第三节　超声仪器和超声成像的基本原理

超声成像的基本原理是根据超声在人体组织内传播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在荧光屏显示。

一、超声仪器

超声仪器的基本构成单元如图1-1-3-1所示，包括主控制单元、换能器（探头）、脉冲发生和声束形成器（发射单元）、回声接收和处理器（接收单元）、信号处理单元、显示器。

1.换能器（探头）

是电能-声能相互转换（超声发生和接收）的核心部件。主要由压电材料、背衬、匹配层、声透镜、电极线组成。

2.发射单元

声束形成器产生数兆赫兹至数十兆赫兹高频电脉冲，通过控制电路将电脉冲按时间和空间顺序激发换能器的阵元，利用逆压电效应产生超声波，同时实现电子动态聚焦和偏转扫描。

3.接收单元

携带有体内组织信息的回声脉冲激励探头的阵元，利用正压电效应转换为电脉冲。

4.信号处理单元

对接收的原始射频信号进行复杂的计算机处理（包括信号提取、滤波、放大、转换等），最终形成视频信号。

5.显示器

显示来自处理器的视频信号。

二、超声成像的基本原理

超声成像基于组织界面的反射和散射。如图1-1-3-2所示，当换能器发出超声短脉冲后，距换能器近（表浅）的组织界面反射的回声波先被接收，即声波往返时间短，而距换能器较远（深部）组织界面反射的回声后被接收，即往返时间较长。依次推进，每一界面和散射微粒的深度（D）都可以用其回声到达换能器的时间（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t（s），那么这一界面的距探头的距离即为

D = ct/2 = 770t（m）

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。回声的时间和强度携带了组织的空间位置和声学特征信息，被探头接收而转化为电信号，并经滤波、放大、转换等复杂的计算机处理后，最终形成视频信号在显示器一一对应显示，构成声像图。

三、超声成像的模式

超声成像主要有幅度调制型显示（amplitude modulation display）和辉度调制型显示（brightness modulation display）。基于此的成像类型包括：

1.幅度调制法

简称“A型法（A-mode）”。以纵轴为回声强度标尺，横轴为深度标尺。回声以波的形式依次在显示器显示。其波幅表征组织声特性阻抗差的大小。均匀介质（如积液、血液）则显示为平段。目前常用于眼科。

2.辉度调制法

简称“B型法（B-mode）”。将回声强度以不同亮度，即灰阶（grey scale）显示。探头每发射一次声脉冲，组织的回声就连成一条与经过组织深度和强度一一对应的辉度线。单声束进行快速扫查或多声束同时扫描，线动成面，即组成反映组织声学特征的实时二维灰阶图像（图1-1-3-3）。声像图像素点的位置和亮度（辉度）与人体解剖切面的空间位置和声学特征对应。

常用扫查方式包括扇形扫描（机械扇扫探头、相控阵和环阵探头）、线形扫描、凸阵扫描。

声像图将辉度从无到强（饱和）分为不同等级，称为灰阶（grey scale）。在声像图的一侧以条形标示，称为灰标（mark of grey scale）。

组织谐波成像和造影剂增强超声（contrast-enhanced ultrasound，CEUS）采集的回声信号不同，但本质上仍属于B型成像。

3.M型（M-mode）

以纵轴为深度，横轴为时间。将各层组织界面在声束内位置移动随时间的变化以位移-时间动态曲线显示（图1-1-3-4），具有非常高的时间分辨力。

4.多普勒技术

利用声传播的多普勒效应频移与相对运动速度的关系，显示运动速度随时间的变化。因此又称Doppler型，简称“D型”。

（1）连续波多普勒（CW）：

CW是采用一个阵元发射连续超声波，另一个阵元接收声束内运动体的频移，以曲线显示频移大小速度和方向（Y轴）随时间（X轴）的变化（图1-1-3-5），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，计算公式为：

式中V =血流速度；c =声传播速度；f_d =频移；f_t =发射频率；θ =声束与血流的夹角。

由图所示，引起频移的是红细胞在声束方向的分速度，血流的真实速度必须通过公式中的cosθ矫正。当θ > 60°时，θ的微小变化会使测值误差显著增大。因此，必须使声束与血流方向的夹角<60°。

CW将声束内组织运动的频移信号都无选择地接收。其优点是几乎不受高速血流的限制；缺点是不能准确定位目标。

（2）脉冲波多普勒（PW）：

一个阵元发射超声短脉冲，通过控制接收时间的早晚和脉冲持续时间的长短来调节接收频移回声的取样位置和范围，实现检测感兴趣部位内的血流分布。取样的时间窗称为取样容积（sample volume），或称取样门（sample gate）。

探头发射超声短脉冲后，必须有足够的时间接收频移回声信号。否则就会出现接收回声的混叠。因此，最大距离与最大测量速度（频移）相互制约。当最大频移（f_max）大于PRF/2，就会出现混叠。这一临界频率称为奈奎斯特频率（Nyquist frequency）。

（3）彩色多普勒成像（color Doppler flow imaging，CDFI）：

采用多声束进行快速采样，对所获得的多普勒频移（速度）信息进行自相关处理和彩色编码。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，并将其叠加于二维声像图上的相应位置，获得血管在组织内的空间分布和实时血流速度信息（图1-1-3-6）。

对人体组织的低速运动（如心肌）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，也可以通过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），对低速血流有更高的敏感性。

5.谐波成像

（1）组织谐波成像（tissues harmonic imaging）：

利用超声的非线性传播特点，采用滤波等办法抑制基波和旁瓣回声，仅接收其回声的谐波（主要是二次谐波）信号。达到提高信噪比、空间分辨力和对比分辨力的目的。

（2）造影剂谐波成像：

又称增强超声（contrast-enhanced ultrasound，CEUS）或超声造影。超声造影是近年发展起来的一种观测微循环和组织灌注的新技术。利用造影微泡的非线性谐振特点，提取微泡的谐振信号，并同时发射反向脉冲抑制基波信号，显著提高对比分辨力，显示组织的血流分布和灌注特征。

6.三维超声成像

三维超声成像是在二维超声图像的基础上，利用计算机强大的图像采集、存储和处理功能，重建并显示人体脏器的空间立体形态及其内部的回声信息，即三维容积信息。若采集和处理速度足够快，能实现实时采集和显示，称为实时三维成像，俗称四维超声。三维超声成像便于医生剖析各组织结构间的空间相互关系。

四、超声弹性成像

超声弹性成像（ultrasound elasticity imaging）用超声波检测人体组织对施加力的反应，检测的是组织的生物力学特征，主要是硬度。借助于外部或人体内部的静态或动态力，使人体组织产生局部弹性应变或剪切波，用超声波跟踪并捕获其应变或剪切波速（或换算成杨氏模量）信息，以彩色编码形式叠加在灰阶影像上一并显示。根据其检测信息的不同，目前通常将通过检测靶组织应变评估其与周围组织相对硬度的方法称为“静态”弹性成像；通过聚焦超声波脉冲激发组织产生剪切波，并检测剪切波传播速度，利用剪切波传播速度（c）与杨氏模量（E）的近似关系（E≈3ρc2）间接定量组织硬度，这一方法称为“动态弹性成像”。