超声总论.ppt

,超声总论,教学目的,1.掌握超声基本概念、超声物理特性、常用声学参数、人体对超声的作用。2.了解超声发展的历史、超声效应、图像伪差、超声仪器设备及新技术。,目前超声检查已成为一门独立和成熟的学科，不仅能观察组织和器官的形态，而且能检测人体脏器功能和血流状态，在临床诊断与治疗决策上发挥着重要作用，成为医学影像学的重要组成部分。,在过去的半个世纪中，随着声学理论研究的不断深入、计算机技术的飞速发展，使得超声检查取得了前所未有的进步。,一维超声A型(amplitude mode),二维超声(two dimensional Ultrasound),三维超声(three dimensional ultrasound),实时三维超声（四维超声）Real-time three dimensional ultrasound,医学超声物理诊断 基础和原理,一、医学超声的物理特性（一）超声波的定义声源振动频率20000Hz的机械波为超声波。（次声波：16Hz；声波：16-20000Hz）超声诊断使用的频率范围:110MHz，常用2.5-5.0MHz,次声波 20Hz 20000Hz 超声波（声波）,（二）超声波的主要物理参数超声波的三个基本物理量1、波长()：在波的传播方向上，质点完成一次振动的距离，单位是mm2、频率(f)：单位时间内质点完成一个振动过程的次数，单位是赫兹（Hz）。3、声速(c)：单位时间内声波在介质中的传播距离,单位是m/s。并与介质的弹性(E)和密度()相关,三者的关系：=c/f 超声波在固体中传播速度最快，在气体中最慢：（骨与软骨中声速约为4500m/s；软组织(肝、胆、胰等)平均声速约为1540m/s；肺、胃肠道等含气脏器中声速为350m/s。）,3.常用超声探头频率脑、心脏：22.5MHz腹部：35MHz浅表器官：710MHz,频率越高，分辨力越强,频率越高，衰减越大，穿透力越弱,(发现微小病灶的能力更强),（三）超声波的发生与接收,正压电效应：由外力作用引起材料表面产生电荷，形成电场，称为正压电效应。,逆压电效应：在材料两端施加一个电压时，晶体将产生几何变形，称为逆压电效应。,变形 电场,电场 变形,（四）声源、声束、声场与分辨力 1.声源 能产生超声的物体称为声源，通常采用压电陶瓷、压电有机材料或混合压电材料组成。声源由超声换能器发出。2.声束 从声源发出的声波，一般在一个较小的立体角内传播。其中心轴线称为声轴，为声束传播的主方向。声束两侧边缘间的距离称为束宽。3.近场与远场 超声束各处宽度不等。在临近探头的一段距离内，束宽几乎相等，称为近场；远方为远场。,1、基本分辨力：是指超声诊断仪能够根据单一声束线上所测出的分辨两个细小目标的能力，可分三类：（1）轴向分辨力：沿着声束轴线方向的分辨力，又称纵向分辨力；其优劣影响靶标在深浅方向的精细度。分辨力佳则在轴向的图像点细小、清晰。通常用3-3.5MHz探头时，轴向分辨力在1mm左右。（2）侧向分辨力：在与声束垂直的平面上，在探头长轴方向的分辨力；声束越细，侧向分辨力越好。（3）横向分辨力：在与声束垂直的平面上，在探头短轴方向的分辨力，又称厚度分辨力。,2、图像分辨力：指构成整幅图像的目标分辨力。包括：（1）细微分辨力：用以显示散射点大小（2）对比分辨力：用以显示回声信号间 的微小差别,二、人体组织的声学参数（一）密度():组织、脏器的声学密度，单位为g/cm3。（二）声速（C）:单位为m/s。一般固体物含量高者声速最高，含纤维组织（主要成分为胶原纤维）高者，声速较高，含水量较高的软组织声速较低，液体声速更低，含气脏器中的气体声速最低。,（三）声阻抗(Z)：各种回声图像主要由声阻抗差别形成,系密度与声速的乘积，单位为g/cm2.s。（四）界面：两种声阻抗不同物体接触在一起时，形成一个界面。接触面大小称为界面尺寸。尺寸小于波长时名小界面，反之称为大界面。,三、人体组织对入射超声的作用（一）散射:小界面对入射超声产生散射现象，使入射超声的部分能量向各个空间方向分散辐射。散射来自脏器内的细小结构，临床意义十分重要,其返回至声源的能量甚低。,（二）反射 超声波入射到比自身波长大的大界面时，入射声波的较大部分能量被该界面阻挡而返回，这种现象称之为反射。大界面对入射超声产生反射现象，使入射超声能量的较大部分返回至声源。入射角与反射角相等。,（三）折射：组织、脏器声速不同，声束经过其大 界面时，前进方向改变称为折射。（四）绕射：又名衍射。声束绕过物体后，又以原来的方向偏斜传播。（五）衰减：声波轴向振动与介质之间摩擦致能量消耗的结果，与超声探头频率及声波运行距离有关。,反射和折射 重点：反射是A、B、M型超声的成像基础,障碍物直径大于 1/2，即可产生反射,声阻抗差1，就有反射回声，故超声波对软组织分辨率极高。超声波透入第二种介质后，其传播方向发生改变产生折射。,结石,脊柱,明显衰减时，其后方回声消失而出现声影（acoustic shadow）,衰减(attenuation)原因：反射、散射、吸收、声束发散吸收：超声波在介质中传播时，一部分声能转变为其它形式的能量,（六）多普勒效应 当一定频率的超声波由声源发射并在介质中传播时，如遇到与声源做相对运动的界面，则其反射的超声波频率随界面运动的情况而发生改变，称之为多普勒效应（Doppler effect）。,多普勒方程：fd=2fo(V.cosc)fd:多普勒频移；fo:发射频率；V:血流速度；:声束与血流夹角；c:超声波在介质中的传播速度。,多普勒效应：声源与接收器之间有相对运动，接收到的频率有改变（产生频移）,探头,探头,探头,向探头运动,背离探头,声源界面静止,1.多普勒诊断法的物理基础（1）多普勒效应（Doppler effect）：由于声源与观察者之间出现相对运动，使声波频率发生变化的现象。振动源与观察者相向运动时频率增加（声波密集），背向运动时频率降低（声波疏散）,多普勒效应 层流（朝向探头-红，背离探头-蓝）湍流：(正向-黄 红+绿，负向-青 蓝+绿)射流：,层流,湍流,血管狭窄,绿色：代表流速快且紊乱的血流,射流,探头,探头,湍 流,湍流（turbulent flow），多彩镶嵌（mosaic pattern）,探头与心脏、血管血流发生相对运动，产生多普勒效应,多普勒频移与声速成正比。为获得最大血流信号，应使声束与血流方向尽可能平行（角尽量小）。,调整探头与声束之间的夹角引起血流改变,四、人体组织的声学分型（一）无反射型：液性组织（如：血液、尿液、心包积液、胸水、腹水、胆汁、羊水等）。（二）少反射型：基本均质的实质性组织（如：肝脏、肾脏、脾脏、心肌、瓣膜等）。,（三）多反射型：结构较复杂、致密，排列无一 定规律的实质性组织（如：乳腺、心外膜、肾包膜、骨骼等）。（四）全反射型：含气组织（如：肺、胃、肠等）。超声检查时使用耦合剂，就是为了防止探头与皮肤之间存在空气，影响探查。,五、超声诊断原理 高频脉冲发生器换能器（将电能转变为声能）组织界面（反射）换能器（将声能转变为电能）接受放大装置示波管显示系统（显示图像）。换能器即为超声检查用的探头。,六、超声的生物效应 产生超声生物效应的主要物理机制有：热机制、机械机制、空化机制。当超声剂量（声强）超出规定，将造成若干生物效应。,超声安全性问题诊断用超声剂量（声强）的限定值，Ispta100mW/cm2，一次超声照射时间10-20分钟。,七、超声伪像,1.混响效应 声束扫查体内平滑大界面时，部分能量返回探头表面之后，又从探头的平滑面再次反射第二次进入体内。为多次反射的一种。多见于膀胱前壁、胆囊底、大囊肿前壁，可被误诊为壁的增厚、分泌物或肿瘤等。,2.镜像效应 声束遇到深部的大平滑界面时，反射回声如测及离镜面较接近的靶标后，按入射途径反射折回探头。此时，在声像图上所显示者，为镜面深部与此靶标距离相等、形态相似的图像。常见于横膈附近，实质性肿瘤或液性占位可在横膈两侧同时显示，较横膈浅的一处为实影，深者为虚影或镜像。,3.声影 声影指在在组织或病灶后方所显示的回声低弱甚或接近无回声的平直条状区，系声路中具有较强衰减体所造成。高反射系数物体（如气体）、高吸收系数物体（如骨骼、结石、瘢痕）下方具有声影，二者兼具则声影更明显。,4.高衰减结构 超声能量消耗甚多，其后方回声明显减弱，常见于肌腱、软骨、瘢痕之后，提高仪器“增益”仍可显示少量回声信号。,5.后方回声增强 声束向深部传播时不断衰减，设计者为使图像显示均匀，加入了深度增益补偿（DGC）调节系统。后壁增强效应是指在常规调节的DGC系统下所发生的图像显示效应，而不是声能量在后壁被其他任何物理能量所增强的效应。此效应常出现在囊肿、脓肿及其他液区的后壁，有些小肿瘤如小肝癌、血管瘤后壁，亦可略见增强。,6.旁瓣效应 旁瓣效应系指第一旁瓣成像重叠效应。声源所发射的声束具有一最大的主瓣，一般处于声源中心，其轴线与声源表面垂直，名主瓣。主瓣周围有对称分布的数对小瓣，称旁瓣。旁瓣重叠于主瓣上，形成各种虚线或虚图。,7.部分容积效应 病灶尺寸小于声束束宽，或虽然大于束宽，但部分处于声束内，则病灶回声与正常组织的回声重叠，产生部分容积效应。多见于小型液性病灶。例如，小型肝囊肿因部分容积效应常可显示内部细小回声（系周围肝组织回声重叠效应）。,医学超声常识及仪器 一、医学超声常识 超声诊断仪最基本的结构由探头、发射电路、接受电路、显示器和记录器组成。,超声诊断仪器原理框图,面板,发射 与接收,探头,中央控制单元（含DSC）,监视器,控制信号,视频信号,控制信息,增益控制,显示器,主机,探头,控制面板,超声设备,现有超声设备有：A型超声仪；B型超声仪；M型超声仪；频谱多普勒超声仪；彩色多普勒超声仪；三维成像超声仪等。现多为多功能超声仪。,二、超声诊断的几种方法：1、A型(Amplitude Mode)诊断法，又叫幅度调制式：以波幅的高低显示回声的强弱，一维图像。,2、B型（Brightness Mode）诊断法，二维超声：,又叫光点成像法、辉度调制式。它以光点的多少和明暗表示回声的强弱，又称灰阶（Grey Scale）超声图像为二维实时(Real-Time)图像，目前超声成像最高速度已达400帧/S。,二维超声图像基本特点,二维超声是超声检查的基础二维超声图像是以解剖学为基础，根据探头所扫查的部位构成相应的断层图像，改变探头位置可获得任意方位的超声图像根据组织内部声阻抗及声阻抗差的大小，以不同的灰度来分辨人体解剖结构的层次，显示脏器和病变的形态、轮廓和大小。人体组织器官的二维超声图像特征可分为四种基本类型：,无反射型无回声,少反射型低回声区,多反射型高回声区,全反射型极高亮度、高回声区,血液,胆汁,尿液,无反射型无回声：血液、尿液和胆汁等,肝脏和胰腺,心肌,少反射型低回声区：心肌、肝、脾等实质脏器,多反射型高回声区：心瓣膜、肝包膜等,肝包膜、血管壁,心脏瓣膜,全反射型极高亮度、高回声区：肺气、肠气等,肺气,肠气,3.M型（Motion Mode）诊断法,在二维图像上加入一个慢扫描锯齿波，使反射光点从左向右移动显示。从光点移动观察被测物体在不同时相的深度及移动情况：时间-位移曲线。,4.多普勒诊断法(Doppler Mode),1.多普勒诊断法的物理基础（1）多普勒效应（Doppler effect）：由于声源与观察者之间出现相对运动，使声波频率发生变化的现象。振动源与观察者相向运动时频率增加（声波密集），背向运动时频率降低（声波疏散）,探头与心脏、血管血流发生相对运动，产生多普勒效应,彩色多普勒血流显像（CDFI）：能显示心血管内某一断面的血流信号，是实时二维血流成像技术，与二维图像相互结合显示。实时彩色编码显示，图像直观、定位准确。,血流方向血流状态血流速度,彩色多普勒血流方向,血流方向：红色为朝向探头，兰色背离探头,层流,血流状态：层流，颜色单一,湍 流,湍流（turbulent flow）：多彩镶嵌（mosaic pattern）,血流速度：以明暗显示,频谱多普勒（Spectrum Doppler）,（1）脉冲式（Pulsed Wave Mode,PW）:采用单个换能器，以很短的脉冲发射期发射超声波，在脉冲间期内有一“可听期”。优点：具有距离选通功能；缺点：不能测量高速血流,连续多普勒,（2）连续式（Continuous Wave Mode,CW）：两个超声波换能器分别连续发射和接受超声波，沿超声束出现的血流信号和组织运动多普勒频移均被接收、分析和显示出来，来自不同深度的血流频移均被叠加起来。优点：不受高速血流限制。缺点：不能提供距离信息,常规彩色多普勒超声检查应包括二维超声检查、频谱多普勒超声检查和彩色多普勒检查；超声心动图包括M型超声、二维超声检查、频谱多普勒超声检查和彩色多普勒检查。,超声成像方式,超声成像,脉冲回波幅度成像,A超：幅度调制型,B超：辉度调制型,M超：运动显示型,脉冲回波频移信号成像,PW：脉冲多普勒显像,CW：连续多普勒显像,CDFI:彩色多普勒显像,三、超声图像的解读,观察超声图像时，首先要明确超声检查时的切面方位，以便于认清超声切面所包括的解剖结构，并要注意以下内容：1.二维超声：外形、边界和边缘回声、内部回声特点、后壁及后方回声、周围回声强度、毗邻关系、脏器结构的连续性,2.M型超声：脏器活动情况的定量分析,3.彩色多普勒血流显像：血流的灌注、有无异常分流,4.频谱多普勒超声：定量分析血流量、压力阶差和 血流速度,超声检查新技术,传统的多普勒显像技术通过高通滤过器，将室壁等结构运功产生的低频移高振幅多普勒频移信号滤除，只显示心腔内红细胞运动产生的高频移低振幅多普勒频移信号，用于观察心腔内大血管内的血流情况，称为多普勒血流成像。,一、组织多普勒,组织多普勒成像（tissue Doppler imaging，TDI）则正好相反，这种技术采用低通滤过器，将来自心腔内红细胞运动的高频移低振幅多普勒频移信号去除，只提取来自运动心壁的低频高振幅多普勒频移信号，该方法主要用于定量观察和分析心肌局部运动情况。,二、腔内超声检查经食管超声心动图,腔内超声检查经直肠超声,腔内超声检查经阴道超声,腔内超声是将探头放入食道、胃、心脏、直肠、阴道内探查其临近的器官，由于腔内超声探头更靠近超声所要扫查的靶器官和组织，因此探头频率较高，超声图像清晰度更高，发现微小病灶的能力更强。,三、超声声学造影检查,声学造影检查是将含有微小气泡的对比剂经血管注入体内，使相应的心腔大血管和靶器官显影，为临床疾病诊断提供重要依据包括右心系统声学造影、左心系统声学造影、心肌和肝等实质脏器灌注声学造影,新近出现的超声微泡造影剂是一种内含气体的微球，可通过静脉注射随血流到达机体各组织器官，并可用超声实时监控。,肝脏声学造影,随着新型对比剂的开发和各种新的成像方式的应用，心肌、肝脏等实质脏器灌注声学造影已成为一种无创性观察心肌供血状况、诊断心肌缺血、判断实质性脏器病变（如肝癌）的方法,四、三维超声成像,由于计算机技术的进步，三维超声成像逐渐由三维超声重建向实时三维超声成像发展。新的实时三维超声成像能实时地显示脏器的立体活动情况、心脏瓣膜开放等，对疾病的诊断将发挥巨大的作用。,胎儿实时三维,五、超声引导定位穿刺活检,超声引导定位穿刺技术即介入性超声诊断与治疗，具有定位准确、操作方便的优点，进一步提高了临床诊断与治疗水平。,超声引导下肝脏穿刺活检,超声引导下乳腺肿块穿刺活检,超声引导下浅表淋巴结穿刺活检,六、超声弹性成像：一种对生物组织弹性（或硬度）特征成像的新技术，生物组织的弹性（或硬度）与病灶的生物学特性紧密相关，对于疾病的诊断具有重要的参考价值,组织弹性成像能有效鉴别实质性肿瘤的良恶性，对于恶性病变的诊断具有较高的特异性和敏感性，目前主要用于乳腺、前列腺、甲状腺等小器官，尤其在乳腺疾病方面研究更为深入,课后小结1、超声波是声源振动频率大于20000Hz的机械波；2、超声波在介质中传播具有反射、折射、散射和衰减的物理特性；其中反射是超声成像的主要物理原理；3、多普勒诊断法的物理基础是多普勒效应，多普勒超声技术可分为两大类，即频谱多普勒和彩色多普勒血流成像；彩色多普勒血流成像的特点：以彩色信号的颜色表血流方向，色调表速度的快慢。,研究热点：超声分子影像学与微泡载药靶向治疗,超声分子影像学是利用微泡表面固有的化学特性或通过对微泡表面进行特殊处理，构建特异性靶向微泡，使其经静脉注入后能靶向聚集并较长时间滞留于靶组织，再通过微泡对超声的散射产生分子水平显影，从而实现从分子水平评价病变组织及进行靶向治疗。,以造影剂微泡为载体，携带药物、基因，结合能与靶组织特异结合的配体，利用超声物理生物效应，达到促进疗效的目的,超声诊断的临床意义,超声检查由于无创性、无痛苦、无辐射影响，一般无需使用对比剂便可获得人体各部位软组织器官和病变及管腔结构的高清晰度断层图像超声检查能提供人体解剖结构形态学信息，并能反映心血管等运动器官的重要生理功能，应用超声多普勒技术可无创地检测血流动力学参数以及观察组织器官血流灌注情况,借助于腔内探头、术中探头、超声造影等新技术，有助于某些微小病变的早期发现，肿瘤侵犯范围的精确定位，有无周围淋巴结的转移等，用以进行肿瘤的分期和制定合理的治疗方案超声引导定位穿刺技术即介入性超声诊断与治疗，进一步提高临床诊断与治疗水平。超声诊断已广泛应用于内、外、妇科、儿科和眼科等临床各科。它已成为许多内脏、软组织器官病变首选的影像学检查方法,超声波是声源振动频率大于20000Hz的机械波超声波在介质中传播具有反射、折射、散射和衰减的物理特性；其中反射是超声成像的主要物理原理多普勒诊断法的物理基础是多普勒效应彩色多普勒血流成像的特点：以彩色信号的颜色表血流方向，色调表速度的快慢,课后小结,复习和思考题1、超声波的概念是什么？(重点)2、临床使用的二维超声主要是利用超声波什么物理原理？3、彩色多普勒血流成像的物理基础和显像特点是什么？4、为什么经腹子宫附件超声检查时患者要充盈膀胱？5、超声检查的优势有哪些？,