第一篇 超声波物理学基础及心功能测定
第一章 超声波的物理性质
一、声波的物理性质
振动的传播称为波动（简称波），分为机械波和电磁波。物体在平衡位置附近来回往复运动称机械振动，机械振动在介质中的传播形成机械波。
机械波的产生首先要有引起机械振动的物体，称为波源（wave source）；其次要有能传播这种机械振动的弹性介质。机械波按其传播方向，可分为横波和纵波两类。前者是指在传播过程中质点的振动方向与波的传播方向垂直的波（transverse wave），后者是指振动方向与波的传播方向一致的波（longitudinal wave）。
声波（acoustic wave）是声源所产生的振动通过弹性介质传播的一种机械波。声波频率的大小取决于声源的振动频率，单位为赫兹（Hz）。依据波的频率，可以将其分为三大类，即次声波、声（音）和超声波。频率小于20Hz的波动，称为次声波；20～20 000Hz的波动称为声（音），也就是人耳所能感觉到的声波频率范围；频率在20 000Hz以上的波动，称为超声。
多普勒超声技术中，声源为探头。因此，探头的发射频率即为声波的频率，且探头发射频率与波长呈反比关系。医用诊断超声的声波范围在2～10MHz（1MHz=106Hz）。
人耳对声波的反应取决于两个因素：声波的强度和声波的频率。高强度的波产生响亮的声音，而低强度的波产生微弱的声音。我们可以根据声音的响度和音调，判断声波的强度和频率。在多普勒超声检查中，我们常通过听取音频信号的响度和音调，判断多普勒频移信号的强度和频率，从而判断血流的性质。
二、超声波的物理性质
超声波（ultrasonic wave）是频率高于20kHz的声波。在多普勒超声心动图中，超声波的频率范围一般为1～10MHz。超声波具有声波所有的物理性质，但因其频率高且波长短，故又具有许多不同于声波的独特性质，这些性质有助于心血管系统疾病的诊断。
（一）超声波产生的物理学基础及原理
1.超声波产生的物理学基础
主要是利用某些非对称性晶体（如石英、酒石酸钾钠、锆钛酸铅等）具有的特殊物理性质——压电效应（piezoelectric effect）。当该类晶体受到外界压力或拉力时，其两个表面将分别出现正、负电荷，使得机械能转变为电能，称之为正压电效应；反之，当晶体受到电场的作用时出现机械性的压缩和膨胀，电能转变为机械能，称为逆压电效应。
2.超声波产生的基本原理
使用压电晶体作为超声探头的主要部件，利用压电效应使探头同时作为超声波的发生器和接收器。当超声波在介质中传播时，将在声阻不同的界面发生反射（反射波也是一种超声波）。反射波返回探头时，声压作用于压电晶体，使晶体表面产生正、负电荷（正压电效应），并随着反射波压强的变化出现交变电压，其频率等于反射波的频率。将此电信号加以放大并显示在荧光屏上，即形成超声心动图的图像。
（二）超声波的声束
1.由于超声波的波长和光线一样，比较短，故具有较强的方向性，从而形成超声束（ultrasonic beam），这一特点是诊断用超声的首要物理性质。
2.超声波由探头发出进入人体后，在距探头较近的一段区域内形成一条宽度近似探头直径的超声束，此区称为近场。在近场的远侧，超声束将逐渐增宽，此区称为远场。
3.近场长度的计算公式为L=r2/λ（r为探头直径，λ为超声波的波长）。因此，增大探头直径或减小波长（即增加探头的频率），均可增加近场的长度。超声束在远场的增宽程度由超声束的扩散角（θ）决定，其大小由公式sin θ=0.61 λ/r表示，式中λ和r的意义同前。在超声心动图技术中，超声束在远场的增宽将减低声束在单位面积上的信号强度和侧向分辨力（侧向分辨力见下所述），这对于心脏结构的显示很不利，因此需要减小扩散角，也就是要增加探头的频率和直径。但由于在实际工作条件中，探头的频率及直径都是固定不变的，因此为了减少声束的扩散，从而达到尽量清晰显示心脏结构的目的，一般可通过采用聚焦、增加远场增益等方法。
（三）超声波的分辨力
分辨力（resolution）是指超声束在人体软组织中传播时，显示器上所能区分声束中两个细小目标的最小距离或能力。按分辨方向的不同，可分为轴向（纵向）分辨力和侧向（横向）分辨力。
1.轴向分辨力
又称纵向分辨力，指超声束所能区分的沿声束方向两点之间的最小距离。该分辨力取决于探头发射的脉冲群的宽度，并与之成反比。若以L代表脉冲群的宽度，λ代表波长，n代表脉冲波的个数，则L=λ n。为了提高轴向分辨力，需要减少脉冲群的宽度，这需要缩短脉冲波的波长和减少脉冲波的数目。因此在超声心动图技术中，常选用频率较高的探头（波长较短）和发射较短的脉冲群（脉冲波的数目较少）提高轴向分辨力，以增加图像的清晰程度。而多普勒超声心动图技术中，由于血流速度不会在短距离内突然发生变化，所以对轴向分辨力的要求不高。相反，如果使用高频率的脉冲（波长短），将会降低脉冲多普勒的流速测值；而减小脉冲群的宽度则会使频谱增宽，从而降低频率分析的准确性。因此，为了提高脉冲式多普勒流速测值和频率分析的准确性，应选用频率较低的探头（波长较长）和发射尽可能长的脉冲群（脉冲波的数目多）。由此可见，在轴向分辨力的技术要求方面，上述两种超声心动图技术之间存在矛盾。
2.侧向分辨力
又称横向分辨力，指超声束所能区分的沿声束横向排列的两点之间的最小距离。该分辨力取决于声束的宽度，并与之成反比，因而也就取决于探头的频率、探头的直径和聚焦深度。在超声心动图技术中，常选用频率较高的探头和较大直径的探头，提高侧向分辨力。而在多普勒超声心动图技术中，使用高频率的探头将降低流速测值；而使用较大直径的探头，将限制超声探查窗口和探头方向调整的自由度，不利于高速射流的探查。另外，在定量测定射流速度时，为了达到声束与射流方向的平行，较宽的声束常会优于较窄的声束。所以，在连续式多普勒技术中，多采用低频率、小直径和宽声束的探头。由此可见，在侧向分辨力的技术要求方面，两种超声心动图技术亦存在矛盾。
（四）超声波的反射、折射、衍射和散射
1.超声波的反射
指超声波从一种介质传至另一种声阻抗不同的介质时，将在两种介质相交界的表面（称为声学界面）发生反射。反射波的强度首先取决于两种介质的声阻差，并与之成正比；其次，反射波的强度还受到入射角（指入射声束与反射界面的垂线之间的夹角）的影响。当入射角为零度时，入射声束和反射声束均垂直于反射界面，则大部分反射波返回探头；随入射角增大，反射角也逐渐增大，越来越多的反射波将不能返回探头；当入射角等于90°时，入射声束平行于反射界面，此时不出现反射波。因此，在超声心动图检查时，要求声束与组织界面尽可能垂直；而在多普勒超声心动图检查时，则要求声束与血流的方向尽可能平行。
2.超声波的衍射和散射
超声波在传播过程中遇到几何尺寸等于或小于其波长的反射物时，部分能量将绕过这一物体并继续向前传播，这种现象称为衍射（diffraction）。而剩余能量的超声波，将以这一物体为中心向空间各个方向发生散射（scattering）。散射时，由于声能向各个方向传播，返回探头的回声信号强度将明显减弱。例如，在超声心动图技术中，需要显示的是心脏的各切面结构，而不需要显示血流，故当超声束遇到直径明显小于超声波波长的血细胞时，血细胞将作为散射体（散射超声波的物体）向各个方向散射超声波，探头仅接收来自血细胞的反向散射部分［称为背向散射（backscattering）］的反射波。由于背向散射的声波能量较小且血细胞与血浆间的声阻差亦很小，反向散射波的振幅十分微弱，因此在超声技术中这些信号接近超声技术接收器的噪声水平，将被滤掉而不显像。而在多普勒超声心动图中，则恰恰需要研究来自血细胞反射的微弱信号，并由其组成多普勒频移信号。此时，血细胞常被作为反射超声波的声靶（反射信号绝大多数来自红细胞）反射超声波，并由多普勒超声接收器处理来自血细胞反射的这种低振幅信号，形成频谱。这是多普勒超声接收器区别于影像超声接收器的一个基本特点。
反向散射信号的强度取决于以下三个因素：① 红细胞的数量：超声束内的红细胞数越多，探头所接收的反向散射信号的强度也就越大。② 红细胞浓度的变化：取样体中红细胞浓度随时间变化的幅度越大，反向散射信号的强度越大。因此，层流状态时血细胞反向散射信号的强度较湍流状态时小。取样体越大，反向散射信号就越强。对于脉冲式多普勒超声技术来说，这意味着取样容积越大，信号/噪声比值就越大，多普勒信号就越清晰。③ 超声波的发射频率：体外实验研究表明，当超声波的频率增加时，散射信号强度随之上升。然而，由于超声波在人体中的吸收和衰减，使用高频率的探头探查时，反而会使来自血细胞的背向散射信号减弱。
（五）超声波的吸收和衰减
超声波在体内传播的过程中，其强度将随着传播深度的增加而进行性减弱，称为衰减（attenuation）。超声波在体内衰减，是由超声波的吸收和能量分布面积的扩大造成的。超声波的衰减效应是它的另一个特点。
超声波的吸收是因为超声波在体内传播时，部分能量用于克服介质中的黏滞性所造成的内摩擦力，从而转变为热能。
能量分布面积的扩大主要见于以下几种情况：① 超声波的反射：在每一组织界面上都有部分超声波反射回来，以至于向前传播的超声波的能量降低。超声波的频率越高，波长越短，所识别的组织界面和反射的次数也就越多，超声波的衰减也就越快。因此，超声波频率的升高虽增加了分辨力，却降低了穿透力。② 超声波的散射：在血液中和较小的组织界面上发生散射后，声波能量向四周传播，使向前传播的超声波的能量降低。③ 超声束的扩散：在超声束的远场，声束出现扩散，使单位面积上的超声波能量进一步降低。在上述三种情况下，虽然超声波的总能量没有减少，但由于能量分布面积的扩大，超声波的强度反而降低。