图像特点

1）回声强弱 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）。

2）层面图像 改变探头位置可得任意方位的声像图，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。

（7）超声图像质量的评估

1）空间分辨力 横向分辨力和纵向分辨力。

横向分辨力是指在与超声波束垂直的平面上，能分辨开相邻两点间的最小距离，也就是分辨开这两点的能力。如圆形晶片的最小分辨距离a x Y λ2

.1=?，其中x 为两点到探头的距离，a 为晶片的半径。 纵向分辨力是指在超声传播方向上两界面回波不重叠时的最小距离。τc d 2

1=，其中τ为脉冲宽度，c 为声速。

2）对比度分辨力 指超声仪可显示不同灰阶细微差别的回声能力。图像的对比度主要取决于像素的大小。

3）图像的均匀性 指图像在整个显示画面内，能提供均匀分布的分辨力和清晰度的能力。

（8）伪像

由于成像系统原理上的不完善、技术上的限制、方法上的不全、诊断上的主观推断等客观条件和人为因素造成的图像畸变或假象，使检测到的数据与真实情况有差异，造成图像失真，称为伪像。超声伪像可分为两种，即形状位置失真造成的伪像和亮度失真造成的伪像。

四、血流测量中的定量计算

流体力学基础

1．泊肃叶公式

在粗细均匀的圆管中做稳定流动的液体，设管长为l ，管半径为R ，管两端的压强差为p 1 - p 2，管内液体的黏度为η，距管轴线外任一点的距离为r 处的流速度为

)(42221R r l

p p --=

ηυ 2．流量与流阻（外周阻力） r R p p R l p p Q 214218)(-=-=

ηπ 上式中，4

8R l R r πη=称为流阻。 mm 5.1102150021216=???==?-τc Y