第四节　超声成像

超声（ultrasound）是指声波振动频率超过20 000赫兹（Hz）的机械波，是超过人耳听觉范围的声波。医学 超声成像（ultrasonography，USG）就是利用超声波的物理特性与人体组织的声学特性相互作用后所产生的信息，经计算机处理形成图像，并进行疾病诊断的检查技术。

一、超声成像的基本原理和设备

（一）超声成像的基本原理

1.超声波的物理特性

（1）超声波的产生与传播：

超声探头晶片通过逆压电效应将电能转化为声能，产生并发射超声波，超声波可以横波和纵波的形式传播，人体组织和细胞是超声波传播的良好介质，在人体软组织和血液中主要以纵波形式传播。

（2）声阻抗与声衰减：

声阻抗是介质密度与声速的乘积，人体组织中各种界面声阻抗差异的大小决定了超声成像的回声强度。声衰减是超声在介质传播过程中，随着传播距离增大，声能逐渐减弱的现象。超声波的衰减与超声波在传播过程中能量的分散、介质黏滞性及热传导对声波的吸收有关。人体组织中，液体的吸收系数最小，而骨骼的吸收系数最大。

（3）反射、折射和散射：

超声在介质中传播时，遇到两种声阻抗不同的介质界面，会发生反射、折射和散射。当声波遇到远大于波长的界面时会发生反射和折射；当声波遇到界面远小于波长的微小粒子时，会发生散射。反射波的强弱与两种介质的声阻抗差成正比。例如，声波遇到组织与空气或骨质的界面，由于界面声阻抗差很大而发生全反射。

（4）束射性或指向性：

超声波与一般声波不同，其频率很高、波长很短（医用超声波频率一般为1.0～40.0MHz），在介质内呈直线传播，具有良好的束射性或指向性，这是超声检查对人体特定器官结构进行探测的基础。声束在远场区有一定的扩散，因此超声成像多采用聚焦式声束，以提高成像质量。

（5）多普勒效应（Doppler effect）：

当超声波声源与介质界面接受体发生相对运动时，介质接受的反射波频率与声源发射的频率产生差异（频移），这种现象称为多普勒效应。如界面接受体朝向探头运动，频率增高；若背离探头运动，频率减低；界面接受体运动越快，则频移的数值越大，反之亦然。超声波的多普勒效应已广泛用于心血管血流动力学检测。

2.超声成像的基本原理

由于人体内声阻抗的差值不同，当声波穿过不同的组织器官时，其回声产生相应的变化，超声诊断仪将接收到的回声，根据回声信号强弱用明暗不同的光点依次显示在荧光屏上，即呈现人体切面的灰阶图像，从而提供各种诊断信息。

（二）超声成像设备

超声成像设备主要由换能器（亦称探头）和主机两部分构成。超声探头是超声声源的发射与回波接收部件。探头有多种类型：主要分为用于腹部脏器检查的凸阵探头、用于外周血管和小器官检查的线阵探头，用于心脏检查的相控阵探头，以及各种腔内、穿刺和术中探头等。主机负责控制超声诊断仪的运转，包括超声波的发射、接收、信息采集和处理、图像显示和记录等。

二、超声检查技术

（一）常规超声检查技术

常规超声扫查模式主要包括二维灰阶超声扫查、M型超声检查和多普勒超声检查。检查前要做好准备工作，如消化系统检查需禁食、空腹，泌尿系统或盆腔检查需适度充盈膀胱，经阴道检查则需排空膀胱。检查一般采取仰卧位，并根据需要加做侧卧、俯卧、半卧或站立位检查。检查时，在皮肤表面涂适量耦合剂使探头与皮肤紧贴。

1.二维超声

又称灰阶超声。采用多声束对检查平面快速顺序扫查（扇形扫查或线阵扫查等），并将每条声束的回声依其深度和强弱重新组成检查平面的二维图像。二维超声是以灰度的明暗表示界面回声反射信号的强度，属于灰度调制型显示（图1-14a）。由于成像速度快，可在极短时间内获得多幅图像，当超过24帧/秒时，便能显示脏器的活动状态，即为实时成像。B型超声由于能够清晰显示脏器形态、解剖层次、动态变化和毗邻关系及血管和其他管形结构的分布，因此是目前临床上应用最为广泛的超声检查方法。

根据二维超声图像中回声强度的不同，将人体组织的超声回声强度分为5级：①无回声，如血液、胆汁、尿液、胸腔积液、腹水等液性物质，超声通过时无界面反射，图像呈无回声暗区（图1-15a）；②低回声，如正常肾皮质、淋巴结皮质等组织回声，图像灰度较暗（图1-15b）；③中等回声，如正常肝、脾、甲状腺等组织回声，图像灰度中等（图1-15c）；④高回声，如心脏瓣膜、肾窦、血管壁等组织回声，图像灰度较明亮；⑤强回声，如骨骼、结石和钙化组织回声，图像灰度非常明亮，后方常伴有声影（图1-15d）。正常人体组织回声强度由强到弱排列如下：肾窦＞胰腺＞肝、脾实质＞肾皮质＞肾髓质＞血液＞尿液。

2.M型（motion mode）超声

在单声束B型扫描中取样获得活动界面回声，再以慢扫描方法将活动界面展开，获得距离-时间曲线（图1-14b）。M型超声亦属于灰度调制型显示，反映脏器一维空间结构的运动情况，主要用于检查心脏和动脉等搏动器官。

3.多普勒（Doppler）超声

是利用超声波的多普勒效应原理，来检测心脏及血管内血流方向、速度和性质的方法。根据显示方式，分为频谱型多普勒和 彩色多普勒血流显像（color Doppler flow imaging，CDFI），其中频谱型多普勒又分为 脉冲波多普勒（pulse wave Doppler，PWD）和 连续波多普勒（continuous wave Doppler，CWD）。

频谱型多普勒超声，将血流的频移信号以频谱的形式显示，纵坐标代表频移的大小，以速度表示，横坐标代表时间（图1-14c）。朝向探头和背向探头流动血流的频移信号分别显示在频谱图基线的上方和下方，表示频移方向。频谱宽度为频移在频谱垂直方向上的宽度，表示某一瞬间取样容积中红细胞运动速度分布的范围。PWD能定量显示心血管腔内某一部位、深度的血流方向、速度及性质，但是受脉冲重复频率的限制所探测的速度范围有限。CWD可探测取样线上的高速血流，但不能判断异常血流产生的准确部位。

彩色多普勒血流显像（CDFI）是在二维超声切面上采用自相关技术获得一个较大腔道中的全部回声信息，然后再将多普勒频移信号，以彩色编码的方式叠加在相匹配的二维灰阶图像上（图1-14d）。通常由红、蓝、绿三基色显示血流的方向、来源、途径、相对速度等信息，其中朝向探头的血流用红色显示，背离探头的血流用蓝色显示，血流速度越快，色彩越明亮，反之越暗淡。湍流的方向、速度与离散度不一致，呈现为五彩镶嵌血流图像。彩色多普勒实现了解剖结构与血流状态两种图像的相互叠合，可以直观显示血流运动的状态，被誉为“无创的心血管造影术”，是超声检查技术的一大进步。

（二）超声检查新技术

1.三维超声（three-dimensional ultrasonography）

是在二维超声成像的基础上，通过计算机三维重建所获得的立体空间图像，可以客观地显示组织结构的解剖特征和空间关系，通过图像切割和旋转为医生提供非常直观的立体图像。三维成像在心脏和产前诊断方面发挥了重要作用（图1-16a）。

2.超声造影（contrast ultrasonography，CU）

是通过外周静脉注入内含有微小气泡的超声对比剂，从而产生强烈的回声对比效果的技术。心脏超声造影可以观察心脏解剖结构及分流、清晰显示心内膜边界、了解心肌灌注状态，准确评价心功能等。腹部及浅表脏器超声造影有助于提高占位性病变的显示率，了解灌注模式，对其进行诊断及鉴别诊断，还可用于消融治疗效果的评价等（图1-17）。

3.组织多普勒成像（tissue Doppler imaging，TDI）

是应用多普勒效应原理，通过低通滤波提取心肌运动所产生的多普勒频移信号，对心肌运动进行定性和定量分析的技术（图1-16b）。

4.超声弹性成像（ultrasonic elastography）

应用压力使组织产生应变，通过探测组织内部弹性模量来判断不同组织弹性和硬度的差异，并根据应变分布情况进行彩色编码，应变后最软的组织显示为红色，硬度较大的组织显示为蓝色，中间为绿色，其中液性成分呈现蓝绿红相间的“BGR”征（图1-16c）。目前其主要应用于乳腺、前列腺、甲状腺等小器官方面的研究。

三、超声图像特点和临床应用

与CT和MRI技术相比，超声检查具有操作简便、无创、无电离辐射、重复性好、快速成像、价格低廉等优点，因此广泛应用于临床，并成为许多疾病首选的影像学诊断方法。

常规超声可以检测腹部、盆腔、浅表器官等实质性器官的弥漫性及局限性病变，心脏结构、血流动力学状态及功能的评估，产科胎儿生长发育的评估和畸形筛查，血管疾病的诊断及体腔积液的定量等；介入超声可以引导穿刺抽吸细胞学或组织学活检，囊肿、脓肿或积液的抽液及置管引流，肿瘤的消融治疗等；术中超声可以帮助定位或寻找小病灶、引导和监测微创治疗，即刻评估手术效果等；三维超声可以直观评估心脏及胎儿解剖结构异常及其空间毗邻关系，更加准确地评价心脏功能；超声造影可以观察器官和组织的血流灌注，有助于疾病的鉴别诊断和手术疗效的评估。

然而，超声检查对操作者技术能力依赖性较强，图像整体性与稳定性不如CT和MRI，有些含气的脏器（如肺、胃肠）和骨骼，受超声波物理特性的影响，其适应证较为局限，因此，在临床上需要有选择地应用超声检查技术或联合其他成像技术进行疾病的诊断和鉴别诊断。