超声切面与图像
1.超声成像原理和超声声窗 超声波是指振动频率大于20 000Hz的声波。超声波有三个基本物理量，即波长（wavelength，λ）、频率（frequency，f）和声速（velocity，C），它们三者的关系为：C=λ×f。超声波有明显的方向性，故又称为超声束（ultrasonic beam）。超声波在人体软组织的传播速度是1 500m/s，经过不同声阻的介质界面时会发生反射。由于在特定组织（即介质）中的声速是恒定的，根据超声波由探头发出、被反射体反射并返回探头的时间，可准确计算出反射体与探头之间的距离。由于人体不同组织（血液、血管壁、心肌等）的声阻不匹配，而构成多个反射体。探头发射的超声波的一部分能量被反射，剩余的超声波继续向前传播，直至完全衰减。如果组织之间的声阻差异过大，超声波的声波能量被完全反射，就不能穿透组织进行成像。例如，超声波不能穿透骨骼和肺组织对心脏结构成像。由于胸骨骨骼和邻近充满气体的肺部组织的限制，经胸超声可探测到心脏结构的声窗（探头位置）有限，心脏超声声窗（图1-7）主要有：胸骨旁、心尖部、剑突下和胸骨上窝声窗。胸骨旁声窗、心尖部声窗为最常用的声窗，经食管超声心动图（TEE）的声窗则位于食管内、左心房的后方。
2.标准超声切面 心脏有三个标准正交超声切面（图1-8）：①心脏长轴切面：与心脏长轴平行，定义为左心室心尖至心底部的假想连线。超声切面扇形尖部为心脏前面，底部为心脏后部，图右代表头侧，图左代表足侧。②心脏短轴切面：与长轴平面垂直，横截心脏左心室主轴。相当于患者平卧，检查者从足侧向头侧观察心脏横截面。图像上、下端分别为心脏的前、后侧，图左代表心脏右侧，图右代表心脏左侧。③心脏四腔心切面：同时与心脏长轴和短轴切面垂直，从心尖至心底横截左、右心室和心房，即为心脏冠状切面。图像扇尖代表心尖，扇底为心底，图左为心脏右侧，图右为心脏左侧。通常以“探头位置”“切面类型”“切面水平”顺序表示心脏特定切面，如“胸骨旁-左心室短轴切面-二尖瓣水平”切面。
图1-7 超声声窗
①胸骨旁声窗。②心尖声窗。③剑突下声窗。④胸骨上窝声窗。
图1-8 标准心脏超声切面
3.二维超声切面如何建立 心脏的解剖位置告诉我们，心脏的长轴与人体躯干长轴成45°角，而心脏短轴是与心脏长轴直角相交的另一重要方位，心脏长轴和短轴是心脏结构方位的坐标。超声探头发射出超声声束，超声声束有一定的方向，如解剖心脏时手术刀的刀刃方向，沿刀刃方向“切割”心脏即得到心脏解剖结构的“切片”，提供某一特定切面的详细解剖资料。超声声束沿心脏长轴“切割”即可获取心脏长轴切面，沿心脏短轴“切割”即可获取心脏短轴切面。
4.切面方位 对超声心动图而言，心脏主要结构有4组瓣膜、心尖、乳头肌和室间隔等，心脏主要结构容易辨认可作为切面方位的参考。描述心脏结构在胸腔内的相对位置时（图1-9），靠近头侧的称为上方（superior，略为“Sup”），靠近足侧的称为下方（inferior，略为“Inf”），位于受检者右侧的称为右方（right，略为“R”），位于受检者左侧的称为左方（left，略为“L”），靠近前胸壁的称为前方（anterior，略为“Ant”），靠近后胸壁的称为后方（posterior，略为“Post”）。
5.超声图像的成像 压电晶体（piezoelectric crystals）固有的振动频率在超声波范围内，还有将电能和声能进行相互转换的特性，因此被广泛应用于超声成像系统。由压电晶体制作的超声换能器（probe）既是超声声束的发射体，又是超声声束反射的接收体。用于超声诊断的频率为1～20MHz，探头的频率高低与分辨性能有关，超声图像由探头的纵向、侧向或水平分辨力来描述。超声波声束穿过介质时能够分辨前后两点的最小距离称为纵向分辨力（axial resolution），而与超声束垂直的方向上左右两点最小距离的分辨能力称为侧向分辨力（lateral resolution），水平分辨力（elevational resolution）是指成像平面上辨别厚度差异的能力。纵向分辨力与超声波的频率成正比，超声波频率越高，纵向分辨力越强。侧向分辨力则与超声波声束的宽度有关，声束越窄侧向分辨力越好。超声束的厚度是决定水平分辨力的主要因素。高频探头发射的声波波长较短，图像分辨力较高，但组织穿透力较差。反之，低频探头发射的声波组织穿透力较强，但图像分辨力较低。
图1-9 心脏结构的方位示意图
左图为心脏结构的正面观，右图为心脏结构的侧面观。
超声成像的基础是根据界面反射或频移的原理所建立的，超声在人体组织中传播时，遇到不同声阻抗的声学界面而依次得到多个反射回波。将超声波反射回波转换成二维图像是一个涉及众多电子、数字化调控的复杂过程。一幅二维图像是以每秒60次的速度扫描心脏而获取的，通常心脏实时扫描频率选为30帧/秒左右。回波被接受后被换能器转换为电信号，这些电信号经接受放大和预处理后成为视频信号再送至数字扫描转换器（digital scan converter，DSC），DSC将这些图像信号进行数字化后处理转换成方便电视屏幕显示的组织靶器官图像，这就是现代超声扫描仪工作原理（图1-10）。
图1-10 现代超声扫描仪工作原理
超声检查前应了解超声探头的示标的意思，超声示标提示超声声束的方向，不同厂家生产的超声探头示标显示可能有些差别。目前超声切面图像的显示大多遵循美国超声心动图学会推荐的方法：扇形切面的尖端部分（近场）显示在图像的上部，远离探头的结构（远场）位于图像的底部。左心室长轴切面的上方心脏结构显示在图像屏幕的右侧，左心室短轴切面的左侧心脏结构显示在图像屏幕的右侧；四腔切面显像则为心脏左侧结构显示在图像屏幕的右侧，而右侧结构显示在图像屏幕的左侧。检查者可观察探头示标的位置而了解图像显示的方位。通常短轴切面和四腔切面探头示标指向受检者左侧，受检者身体左侧结构显示在切面图像的右侧；长轴切面探头示标指向受检者上方，受检者身体上方结构显示在切面图像的右侧（图1-11）。
图1-11 超声心动图图像的表示方法
A显示靠近探头的结构位于近场，而远离探头的结构位于远场；B、C、D分别为胸骨旁左心室长轴、短轴和心尖四腔切面图像表示方法，心尖四腔心切面心尖部位靠近探头，通常将图像上下倒转（D）。图像方位如图标示。Ant：前方，Post：后方，Sup：上方，Inf：下方，R：右侧，L：左侧。