诊断超声的物理特性
（一）定义
1.超声
为物体的机械振动波，属于声波的一种，其振动频率超过人耳听觉上限阈值[ 2000赫（Hz）或20千赫（kHz）]者。医学超声（medical ultrasound）是利用超声波的物理特性，通过研究声波在人体组织器官传播中的声学特性，为临床进行诊断或治疗的一门学科。
2.超声诊断
应用较高频率[1～40 MHz，常用为2.2～10 MHz间]超声作为信息载体，从人体内部获得某几种声学参数的信息后，形成图形（声像图，血流流道图）、曲线（A型振幅曲线，M型心动曲线，流速曲线）或其他数据，用以对疾病的信息进行分析。近年来，在声像图等引导下，可作各种穿刺、活检、造影或治疗（介入性超声），亦属于广义的医学超声范畴。
（二）声源、声束、声场与分辨力
声源：能发生超声的物体称为声源（sound source）。超声声源亦称为超声换能器（transducer），通常采用压电陶瓷（钛酸钡、锆钛酸铅、钛酸铅等）、压电有机材料（PVDF，PVDF）或混合压电材料（压电陶瓷与压电有机材料的混合物）组成。加以电脉冲后即转发声脉冲。用超声换能器制成可供手持检查用的器件则称超声探头。探头品种甚多，可分为单晶片机扫描型、多晶片电子扫描型、多晶片相控扇扫描型、相控环阵机扫描型等。此外，尚有单平面、双平面、腔内式等多种专用探头。
超声波的传播符合波的传播规律。在介质中传播通常有如下三种波形：①纵波：当媒质中粒子振动的方向与波传播的方向平行。固体介质当其体积发生交替变化时均能产生纵波。②横波：粒子振动的方向与波传播的方向垂直。由于介质除了能承受体积变形外，同时承受切变变形，因此，当其有剪切应力交替作用于介质时均能产生横波。横波只能在固体介质中传播。③表面波：在两种介质的界面传播中传播，具有纵波和横波的双重性质的波。可看成是由平行于表面的纵波和垂直于表面的横波合成。
声束（sound beam）：是指从声源发出的声波，一般它在一个较小的立体角内传播。声束的中心轴线称为声轴（beam axis），它代表超声在声源发生后其传播的主方向。如沿声轴做切面，则获得声束平面图。声束两侧边缘间的距离为束宽。
近场与远场：声束各处宽度不等。在邻近探头的一段距离内，声束宽度几乎相等，称为近场区Fresnelzone（near field），近场区为一复瓣区，此区内声强高低起伏；远方为远场区Fraunhoffer zone（far field），声束开始扩散，远场区内声强分布均匀。近场区的长度（L）与声源的面积（r2）成正比，而与超声的波长成反比（图2-1）。
即：1 mm=r2（mm2）λ（mm），或1 mm= r2（mm2）/f（MHz）/C（mm/s）
其中C≈1.5×106 mm/s
远场区声束扩散程度的大小亦与声源的半径及超声波长有关，用θ代表半扩散角时，则：Sinθ=1.22 λ/D，或：Sinθ：0.61 λ/r.因此，θ愈小，声束扩散愈小。
图2-1 近场与远场
D：声源直径；θ：半扩散角
近场区及远场区都有严格的物理定义，它随探头工作频率及探头发射时的有效面积而变化。实用超声仪上near及far名为近段（程）及远段（程）调节，而非近场区及远场区。
声束的聚焦（convergence）平面型声源无论在近场区或在远场区中声束束宽均嫌过大，使图像质量下降。故需加用声束聚焦技术。单片型探头一般在其表面加置声透镜聚焦；多阵元型探头需用两种聚焦方法——加置半圆柱形声透镜使声束在探头的短轴方向聚焦；使用多阵元的相控发射及相控接收使声束在探头的长轴方向聚焦。
分辨力（resolution power）：分辨力为超声诊断中极为重要的技术指标。可分为两大类：基本分辨力及图像分辨力。
1.基本分辨力
指根据单一声束线上所测出的分辨两个细小目标的能力。正确分辨力的测定系两个被测小靶标移动至回声波形与波形间在振幅高度的50%处（-6 dB）能分离时，此时两小点间距为确切的分辨力。模拟试块上测试分辨力受总增益及DGC（深度增益补偿）调节而明显改变，只供一般参考。基本分辨力又分3类。
（1）轴向分辨力：指沿声束轴线方向的分辨力。轴线上分辨力的优劣影响靶标在浅深方向的精细度。分辨力佳则在轴向的图像点细小、清晰。通常用3～3.SMHz探头时，轴向分辨力在1 mm左右。
（2）侧向分辨力：指在与声束轴线垂直的平面上，在探头长轴方向的分辨力。声束越细，侧向分辨力越好，其分辨力好坏由晶片形状、发射频率、聚焦效果及距离换能器远近等因素决定。在声束聚焦区，3～3.5MHz的侧向分辨力应在1.5～2 mm。
（3）横向分辨力：指在与声束轴线垂直的平面上，在探头短轴方向的分辨力（国内误称为厚度分辨力）。超声探头具有一定厚度，超声切面图像是一个较厚的断面信息的叠加图像，这就有横向分辨力的问题。横向分辨力是探头在横向方向上声束的宽度，它与探头的曲面聚焦及距换能器的距离有关。横向分辨力越好，图像上反映组织的切面情况越真实。
横向分辨力对超声图像的影响不可低估，图2-2是横向分辨力对图像影响的示意图。A图表示4个点不在一个平面内，但均在声束宽度内，而显示在同一图像平面上；B图表示与探头距离相等的2个线状物，它们也在声束宽度内，图像上却以一条线显示出来。
2.图像分辨力
是指构成整幅图像的目标分辨力。这种分辨力由1985年首先提出，它包括：①细微分辨力：用以显示散射点的大小。细微分辨力与接收放大器通道数成正比。而与靶标的距离成反比。故先进超声诊断仪采用256独立通道的发射——接收放大器，获得-20 dB的细小点的细微声像图。②对比分辨力：用以显示回声信号间的微小差别。一般为-40～60 dB间，而-50 dB更为适中。在采用数字扫描变换技术（DSC）后，可获得优越的对比分辨力。
图2-2 横向分辨力对超声图像的影响
左图：示意图；右图：胆囊切面厚度伪像（箭头所示）
3.彩色多普勒分辨力
彩色多普勒系统是将血管（心脏）腔内的血流状态用彩色标示并完全重叠在实时灰阶声像图上。彩色多普勒分辨力分为两类。
（1）空间分辨力：指彩色血流信号的边缘光滑程度以及这种彩色信号能在正确解剖学的管腔内显示的能力，还包括能同时正确地在空间清晰显示几条血管中血流方向、流速及血流状态的能力。
（2）时间分辨力：指彩色多普勒系统能迅速地反映实时成像中不同彩色及彩色谱的能力。时间分辨力即反映心动周期中血流的不同位相的能力。
（三）人体组织的声学参数
1.密度（p）
各种组织、脏器的密度为重要声学参数中声特性阻抗的基本组成之一。密度的测定应在活体组织保持正常血供时；任何降低动脉血供或致使静脉凝血，以及组织固定后的测值均缺乏真实意义。密度的单位为g/cm3。
2.声速（c）
声波在介质（或媒质）内的传播速度。单位为m/s或mm/μs，不同组织内的声速不同。一般说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；含水分较高的软组织声速较低；体液的声速更低；而含气脏器中的气体，其声速最低（表2-1）。
表2-1 人体正常组织的密度、声速和声特性阻抗
（续表）
3.声特性阻抗（acoustic specific impedance）（Z）
为密度与声速的乘积。单位为g/（cm2·s）。声特性阻抗为超声诊断中最基本的物理量，但它不可简称为声阻抗。声像图中各种回声显像均主要由声特性阻抗差别形成。
4.界面（boundary）
两种声特性阻抗不同物体接触在一起时，形成一个界面，接触面的大小称为界面尺寸。尺寸小于超声波长时为小界面；反之称为大界面。不同频率在人体软组织中的波长参见表2-2。
表2-2 不同频率超声在人体软组织中波长(https://www.daowen.com)
均质体与无界面区：在一个脏器、组织中如由分布十分均匀的小界面组成称为均质体；无界面区仅在清晰的液区中出现。液区内各小点的声特性阻抗完全一致。人体内无界面区在生理情况下可见于胆囊内胆汁、膀胱中尿液、成熟卵泡以及眼球玻璃体；在病变情况中可见于胸水、腹水、心包积液、盆腔积液、囊肿、肾盂输尿管积水等。
（四）人体组织对入射超声的作用
人体组织对入射超声可产生多种物理现象，表现为声像图的各种特征。
1.散射（scattering）
小界面对入射超声产生散射现象。散射使入射超声能量中的一部分向各个空间方向分散辐射，故散射无方向性，其返回至声源的回声能量甚低。但散射回声来自脏器内部的细小结构，其临床意义十分重要。
2.反射（reflection）
大界面对入射超声产生反射现象。反射使入射超声能量中的较大部分向一个方向折返，大界面反射遵守Snell定律，即：①入射和反射回声在同一平面上；②入射声束与反射声束在法线的两侧；③入射角与反射角相等。
平滑大界面如入射角过大，可使反射声束偏离声源，则回声失落而在声像图上不显示此界面。
反射的能量的大小取决于界面两侧介质的声特性阻抗差。组织间（介质）的声特性阻抗相差越大，反射率越大；当声特性阻抗差大到一定程度时，可造成超声的能量几乎全部反射，不再到达深部组织。例如空气软组织界面和骨骼软组织界面。如声特性阻抗相差较小时，两种介质构成的界面反射率小，仅一小部分被反射，大部分透射到深层组织，当发射的能量低到一定程度上可造成图像上不能显示。均匀的介质中不存在声特性阻抗差，故无超声反射，换能器接收不到该处的回声，例如胆汁和尿液中就没有回声，声像图上出现无回声的区域。介质间的声特性阻抗相差0.1%即可出现超声反射，超声检查是一种比较灵敏的方法。
3.折射（refraction）
由于人体各种组织、脏器中的声速不同，声束在经过这些组织间的大界面时，产生声束前进方向的改变，称为折射。折射角与入射角的正弦比值与界面两侧的声速比值相等。由于折射效应，示波屏上的声像图在实际上是一幅多向扭曲的图形。折射可使测量及超声导向两个方面产生误差。
4.全反射（total reflection）
如第二介质中声速大于第一介质，则折射角大于入射角。入射角增大至某一角度时，可使折射角等于90°，即折射声束与界面平行，此时的入射角称为临界角。入射角大于临界角时，折射声束完全返回至第一介质称为“全反射”。全反射不遵守Snell定律中的第三个条件。全反射发生时不能使声束进入第二介质，该区因“失照射”而出现的图形病灶两侧边缘后方的“折射声影”。
5.绕射（diffraction）又名衍射。在声束边缘与大界面之间的距离，等于1～2个波长时，声束传播方向改变，趋向这一界面，称为绕射现象。声束绕过物体后仍以经偏斜后的方向传播。
6.衰减（attenuation）声束在介质中传播时，因小界面散射、大界面的反射、声束的扩散以及软组织对超声能量的吸收等，造成了超声的衰减。声衰减系数（α）的单位为dB/cm。在人体组织中，超声的弛豫吸收引起声衰减系数α与频率近似成正比，即α=pβ（式中β也为声衰减系数，单位dB/cm·MHz，f为超声频率）。人体软组织的衰减计算比较复杂，一般说声衰减与选用的频率1次幂成正比，与距离的1次幂成正比。由于衰减现象的普遍存在，故需在仪器设计中使用“深度增益补偿（DGC）调节”，使声像图深浅均匀（图2-3）。
图2-3 图像的DGC调节示意图
7.会聚（convergence）声束在经过圆形低声速区后，可致声束的会聚。液性的囊肿或脓肿后方可见声束会聚后逐步收缩变细，呈蝌蚪尾状。在声束通过梭状的腹壁脂肪块后，亦可有一些声束会聚产生（图2-4）。
图2-4 超声的会聚
8.发散（divergence）声束在经过圆形高声速区后，可致声束的发散。实质性含纤维成分较多的圆形肿块后方可见声束发散，呈“八”字形。有些肿瘤内含纤维较多，其后方常呈发散现象（图2-5）。
图2-5 超声的发散
9.多普勒效应（Doppler effect）入射超声遇到活动的小界面或大界面后，散射或反射回声的频率发生改变，称为多普勒频移。界面活动朝向探头时，回声频率升高，呈正频移；反之，回声频率降低，呈负频移。频移的大小与活动速度呈正比。因此，利用多普勒效应可测算出有无血流或组织的活动、活动方向及活动速度，以此原理发展成彩色多普勒超声血流成像系统（图2-6）。
图2-6 超声多普勒效应
A.多普勒正频移；B.多普勒负频移
（五）入射超声对人体组织的作用
超声携带能量大小差别较大。脉冲式超声通常可分为4种超声声强（acoustic intensity）：①空间平均时间平均声强；②空间平均时间峰值声强；③空间峰值时间平均声强；④空间峰值时间峰值声强。其中，空间峰值时间平均声强（SPTAI，或ISPTA）在生物效应中最重要。1970年代中期曾建议SPTAI不得大于100 mW/cm2。但近来发现即使SPTAI≤100 mW/cm2，仍可使细胞分裂时姊妹染色体互换率增加，活体血小板计数增加并出现伪足，红血细胞膜抗原松解及氧结合力下降。在妇产科常规诊断时，可导致妇女提早排卵，胎儿出生体重低及儿童诵读困难等。在人体组织中对超声敏感者有中枢神经系统、视网膜、视神经、生殖腺、早期妊娠胚胎、胎儿颅脑、胎儿心脏等。对这些脏器的超声检查，每一受检切面上其固定持续观察时间不应超过1分钟，建议往复扫查，从而降低进入该组织的平均声能量。如果对同一区域组织仍需观察，可在相隔2～3分钟后再至先前的感兴趣切面固定观察，但持续观察时间仍不应超过1分钟。
须注意的是：即使在同一超声诊断设备、同一探头和同一工作频率时，随着显示方式的不同而可产生完全不同的SPTAI。例如：二维声像图显示时探头发射的超声声强SPTAI为100 mW/cm2，而彩色声像图显示时SPTAI可达600～800 mW/cm2，频谱多普勒显示时SPTAI升高达1000 mW/cm2。因此，对不同的检测脏器行不同显示方式时，必须调整声强到安全值以下。国际上对超声声强的使用极限值报告[ EDA 510（k）]如下（表2-3）。
表2-3 EDA 510（k）超声诊断声强使用数据
*其他：包括腹部、术中、儿科、浅表器官、新生儿头颅、成人颅脑。
1994年开始，国际新规定在超声诊断仪上用热指数（TI）及机械指数（MI）。TI为探头输出的声功率与从计算所得使受检组织升温1℃所需声功率之间的比值，又可分为：①Tlb指声束经软组织至骨骼表面条件下的TI值；②TIc指声束经过探头近区的骨骼再进入体内软组织条件下的TI值；③TIs指声束在单纯软组织中的TI值。MI为超声空化效应的重要参数。为声轴线上昀弛张期峰值负压除以声脉冲频宽的中心频率平方根值。即MI=PR/（fC）1/2。
（六）人体血流动力学基础
血流动力学是将流体力学的观念和方法应用在人体血液流动的研究中，从而探讨人体血液流动的变化规律，并为不同病理状态对血液流动的影响提供依据。利用差频超声方法可以显示和研究血液的各种变化规律。
1.血流量（blood flow）
是指在单位时间内流经血管某一截面的血容量（体积），又称容积速度。单位为ml/min或L/min。超声检查中可以通过计算血管横断面积和通过该平面的平均血流速度估计血流量，公式为Q= Vmean×A（Q：血流量，Vmean：平均流速，A：血管截面积）。
泊肃叶定律（Poiseuille's law）是适用于层流状态的血液流动规律，可以计算出血流量，Q=（πr04 （P1-P2））/8 ηL其中，Q代表血液流量，△P是管道两端的压力差，r0为血管半径，L是血管长度，η为血液的黏滞度，与液体黏滞度η有关。由该式可知单位时间内的血流量与血管两端的压力差（P1-P2）以及血管半径的4次方成正比，而与血管的长度成反比。也就是在其他因素不变的情况之下，如果血管甲的半径为血管乙的两倍，那么，前者的血流量是后者的16倍。所以血管直径是决定血流量多少的重要因素。
2.血流速度（blood velocity）
血流速度指血液中某一质点在管内移动的速度。当血液在血管内流动时，血流速度与血流量成正比，而与血管的横截面积成反比。
3.血流方式
血流方式是指血液在管道中流动的形式，可以分为层流（laminar flow）和湍流（turbulenceflow）。层流是一种规则运动，在层流的情况下，液体每个质点的流动方向一致，均与管道长轴平行，但各质点的流速可不同，在管道中央轴心处流速最快，越近管壁的轴层流速越慢，各轴层速度矢量为抛物线图。
正常情况下人体血液循环属于层流形式。然而当血流速度加速到一定程度时层流即可被破坏，血液中各个质点的流动方向不一致并出现漩涡，称为湍流。在湍流的情况下，不适用泊肃叶定律，可用雷诺数（Reynolds，简写为Re）来判断。通常当Re数超过2000时，即可形成发生湍流。当血流速度快、血管口径大、血液黏滞度低的情况时，容易发生湍流。正常情况下，心室内存在着湍流，一般认为这有利于血液的充分混合。病理情况下，如房室瓣狭窄、主动脉瓣狭窄以及动脉导管未闭等，均可因湍流形成而产生杂音。
4.血流阻力（blood resistance）
指血液在血管内流动时所遇到的阻力。造成的原因为血液流动时的摩擦，从而导致势能或动能转化为热能。因此，血液流动时的能量逐渐消耗，使的血液流动的压力差逐渐降低。湍流时血液的流动方向不一致，阻力更大。血液黏滞度的变化也可以影响血流阻力。在其他因素恒定情况下，黏滞度越高，血管阻力越大。正常血液的黏滞度为水的4～5倍。