超声成像基本原理简介

一. 二维声像图（two dimensional ultrasonograph, 2D USG）        

现代超声诊断仪均用回声原理  （图1-1-1、图1-1-2、图1-1-3、图1-1-4），由仪器的探头向人体发射一束超声进入体内，并进行线形、扇形或其他形式的扫描，遇到不同声阻抗的二种组织（tissue）  的交界面（界面，interface），即有超声反射回来，由探头接收后，经过信号放大和信息处理，显示于屏幕上，形成一幅人体的断层图像，称为声像图（sonograph）或超声图（ultrasonograph），供临床诊断用。连续多幅声像图在屏幕上显示，便可观察到动态的器官活动。由于体内器官组织界面的深浅不同，使其回声被接收到的时间有先有后，借此可测知该界面的深度，测得脏器表面的深度和背面的深度，也就测得了脏器的厚度。

回声反射（reflection）的强弱由界面两侧介质的声阻抗（acoustic impedance）差决定。声阻抗相差甚大的两种组织（即介质，medium），相邻构成的界面，反射率甚大，几乎可把超声的能量全部反射回来，不再向深部透射。例如空气—软组织界面和骨骼—软组织界面，可阻挡超声向深层穿透。反之，声阻抗相差较小的两种介质相邻构成的界面，反射率较小，超声在界面上一小部分被反射，大部分透射到人体的深层，并在每一层界面上随该界面的反射率大小，有不同能量的超声反射回来，供仪器接收、显示。均匀的介质中不存在界面，没有超声反射，仪器接收不到该处的回声，例如胆汁和尿液中就没有回声，声像图上出现无回声的区域，在排除声影和其他种种原因的回声失落后，就应认为是液性区。

界面两侧介质的声阻抗相差0.1%，即有超声反射，声阻抗为密度和声速的乘积，所以在病理状态下，超声检查是一种极为灵敏的诊断方法。

超声成像（ultrasonic imaging）还与组织的声衰减（acoustic attenuation）特性有关。声波在介质中传播时，质点振动的振幅将随传播距离的增大而按指数规律减小，这种现象称为声波的衰减。造成声衰减的主要因素为：声吸收（acoustic absorption）、声反射（acoustic reflection）、声散射（acoustic scattering）和声束的扩散。

声衰减系数（α）的单位为dB/cm，在人体中，超声的弛豫吸收引起声衰减系数α与频率近似地成正比，即α＝βf，式中β也为声衰减系数，但其单位为dB/cm·MHz。（式中f为所用的超声频率）

超声成像中因声衰减而需用种种办法作图像处理，使近程回声不致过强，远程回声不致过弱，虽然用了种种图像处理办法，仍不免出现因声衰减而引起的伪差。

二．多普勒频谱（spectrum）

多普勒频谱是利用多普勒效应（Doppler effect，）提取多普勒频移（Doppler shift）信号，并用快速富立叶变换（fast Fourier transform，FFT）技术进行处理，最后以频谱形式显示。

多普勒频移可用下列公式得出：

  2ＶCosθ

  fd = ±  ——————fo       

     C

式中fd = 频移；V = 血流速度；C = 声速（1540m/s）；fo = 探头频率，Cosθ= 声束与血流方向的夹角余弦值。

测得了多普勒频移就可用上述公式，求得血流速度：

     fd C

  V = ± ——————

       2fo Cosθ

图1-1-5为颈动脉的多普勒频谱，频谱的横轴代表时间，纵轴代表频移的大小（用KHz表示），中间水平轴线代表零频移线，称为基线（base line）。通常在基线上面的频移为正，表示血流方向迎着换能器而来；基线下面的频移为负，表示血流方向远离换能器而去。

频谱幅值  即频移大小，表示血流速度，其值在自动测量或手工测量时，可在屏幕上读出。

频谱灰度（即亮度） 表示某一时刻取样容积内，速度相同的红细胞数目的多少，速度相同的红细胞多，则散射回声强，灰度亮；速度相同的红细胞少，散射回声弱，灰度暗。

频谱宽度  即频移在垂直方向上的宽度，表示某一时刻取样血流中红细胞速度分布范围的大小，速度分布范围大，频谱宽，速度分布范围小，频谱窄。人体正常血流是层流，速度梯度小，频谱窄；病变情况下血流呈湍流，速度梯度大，频谱宽。频谱宽度是识别血流动力学改变的重要标志。

从超声多普勒实时频谱上，可以得到许多有用的血流动力学资料。如：①收缩期峰速（Vs）；②舒张末期流速（Vd）；③平均流速（Vm）；④阻力指数（RI）；⑤搏动指数（PI）；⑥加速度（AC）和⑦加速度时间（AT）。

多普勒频谱的获得有脉冲波和连续波二种。脉冲多普勒的换能器兼顾超声的发射和接收，换能器在发射一束超声后，绝大部分时间处于接收状态，并利用门电路控制，有选择地接收被检测区血流信号，其优点是有深度的定位能力，但它的缺点是受尼奎斯特极限（Nyquist limit）的影响，在测量高流速血流时，产生频谱的混迭（aliasing）现象（图1-1-6）。连续波多普勒的换能器由二片相邻的晶片组成，一片发射超声，另一片接收超声，其优点为可测量高速血流而不发生频谱的混迭，但无深度定位功能，故只在测量高速血流时用。

三．彩色血流成像（color flow imaging）或称彩色超声血流图（简称彩超）有三种：

(一) 彩色多普勒血流成像（color Doppler flow imaging, CDFI）（图1-1-7）是利用Doppler原理，提取Doppler频移（Doppler shift），作自相关处理，并用彩色编码成像（频域法  frequency domain）。常规把迎着换能器方向（即入射声束方向）而来的血流显示为红色，远离换能器（入射声束）而去的血流为蓝色。血流速度快（即Doppler频移值大），彩色显示亮而色淡；血流速度慢（即Doppler频移值小），彩色显示暗而色深。

把上述彩色血流叠加在二维声像图上能确定血流的方位、与周围组织器官的关系，从而作出疾病的诊断或帮助多普勒取样，以显示频谱作进一步对血流动力学的分析。彩色多普勒血流显示的不足之处，主要是：① 显示的信号受探测角度的影响较大；② 当显示的频移超过Nyquist极限时，图像色彩发生混迭，出现五彩镶嵌的血流信号。

   (二) 彩色多普勒能量图（color      Doppler energy, CDE）（图1-1-8）又称彩色能量血管造影图（color power angio, CPA）

彩色多普勒能量图利用血流中红细胞散射的能量成像（能量法），即提取多普勒回波信号的能量（即强度），用积分法计算，然后也用彩色编码成像。彩色多普勒能量图有以下几种优点：① 不受探测角度的影响；② 灵敏度提高3 ~      5倍，能显示低流量、低流速的血流；③血流可以显示平均速度为零的肿瘤灌注区；④显示的信号动态范围广；⑤不受尼奎斯特极限频率（Nyquist limit frequency）的影响，不出现混迭（Aliasing）现象。

彩色多普勒能量图的不足是怕组织移动，本法显示信号的动态范围广，故对组织的微小移动也会出现闪烁伪像，对近心、近膈部位的诊断，闪烁伪像干扰尤为明显。

   (三) 彩色血流速度成像  此法不用多普勒原理，而是由计算机根据反射回声中红细胞群在某一时间内的位移（时域法, time domain），用互相关原理计算出血流的方向和速度，再把信号伪彩色编码，成为彩色血流图。此法可消除血管壁搏动回声的干扰，且不出现混迭。

  四．三维超声成像

三维超声成像为20世纪90年代面世的新方法，近年来随着计算机技术的发展，三维超声成像不断改进，已有实时三维成像面世，但目前三维超声成像的实用价值尚待开发。

三维超声成像是在二维超声的基础上，用机械的或电子的方法，甚或手动的方法采集立体的回声数据，用计算机加以重建显示。其显示方式有：

(一) 表面三维显示  在液体 —    非液体界面作计算机识别，钩边、数据采集，最后显示其表面景观，如胎儿的脸面  （图1-1-9）等。

(二) 透视三维显示  对体内灰阶差别明显的界面（如胎儿骨骼），由计算机界面识别，经数据采集、重建作三维显示。透视三维可选取高回声结构作为成像目标，也可选取低回声区域作为成像。

(三) 血管树三维显示  用彩色血流图法显示脏器内的血管树并加以数据采集，经计算机处理，显示为三维血管树。

(四) 多平面重投影  从三维数据中沿任何倾斜角度提取切面二维图，或显示三个轴向的任何平面切面图和与之相应的一幅立体图。