《实用泌尿超声技术》第二讲:超声波的基本特性

2021
10/18

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第一节 超声波的基本概念



 

一、波与超声波

 


波是日常生活中的常见现象,如声波、光波和水波。超声波是一种机械波,机械波是指物体的机械振动在介质中的传播。机械波在具有质点和弹性的媒介中传播现象称为波动。波动是物质运动的重要形式,广泛存在于自然界。

人耳能够听得见的机械波称为声波,声波频率范围约在20-20000HZ。超声波是指频率超过人耳听觉范围的高频声波,即:频率>20000HZ的机械波(图2-1)。超声波不能在真空中传播(因为没有介质)。超声波在固体中有纵波、横波、表面波、瑞利波、板波等多种振态,而在液体和气体中只有纵波。在医用超声诊断中,主要应用超声的纵波。

图2-1      声波的范围


超声波的主要物理参数包括:①波长(λ)②频率(f)③声速(c)。超声波的周期性见图2-2。

波长(λ):超声波在一个周期中传播的距离为波长(λ)

频率(f):超声波在一秒内重复的次数为频率(f),

1Hz=一个周期/秒,医用超声波的频率一般为2- 12 MHz;

速率(C):超声是机械波具有波长(λ)、和传播速度(C)

  C= λ· f

超声波穿过介质的速度取决于该介质的密度,经测算超声波穿过软组织的速度为l540 m/s。

图2-2超声波的物理特性及周期性



 

二、声源与声束

 


声源是指能发生超声的物体。超声设备中的声源又名超声换能器(transducer)或探头。声束指的是在声源的指向性方向上集中发射的一束超声波,超声在介质中传播时,其能量所能达到的空间。声束又称超声场,又可称为声场。

未聚焦的声束,其能量柱在直径方向传播时会逐渐扩散,直至最后消失。因此平面型声源无论在近场区,还是在远场区,其束宽均过大。因此,为提高图像质量,在探头表面加置声透镜聚焦,则声束可以聚焦。超声聚焦的目的是使超声束在一定深度内会聚,改善分辨力和灵敏度。常分为几何聚焦、机械聚焦与电子聚焦。现在超声更多的应用动态电子聚焦。动态电子聚焦在扫查过程中,呈动态改变焦点,使整个探测深度内,波束都有良好的会聚。


 

三、近场与远场

 


声束分为近场和远场。近场是指在邻近探头的一段距离内,束宽几乎相等,称为近场区,此区内声压和声强起伏变化较大。近场的长度与声源的尺寸、频率和介质有关。

远场是在指远离探头的一段距离内,声束开始扩散,远场区内声场分布均匀(图2-3)。

 

                                        图2-3 超声的近场与远场



 

四、分辨力与穿透力

 


(一)分辨力

分辨力是超声在人体软组织中传播时,在显示器上能够区分声束中两个细小目标的能力或最小距离。分辨力分为两大类:基本分辨力与图像分辨力。

1、基本分辨力

超声声束具有一定的宽度和厚度,由超声声束扫描出来的一个“断面”实际上并非一个二维的“面”,而是具有一定厚度的一个三维的“体”,描述这个三维结构就要用到三个方向(用X轴、Y轴和Z轴来表示,分别表示三个方向,轴向,侧向,横向)(图2-4)。另外纵向(lonitudinal)指的就是轴向。

(1)轴向分辨力(axial  resolution)

指沿声束轴线方向的分辨力。轴向分辨力的优劣可以影响靶目标在深度方向的精细度。此分辨力高低与发射脉冲宽度(即持续时间)有关。通常用3~3.5MHz探头时,轴向分辨力在1mm左右。探头的频率越高,分辨力越高,但穿透力越低(图2-5)。

(2)侧向分辨力(lateral  resolution)

指在与声束轴线垂直的平面上,在探头长轴方向的分辨力。声束越细,数量越多,侧向分辨力越好,在声束聚焦区, 3~3.5MHz探头的侧向分辨力应在1.5~2mm左右,取决于声束的宽窄,声束越窄,分辨力越高(图2-5)。

(3)横向分辨力(transverse  resolution)

横向分辨力又称立向分辨力,指在与声束轴线垂直的平面上,在探头短轴方向的分辨力(厚度分辨力)。超声切面图像,是一个较厚的断面信息的叠加图像。横向分辨力是探头在横向方向上声束的宽度。它与探头的曲面聚焦及距换能器的距离有关。横向分辨力越好,图像上反映组织的切面情况越真实(图2-6)。

2、图像分辨力

是指构成整幅图像的目标分辨力。图像分辨力又分为:

(1)细微分辨力:用于显示散射点的大小。

(2)对比分辨力:用于显示回声信号间的微小差别。

 3、多普勒超声分辨力

是指多普勒超声系统测定流向、流速及与之有关方面的分辨力。

(1)多普勒侧向分辨力:与基本分辩力相同。

(2)多普勒流速分布分辨力

(3)多普勒流向分辨力

(4)多普勒最低流速分辨力

4、彩色多普勒分辨力

彩色多普勒分辨力主要分为空间分辨力与时间分辨力:

空间分辨力:空间分辨力是指仪器能够分辨的两个点之间的最小距离。

时间分辨力:时间分辨力是指成像一帧图像所需要的最短时间。

(二)穿透力

超声波具有较强的穿透性,它能达到人体组织一定的深度,故可探测病变的性质与范围,其与频率有关(穿透力与频率有关)。

     频率低,波长长,穿透性好,透入深,分辨力则低; 频率高,波长短,穿透性差,透入浅,分辨力则高。简言之,超声探头频率越低,分辨力越低,探头频率越高,分辨力越高。故浅表扫查用高频,腹部脏器用低频。

图2-4超声波的分辨力


图2-5轴向(A)和侧向(B)分辨力取决于超声波频率和波束宽度。

(较高频率的传输具有较短的波长,从而可以改善轴向分辨力。侧向分辨力取决于波束宽度,并且在超声束的最窄部分,既聚焦区,分辨力最强)


                    图2-6声束的宽度和厚度


                               

 

    第二节 生物体的声学特性



 

一、生物体的声学参数

 


(一)密度(ρ)

各种组织、脏器的密度是重要的声学参数。密度的测定应在活体组织保持正常血供时测量。密度的单位为g/cm3

(二)声速(c)

声波在介质(或媒质)内的传播速度。单位为m/s或mm/μs,不同组织内,其声速不同。

(三)声特性阻抗(acoustic impedance)(Z)

声特性阻抗简称声阻抗,为密度与声速的乘积。单位为g/(cm2·s)。声像图中各种回声显像均为主要由声阻抗差别造成。骨:5.571;纤维组织:1.841;肌肉:1.684;软组织:1.524;脂肪:1.410;水:1.493;空气;0.000407。

(四)界面

两种声阻抗不同物体接触在一起时,形成一个界面。尺寸小于超声波的波长时,称为小界面;尺寸大于超声波长时,称为大界面。不同频率超声在人体软组织中波长:1MHz:波长1.5mm;3MHz:波长0.5mm;7.5MHz:波长0.2mm

在一个脏器、组织中如由分布十分均匀的小界面所组成,名均质体;无界面区(液性暗区)仅在清晰的液区中出现,液区内各小点的声阻抗完全一致。



 

二、超声在生物体中的传播特性

 



 

(一)反射和折射

 

    声波发射时,当遇及密度和声速不同的两种介质构成的大界面时,会发生反射和折射(透射)包括回声反射(图2-7)。

      反射 (reflection):在超声波传播的途径中,当相邻两介质的声阻抗差大于0.1%就会发生反射,其反射遵循光学反射定律。超声波在传播过程中,遇到两种介质所形成的界面,如介质间具有足够的特性阻抗差(0.1%),而界面又大于超声波的波长,即可发生反射。反射声能的大小,则取决于阻抗差的大小。

折射 (refraction):在超声波传播的途径中,当超声波从一种介质进入相邻的介质时,超声波传播的方向会发生改变,这种现象称为折射。超声波的折射也遵循光学折射定律。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折射。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分界面后出现折射波的折射角大于入射角。

图2-7反射和折射


 

(二)绕射与散射

 

    绕射 (diffraction,衍射):当障碍物的直径小于超声波长的1/2(小于λ /2),超声波会绕过障碍物继续传播,称为绕射。

散射 (scattering):若界面小于超声波波长,则声波向物体的四面八方辐射,产生散射。当障碍物表面粗糙,或障碍物由一组很小的物质构成,也产生散射。如血液中的红细胞,软组织中的微细结构,肺小气泡等均可产生散射。红细胞的背向散射是多普勒超声诊断的基础(图2-8,图2-9)。


                       图2-8 超声波被组织反射,折射,散射,传导和吸收。

  

        图2-9 睾丸内部结构对超声波产生散射,而肾包膜对超声产生完全反射


 

(三)会聚(convergence)

 

    声束在经越圆形低声速区后,可致声束的会聚。液性的囊肿或脓肿后方可见声束会聚后逐步收缩变细,呈蝌蚪状。可利用该特性,判断肿块的性质.。


 

(四)衰减(attenuation)

 

     声束在介质中传播时,因小界面散射,大界面的反射,声束的扩散以及软组织对超声能量的吸收等,造成了超声的衰减。衰减的原因主要有声波的吸收、散射、声束扩散等。仪器设计中使用“深度增益补偿(DGC)调节”,使声像图深浅均匀。人体软组织和体液的声衰减不同。软组织平均衰减系数为1dB/cm•MHZ。蛋白质成分是人体组织声衰减的主要因素(占80%),不含蛋白质成分的水,几乎可视为无衰减或称透声(表2-1 )。


 

(五)多普勒效应(Doppler effect)

 

     入射超声遇到活动的小界面或大界面后,散射或反射回声的频率发生改变,称多普勒频移。界面活动朝向探头时,回声频率升高,呈正频移;反之,回声频率降低,呈负频移。频移的大小与活动速度呈正比。fd=2vcosθf0/C



 

人体组织衰减程度一般规律

 


1、骨>软骨>肌腱>肝肾>血液>尿液胆汁

2、组织体液中蛋白成分尤其胶原蛋白成分愈高,衰减愈显著。反之组织体液中水分含量愈多,衰减愈少。组织中钙质成分愈多,衰减愈多。


表2-1    人体组织的声能衰减系数

介质名称

平均衰减系数

频率范围

0.0037~0.0063

5

血液

0.18

1.0

脂肪

0.63

0.8~7

肝脏

0.94

0.3~3.4

肾脏

1.0

0.3~4.5

肌肉(平行肌束)

1.3

0.8~4.5

肌肉(横断肌束)

3.3

0.8~4.5

颅骨

2.0

1.6


                         

 

    第三节 超声的生物学效应

      超声波在生物组织内的传播过程中,使介质分子微粒发生高频的机械振荡,这种机械振荡伴有能量的变化,可以对生物体产生一定的生物学效应。理解超声波的生物学效应需要了解超声能量的物理参数。超声能量的物理参数包括声功率及声强。由于声场中的声强在空间和时间上分布不均匀,故有空间峰值(SP)和空间平均声强(SA)以及时间峰值(TP)和时间平均声强(TA)等概念。其中空间峰值时间平均声强(SPTAI)在生物效应中最重要。二维显像<彩色多普勒<频谱多普勒。

    超声波是一种非电离传播,对患者的危害很小,但当超声能量达到一定强度时可由于其空化、切力和加热作用使机体受到伤害。通常诊断用超声能量很低,在较短的检查时间内不会造成人体组织器官的损害。对于超声波的安全剂量许多国家的学者作了相关研究。有研究者用常规的诊断用超声剂量照射青蛙和鱼的受精卵,在发育的前11天内照射24小时,结果未发现异常。

超声的安全性是由超声能量的强度及检查时间来决定的。不同人体软组织对超声辐射的敏感程度不同。胚胎和眼部组织属敏感器官。超声辐射剂量是超声强度与辐射时间的乘积。美国食品药品管理局FDA对人体不同部位超声照射强度的规定见表2-2。

表2-2  美国食品药品管理局FDA对人体不同部位超声照射强度的规定

部位

ISPPA(W/ c㎡)

ISPTA(m W/ c㎡

IM(W/c㎡)

心脏

190

430

310

脉管

190

720

310

眼部

28

17

50

胎儿

190

94

310

     为了表达超声的热效应和空化效应,近年来采用两个新的可显示的参数(供不同器官部位诊断时准确的调节显示),既热指数(TI)与机械指数(MI)。


 

(一)热指数(TI):

 

指超声实际照射到某声学界面产生的温度升高作用与使界面温度升高1℃的比值。在1.0以下无致伤性,但对胎儿应调节至0.4以下,对眼球应调至0.2以下


 

(二)机械指数(MI)

 

    指超声在驰张期的负压峰值(MPa数)与探头中心频率(MHZ数)的平方的比值。通常认为,在。MI值1.0以下无致伤性,但对胎儿应采用低机械指数,即将MI调节至0.3以下,对眼球应调至0.1以下。此外声学造影时如果采用低机械指数,可以防止微气泡破裂,提高造影效果。

临床超声诊断安全应用原则:

(1)尽可能采用最低的输出功率,尽可能减少超声扫查时间。

(2)对于眼部和胎儿,采用Doppler检查时尤应严格遵循上述规定。国际上及我国(1978年)均规定超声对人体的安全阈值为10mw/cm2,小于此阈值对人体无害。

世界医学生物学超声联合会(世超联WFUMB)声明摘要:普通的B型超声成像设备的声功率,不会产生有害的热效应。因此,在经阴道、经腹壁及内镜超声应用中,无致热方面的禁忌症。

某些DOPPLER诊断仪在无血流灌注的实验条件下,可引起有显著生物学作用的升温效应。将声束照射时间尽可能减少,可使升温降至最小。输出功率也可调节,应用最低输出功率。动物实验研究表明<38.5℃可以广泛的使用,可应用于产科领域等。




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关键词:
超声波,分辨力,软组织,人体,波长,探头,介质

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