第一章　总论

第一节　实时灰阶超声成像原理及其临床应用

一、实时灰阶超声成像的基本原理

（一）超声波的基本概念

1.振动与声波

声波（sound wave）的定义为“机械振动在物质中的传播”，即声波为机械波。振动将能量向前推进，而质点不会迁移。

简谐振动（simple harmonic vibration）是振动的基本形式。质点以振幅（amplitude）、角频率（angular frequency）振动，其位移与时间的关系呈正弦波（图1-1-1）。振动质点的瞬时位置由公式（1）决定。

（1）

式中，A为振幅，ωt为相位角，φ为相位差。

2.超声波

人类听觉能够听到的声频率在20～20 000Hz（也有称16～16 000Hz），这一频段的声波，称为可听声（audible sound）。低于可听声频率下限的，称为次声波（infrasonic wave）；高于可听声频率上限的定义为超声波（ultrasonic waves，ultrasound）。医用超声波的频率通常在1～20MHz。

3.波的类型

（1）纵波：

质点振动的方向与波的传播方向一致的波称为纵波（longitudinal dilational wave）。在纵波经过的区域，介质内形成交替的疏（负压）、密（正压）区。因此，纵波也称疏密波（图1-1-2A）。

（2）横波：

质点振动的方向与波的传播方向垂直的波称为横波（transverse wave）（图1-1-2B）。在横波经过的区域，介质内的质点发生周期性交替的弹性剪切应变，因此横波也称剪切波（shear wave）。液体和气体没有切变弹性，只能传播纵波，而不能传播横波。

（3）连续波：

在传播时间内周期和振幅都固定的无间隔波称为连续波（continuous wave，CW）。

（4）脉冲波：

波间有时间间隔的非连续性声波称为脉冲波（pulse wave，PW）。

4.超声波的物理量

（1）振幅：

如图1-1-1所示，振动质点离开平衡位置的最大距离称为振幅（A），决定声波的能量或强度。

（2）波长、周期和频率：

一个完整波的长度，称为波长（wave length）；完成一个波长所需要的时间（T）称为波的周期（periodicity）；单位时间内形成完整波的数目称为频率（frequency，f），单位为赫兹（Hz）。周期与频率的关系为：

（2）

（3）相位：

相位（phase）也称相角，即振动质点某一时间所在的位置。二列波之间的相位差别称为相位差（phase difference），如公式（1）中的φ。相位差为π（180°）的二列波互为反相。

（4）声速：

声波在介质中传播的速度称为声速（c）。在特定介质中，c等于波长与频率的乘积，即：

（3）

从公式（3）可知，一定频率的声波在不同的介质中传播，其频率不变而波长不同。

（5）声压和声强：

介质中有声波传播时的压强与介质静压强之间的差值称为声压（sound pressure，P）。声波是纵波，质点离开平衡位置往复振动，对介质的推挤（正压）和牵拉（负压）既具有动能，又储积了弹性势能。周而复始，能量逐渐向远处传递。

声能量的大小用单位时间内通过垂直于波动传播方向的单位面积的平均能量计量，称为声强（sound intensity，I），单位是W/cm2。当声波为自由平面波或球面波时，某一瞬时的声强与该时刻介质所受压强的平方成正比，与介质密度和传播速度成反比，即：

（4）

比较声波强弱的常用物理量是分贝（dB）。假设两个声波的声强分别为I1、I2，声压为P1、P2，比较它们强弱的计算方法为：

（5）

（6）脉冲波的物理量（图1-1-3）

1）脉冲频率（pulsed frequency）：

单个声脉冲波的固有频率，即探头发射的声频率。通常包含多个频率，称为频带（frequency band）。

2）频带宽度（frequency band width）：

简称带宽（band width）。包括发射带宽和接收带宽两个概念。发射带宽定义为“发射脉冲频谱中比峰值频率强度低3dB（即约等于峰值强度的1/）的两个频率（f2，f1）之间的频率范围”（图1-1-4）；接收带宽定义为“回声脉冲频谱中比峰值频率强度低6dB（即等于峰值强度的1/2）的两个频率之间的频率范围”。

3）脉冲持续时间（pulse duration）：

脉冲波所占的时间或脉冲宽度（τ），简称脉宽（pulse width）。定义为“脉冲声压平方积分达到终值的10%时与达到终值的90%时两点之间间隔的1.25倍”，单位为毫秒（ms）。

4）空间脉冲长度（spatial pulse length，SPL）：

单个脉冲波所占用的空间长度。等于脉冲波长乘以脉冲中的周期数（n），或声速与脉宽的乘积。通常包含1～3个波长。

根据傅里叶转换（Fourier transform）频谱分析，SPL长的声脉冲，中心频率附近有较多的频率成分，其带宽窄（图1-1-4A），但具有较高的声能量，适用于超声多普勒成像；而SPL短的声脉冲，中心频率附近频率成分较少，其带宽较宽（图1-1-4B）。更适用于二维成像。连续波只有一个频率（图1-1-4C）。

5）脉冲重复周期（pulse repetition period，PRP）：

一个脉冲开始发射到下一个脉冲开始发射所需要的时间。

6）脉冲重复频率（pulse repetition frequency，PRF）：

单位时间内发射的脉冲数，即脉冲重复周期的倒数

7）脉冲间隙时间：

不发射声波的间隔时间，简称脉间（interpulse）；用于接收脉冲波的反射。

8）占空比（duty ratio）：

单个脉冲持续时间所占脉冲重复周期的比率。

9）脉冲波的声强：

由于脉冲波的脉宽、脉冲重复时间和占空比不同，因此，其声强在空间和时间的分布上不同。标量其特征的物理量有空间峰值声强（spatial peak acoustic intensity）、空间平均声强（spatial averaging acoustic intensity）、时间峰值声强（temporal peak acoustic intensity）、时间平均声强（temporal averaging acoustic intensity）。在实际应用中空间和时间都需要考虑，所以引入空间峰值时间峰值声强（spatial-peak temporal-peak acoustic intensity）等概念。对平面波，超声波的总功率为通过单位截面积的平均声强与截面积的乘积。这些参数在超声使用的安全性评估，如生物效应等方面需要关注。

（二）声波的传播特性

声波的传播必须依靠弹性介质（elastic medium），也称媒质（medium）。其传播遵循声波与媒质相互作用的固有物理特点，也是超声成像的物理基础。因此，了解人体组织的声学特性对理解超声图像的形成并对其正确解读至关重要。

1.声速与介质

声速（c）取决于介质的密度和弹性模量（modulus of elasticity），即：

（6）

式中，K=弹性模量，ρ=密度。

（1）介质中声速的一般规律：固体＞液体＞气体。表1-1-1中列出人体部分软组织以及水和空气的声速。

（2）气体和液体不能传播横波。

（3）在具有方向性的组织中，如肌肉、骨骼等，沿纤维方向的声速高于与纤维垂直方向的声速，即各相异性（anisotropy）。

（4）介质温度影响声速，除水之外，多数介质声速随温度升高而降低。水在74℃以下随温度升高而声速增快。

（5）某些黏弹性（visco-elasticity）介质（如橡胶、人体软组织），声速会随声频率的改变而受到轻微影响，即频散（dispersion）。

2.声特性阻抗

介质的声特性阻抗（acoustic characteristic impedance，Z）用于表征声波从一处传播到另一处的能量损耗，定义为波阵面（wave front）一定面积上的声压与通过该面积的体积速度的比值，也称声阻抗率（specificacoustic impedance）。其值等于介质的密度与介质声速的乘积，即：

（7）

声阻抗率单位为瑞利（Rayl），1Rayl=1dyn/（cm2·s）或1Pa/（m2·s）。

人体组织以及水和空气的声阻抗见表1-1-1。人体软组织的声阻抗值差别较小，但软组织与空气和骨之间的声阻抗值有很大差别。不同介质的接触面构成声学界面，其声阻抗差（acoustic impedance difference）大于0.1%，即可对入射的超声波发生反射。

声学界面的线度大于声波的波长，称为大界面（large interface）；小于声波的波长称为小界面（small interface）。所以，所谓大界面和小界面是相对入射声波的波长而言。

3.反射、折射和透射（图1-1-5A）

超声波在介质中传播遇到大于λ/2的界面时，一部分超声波能量从界面处反射，称为反射（reflection），反射波也称回声（echo）；另一部分超声波能量进入另一介质继续传播，即透射（transmission），但方向改变，称为折射（refraction）。

反射和折射遵循Snell定律，即反射角等于入射角。折射角的大小与相邻介质的声传播速度有关，其关系为：

（8）

从公式（8）可知，声束由声速快的介质进入声速慢的介质（c1＞c2），折射角小于入射角（θt＜θi）；反之，则θt＞θi。

反射波的能量与入射波的能量之比称为反射系数（reflection coefficient），它取决于构成界面介质的声阻抗差和入射角的大小。声强的反射系数（IR）为：

（9）

折射声能量与入射声能量的比称为折射系数（refraction coefficient），同样取决于构成界面介质的声阻抗和入射角的大小。声强的折射系数（It）为：

（10）

当垂直入射时，即θi=θt=90°，cosθi=cosθt=1。

当入射角增大到一定值时，声波即不能进入另一介质，即折射角等于90°，发生全反射（total reflection），此时的入射角称为临界角（critical angle）。

当声束经过多层介质时，在每一界面都遵循反射和折射定律。

4.散射

声波遇到小界面时，会向各个方向辐射，称为散射（scattering）。构成这些小界面的微粒称为散射体（图1-1-5B）。在散射声波中，与入射声束相反方向的散射称为背向散射（back scatter）。标量组织背向散射特性的物理量称为背向散射系数（Sb），定义为：在与入射声束成180°角的方向上，每单位立体角每单位体积内所散射的平均声功率（mW）与入射声束声强（mW/cm2）之比。因其比值的单位为面积（cm2），故也称其为散射截面（scattering cross section），但实际意义是表征单位声强产生的散射功率的大小。

5.衍射

超声波的衍射（diffraction）是指在媒质中遇到线度与波长相近的障碍物或不连续性介质而引起波传播方向改变的现象。

6.波的叠加和干涉

当两列（或更多列）声波在介质中传播时，若在空间某点相遇，在任一时刻质点的位移是各个波在该点所引起的分位移的矢量和（图1-1-6A），即合成新的声波继续传播。叠加后的声波包含了每个波原有的独立特性（振幅、频率、相位等）。再分开后，各自与叠加前相同，互不干扰。

若频率相同的两列波叠加，使某些区域的振动加强，某些区域的振动减弱，而且振动加强的区域和振动减弱的区域相互隔开。这种现象称为波干涉（wave interference）。

波干涉是叠加的特殊形式。其必要条件是两列波（源）的频率相同并且相位差为π的整数倍。符合干涉条件的两列波称为相干波。

相干波的相位差为零或为π的偶数倍，称为“同相”（in phase），此时的合成振幅等于各自振幅之和，称为相长干涉（constructive interference），如图1-1-6B；若二者相位差为π的奇数倍，称为“异相”（out of phase），其合成振幅等于各自振幅之差，称为相消干涉（destructive interference），如图1-1-6C。

超声成像采用具有一定带宽的脉冲波，所产生的不是图1-1-6中所示的简单叠加，而是由微细结构产生的不同频率、不同振幅、不同方向散射波的无规律叠加，形成斑点噪声（speckle noise）。斑点噪声会掩盖尺度虽小但具有诊断意义的解剖特征，是成像着力消除的噪声。但是，也可以通过追踪斑点噪声的运动来评价组织运动，即斑点追踪技术。

7.波的分解

任何一个复杂的波形都可以视为简谐振动的叠加，即都可以分解成若干正弦波。称为傅里叶变换（Fourier transform）（图1-1-7）。

8.波前和声传播的惠更斯原理

如图1-1-8所示，超声波若在均匀的各向同性的非流动介质中传播，波动到达的各个被激发产生振动的质点都可以视为发射子波（wavelet）的新声源。由子波到达的各质点所连成的包络构成新的波阵面，称为波前（wave front）。波前的法线方向就是波的传播方向。这一规律于1690年由惠更斯（Huygens）提出，称为惠更斯原理（Huygens principle）。波前为平面的称为平面波（plane wave）；波前为球面的称为球面波（spherical wave）。

从图1-1-8可见，控制振动源间的振动顺序和时间和就可以使波束向不同方向偏转；而控制振动时间的差值的长短就可以控制波束偏转的角度。惠更斯原理被用于超声成像的许多方面，如实现相控阵探头的扇形扫描、线阵探头的扩展扫描、探头的动态电子聚焦等。

9.线性和非线性传播

目前医学超声成像基于在超声传播的过程中声压、声速和密度之间大致呈线性传播（linearity）关系的假设。但是，实际上超声在传播的过程中会产生波形畸变，即非线性传播（nonlinearity）。其原因为声波时相的正半周期时，介质压缩，波速增快，使波峰逐渐右移；而负半周期时介质疏松，波速减慢，波峰逐渐左移（图1-1-9）；可见，畸变的程度与声强度直接相关，在声压高的聚焦区更明显。随着传播深度的增加，这种变化逐渐累积导致对称的正弦波逐渐畸变为锯齿波。这种畸变波形按傅里叶转换原理，相当于以正弦波为基波（fundamental wave），再叠加2倍、3倍到数倍于基波频率的谐波（harmonic wave）。即一个频率为f0的波，随着传播距离的增大会产生2f0、3f0……等数倍于基波的谐波。由于频率的增加使衰减显著增大，因此，其中以2f0谐波的强度较大，称为二次谐波（second harmonic）。反射回波在传播过程中，同样是非线性的，也会产生谐波。此外，右移会产生频率低于基波的频率，如f0/2的次谐波（subharmonic）。

10.衰减

声波在传播过程中，能量随距离增大而减小的现象称为声衰减（acoustic attenuation）。在不考虑声束扩展时，声衰减主要由吸收（absorption）和散射等引起。反射、折射虽然也可引起不同程度的后方声强减弱，但并不属于衰减。用于标量介质声衰减特征的物理量为声衰减系数（attenuation coefficient），定义为声波经过单位距离介质所减少的声强。大多数生物介质（特别是软组织）的声衰减大致与超声频率和传播距离成正比，即：

（11）

式中，α=衰减系数，单位为dB/（cm·MHz）；d=传播距离；f=频率。

可见，高频率的超声波衰减明显增大，穿透力明显减小。随着传播距离的增加，高频信号会显著减弱。因此，以某一中心频率（center frequency）发射的声束，从远处介质中反射回来的声波，高频成分减少，中心频率减低。称为频率依赖性衰减（frequency-dependent attenuation）。

人体软组织的衰减系数大约为1dB/（cm·MHz）。为了得到均匀的声像图，仪器采用深度增益补偿（depth gain compensation，DGC），也称时间增益补偿（time gain compensation，TGC）。

11.多普勒效应

如图1-1-10所示，由于声源与接收器相对运动而使声频率发生改变的现象称为多普勒效应（Doppler effect）。频率变化的大小称为频移（frequency shift），频移的大小与相对运动的速度成正比。

（三）医用超声波

医用超声最常使用脉冲波，频率通常在1～20MHz，在少数情况下使用连续波。

1.超声波的产生

超声诊断仪借助于换能器（ultrasonic Transducers）或称探头（probe）发射产生和接收超声波。换能器的核心组件是压电材料或其他电激励振动元件（电容）。

压电材料具有在施压形变时表面产生电荷，而在交变电压下发生交替形变的特性。这种将机械能转换为电能的过程称为压电效应（piezoelectric effect）；反之，若对压电材料施加数兆赫兹的交变电压，就会发生相应频率的机械振动，产生超声波，称为逆压电效应（converse piezoelectric effect）。借此实现电能与机械能的相互转换（图1-1-11）。

2.超声波的接收

当反射和散射的超声波到达探头时，处在交替变化声压下的压电晶片产生与声波频率一致的交变电压，大小与声波的振幅成正比。将这些载有不同介质界面声学特征的高频脉动电压进行复杂的滤波、放大后，以图像的形式显示于荧光屏，构成声像图。

超声设备中，常采用同一探头进行发射和接收，但发射声波后必须有足够的时间间隙接收反射回的声波，即发射与接收必须间隙进行。

压电晶片受高频交变电脉冲激发后，发生以其固有频率为中心的振动。电脉冲激发停止后，振动依然会持续，称为阻尼振动（damping vibration），也称衰减振动，即振幅越来越低。要获得空间短脉冲，必须进行减震处理。经减震处理获得短脉冲（宽频带）声束；反之，脉冲长度增大，频带变窄。

（四）声场和声束聚焦

1.声场

声场（acoustic field）指声波传播时能量分布的空间（图1-1-12）。探头发出的超声波在较小的立体角内呈指向性传播，称为声束（sound beam）。其中心轴线称为声轴（beam axis），为声束传播的主方向。声轴周围半声压（-3dB）点包络线间的距离称为声束宽度。换能器连续发射非聚焦声束，其直径随传播距离的增加而缓慢减小，但是达到某一点后开始迅速增大。此点与换能器间为近场区（near zone），此点远侧为远场区（far zone）。近场的长度L与换能器的形状和发射超声波的波长有关，即：

（12）

式中，R=圆形换能器直径，λ=波长，f=频率，c=声速。

可见，换能器直径越大，频率越高，近场区越长。

非聚焦声束内声强的分布不均匀。近场声强分布起伏较大，远场声强分布相对均匀，但是声束增宽，逐渐扩散（diffusion）。在声轴方向上声强最集中的区域呈细窄瓣状，称为主瓣（main lobe）。除了主瓣外，在主瓣周围尚有数层旁瓣（side lobe）。

主瓣一侧边缘线与声轴的夹角称为扩散角（θ），其大小表征声束扩散的程度，可由公式计算：

（13）

可见换能器的频率越高，直径越大，则扩散角越小，声束越窄，指向性越好。

2.声束偏转

如图1-1-8，根据惠更斯原理，通过延时电路使相邻振子依次延时发射，就会形成倾斜的波阵面，即声束的传播方向发生偏转。如此以不同的延迟次序连续激发振子，就会获得以不同偏转角度连续发射的声束，实现声束的连续扫描。

3.声束聚焦

非聚焦声束因近场旁瓣影响导致能量分布不均，远场声束扩散，难以用于诊断，必须采用多种技术使扫描声束变细，并尽可能减少旁瓣，这一过程称为聚焦（focus）。实现聚焦的基本方法有：声透镜（acoustic lens）聚焦、电子动态聚焦（dynamic focusing）、可变孔径（variable aperture）技术等。

（1）声透镜：

如图1-1-13所示，声束穿过声速较人体组织慢的凸型介质（如硅酮等），由于中间厚，周边薄，声束穿过时发生折射，进入人体后向中间汇聚，声场变窄。

（2）电子聚焦

1）发射聚焦：

如图1-1-14所示，根据惠更斯原理，采用门控电路对相邻振子进行延迟发射，可形成凹面波阵面。通过控制和调整延迟时间，改变波阵面的曲率和方向，实现声束在不同距离的多段聚焦或多点动态聚焦。然而，由于声场规律的限制，对于固定阵元数组成的孔径，采用电子聚焦的声束焦距长度不可能大于其近场区长度。依据公式L≈0.8R2/λ，近场区长度正比于成像阵元孔径的平方，欲实现阵列式探头的多段和全程聚焦，对深处目标需采用大孔径，即大的阵元数，对表浅目标需采用小孔径，即小的阵元数，称为动态孔径（dynamic aperture）或可变孔径（variable aperture）聚焦。

2）接收聚焦：

如图1-1-15，根据同样的原理，对反射信号从焦点处到达振子的时间不同，到达中间振子的时间早于两侧，因而会造成时相上的差异，若通过门控电路以此延迟接收，就会使接收信号的时相一致，形成窄声束，达到聚焦目的。通过控制每次接收的时间，接收不同深度焦点的反射信号，实现电子动态接收聚焦。

3）动态孔径聚焦：

根据公式（12），采用减少组成振元的振子数（相当于减小孔径）发射超声束，近场区短；采用增加组成振元的振子数（相当于增大孔径）发射声束，近场区远，即可变孔径聚焦。通过连续控制电子环阵探头发射振子组数的多少（孔径大小）便可实现发射或接收的连续聚焦，即动态孔径聚焦。

通常，声束扫描方向（侧向）利用电子动态聚焦，与扫描平面垂直的方向（横向）用声透镜聚焦。但近年来将换能元件进行纵横方向切割，振子呈二维阵排列，在纵、横方向都可采用电子聚焦，显著提高了聚焦性能。

（五）超声成像的分辨力

1.空间分辨力

仪器能够区分两个相邻反射体的最小距离的能力称为空间分辨力（spatial resolution）。空间分辨力应是三维方向的分辨力，包括：

（1）轴向分辨力：

能够分辨沿声束方向上两个相邻回声源最小距离的能力称为轴向分辨力（axial resolution，AR），也称纵向分辨力，主要由空间脉冲长度（spatial pulse length，SPL）决定（图1-1-16）。

（14）

式中，n=扫描线数，λ=波长，f=频率。

通常，超声成像的一个短脉冲包含1～2个波，声束的扫描线数为4～5条。可见超声波的波长越短，频率越高，分辨力越高。

（2）横向分辨力：

横向分辨力（transverse resolution）定义为“在体模的指定深度处，垂直于扫描平面方向上显示声信息的仿组织材料的厚度”。即能够分辨同一深度垂直于扫查平面两个相邻回声源最小距离的能力，约等于垂直于扫查方向的声束宽度的1/2（图1-1-17A）。

（3）侧向分辨力（lateral resolution，LR）：

与横向分辨力相似的另一维度的分辨力称侧向分辨力。侧向分辨力定义为在体模的指定深度处，扫描平面内垂直于超声波束轴的方向上，能够显示为两个清晰回声源之间的最小间距。即能够分辨扫查方向上平行于扫查平面且与声束垂直的两个回声源最小距离的能力（图1-1-17B）。侧向分辨力也称度分辨力。

若两个紧邻回声源距探头的距离相等，而两者之间的距离又比声束的宽度小，它们的回波就会出现在同一个位置，发生重叠，仪器不能区分它们的空间位置。

2.时间分辨力

能识别图像变换最短时间的能力称为时间分辨力（temporal resolution），是帧频的倒数。而帧频又取决于PRF和单帧频扫描线数。PRF越高，单帧频扫描线数越低，帧频越高，时间分辨力越好。对检测运动功能和血流动力学的细微变化至关重要。

3.对比分辨力

对嵌埋于指定的仿组织材料中，具有指定特性的散射或反射结构，能够检出回波幅度的最小差异称为对比分辨力（contrast resolution）。即显示和分辨不同回声强度差别（灰阶）的能力。超声仪器将回声强度以灰阶显示于屏幕，并在一侧显示相对应的灰阶标记，如256灰阶。但是人的视觉对灰阶的分辨力仅8～10个灰阶。

（六）超声仪器和超声成像的基本原理

超声仪器根据超声和人体组织的物理特性将人体的组织解剖和病理生理信息以图像的形式显示。其基本结构如图1-1-18所示。

探头（probe）既是超声束的发射器（将电能转换为机械能），同时又是回声的接收器（将机械能转换为电能），也称换能器（transducers）。

仪器由发射单元控制声束的形成、聚焦和扫描方式等；接收单元控制探头的接收方式并对接收的原始射频信号进行异常复杂的计算机处理（包括信号提取、滤波、放大、转换等），最后以视频信号进行显示。其成像的基本原理大致可分为四类。

1.脉冲回声式

超声探头向人体组织发射脉冲超声束后，浅层组织的回声信号先到达探头，转换为电信号，依次推进。因此，每一界面和散射微粒的深度（D）都可以用其回声到达探头的时间（t）精确计算。人体组织的平均声束为1 540m/s，若组织中某一界面反射回探头的时间为t1，那么这一界面距探头的距离即为

（15）

界面和微粒反射和散射的强度取决于组织结构和声学特性。据此，仪器以回声的时间和强度确定组织的空间位置和回声强度，并在显示器一一对应显示，构成图像。常用的成像方法有以下三种。

（1）幅度调制法：

幅度调制法（amplitude modulation display）简称A型法（A-mode）。其原理如图1-1-19A，以纵轴为回声强度，横轴为深度。当声束在人体组织中传播时，每遇到一个界面，产生一个回声，该回声在示波器的屏幕上以波的形式显示出来。其强度取决于构成界面的组织声特性阻抗差的大小，阻抗差越大，波幅愈高；均匀介质（如积液、血液）则显示为无波幅的平段。A型法就是根据回声波幅的高低、多少、形状进行诊断的，目前常用于眼科。

（2）辉度调制法（brightness modulation display）：

简称B型法（B-mode），其工作原理是将A型仪的幅度调制显示改为辉度（brilliance）调制显示（图1-1-19B），即回声信号的强弱以亮度显示。探头发射一次声束，组织的回声就连成一条与经过组织回声深度和强度对应的辉度线。单声束进行快速扫查或多声束同时扫描，加在显示器垂直方向的时基扫描与声束同步，线动成面，即组成超声束扫查平面内组织切面回声的实时二维灰阶图像（图1-1-20）。这一过程称为超声成像（ultrasonic imaging），获得的图像称为声像图（ultrasonogram）。声像图与人体切面的空间位置对应，而像素点亮度（辉度）表示组织声学特征。快速扫描，即实现实时成像（real time imaging）。常用的扫描方式如图1-1-21所示。

扇形扫描（sector scanning）是机械扇扫探头、相控阵探头和环阵探头最常用的扫描方式。近场区视野小，分辨力差，适用于声窗小的深部器官检查。

线形扫描（linear scanning）又称直线平行扫描，也可以控制声束偏转达到扩展扫描，扩大成像视野。适用于浅表器官的高频超声检查。

凸阵探头扫描间于扇形和线形扫描，具有较大的扫查角度，适用于多频率、多部位检查。

声像图将辉度从无到强（饱和）分为不同等级，称为灰阶（grey scale）。在声像图的一侧用以显示灰阶等级的条形标志称为灰标（mark of grey scale）。

组织谐波成像和造影剂增强超声（contrastenhanced ultrasound，CEUS）是利用超声谐波成像，但成像方式仍然属于B型成像。

（3）M型（M-mode）：

以纵轴为深度，横轴为时间。其工作原理是各层组织界面在声束内的位置移动而得到的回声随着水平扫描而构成对应的位移-时间动态曲线（图1-1-22）。

2.多普勒技术

多普勒成像原理是超声波的多普勒效应，因此也称Doppler型，简称“D型”。工作原理为：发射脉冲或连续超声波，接收声束内运动体的频移回声，依据频移的大小计算运动体的速度和方向（Y轴）及其随时间（X轴）的变化（图1-1-23），其曲线称为多普勒频谱（spectral Doppler）。红细胞的运动速度代表了血液的流动速度，由公式（16）计算：

（16）

式中，v=血流速度，c=声传播速度，fd=频移，f0=发射频率，θ=声束与血流的夹角。

由图不难理解，引起频移的是红细胞在声束方向的分速度，公式中的cosθ是通过分速度获得血流的真实速度。当角θ＞60°时，θ的微小变化将引起测值误差增大到不能接收的程度。因此，进行定量分析时，必须使声束与血流方向的夹角＜60°。

根据获取信号方法和显示模式的不同，基于多普勒效应的成像又分为以下几种。

（1）连续波多普勒（continuous wave Doppler）：

采用两个换能器晶片，一个发射连续超声波，另一个将声束内的血流和组织运动频移信号都无选择地接收，并叠加显示出来。其优点是可检测高速血流，缺点是不能有选择地检测某一血管局部的血流信息。

（2）脉冲波多普勒（pulse wave Doppler）：

如图1-1-24所示，晶片发射超声短脉冲后，通过控制电路接收开放时间的早晚和持续时间的长短来调节接收回声的时间窗（深度），实现检测不同深度和不同范围内的血流分布。这一时间窗称为取样容积（sample volume），或称取样门（sample gate）。

因为发射短脉冲后，必须有足够的时间接收回波信号。如果在没有接收到前一个脉冲回声，就发射下一个脉冲，结果会导致将前一脉冲的回声错误识别为下一个脉冲的回声，出现接收回声的混叠。因此，最大距离与最大测量速度（频移）之间相互制约。

不出现混叠的最大频移（fmax）必须小于PRF/2。这一频率称为奈奎斯特频率（Nyquist frequency）。当fmax大于PRF/2，就会出现混叠。

（3）彩色多普勒成像：

采用多声束进行快速采样，将所获得的多普勒信息进行相位检测、自相关处理、彩色编码，将朝向探头的血流标记为红色，背向探头的血流标记为蓝色，以彩色亮度显示速度的高低，并且将其叠加于二维声像图上，获得血流在组织内的实时空间分布和流速信息（图1-1-25）。其成像方式提取的是速度信息，通常称彩色多普勒血流成像（color Doppler flow imaging，CDFI）。对组织低速运动产生的频移，通过低通滤波法滤除高频率频移，只显示低频率频移信号，称组织多普勒成像（tissues Doppler imaging，TDI）或组织速度成像（tissue velocity imaging，TVI）。

此外，应用也可以提取红细胞运动散射的幅度信号进行血流成像，称多普勒能量图（Doppler power imaging，DPI），其显示低速血流的敏感性更高。

3.谐波成像

包括组织谐波成像（tissues harmonic imaging）和造影剂谐波成像。超声发射短脉冲（基波）后，由于传播的非线性特点，产生多种频率的谐波。由于旁瓣的声强很小，传播过程中产生的谐波很弱，因此，采用滤波等办法，仅接收其回声的谐波（主要是二次谐波）信号，即可抑制基波和旁瓣回声，达到提高信噪比（signal noise ratio）、增加空间分辨力和对比分辨力的目的。

4.弹性成像

见本章第五节“超声弹性成像”。

（七）超声的生物学效应和安全性

1.超声生物学效应

超声波导致的生命活动和组织结构发生的具有生物学意义的变化，称为生物学效应（biological effect），主要包括：

（1）机械效应（mechanical effect）：

因辐射力、声流、声扭等应力引起的结构或功能改变。

（2）热效应（thermal effect）：

超声波在组织中传播时部分声能转化为热能，导致声辐照区域的温度升高。生热量主要取决于超声波的空间峰值时间平均声强、组织的吸收衰减系数。在各种工作模式中，以声脉冲弹性成像和脉冲多普勒的空间峰值时间平均声强最高。在人体组织中，骨骼最容易受声辐照升温，尤其是胎儿骨骼，应需注意。但研究表明，温升不超过1.5℃是安全的。

（3）空化效应（cavitation effect）：

所谓空化，是指在一定的声压作用下，液体中微小气泡的产生、运动和爆破的现象。微气泡爆破的瞬间产生的高温、高压对人体组织具有很大的损伤作用。在通常条件下，人体组织中并不包含气泡或气核，很难发生空化。但是，微泡超声造影剂的存在将使产生空化的危险显著增加。

2.超声仪器的输出参数

超声的生物学效应与其输出指数直接相关，最重要的也是目前超声仪器明确标注的两个参数：

（1）机械指数：

机械指数（mechanical index，MI）在相关标准中被定义为“表示潜在的源于空化生物效应的显示参数”。其与声压和声频率的关系为：

（17）

MI与超声使用的安全性最为密切，是由于声压负半周期的负压导致空化，能使组织发生生物学变化。但也有利用空化效应打开血脑屏障、细胞膜、微血管壁进行治疗的研究。

（2）热指数：

热指数（thermal index，TI）在相关标准中被定义为“指定点的衰减后声功率与指定组织模型中该点温度升高1℃所需要的衰减后声功率的比值”：

（18）

依据临床需要，热指数进一步分为软组织热指数（tissue thermal index，TIS）；骨热指数（bone thermal index，TIB），用于胎儿经颅脑检查；颅骨热指数（cranial bone thermal index，TIC），用于经颅骨检查。但细分的TI一般不标记。

3.超声诊断的安全性

为确保诊断超声临床应用的安全性，自20世纪90年代以来，世界卫生组织（WHO）等多国权威机构和学术团体发布过有关超声安全使用的建议和指导原则。这些文件的基本共识是诊断超声可能有潜在风险。尽管1977年美国超声医学会（AIUM）发表了“到目前为止，空间声强时间平均声强低于100mW/cm2的超声输出对哺乳动物组织无明显生物效应”的报道，至今也未见使用医用超声引起不良影响的报道，但是仍然建议要遵循ALARA原则。即“as low as reasonably achievable”的缩写，意为“在确保获得所需要诊断信息的前提下，采用尽可能低的声输出功率和尽可能短的辐照时间”。

二、人体不同组织和体液回声强度

人体组织回声强度取决于组织内部的界面构成及其声学特征。根据临床超声诊断和声像图描述的需要，对人体组织回声的强度进行分级。

强回声（strong echo）是达到灰标最亮端亮度的回声。如骨骼、肺等声阻抗差很大的界面回声。

高回声（hyperecho，high level echo）的亮度介于强回声与等回声之间。如多数脏器的包膜、囊肿壁、肾窦、肝血管瘤等声阻抗差较大的界面回声。

中等水平回声（medium level echo）亦称等回声（isoechoic），亮度相当于灰标中段。如肝、脾实质、甲状腺、乳腺、睾丸实质等。

低水平回声（low level echo），也可称低回声（hypoechoic），亮度介于无回声与等回声之间。如肌肉、皮下脂肪、淋巴结等。

弱回声（dark hypoecho，weak echo）比低回声更暗，接近无回声。如流动缓慢的血液、液体内的组织碎屑等。

无回声（echo-free，anechoic），相当于灰标的最暗端。如正常的胆汁、尿液、脑脊液、玻璃体等。

人体组织回声的一般规律为：骨骼＞肾窦＞胰腺＞肝、脾实质＞肌肉＞肾皮质＞肾髓质（肾锥体）＞血液＞胆汁和尿液。

组织回声的强弱与其内部不同构成部分的声阻抗差别有关。与X线成像的密度概念无关。在病理组织中，结石、钙化回声最强；典型的淋巴瘤呈弱回声，甚至接近无回声，肝组织纤维化或细胞内脂肪浸润可使其回声增高。某些组织（如肌肉和肌腱等）的回声强度还与声束的入射方向有关。因此，对组织的回声特征判断，必须综合分析。

三、人体组织声衰减程度的一般规律

了解组织的声衰减特性对正确解读声像图和诊断很重要。水的衰减系数几乎为0dB/（cm·MHz），因此，组织内含水愈多，声衰减愈低，其后方组织的回声相对较高。蛋白对声能的吸收较多，衰减程度较高，后方回声增强不明显。人体组织声衰减的一般规律为：

骨骼、钙化、结石＞瘢痕、软骨、肌腱＞肝脏、肾脏、肌肉、脑＞脂肪、血液＞尿液、胆汁、囊液、胸水、腹水。

四、灰阶超声图像和声像图分析

（一）正常人体器官的回声特点

如前所述，灰阶超声图像承载了人体组织和器官丰富的形态结构和组织声学特征。熟悉并掌握人体正常解剖及其组织的声像图特征，是识别其有无病变的基础。

1.实质性器官

（1）大小、形态和表面：

实质性器官各自均有典型的外形和相近的大小。其特定切面声像图的形状和回声相似。例如，正常肾脏冠状切面似“蚕豆”形，大小约11cm × 5cm × 4cm；包膜光滑，呈细线样回声。脾脏切面呈新月形，厚度小于4cm。若形态失常，外形增大或缩小，提示异常。

（2）内部回声：

由于人体器官组织构成差别，其内部回声各具特点，主要取决于构成界面的大小、多少和声阻抗差。如正常肝脏为均匀的等回声，回声较肾脏略高而低于胰腺；正常肾脏皮质回声略高于肝脏，髓质为低回声，肾窦为高回声。弥漫性或局限性回声异常提示存在病变。

（3）血管分布和血供：

血管分布、血流动力学和供血特点的紊乱和破坏不仅提示脏器存在疾病，而且是诊断疾病的重要线索。

（4）毗邻关系：

器官的毗邻关系构成特定的声像图切面。器官病变常波及毗邻组织或脏器，产生压迫变形、移位、浸润等。毗邻关系的变化对判断病变的存在及其程度有重要价值。

2.空腔器官

空腔器官的内容物来源和性质各不相同，声像图表现差别极大。

（1）大小、形态和充盈状态：

对空腔器官的声像图，与生理状态不符的增大和缩小都提示异常。

（2）壁回声：

充盈的空腔器官壁结构回声清晰，厚度均匀。要注意观察壁的厚度有无变化，层次结构是否连续，壁内及黏膜有无异常回声。

（3）内容物：

正常内容物应与其回声相符。如胆囊内的正常胆汁和膀胱内的尿液呈无回声。若内部有回声，则提示病理状态，如结石、出血等。

（4）后方回声：

含液空腔器官后方回声增强。当后方回声过强时，会影响后壁结构的显示。要调节TGC抑制远场回声强度。

（5）功能评估：

如脂餐试验可以观察胆囊排空功能和胆总管远端梗阻；残余尿量测定评价膀胱排空功能。

心脏是特殊的空腔脏器，除了形态、大小、瓣膜和肌壁回声外，运动和血流动力学是最重要的监测内容（见第二至九章）。

3.小器官和浅表组织

甲状腺、腮腺、淋巴结、乳房、阴囊以及肌肉、韧带等小器官和浅表组织各有其声像图特征（见本书相关章节），对其进行声像图分析，除了观察其形态、大小、边界和内部回声外，还要比较成对器官和组织回声的对称性。注意腺体或肿物与相邻器官如气管、颈部血管的关系。

（二）回声异常

1.位置异常

如内脏转位、异位肾、胸骨后甲状腺等。

2.形态或大小异常

（1）先天性：

包括正常变异（功能正常）和病理性异常。前者如肝左叶长径增大、驼峰肾等；后者如肝左叶缺如，右叶代偿性增大；一侧肾缺如对侧肾增大；融合肾、环状胰腺等。

（2）后天性：

多数为病理性。如外伤（包括手术）、肿瘤、心房（室）重构等。

3.内部回声异常

（1）弥漫性：

如重症肝炎引起的弥漫性肝脏回声降低；脂肪肝引起弥漫性回声增高；慢性肾炎时，肾皮质回声增高等。

（2）局限性：

局限性回声异常多数为病理性，其中以肿瘤最为重要，其次为炎症。以其回声特征，大致可以分为囊性、实性和混合性三大类型。

1）囊性回声：

在超声诊断术语中，“囊性（cystic）”指内部主要为液体的结构，不特定指囊肿。真性囊肿分为单纯性囊肿（simple cyst）和复杂囊肿（complex cyst）。单纯性囊肿是指囊壁薄而均匀，内部无回声，囊液透声好，后方回声增强。复杂性囊肿是指病变具有囊性的主要特征，但是不完全具备单纯囊肿的特征。如囊壁较厚或不均匀、有实性回声（钙化、软组织、沉积物等）、有分隔等。

2）实性回声：

完全实性或以实性成分为主（占75%以上）。局限性实性回声特点是内部有回声。如肿瘤、炎症、瘢痕、钙化等。但是，注意内部有回声者不一定都是实性的。

3）混合性回声：

病变既有液体无回声的，也有实质性有回声的。可为肿瘤、脓肿、血肿等。典型的囊肿和实性肿物容易鉴别。囊性和实性回声不是病变良、恶性的征象，必须结合临床病史和其他检查结果综合判断。但典型的囊性肿物通常属于良性。

4.血管和血流

正常动脉壁厚，回声强，随心动周期搏动，血流呈典型的动脉频谱；静脉壁薄，大静脉内径受呼吸和心动周期变化的双重影响。血管异常扩张、狭窄、管腔内异常回声都是血管疾病的直接佐证。血管疾病无不伴有相应的血流动力学改变，病变部位及其近段和远段血流的状态（层流、湍流、涡流）和血流动力学（速度、加速时间、阻力指数等）异常对血管疾病的诊断至关重要。

五、超声图像常用切面和方位识别

声像图即超声断层图（ultrasono tomograph）灵活多变，其随意性和实时性一方面成为超声成像的巨大优势，而另一方面也给图像信息的解读和交流造成一定困难。因此，必须确定最基本的扫查切面和统一的图像方位。

（一）基准扫查切面

监视器显示的声像图方位是由体位（仰卧位、侧卧位、俯卧位）和探头位置及其声束扫查平面决定的。因此，需要在声像图标记体位和探头的体表位置（body mark），常用超声扫查基准切面。

1.横切面

横切面（horizontal plane/transverse plane/transverse section）是声束扫查平面与身体长轴接近垂直的系列切面。需要标明切面的水平，如剑突水平、脐水平、髂前上棘水平、耻骨联合上缘等。

2.矢状切面

矢状切面（sagittal section）是声束扫查平面与人体冠状面垂直的系列切面。需要标明切面的体表位置，如腹部正中线、锁骨中线、腋前线、肩胛线切面等。

3.冠状切面

冠状切面（coronal section）是声束扫查平面与人体矢状面垂直的系列切面。

4.斜切面

不同于CT和MRI，在实际超声扫查中，超声切面以不同部位和角度能获取组织器官最清晰图像和最特征诊断信息为原则。如沿肋间的肝脏切面，沿胆囊长轴的切面等，都为斜切面（oblique section）。必须根据探头位置结合声像图显示的器官回声特征识别其解剖切面。

超声切面更多的是以脏器的解剖轴进行描述，如心脏长轴切面、短轴切面等。

（二）声像图方位的识别

首先，必须使探头的标记侧成像在声像图（显示屏）的左侧。

在分析声像图时，首先要明确探头的体表位置，进而确认解剖切面。除了心脏，声像图的上方为探头接触面（声束近端），下方为探头指向的远端，左侧为探头标记侧，右侧为探头非标记侧。

超声切面图像方位的辨认采用统一的标准（《腹部和腹膜后超声检查操作指南》，美国超声医学会，1976）。将横断声像图理解为，患者仰卧位，检查者从患者足底向头端观察；将纵断图理解为，患者仰卧位，检查者从患者的右侧向其左侧观察。

1.横切面（仰卧位）

声像图上方为患者腹侧；下方为患者背侧；声像图左侧为患者右侧（R）；右侧为患者左侧（L）。

2.纵切面

仰卧位上方为腹侧，下方为背侧。俯卧位上方为背侧，下方为腹侧（少用）。声像图左侧为患者头侧（H）；右侧为患者足侧（F）。

3.冠状切面

（1）右侧腹部冠状切面：

①声像图上方为右侧，下方指向左侧；②声像图左侧为头侧，右侧为足侧。

（2）左侧腹部冠状切面：

①声像图上方为左侧，下方指向右侧；②声像图左侧为头侧，右侧为足侧。

如果斜切面声像图接近于横切面（如沿胰腺长轴的切面），则按横切面规定进行识别；如果声像图接近于纵切面，则应按纵切面规定识别。

必须强调的是，超声切面绝大多数情况下不是CT和MRI显示的标准切面，必须结合探头位置和声像图显示的组织结构判断其显示的真实人体切面。脏器的标准、规范和实用的公认重要切面，将在相关章节介绍。