医学影像学/USG的成像基本原理与设备

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一、超声物理特性

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2.5~5MHz。超声需在介质中传播,其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150m/s。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。

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。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。超声还有多普勒应(Doppler effect),活动的界面对声源作相对运动可改变反射回声的回率。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。

二、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(表1-4-1)和衰减特性。因而构成声阻抗上的差别和衰减上的差异。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影屏上,则可显出人体的断面超声图像,称这为声像图(sonogram或echogram)。

表1-4-1 人体不同介质的声速与声阻抗

介 质 密度(g/cm3) 超声纵波速度(m/s) 特征阻抗(105R*) 测试频率(MHz)
空 气 0.001293 332 0.000429 2.9
0.9934 1523 1.513 2.9
血 液 1.055 1570 1.656 1.0
软组织 1.016 1500 1.524 1.0
肌 肉 1.074 1568 1.684 1.0
1.658 3860 5.571 1.0
脂 肪 0.955 1476 1.410 1.0
1.050 1570 1.648 1.0

*R(Rayls)=1kg/m2.s

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

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

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:均质的液体,声阻抗无差别或差很小,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,成为良好透声区。在暗区下方常见回声增强,出现亮的光带(白影)。②衰减暗区:肿瘤,如巨块型癌,由于肿瘤对超声的吸收,造成明显衰减,而没有回声,出现衰减暗区。③实质暗区: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。

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)。

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。

三、超声设备

超声设备类型较多。早期应用幅度调制型(amplitude mode),即A型超声,以波幅变化反映回波情况。灰度调制型(brightness mode),即B型超声,系以明暗不同的光点反映回声变化,在影屏上显示9~64个等级灰度的图像,强回声光点明亮,弱回声光点黑暗。

根据成像方法的不同,分为静态成像和动态成像或实时成像(real timeimagimg)两种。前者获得静态声像图,图像展示范围较广,影像较清晰,但检查时间长,应用少,后者可在短时间内获得多帧图像(20~40帧/s)故可观察器官的动态变化,但图像展示范围小,影像稍欠清晰。

超声设备主要由超声换能器即探头(probe)和发射与接收、显示与记录以及电源等部分组成(图1-4-1)。

脉冲回声式超声设备基本结构示意图


图1-4-1 脉冲回声式超声设备基本结构示意图

换能器是电声换能器,由压电晶体构成,完成超声的发生和回声的接收,其性能影响灵敏度、分辨力伪影干扰等。B型超声设备多用脉冲回声式。电子线阵式多探头行方形扫描,电子相控阵式探头行扇形扫描(图1-4-2)。为了借助声像图指导穿剌,还有穿剌式探头。

实时扫查探头


实时扫查探头


图1-4-2 实时扫查探头

a.电子线阵式 b.电子相控阵式

探头性能分、3.5、5.8MHz等。兆赫越大,其通透性能越小。根据检查部位选用合适的探头。例如眼的扫描用8MHz探头,而盆腔扫描,则选用3.0MHz探头。一个超声设备可配备几个不同性能的探头备选用。

显示器用阴极射线管,记录可用多帧照相机和录像机等。

32 超声成像 | USG图像特点 32
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