二、物理学原理

所有的超声图像都是声波与人体组织结构相互作用的结果。超声波是通过将交流电流的短脉冲作用于一连串密封于换能器内晶体上产生的。晶体因压电效应交替发生膨胀和收缩进而产生机械波,机械波通过耦合介质传播至皮肤进而进入人体。产生的波为纵向波。在纵向波中,粒子的运动与机械波的传播方向相同(图3-3)。这种运动可造成超声波传播方向区域组织的疏松和压缩(图3-4),其中一部分的声波反射回换能器,换能器可以被看作一种接收器或“收听者”,它可以将接收到的机械波转换成电能量。换能器必须直接的、稳当的与受检测者皮肤相接触以便更好地发出及接收声波。

图3-3　晶体交替发生膨胀和收缩进而产生纵向的机械波。在这幅简化的原理图中,单个的粒子(图中白色圆圈)产生与机械波传播方向相同的运动

超声学检查所产生的图像是机械超声波与生物组织及材质发生相互作用的结果。因为超声波的传播和接收间隔时间很短,所得图像可以快速地重建及刷新,所以我们可以得到一个实时的图像。泌尿系超声检查所使用的超声波频率是3.5~12MHz。(https://www.daowen.com)

机械波可以被很生动地描述为在基线正负方向往复运动的正弦波。在超声学检查中,正弦波的振幅代表着不同的压力值。我们通常使用标准的正弦波术语来描述超声波。波长(λ)是两个相邻波峰的距离。超声波在两个相邻的波峰完成一次运动称作一个循环。每秒完成一次周期就是我们熟知的1赫兹(Hz)。“周期”指的就是超声波完成一个循环所需要的时长。

超声波的“振幅”就是在正或负方向声波运动离基线最远的偏移。振幅相对应于超声波的机械能,是调节灰阶超声图像素亮度的关键属性,当超声波的振幅越大,超声图像素的亮度越高。

图3-4　区域组织交替的稀疏和压缩可以被描述为正弦函数波。在这幅图中,波长(λ)是两个相邻压缩顶峰的距离。这幅图形描述是理解声波在人体中的行为及如何产生超声图像的关键(From Merritt CRB.Physics of ultrasound.ln:Rumack CM,Wilson SR,Charboneau JW,Johnson J,editors.Diagnostic ultrasound.3rd ed.St.Louis:Mosby;2005.p.3-34.)