超声诊断的基础和原理

陈云

超声是物体的机械振动波，它的频率高于20000赫兹。而超声诊断则是以超声为基础，将超声检测技术应用于人体，通过超声诊断仪器检测生理或组织结构的数据和形态，从而侦测人体疾病一种诊断方法。超声诊断频率一般为1-40兆赫兹，常用频率为2.2-10兆赫兹。本文即就超声诊断的基础和原理进行相关介绍。

一、声源、声束、声场、分辨力

1.1声源

声源是指能产生超声的物体，一般组成成分为压电物质。其中，超声的放射是逆压电效应，即电能转变为机械能，而接收的过程则与放射相反。

1.2声束

声束是指自声源放射出的超声波，它的传播区域通常在小立体角中。实际操作中，可使用声束聚焦的方法将声束变细，从而使最终成像更加清晰。

1.3声场

声场可分为近场和远场两种。近场是指声束宽度均匀，但声强不均匀的声场，而远场是指声束扩散，声强均匀的声场。

1.4分辨力

分辨力可分为基本分辨力与图像分辨力两种。

前者是指在测量结果中，辨别同一声束线上两个细微之处间差异的能力，根据实际测量的方向关系可继续划分为轴向、侧向与横向分辨力。

后者是指组成最终成像的分辨力，可继续划分为细微分辨力与对比度分辨力，其中，细微分辨力针对的是图像上呈现散射点的大小，对比度分辨力则是指呈现不同回声信号间细小差异的能力。

二、人体组织的声学参数

1.1密度(ρ)

人体内不同组织的密度是声阻抗的重要构成之一，单位是g/cm3。需要注意的是，实际密度测定需要在活体组织血供正常时进行，否则会导致测量值缺乏真实意义。

1.2声速(c)

声速是指声波在介质中的传播速度，单位是m/s或mm/us。人体内不同组织中的声速存在差异，通常情况下，由于组成成分及含量的差别，不同组织的声速可按逐渐降低的次序呈以下排布：固体物含量高、纤维组织含量高、含水量高、体液、含气脏器中的气体。

1.3声特性阻抗(Z)

声特性阻抗是密度与声速的乘积，单位是g/( cm3·s)。该参数可简称为声阻抗，在仪器生成的图像中，不同回声的形态变化主要是受声阻抗差异的影响。

1.4界面

当两种声阻抗不同的物体相接触，就会形成一个界面。根据接触面的大小差异，界面可以分为小界面与大界面。当不同物质之间的声阻抗差≥1%，就会形成声学界面，由此导致反射的产生，阻抗差的变化和反射及回声的改变成正比关系。

三、人体组织对入射超声的作用

1.1散射

人体组织的小界面对会入射超声产生散射。散射回声是源于各类脏器中的微型构造，可以直观反映出人体内部状况，具有极其关键的临床作用。在医学中，就可以通过血细胞散射来获取血流中的多普勒频移。

1.2反射

人体组织的大界面会对入射超声产生反射。这种反射完全符合斯奈尔定律。

1.3折射

人体内不同组织的声速均存在一定的差异，当声束通过组织大界面时，它的行进方向会有所改变，这种方向转变的现象就称为折射。

1.4全反射

假设B组织的声速高于A组织，声束与界面法线的夹角高于临界角时，发生折射的声束会全部进入A组织，这种现象就是全反射。

1.5绕射

绕射又名衍射，是指在遇到阻碍时，声波可以绕过其边缘继续传播的现象。

1.6衰减

声束在介质中传播时，由于界面的反射与折射，超声被组织所吸取等，这些现象就造成最终超声的衰减。

1.7会聚

声束在经越圆形高声速区后，可致声束的发散。

1.8多普勒效应

在超声诊断中，此效应指目标组织与超声波产生相对运动时，探头所测得的回波频率与超声波频率会产生差异。其固有规律是，当超声波靠近目标体时频率变大，远离目标体时频率随之变小。

四、不同种类超声诊断的基础和原理

当前，广泛用于医学诊断的超声波主要包括A型、B型、M型、D型等。

1.1超声示波法（A型）

诊断原理：在人体组织中，声束运动到存在声阻抗差异的界面时，会在形成回声，也就是产生了反射，每遇到一个界面就会形成对应的回声，这些回声会在示波器上以波的形式呈现。

诊断基础：当人体组织发生病变时，异常状态下的结构和物理性质均会产生变化，从而产生一些超声界面，掌握不同界面的回声规律就是诊断的基础。

1.2二维超声显像法 （B型）

诊断原理：应用回声原理。

诊断基础：深入分析测量所得的切面声像图。实际分析的内容包括：形状，边界、内部以及后方回声等。

1.3超声光点扫描法（M型）

诊断原理：应用回声原理。M型仪在不改变其垂直方向深度扫描线的同时，又在水平板上加以速度较低的扫描波，在水平方向上扫描回声，表示时间。

诊断基础：在固定探头位置的条件下，心脏的各组织与探头的间距会形成规律性变化。这时加以某固定方向的扫描，就可以得到心脏不同组织的回声曲线。

1.4超声频移诊断法（D型）——多普勒超声诊断法

诊断原理：多普勒效应，产生频移。

诊断基础：在人体中，超声波以某一速度向血流运动，而血流又以某一速度向超声波运动，在此运动过程中由探头实时接收反射信息，获得的回波频率和超声频率会产生一定偏移，经信号处理可检出多普勒频移。

五、结语

综上所述，超声诊断是应用回声原理，通过超声诊断仪向人体内发射超声，在存在声阻抗差异的界面会形成相应的回声，然后由仪器实时接收后以图像的形式呈现在屏幕上，从而供临床研究使用的诊断方式。超声诊断与X射线、CT、磁共振成像并称为四大医学影像技术，具有深刻的医学研究意义。

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