超声在医学诊断中的应用，本文主要内容关键词为：超声论文,医学论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
超声是频率高于人类听觉上限频率（约20000Hz）的声波；人类于1883年制成的超声气哨首次实现用超声对媒质的处理.1917年，法国物理学家郎之万（P.Langevin1871—1946）用天然压电石英制成了夹心式超声换能器，并用来探查海底的潜艇.随后，人们很快在医学诊断中利用超声在人体各种组织内的传播特性不同形成影像，并根据影像的特征对生理、病理情况作出诊断，从而形成了一个生机勃勃的超声显像技术的应用分支.20世纪80年代后，超声显像技术以惊人的速度发展，它已与X射线、电子计算机断层成像、放射性核素扫描和磁共振成像被公认为现代医学的四大影像诊断技术.
1 超声诊断的原理和方法
超声在介质中传播时，会发生反射、折射、散射、绕射、衰减和多普勒效应等.这些特性不仅与介质性质有关，而且与所作用的物体的界面大小有关.超声在大界面上发生反射和折射，在小界面上发生绕射和散射.超声在大界面上的反射和折射定律与光波是一样的，入射角θ[，1]的正弦与折射角θ[，2]的正弦之比等于两种介质中的声速v之比，即
在垂直入射时，超声在两种介质交界面上的声强反射系数a[，ir]，取决于界面两边介质的声阻抗Z差，公式为
式中Z[，1]和Z[，2]分别为介质Ⅰ和介质Ⅱ的声特性阻抗.可见声阻抗差大则反射回声强，声阻抗差小时反射回声弱，如果两种声阻抗相等，则界面上没有回声.超声的散射强度则与入射超声频率的四次方成正比，各种超声诊断仪正是利用这些特性研制而成的.
要了解超声诊断仪的原理，必须先知道压电晶体的性质特征，当压电晶体受到外力作用时，它们的两个表面会分别产生正、负电荷，这种效应称为正压电效应；反过来，将这种晶体置于高频交变电场中，则晶体将按电场变化的频率发生伸一缩的振动形变，这种效应称为逆压电效应；利用压电晶体的这一效应从而制成了超声换能器.超声诊断就是把反射和散射的回声信号接收、处理并在显像屏上显示出来并用于临床诊断.从理论上讲，频率越高的超声，波长愈短，分辨率愈好，对疾病诊断愈有利.但由于频率愈高，超声在组织内衰减愈大，不利于作深部组织检查.此外，发射频率由探头晶体厚度决定，频率愈高，晶体愈薄，以目前普遍采用的压电陶瓷作晶体，很难做出超过10MHz的探头.小于1MHz的超声波，其波长较长，分辨率较差，不能用于诊断.超声诊断所用的频率一般为1MHz～10MHz，现在常用的频率有2.25MHz、3MHz、3.5MHz、5MHz、7.5MHz等几种，此时在人体软组织中超声的波长约为0.2mm～0.7mm.从原理上说，超声成像可以有反射成像，也可以透射成像，但目前临床应用的都是反射成像仪器，下面介绍几种反射成像的主要技术和方法.
在超声显像仪中，脉冲回声检测技术是利用脉冲超声的发射和接收通过同一压电晶体完成的，发射超声时利用逆压电效应（电）—声转换），接收超声时利用正压电效应（声—电转换）.压电换能器在电子开关控制下，振荡器不断产生电脉冲，激励压电换能器产生超声脉冲，换能器发射第一个超声脉冲后，立即处于接收状态，入射超声穿过各层组织时产生一系列回声，被换能器接收后又产生一系列电脉冲，经主机处理后送显示器显示；第二个电脉冲来时，换能器停止接收，处于发射状态，待发射第二个超声脉冲后，又处于接收状态……依次类推.假定换能器与被测物体之间距离为x，换能器发出的超声脉冲在人体软组织中传播速度为v，超声从发出经过界面反射又到达换能器的时间为τ，则公式为：τ=2x/v.显然，只要测量出回波出现与起始超声脉冲的间隔时间，即可求得换能器与物体之间的距离x（图1），亦即可测出物体的深度.由于正常组织的声阻抗与病变组织不同，病变组织有可能在被测物体内形成异常回声，从而帮助检查者识别病灶的区域及性质.
图1 回波测距示意图
2 超声诊断的技术实现
超声诊断应用最广泛的一种是脉冲反射式超声诊断仪，反射式诊断仪根据显示和探查方法的不同又分为：A型超声诊断仪、B型超声诊断仪、M型超声诊断仪和D型超声诊断仪等.A型超声诊断仪为调幅式，显像屏幕上，纵轴显示反射波的幅度，横轴显示时间，这种诊断仪可探查点的断层声像.A型超声诊断仪于20世纪60年代初已在中国普及，其原理是用单晶片探头产生一条超声信息线，回声信号的强度通过幅度（amplitude）调制显示，并根据回波幅度、波数以及波的形态等特征对疾病进行诊断.70年代以来，A型超声诊断仪基本上被B型超声显像仪取代，但它在某些疾病如脑中线控测、浆膜腔积液的穿刺定位、肝脏脓肿的穿刺引流定位等的诊断中仍有实用价值.M型超声诊断仪是在A型的基础上改造而成的，它是一种用于诊断活动器官的超声诊断仪.用单晶片探头，回声以辉度调制显示.M型显示中，横轴代表时间，纵轴代表组织活动的幅度，于是得到了组织运动随时间展开的曲线（motion—timecurve），又称M型超声心动图.M型超声诊断仪根据不同探查部位的波群特征对心脏疾病作诊断，20世纪60年代开始应用于临床，70年代初在临床普及，对各种心脏病尤其是瓣膜病具有重要的临床诊断价值，在二维超声心动图广泛普及的今天，它仍在临床应用中起着重要作用.
B型超声诊断仪（就是通常人们所说的B超），是利用B型探头呈直线扫查运动，采用辉度调制显示来获得脏器的切面声像图，B型是目前临床应用最普遍的超声诊断仪，它是在A型超声诊断仪的基础上发展起来的，其工作原理与A型有许多相同之处，其不同之处是：B超将A型超声诊断仪的幅度调制显示改为辉度（brightness）调制显示，它将放大后的回声脉冲电信号送到显示器的阴极上，使显示的亮度随着回声信号的大小而变化.另外，B超采用单晶片或多晶片扫描技术，产生若干条超声信息线，以构成一幅二维切面图像.医生可根据切面图像的形态、灰度、组织结构、边界回声、回声总体分布、脏器后方情况及周围组织表现等作出综合判断.B超在临床应用范围广泛，几乎涉及到临床所有学科疾病的诊断.目前B超和X射线已成为两种相互补充的常规的检查手段.
B超在工作时，超声换能器每发射一个超声脉冲后就处于接收状态，它把接收到的人体内的回声转变为电信号，经过放大、检波、滤波、时间增益补偿等环节处理后，在显示器上显示一条超声信息线.但一条信息线不能形成图像，必须使超声束沿人体表面扫描，即超声束按照一定规律改变探测部位，以获得相应位置的超声信息线.一维（Y轴）表示由组织反射的回波信号经直线路径到达换能器的时间，它反映组织的深度.另一维（X轴）表示超声束在扫查方向上的位置，它反映断层图像的宽度.显示器上每一条扫描线与超声束在组织内的传播，两者具有严格的对应关系，因此显示器上若干条超声信息线的组合就形成一幅二维超声图像（图2）.
图2 B型线阵列诊断仪方框图
B超在医学诊断中，常常还使探头在作直线扫查时，同时再在扫查切面内作一小角度的摆动，这能使声束与待扫查的略有凹凸的人体表面尽量保持垂直，以增强回波幅度，避免回波信号的遗漏，使像的畸变得到改善.此外，如果探头作扇形或圆周扫查，示波器同时也用扇形或圆周同步扫描显示，这时就能得到物体的一个扇形或圆周环视的切面声像，以适应于人体特殊部位的诊断需要.如果让探头和同步显示都采用与电视扫描方式相似的“Z”形扫描，并使探头只接收某一时刻反射回的声脉冲，而光点辉度仍用回波幅度控制，这样就得到了物体内垂直于声束的某一横切面的声像，这就是C型成像.要实时地得到一个运动物体的切面声像，就必须提高扫查速度.已有的旋转探头B型快速声扫查成像技术和更进步的多探头阵列式声成像技术，都可以得到类似于电视图像那样连续直观的瞬时切面声像，可以观察如心脏、胎儿等的运动情况.多探头阵列技术中，探头可以布成面阵，也可以是线阵.目前最常用的是线阵探头，即由多个换能器片排列成一直线，用电子开关技术使这些换能晶片依次通断，就可不必移动换能器而得到实时的B扫查声像了；同理，用面阵就可不需机械扫描而直接显示实时的C扫声像.图3照片是用B型线阵超声诊断仪所摄得的正常肝声像图.
图3 正常肝声像图
超声在有机体内传播时，由于组织内部的回声大小差异甚大，具有浅表部位回声强，深部位回声弱；反射回声强，散射回声弱等特点.早期的B超对返回的超声信息设置了一个阈值，高于此值的回声在显像屏上显示一个亮点，低于此值的回声在显像屏上显示暗点（或不显示），从而形成双稳态图像.由于脏器内部细小组织的散射回声幅度较低而不显示，只有大界面上反射的强回声才能显示出来，故这种仪器只能显示脏器的大界面和轮廓，不能显示脏器的内部病变.为了消除这一弱点，把幅度范围很大的组织回声，经过一定处理，如对大界面的反射回声给予压缩，对脏器内部的散射回声给予放大，使其以不同的亮度等级在显像屏上显示，这一技术被称之为灰阶显示技术.灰阶显示技术大大丰富了超声图像的信息，增加了层次，使临床医生能清楚地通过超声图像观察脏器内部结构及较小的病变.
为了检查人体内某些脏器的活动，如心脏及瓣膜的运动、血液的流动，就需要利用超声的多普勒效应（Doppler effect）来显示.D型超声诊断仪是各种超声多普勒诊断的总称，都是利用多普勒效应对运动脏器和血流进行探测.目前有连续波多普勒显像仪、脉冲波多普勒显像仪和彩色多普勒血流显像仪.当某一频率的超声到达运动的脏器时，其反射回声的频率将发生改变，二者频率之差随脏器运动速度的大小而异，通过这这种频差或相位信息的显示，即可判明脏器的活动情况.在对人体作超声检查时，超声多普勒效应可用下式表示：
△f=（±2vcosθ/u）f[，0]
式中，v为血流速度；f[，0]为探头I发射超声频率；“为血液中的声速（u=1540m/s）；△f为频移（或称频差）；θ为声束轴线与血流速度矢量之间的夹角.“±”号为血流方向，+号表示血流朝向换能器时产生正性频移，即频移向上；一号表示血流背离换能器而去时，产生负性频移，频移向下；这就是各种D型诊断仪的基本原理（图4）.
早在20世纪50年代连续波超声多普勒诊断仪就已问世并在临床中应用，这种诊断仪简单、使用方便、价格便宜.由于它发射的是连续波超声，因此只能接收声束通道上多种血流的混合信号，不能对血流作定点检测，这一缺点极大地限制了它的临床使用范围，主要应用于胎心监护和浅表血管测量.但连续波多普勒仪的速度分辨力强，在对多普勒血流信号作频谱分析和频谱显示时，显示频谱的高度不受血流速度的限制.因此，目前在对血流作定量测定时，常用它测量狭窄瓣口的高速血流.发射脉冲波并采用距离选通接收器，可获得心血管内部任意一点的回声信息，经过快速傅里叶变换（FFT）处理后，以频谱形式显示的被称为脉冲波多普勒诊断仪.这种型号的诊断仪于20世纪60年代末问世并于70年代末临床应用，目前已是临床使用最普遍的心血管疾病检测手段.频谱横轴代表时间，纵轴代表频移（即血流速度），它实时记录了心动周期内流过取样容积的血流的速度分布，故又称为脉冲多普勒超声心动图.频谱为临床提供许多有用的血流动力学资料，如血流速度、血流流向、血流流动性质、射血时间、血流加速度和减速度等，根据频谱所提供的资料可对各种心血管疾病作出诊断.脉冲多普勒的主要缺点是当流速较快，多普勒频移超过奈奎斯特极限频率时，频谱将出现混叠，因此不能用于高速血流的定量分析.此外，它测定的是一个点的血流，难以判别血流的空间分布.彩色多普勒血流显像仪（CDFI），是80年代中期发展起来的最新型的超声多普勒诊断仪.最大特点在于：探头在扫描时，不断从每条声束线的内多个水平提取多普勒频移信息，经过彩色编码处理，在显示器上显示二维彩色多普勒血流图像.因此，它可实时显示血流信号的空间信息，对于奇异方向和多个部位的血流异常具有独特的诊断能力.进行彩色多普勒血流显像检查时，借助二维超声图像可观察心脏解剖结构，了解腔室大小，血管走向，瓣膜形态及连续关系等，通过彩色多普勒图像可观察心内血流的方向、速度、有无返流与分流等，两者互相结合，图像直观，检查快速易行，结果比较可靠，其准确率甚至可高于心导管检查.
3 结语
现今，超声诊断仪由于出现多探头阵列声成像技术，为采用各种信息处理带来了方便.例如：采用相控技术，就可以获得声束的所谓电子扫描；采用可变孔径和电子动态聚焦技术，可以在整个探测深度上减小声束宽度，提高声成像的横向分辨能力；采用灰阶显示可以提高图像的对比度，因而使声像图具有直观、逼真、清晰而富有层次，对人体心、肝、胆、肾、颅脑、眼球、子宫、乳房及盆腔等都有很好的诊断价值.应用这种声图像，不仅能显示脏器的外形，而且能深入观察其内部结构.诊断时射入人体的超声能量很小，一般为1OmW/cm[2]左右，无致伤作用.将电子计算机技术引入超声诊断，它将获取超声通过脏器的传播时间及幅度或衰减随频率的变化数据，输入电子计算机里，经过信号数字处理和综合后再给出组织的切面图像，从而产生了超声CT技术（ultrasonic computerized tomograph），这种技术的特点是能得到活体组织内部超声参量的空间分布.对于1MHz的超声，切面图像的分辨力可到5mm，目前已进入临床试验阶段.计算机技术还可以抑制假信号，使声像图更为清晰，甚至还进行了把两套二维成像合成一个三维立体像的尝试.由此可见，超声诊断技术不仅现在已给人类带来了巨大的利益，同时还有极为广阔的开发前景.