超声成像的基本原理
超声波具有较好的方向性及穿透性，并对人体安全无害，因而被广泛应用于医学成像领域。超声成像的基本原理为人体各种器官与组织之间存在声阻抗特性的差异。基于上述差异，向人体发射超声波时，不同组织将产生不同的反射波信号。接受上述反射波信号并通过波束成形等一系列生物工程处理，用明暗不同的光点依次显示在屏幕上，从而生成可供医学观察及诊断使用的超声声像图。
超声的成像方式较多，在皮肤超声中，最常使用的是灰阶超声成像和多普勒超声成像。其中，多普勒超声成像在皮肤中最常用的是彩色多普勒血流成像、脉冲多普勒成像和能量多普勒成像。
（一）灰阶超声成像
灰阶超声成像又称为辉度调制法（brightness modulation display），即B型法（B-mode），其工作原理为将快速扫查的单声束或同时扫描的多声束在人体组织传播途径中遇到的各个界面所产生的回声，以光点的辉度（亮度）显示在示波器屏幕上，组成所检查组织断面回声的二维图像。辉度从无到强（饱和）的亮度变化，分为若干等级，即为灰阶（grey scale）（图1-2-13）。
图1-2-13 灰阶超声成像
①机械指数；②软组织热指数；③频率；④增益；⑤斑点降噪成像/帧平均；⑥灰阶图；⑦动态范围；⑧声功率输出；⑨灰阶标尺；⑩机器Logo
（二）彩色多普勒血流成像
对于皮肤的血流信号检测，较为常用的是彩色多普勒血流成像。它是基于多普勒原理，利用多声束快速采样，把所得的血流信息经相位检测、自相关处理、彩色灰阶编码，将血流方向以不同的颜色标识，并将其叠加显示在B型声像图上。临床工作中，通常用红色代表朝向探头的血流，蓝色代表背离探头的血流，彩色亮度显示血流速度的高低（图1-2-14）。彩色多普勒血流成像仅可以定性描述血流速度的大小，不能进行定量的血流速度的分析。
层流为单纯的红色或蓝色，绿色表示有湍流。湍流时，正向血流红中带黄（红色与绿色的混合）；负向血流蓝中带紫（蓝色与绿色的混合），但应注意与混叠现象的鉴别。
图1-2-14 彩色多普勒血流成像
①彩色标尺；②Nyquist速度；③血流背向探头；④血流朝向探头
（三）脉冲多普勒
血流的定量检测都会用到脉冲多普勒。它是利用脉冲采样的方式来分析血流信号的多普勒频移，多普勒频移信号由超声诊断仪处理后以频谱图的方式在荧光器上显示。脉冲多普勒检测血流的原理基于多普勒频移，超声探头向体内发射脉冲超声波（假设频率为f0），超声波在遇到流动的红细胞（假设多普勒角度为θ）时产生散射，红细胞背向散射信号（假设频率为fr）被超声探头接收。由于红细胞一直在运动，探头接收到的红细胞背向散射信号频率fr与探头发射脉冲超声波的频率f0间产生多普勒频移（假设频移为fd），根据多普勒频移公式，当检测血流速度（假设为v）时，有如下公式（5）：
公式中，v为血流速度，c为声速（1 540 m/s），f0为探头频率，fd为多普勒频移，θ为声束与血流间夹角。
决定流速测定值的因素包括探头频率、频移、声速与血流方向的夹角。f0越小，可测量的血流速度越大，对高速血流，选择低探头发射频率。血流速度与fd呈正比关系。
频移测值与真实流速差异大小取决于声速—血流夹角大小。①θ=0°，cosθ=1：此时声速与血流平行，检测值最接近真实流速。②θ=90°，cosθ=0：此时声速垂直于血流，检测值为0。应将声速—血流夹角调节至最小，并行角度校正。探测角度必须小于60°，以使测量误差控制在20%之内。
此外，脉冲多普勒成像测定流速时超过尼奎斯特频率极限（Nyquist frequency limit）时出现彩色混叠。脉冲重复频率（pulse repetition frequency，PRF）为每秒钟发射脉冲波群的次数。Nyquist frequency limit= 1/2 PRF，多普勒频移如超过1/2 PRF，超过阈值限度的部分发生反转，便出现混叠现象（aliasing），表现为彩色多普勒血流速度峰值处色彩倒错，红变蓝或蓝变红；频谱多普勒曲线顶峰处折断，折断部分移到基线另一侧。
多普勒超声成像时，探头接收的频移信号经超声仪器处理后用频谱图的方式显示在荧光屏上（图1-2-15）。
图1-2-15 脉冲多普勒血流频谱图
1.基线
基线表示流速为零的水平，用于区分血流方向，上方的波形表示血流朝向探头，下方的波形表示血流背离探头。(https://www.daowen.com)
2.“窗”
“窗”表示无频率显示区域。
3.频带宽度
频带宽度表示某一瞬间取样容积内红细胞运动速度分布范围的大小。分布范围大，频带宽；反之则窄。
4.收缩峰
收缩峰表示在心动周期内达到的收缩峰值流速。
5.舒张期末
舒张期末指舒张期的最末点，即将进入下一个收缩期。
（四）能量多普勒成像
为了比较敏感地显示细小血管的分布，能量多普勒在皮肤超声中也得到了一定的应用，其利用由红细胞散射能量形成的信号检测慢速血流，除去了频移信号。能量多普勒成像的主要原理是提取返回多普勒信号的能量强度以显示血流运动的存在，但不显示其相对速度和血流方向，可获取全方位血流信号，没有入射角度的依赖性，具有较高的信号噪音比（S/N ratio），提高了血流检测的敏感性，尤其对于检测低速血流极为敏感。此外，能量多普勒可显示平均速度为零的血液灌注区，不存在频率极限问题，无彩色混叠现象，但易出现闪烁伪像。灰阶及多普勒超声成像见图1-2-16。
图1-2-16 灰阶及多普勒超声成像
A.灰阶超声成像（探头频率：9 MHz，箭头所指处为灰阶标尺）。B.彩色多普勒血流成像（探头频率：9 MHz，箭头所指处为彩色标尺）。C.脉冲多普勒血流速度定量测量：Vs、Vd、RI和PI（探头频率：9 MHz，箭头所指处为测量数值）。D.能量多普勒成像（探头频率：9 MHz，箭头所指处为彩色标尺）
要点
●人体各种器官与组织之间声阻抗差异是超声成像的理论基础。
●彩色多普勒血流成像及能量多普勒成像可用于检测皮肤细小血管的血流灌注。