医学影像学/USG的成像基本原理与设备

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医学影像学

总论
- 超声成像
  - USG的成像基本原理与设备
  - USG图像特点
  - USG检查技术
  - USG图像分析与诊断
  - USG诊断的临床应用

一、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2.5～5MHz。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
水	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
骨	1.658	3860	5.571	1.0
脂　肪	0.955	1476	1.410	1.0
肝	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。

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