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固定式声透镜聚焦――将声透镜贴附在探头表面。
常用于线阵探头、凸阵探头;
可提高横向分辨力,但远场仍散焦。
电子相控阵聚焦――
(1)利用延迟发射是声束偏转,实现发射聚焦或多点聚焦;
可提高侧向分辨力;
(2)动态聚焦:
在长轴方向上全程接收聚焦。
(3)利用环阵探头进行环阵相控聚焦;
可改善横向、侧向分辨力;
(4)其他聚焦技术:
如二维多阵元探头。
超声物理特性:
一、束射特性(方向性)――是诊断用超声首要的物理特性;
(如反射、折射、聚焦、散焦)
大界面:
指长度大于声束波长的界面;
大界面的回声反射有显著的角度依赖性。
入射声束垂直于大界面时,回声反射强;
入射声束与大界面倾斜时,回声反射减弱甚至消失。
两种介质存在真声阻抗,是界面反射的必要条件。
声强反射系数(R1)=(Z2-Z1)2/(Z2+Z1)
Z1,Z2代表两种介质的声阻抗;
声阻抗=密度×
声速
界面回声反射的能量与界面形状密切相关:
垂直于凹面――聚焦;
垂直于凸面――散焦;
垂直于不规则面――乱散射。
超声界面反射的特点:
非常敏感。
人体许多器官如肝、脾、胆囊的包膜、腹壁各层肌肉筋膜以及皮肤层都是典型的大界面。
小界面:
指小于声束波长的界面。
其后散射(背向散射)回声无角度依赖性。
后散射:
超声遇到肝、脾等实质性器官或软组织内的细胞、包括成堆的红细胞(称散射体),会发生微弱的散射波。
散射波向四面八方分散能量,只有朝向探头的微弱散射信号――后散射(背向散射),才会被检测到。
现代超声诊断仪正是利用大界面反射原理,能够清楚显示体表和内部的表面和轮廓;
还利用无数小界面后散射的原理,清楚显示人体表层,以至于内部器官、组织复杂而细微的结构。
二、衰减特性――衰减与超声传播距离和频率有关;
衰减的原因主要有吸收、散射、声束扩散。
软组织平均衰减系数:
1dB/cm·
MHz;
蛋白质成分是人体组织衰减的主要因素(占80%)。
衰减规律:
骨>软骨>肌腱>肝、肾>血液>尿液、胆汁;
超声的分辨力:
显示器上能区分声束中两个细小目标的能力或最小距离。
超声波得频率;
脉冲宽度;
声束宽度(聚焦);
声场远近和能量分布;
探头类型;
仪器功能(二维图像中像素多少、灰阶的级数多少等)。
分类:
空间分辨力(与声束特性有关)
――轴向(纵向)分辨力:
与超声频率(正)和超声宽
度(负)有关;
理论值:
λ/2
横向分辨力:
与探头厚度方向上声束的宽度和曲面聚焦性能有关;
――常采用透镜聚焦
侧向分辨力:
与探头长轴方向上声束的宽度有关;
――常采用相控聚焦
细微分辨力――宽频带和数字化声束处理;
对比分辨力――与灰阶级数有关;
时间分辨力――单位时间成像速度即帧频
超声的生物学效应――声功率:
单位时间内探头发出的功率。
单位:
W或mW;
声强:
单位面积上声功率。
W/cm2或mW/cm2;
ISPTA:
空间峰值时间平均声强(mW/cm2)
ISPPA:
空间峰值脉冲平均声强(W/cm2)
分贝:
两个声强的比值;
超声系统可控制的最大能量与最小能量之比为动态范围。
生物学分类――热效应:
诊断用超声一般不会造成明显的温度升高;
(mW/cm2级)
空化效应:
可形成气体微泡;
诊断用超声尚未得到证实;
对细胞畸变、染色体、组织器官的影响;
高强聚焦超声(HIFU):
热凝固和杀灭肿瘤细胞作用;
(KW/cm2级)强烈机械震荡――用于碎石治疗;
在物理治疗学方面的作用(W级,一般0.5-3W/cm2)
超声辐射剂量是超声强度与辐射时间的乘积。
热指数(TI):
1.0以下无致伤性,胎儿应调至0.4以下;
眼球应0.2以下;
机械指数(MI):
指超声驰张期的负压峰值(MPa数)与探头中心频率(MHz)
的平方的比值。
1.0以下无致伤性,胎儿应调至0.3以下;
眼球应0.1以下;
超声声学造影应采用低机械指数,可以防止微气泡破裂,提高造影效果。
多普勒超声技术的基础及应用
多普勒效应的公式:
fd=2Vcosθf0/c――V=fdc/2f0cosθ
在超声医学诊断中,V为红细胞运动速度;
fd为多普勒效应产生的红细胞散射回声的
频移;
c探头发射的超声在人体组织中的传播速度;
f0为探头发射的超声频率;
θ为探头发
射的超声的传播方向与红细胞运动方向间的夹角。
分类――脉冲多普勒:
选择性接收回声信号,所需检测位置的深度用延迟电路完成;
连续多普勒:
无选择检测深度的功能,但可测很高速的血流;
高脉冲重复频率(HPRF)多普勒:
增大检测血流的能力;
可有多个取样容积。
多普勒超声所检测的不是一个红细胞,而是众多的红细胞,各个红细胞的运动速度及方向不可能完全相同,因此,出现多种不同颜色的频移信号,被接受后成为复杂的频谱分布(波形),对它用快速傅立叶转换技术(FFT)进行处理后,把复杂的频谱信号分解为若干个单频信号之和,以流速-时间曲线波形显示,以便于从中了解血流的方向、速度、时相、血流性质等问题。
脉冲多普勒技术的局限性:
(1)最大频移即最大测量速度受脉冲重复频谱频率的限制(fd=PRF/2)
(2)PRF与检测深度(d)的关系:
d=c/2PRF,说明检测深度受PRF的影响;
(3)检测深度(d)与速度(v)关系:
vd=c2/8f0cosθ,为常数,v、d相互制约;
(4)当被检测目标的运动速度超过PRF/2时,出现混迭现象。
增大脉冲波多普勒技术检测速度、检测深度的方法:
降低发射频率;
移动零位基线;
减低检测深度;
增大超声入射角(θ),但cosθ在分母位置,值越小计算出速度值误差越大,所以此法不可取。
用HPRF的频谱多普勒:
fd=HPRF/2
彩色多普勒――原理:
以脉冲多普勒技术为基础,用运动目标显示器(MTI),自相关函数
计算(自相关处理技术),数字扫描转换、彩色编码等技术,达到对血流的彩色现象。
三基色――红、蓝、绿三色;
三基色混合时,可产生其他彩色,称为二次色;
红色加绿色产生黄色(二次色),就以红-黄表示正向高速血流。
种类――速度型彩色多普勒:
以红细胞运动速度为基础;
能量型彩色多普勒:
以红细胞散射能量(功率)的总积分进行编码;
速度能量型彩色多普勒:
显示方式――速度-方差显示:
朝向探头―黄色;
背向探头―青蓝色。
速度显示:
朝向探头―红色;
背向探头―蓝色;
明暗表示快慢。
方差显示:
高速血流显示时从单一彩色变为五彩镶嵌。
能量显示:
适应于对低速血流的显示;
明亮度表示多普勒振幅。
局限性――
(1)受入射角的影响;
(2)超过尼奎斯特频率极限(PRF/2)时,彩色信号发生混迭;
(3)检测深度与成像帧频及可检测流速间的互相制约;
(4)对二位图像质量的影响;
(5)湍流显示的判断误差。
彩色多普勒技术的调节方法:
1、彩色标尺(PRF)的选择:
中、低速血流――速度显示方式;
高速血流――速度-方差及方差显示方式;
2、发射超声频率:
检测较浅表的器官、组织及经腔道检测――高频超声;
对高速血流的检测――低频超声;
对低速血流的检测,达到被检测深度的情况下―高频超声;
3、滤波器调节:
低速血流――低通滤波;
高速血流――高通滤波;
4、速度标尺:
腹部及外周血管――低速标尺;
心血管系统――高速标尺;
5、增益调节:
检测开始时,用较高的增益调节,使血流易于显示;
然后再降低增益使血流现象最清楚而又无噪音信号。
6、取样框调节:
取样框应包括需检测区的血流,但不宜太大,使帧频及显像灵敏度下降;
7、零位基线的调节:
零位基线下移,可增大检测的速度范围;
8、余辉调节:
persistence调节钮可使帧频图像重叠,增大信/噪比,使低速度、低流量的血流更易于显示清楚;
9、扫查范围与方向的调节:
较小的扫查范围(角度)可增加帧频,彩色显像更清楚。
与血流方向相同的扫查方法,可使彩色显像更敏感,更清晰。
10、消除彩色信号的闪烁:
可选用高速度标尺、高通滤波抗干扰,最佳方法是令病人屏住呼吸
频谱多普勒
血流流动学基础知识――一般规律:
当雷诺数(Re)>2000时成为湍流
能量守恒定律:
ΔP=4V2max;
估算跨瓣压、心腔及肺动脉压;
质量守恒定律:
ρAV=恒定(连续方程),计算瓣膜口面积;
频谱多普勒技术的调节方法:
1、多普勒种类的选择:
中、低速血流――脉冲多普勒;
高速血流――连续多普勒
2、滤波条件:
检测低速血流,用低通滤波;
对高速血流,用高通滤波;
3、速度标尺:
选择与被检测血流相匹配的速度标尺;
4、取样容积:
对血管检测,取样容积应小于血管内径;
5、零位基线:
可增大频移测量范围;
6、频谱信号上下翻转:
便于测量及自动包络频谱波形;
7、超声入射角:
心血管系统检查θ≦20°
;
外周血管检测θ≦60°
频谱宽度(频带宽度):
表示在某一瞬间取样容积中红细胞运动速度分别范围的大小。
层流――窄频谱;
湍流――宽频谱;
取样容积小――窄频谱;
取样积大――宽频谱;
大动脉――窄频谱;
外周小动脉――宽频谱;
超声诊断仪
超声探头―核心部分:
压电材料,如天然石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅、压电有机聚合物;
吸声材料(压电晶片背面):
产生短促的超声脉冲信号,提高纵向分辨率;
匹配层(声能压电晶片前面):
保护压电材料;
使压电材料与人体皮肤之间的声阻抗相近;
减少声能损失,提高探头灵敏度;
种类――电子扫描探头:
线阵探头:
采用电子开关控制;
阵子呈直线排列;
凸阵探头:
阵子呈弧形排列;
相控阵探头:
扫描角度80-90,最大深度20cm;
用于心脏检查
机械扫描探头:
扇形扫描探头;
单晶片;
电机驱动;
环阵(相控)探头;
电子相控聚焦;
其他旋转式扫描探头等
频率――单频探头:
中心频率固定的探头(频带较窄);
变频探头:
可根据临床需要选择2-3种发射频率;
宽频探头:
采用宽频带复合电材料(发射频率范围:
2-5MHz、5-10MHz、6-12MHz);
接收时分三种情况:
选频接收:
选择某一特定的1-3个中心频率;
动态接收:
随深度变化选取不同的频率;
宽频接收:
接收宽频带内所有频率回声;
高频探头:
频率高达40-100MHz,如皮肤超声成像、超声生物显微镜等。
阵子数――是超声探头质量的重要标志。
1个阵元由4-6个阵子分组构成;
阵子数愈多,理论上成像质量愈好。
采用高密度探头,可提高声束扫描线的密度,图像分辨率显著提高。
超声成像原理
声束扫描――利用探头发射的聚焦束进行的断层扫描。
聚焦超声的特点:
声束形态特殊,聚焦区较细,远、近区即两端均较粗,呈喇叭形;
超声波长取决于所用探头频率,故其分辨率、穿透力随之改变。
声像图――将探头在体表(横向或纵向)移动,示屏上的超声扫描线(系列回声信号)作相应的移动,如此构成一幅(横向或纵向)超声声像图,也称声像图(B型超声)或二维超声。
帧频(f)――每秒所成声像图的帧数;
帧频数目不应低于16f/s;
理想帧频:
20cm深宜达到20-30f/s;
浅表成像宜超过30f/s;
制约因素:
脉冲重复频率(PRF);
所需观察声像图的深度;
多点聚焦的数目等。
增加彩色多普勒血流显示,帧频可能下降;
彩色取样框愈大,帧频更低。
超声诊断装置基本组成:
发射与接收单元(包括探头),即超声扫描器;
数字扫描转换器(DSC);
超声图像显示装置;
超声图像记录装置;
超声电源。
超声诊断仪器的类型:
静态超声诊断仪(已被淘汰);
实时灰阶超声诊断仪;
双功超声诊断仪:
实时灰阶超声诊断仪兼有血流多普勒显示
彩色多普勒超声诊断仪(三功超声诊断仪):
可以彩色编码;
超声新技术和新方法
三维超声成像――种类:
静态三维超声成像;
动态三维超声成像;
显示方式:
表面成像;
(高档彩色三维模式中还包括三维血流显像)
透明成像;
结构成像。
超声造影――基本原理:
超声造影的散射回声源(微气泡);
散射回声信号强度――与微气泡、发射功率大小成正比;
与检测的深度成反比;
造影剂在血液中持续时间――与微气泡密度、最大截面成正比;
与微气泡弥散度、饱和度成反比;
途径:
右心造影――直径大于红细胞(大于8um);
左心造影――直径小于红细胞(小于8um);
心肌造影――与左心造影相同,但需使用彩色能量多普勒谐波成像、反向脉冲谐波成像以增强造影剂显示;
如造影剂直径小于1-2um,用二次谐波成像、间歇式超声成像技术即可;
全身血管及外周血管超声造影:
采用的造影剂参考上述。
成分:
以人血白蛋白、脂类、糖类及有机聚合物作包裹;
以空气、氧、二氧化碳、氟烷类、氟碳类、六氟化硫等为微气泡。
注入人体的方法:
弹丸式注射;
――一次性注入;
连续性注射;
――与静脉输液法相似;
增强超声造影效果的技术:
1、二次谐波成像:
超声的传播及散射存在非线性关系,可出现两倍于发射波(基频)的反射频率,即二次谐波;
其强度比基波低,但频率高。
信/噪比高,分辨力高。
2、间歇式超声成像:
用心电触发或其他方法使探头间歇发射超声,使造影剂避免连续性破坏而大量积累于检测区,再次触发能瞬间产生强烈的回收信号。
3、能量多普勒谐波成像:
对低速低血流量能成像;
4、反向脉冲谐波成像:
在甚短的时间间隔内相继发射两组相位相反的超声(基波),在反射回声时基波因相位相反而被抵消;
而谐波相相加因而信号更增强。
5、实时超声造影成像:
其方法是交替发射高功率和低功率超声,能实时显示微气泡在血管内的充盈情况。
自然组织二次谐波成像:
原理与造影剂谐波成像不同。
超声在人体组织中传播时,在压缩期声速增加,而驰张期声速减低。
此即产生声速的非线性效应而可提取其二次谐波。
自然组织二次谐波成像具有分辨力高,噪声信号小,信/噪比高等特点。
多普勒组织成像:
改变滤波条件为低通,速度低、能量高的组织被显像,而血流不显像。
显示方式――速度型:
用于显示心肌活动速度、方向;
能量型:
以单一彩色显示室壁的运动,但不能表示方向和速度。
速度型的显示方式――二维成像:
以彩色编码显示和测量心肌运动速度的分布情况(心内膜>心肌>心外膜)
M型:
以彩色编码表示心肌在一定的运动速度与时相变化,可表示室壁运动方向及运动速度;
脉冲多普勒:
用于检测室壁及瓣环的运动速度、方向。
用途:
室壁运动异常的检测诊断;
收缩功能及舒张功能减低;
心脏传导系统的电生理研究;
心肌超声造影,能量型多普勒成像,可增强心肌造影的回声强度。
超声临床诊断基础
超声回声的一般规律
1、有些均质的固体如透明软骨、小儿肾椎体,可以出现无回声或接近无回声;
典型的淋巴瘤呈圆形或椭圆形,接近于无回声,有时酷似囊肿;
2、非均质性液体及软骨等均质性组织如果纤维化、钙化,则由无回声变成有回声;
3、人体不同组织回声强度顺序:
肺、骨骼>肾中央区(肾窦)>胰腺、胎盘>肝、
脾实质>肾皮质>肾髓质(肾锥)>血液>胆汁和尿液;
4、脂肪组织的特殊性:
由于其中胶原纤维含量和血管成分的多少的不同,回声不同。
皮下脂肪组织――典型的低回声回声;
肾中央区――呈高水平回声或强回声;
腹腔动脉和肠系膜上动脉周围脂肪组织――高回声;
大网膜中的脂肪组织(含血管、纤维成分)――高回声;
不同组织声衰减程度的一般规律
组织内含水分愈多,声衰减愈低;
液体中含蛋白成分愈多,声衰减愈高;
组织中含胶原蛋白和钙质愈多,声衰减愈高;
超声伪像(伪差)――超声显示中的断层图像与其相应解剖断面图像之间存在的差异。
产生原因――反射、折射:
混响、多次内部混响、镜面反射、回声失落、折射声影、棱镜现象;
衰减:
衰减声影、后方回声增强;
断层厚度(扫描厚度)伪像:
部分容积效应伪像;
旁瓣效应;
声速伪像:
实际组织声速与仪器设定的平均速度(1540m/s)差别所造成伪像和测量误差;
仪器设备:
仪器和探头的质量;
操作者技术因素:
增益、DCG、聚焦调节不当、测量不规范;
分类――混响:
产生的条件超声垂直照射到平整的界面;
识别混响的方法:
适当侧动探头,使超声勿垂直于胸壁或腹壁;
加压探测,可见多次反射的间距缩小;
内部混响:
超声在器官组织的异物内来回反射直至衰减,产生特征性的彗星尾
征,此现象称内部混响;
振铃效应:
超声束在若干微气泡包裹的极少量液体中强烈地来回反射,产生很长的条状图像干扰。
振铃效应在胃肠道内(含微气泡和粘液)相当多见。
切片(断层)厚度伪像:
超声束形状特殊而且波束较宽,即超声断层扫描时断层较厚引起。
旁瓣伪像:
由主声束以外的旁瓣反射造成。
如在结石、肠气等强回声两侧出现“披纱征”或“狗耳征”图形,在低档超声仪器和探头比较常见。
声影:
边界清晰的声影,对识别瘢痕、结石、钙化灶和骨骼时有帮助;
边界模糊的声影,常是气体反射或彗星尾征的伴随现象。
后方回声增强:
由于距离增益补偿(DCG)对于超声进入很少的液体,仍在起作用的缘故。
侧边声影和“回声失落”:
超声在通过囊肿边缘或肾上、下极侧边时,可以由于折射而产生边缘声影或侧边“回声失落”(全反射)。
改变扫查角度有助于识别这种伪像。
侧边声影也见于细小血管和主胰管的横断面,呈小等号征“=”而非小圆形。
镜面伪像:
声像图上的虚像总是位于实像深方(经过多途径反射形成)。
声束斜射到声阻抗很大的界面时全反射会发生镜面伪像。
棱镜伪像:
仅在腹部靠近正中线横断面扫查时(腹直肌横断)才出现;
例如早孕子宫在下腹部横断扫查时,宫内的单胎囊可能出现重复胎囊伪像;
探头方向改为矢状断面扫查,上述“双妊囊”伪像消失。
声束失真:
对声束过低的组织(如大的脂肪瘤)就会测值过大;
对于声束很高的组织(如胎儿股骨长),会引起测值过小的误差。
彩色多普勒超声伪像:
多普勒超声(频移)衰减伪像:
彩色信号分布不均匀,即“浅表血供多,深方血供少或无血供”;
深部器官血流如肾实质、股静脉较难显示。
镜面反射伪像:
在在强反射界面深方出现对称性彩色信号;
闪烁伪像:
心搏、呼吸、大血管搏动;
组织震颤(高速血流、被检者发音)
快闪伪像:
见于尿路结石等(位于结石声影中)。
彩色混叠:
PRF过低、测速血流时采用过高频率探头或较高多普勒频率;
注意:
在使用微泡声学造影时,多普勒彩色信号或频谱幅度增加,切勿将它误认为实际血流速度的增加。
对于深部组织内的血流多普勒频移,宜选择较低的多普勒频率。
适当调节聚焦区、取样框和取样容积的大小,正确调节彩色速度标尺(PRF),适当调节多普勒增益的灵敏度,血流方向和校正角
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