超声诊断

利用超声在人体各种组织内的传播特性不同而形成的影像,根据图像的特征对生理、病理情况作出判别的诊断方法。

超声诊断无损伤性,检查方便,图像直观,诊断快速,故深受临床医生和病人的欢迎。1980年代,超声显像技术以惊人的速度发展,成为现代化医院中必不可少的诊断手段。它与 X射线、电子计算机断层成像、放射性核素扫描和磁共振成像被认为现代医学的四大影像诊断技术(见医学影像学)。

超声诊断所用的频率一般为1~10MHz。小于1MHz的超声波,其波长较长,分辨率较差,不能用于诊断。从理论上讲,频率越高,波长愈短,分辨率愈好,对疾病诊断更有利。但由于频率愈高,超声在组织内衰减愈大,不利于作深部组织检查。此外,发射频率由探头晶体厚度决定,频率愈高,晶体愈薄,以目前普遍采用的压电陶瓷作晶体,很难做出超过10MHz的探头。实际上,超声诊断常用频率只有 2.25MHz、3MHz、3.5MHz、5MHz、7.5MHz等几种,此时在人体软组织中超声的波长约为0.2~0.7mm。

超声在介质中传播时本身携带能量。声强的大小对超声诊断极为重要。只有当超声强度很小时,超声对人体才是安全的;当超声强度超过一定限度时,它对人体组织也会产生损害。目前国际上对超声诊断的安全阀值剂量尚未获得一致的认识,但一般认为小于10mW/cm2的诊断超声强度对人体是安全的。

超声诊断原理

可从其物理原理及成相原理两方面探讨。

超声诊断的物理原理

超声在介质中传播时,会发生反射、折射、散射、绕射、衰减和多普勒效应等。这些特性不仅与介质性质有关,而且与所作用的物体的界面大小有关。设物体直径为d,超声波长为λ,则在大界面(d》λ)上发生反射和折射,在小界面上发生绕射(d~λ)和散射(d《λ)。

超声在大界面上的反射和折射定律与光学是一样的,即入射角θi等于反射角θrir),入射角的正弦与折射角(θt)的正弦之比等于两种界质中的声速(c)之比,即公式 符号(如图1)。在垂直入射时,超声在两种介质交界面上的声强反射系数αIr取决于界面两边介质的声阻抗(Z)差,公式为

公式 符号

式中Z1Z2分别为介质Ⅰ和介质Ⅱ的声特性阻抗。可见声阻抗差大则反射回声强,声阻抗差小反射回声弱,如果两种声阻抗相等,则界面上没有回声。超声的散射强度则与入射超声频率的四次方成正比。

图

各种超声诊断仪正是利用这些特性研制而成。如 A型和B型超声诊断仪利用组织的反射和散射,D型超声诊断仪利用红细胞对超声的散射等。

声成像原理

超声诊断依赖于超声设备。只有把反射和散射的回声信号接收、处理并在显像屏上显示出来,才可用于临床诊断。设备的好坏和图像的质量,对临床诊断正确率起着关键作用。从原理上说,超声成像可以有反射成像,也可以透射成像,但目前临床应用的都是反射成像仪器,故这里介绍反射成像的主要技术。

(1)脉冲回声检测技术。在超声显像仪中,脉冲超声的发射和接收都是通过同一压电晶体完成,发射超声利用逆压电效应(电-声转换),接收超声利用正压电效应(声-电转换)。压电换能器在电子开关控制下,遵循这样的工作过程:振荡器不断产生电脉冲,激励压电换能器产生超声脉冲,换能器发射第一个超声脉冲后,立即处于接收状态,入射超声穿过各层组织时产生一系列回声,被换能器接收后又产生一系列电脉冲,经主机处理后送显示器显示;第二个电脉冲来时,换能器停止接收,处于发射状态,待发射第二个超声脉冲后,又处于接收状态……依次类推。

假定换能器与被测物体之间距离为x,换能器发出的超声脉冲在人体软组织中传播速度为c,超声从发出经过界面反射又到达换能器的时间为τ,则公式为

公式 符号

显然,只要测量出回波出现与起始超声脉冲的间隔时间,即可求得换能器与物体之间的距离x(图2)。亦即可测出物体的深度。由于正常组织的声阻抗与病变组织不同,病变组织有可能在被测物体内形成异常回声,从而帮助检查者识别病灶的区域及性质。

图

(2)B型扫描技术。换能器每发射一个超声脉冲后就处于接收状态,它把接收到的人体内的回声转变为电信号,经过放大、检波、滤波、时间增益补偿等环节处理后,在显示器上显示一条超声信息线。但一条信息线不能形成图像,必须使超声束沿人体表面扫描,即超声束按照一定规律改变探测部位,以获得相应位置的超声信息线,若干条超声信息线的组合就形成一幅二维超声图像。

B型扫描图像的基本特点是:其中一维(纵轴)表示由组织反射的回波信号经直线路径到达换能器的时间,它反映组织的深度。另一维(横轴)表示超声束在扫查方向上的位置,它反映断层图像的宽度。显示器上每一条扫描线与超声束在组织内的传播,两者具有严格的对应关系,因此显示的图像能很好地反映被测组织的二维空间分布(图3)。

图

超声沿人体表面扫描的常用方法有三种:一为线性扫描,其扫描方向沿着一条直线运动,此法适用于腹部检查。二为扇型扫描,探头位置在体表保持不变,换能器通过机械方式(摆动或旋转)或电子相控方式进行扇形扫描,此法适用于心脏检查。三为弧型扫描,又称手动复合扫描,探头沿着一个圆的弧线扫查,适用于腹部大范围的检查。

(3)灰阶显示技术。组织内部的回声大小差异甚大,浅表部位回声强,深部回声弱;反射回声强,散射回声弱等,大小信号可差别100dB。早期的B型显像仪对返回的超声信息设置一个阈值,高于此值的回声在显像屏上显示一个亮点,低于此值的回声在显像屏上显示暗点(不显示),这就是双稳态图像。由于脏器内部细小组织的散射回声幅度较低,都不显示,只有大界面上反射的强回声才能显示出来,故这种仪器只能显示脏器的大界面和轮廓,不能显示脏器的内部病变。所谓灰阶,就是把幅度范围很大的组织回声,经过一定处理,如对大界面的反射回声给予压缩,对脏器内部的散射回声给予放大等,使其以不同的亮度等级在显像屏上显示。灰阶显示技术大大丰富了超声图像的信息,增加了层次,使临床医生能通过超声图像观察脏器内部结构及较小的病变。

(4)聚焦技术。分辨率是衡量超声显像仪质量好坏的最重要的指标。分辨率高的仪器图像才清晰,能显示脏器的细小结构,利于病变的早期发现。提高分辨率的主要手段就是通过机械的方法或电子的方法,使声束实现聚焦。

线阵或相控阵探头的换能器是一块长方形晶体,一般在短轴方向采用声透镜聚焦,以改善厚度分辨率;在长轴方向上采用电子聚焦或电子动态聚焦,以改善横向分辨率。电子聚焦的焦点是固定的,因此在焦区声束较细,横向分辨率较好,但在近场和远场声束还是较宽,分辨率仍然较差。所以,现代 B型超声显像仪一般都采用3~8点电子动态聚焦,以获得从近距离到远距离横向分辨率都较高的动态聚焦图像(图4)。

图

电子动态聚焦较好地解决了长轴方向上波束集中的问题,但短轴方向上的声束宽度仍不能根本改善。为此,发展了环阵探头技术。环阵探头的晶片是由多个同心圆环组成,它的声束呈柱状,长轴和短轴方向宽度均相同。对环阵探头作电子动态聚焦时,不仅聚焦区长,可在探查区域实现全程聚焦,而且可在每个方向上最大限度地压缩超声波束的宽度,从而获得最佳的图像分辨率。

超声诊断仪分类

超声诊断仪型号很多,但基本可以分为A型、M型、B型和D型四种。

A型超声诊断仪

是最早的超声诊断仪,1960年代初已在中国普及。用单晶片探头产生一条超声信息线,回声信号的强度通过幅度(amplitude)调制显示,并根据回波幅度、波数以及波的形态等特征对疾病进行诊断(图3)。70年代以来,A型超声诊断仪基本上被B型超声显像仪取代,但它在某些疾病如脑中线控测、浆膜腔积液的穿刺定位、肝脏脓肿的穿刺引流定位等的诊断中仍有实用价值。

图 B型超声诊断仪

是目前临床应用最普遍的超声诊断仪。是在A型超声诊断仪的基础上发展起来的,其工作原理与A型有许多相同之处,如采用脉冲回声技术等。不同之处主要有三点:

(1)B型将A型的幅度调制显示改为辉度(brightness)调制显示,它将放大后的回声脉冲电信号送到显示器的阴极上,使显示的亮度随着回声信号的大小而变化。

(2)B型为单晶片或多晶片,采用扫描技术,产生若干条超声信息线,以构成一幅二维切面图像。

(3)医生根据切面图像的特征,如图像形态、灰度、组织结构、边界回声、回声总体分布、脏器后方情况及周围组织表现等作出综合判断。 B型扇扫图像用于心脏疾病诊断时,得到一幅实时的运动的心脏切面图像,即二维超声心动图。B型超声诊断仪在临床应用范围广泛,几乎涉及到临床所有学科,用于肝、脾、胆、胰、胃肠、肾、肾上腺、膀胱、前列腺、女性生殖系统、腹腔和腹膜后肿瘤等腹部脏器疾病的诊断;颅脑、眼及眼眶、颌面、颈部、甲状腺、咽喉、乳腺、纵隔、胸膜、肺等头、颈、胸部疾病的诊断;先天性心脏病、风湿性心脏病、冠状动脉硬化性心脏病、心肌病,血管病等心血管疾病的诊断。

M型超声诊断仪

是在A型的基础上改造而成的一种用于诊断活动器官的超声诊断仪。用单晶片探头,回声以辉度调制显示。M型显示中,横轴代表时间,纵轴代表组织活动的幅度,于是得到了组织运动随时间展开的曲线(motion-time curve),又称 M型超声心动图。M型超声诊断仪根据不同探查部位的波群特征对心脏疾病作诊断,60年代开始应用于临床,70年代初在临床普及,对各中脑嗉膊∮绕涫前昴げ【哂兄匾牧俅舱锒霞壑怠T诙亩脊惴浩占暗慕裉欤栽诹俅灿τ弥衅鹬匾饔谩

D型超声诊断仪

是各种超声多普勒诊断仪的总称,都利用多普勒效应(Doppler effect),对运动脏器和血流进行探测。目前有连续波多普勒、脉冲波多普勒和彩色多普勒血流显像仪3种。

当声源和接收器之间发生相对运动时,接收器接收到的声音频率与声源发射频率之间存在一个频率的偏移,简称频移,这种现象称为多普勒效应。在对人体作超声检查时,超声多普勒效应可用下式表示

公式 符号

式中v为血流速度,┃0为发射超声频率,c为血液中的声速(c=1540m/s),┃d为频移,θ为声束轴线与血流速度矢量之间的夹角。“±”号为血流方向,+号表示血流朝向换能器时产生正性频移,即频移向上;血流背离换能器而去时,产生负性频移,频移向下。这就是各种D型诊断仪的基本原理(图5)。

图

(1)连续波多普勒。是一种最简单的超声多普勒诊断仪,它早在50年代就已问世并在临床应用。仪器简单,使用方便、价格便宜。由于它发射的是连续波超声,因此只能接收声束通道上多种血流的混合信号,不能对血流作定点检测,这一缺点极大地限制了它的临床使用范围。主要应用于胎心监护和浅表血管测量。但连续波多普勒仪的速度分辨力强,在对多普勒血流信号作频谱分析和频谱显示时,显示频谱的高度不受血流速度的限制。因此,目前在对血流作定量测定时,常用它测量狭窄瓣口的高速血流。

(2)脉冲波多普勒。于60年代末问世,70年代末在临床广泛应用,目前已是临床使用最普遍的心血管疾病检测手段。发射的是脉冲波,采用距离选通接收器,可获得心血管内部任意一点的回声信息,经过快速傅里叶变换(FFT)处理后,以频谱形式显示(图6)。频谱横轴代表时间,纵轴代表频移(即血流速度),它实时记录了心动周期内流过取样容积的血流的速度分布,故又称为脉冲多普勒超声心动图。频谱为临床提供许多有用的血流动力学资料,如血流速度、血流流向、血流流动性质、射血时间、血流加速度和减速度等,根据频谱所提供的资料可对各种心血管疾病作出诊断。脉冲多普勒仪总是与 B型显像仪结合在一起,这称为双功显像仪,两者结合使用,可进一步提高诊断准确率。脉冲多普勒的主要缺点是不能测量高速血流,当流速较快,多普勒频移超过奈奎斯特极限频率时,频谱将出现混叠,因此不能用于高速血流的定量分析。此外,它测定的是一个点的血流,难以判别血流的空间分布。

(3)彩色多普勒血流显像仪(CDFI)。是80年代中期发展起来的最新型的超声多普勒诊断仪。最大特点在于:探头在扫描时,不断从每条声束线的多个水平提取多普勒频移信息,经过彩色编码处理,在显示器上显示二维彩色多普勒血流图像。因此,它可实时显示血流信号的空间信息,对于奇异方向和多个部位的血流异常具有独特的诊断能力。进行彩色多普勒血流显像检查时,借助二维超声图像可观察心脏解剖结构,了解腔室大小,血管走向,瓣膜形态及连续关系等,通过彩色多普勒图像可观察心内血流的方向、速度、有无返流与分流等,两者互相结合,图像直观,检查快速易行,结果比较可靠,其准确率甚至可高于心导管检查。其主要缺点也是不能测量高速血流,当流速较快、多普勒频移超过奈奎斯特极限频率时将出现混叠,此时,显示的血流彩色失真,给定量诊断带来困难。

图

除上述四种超声诊断仪外,还有超声电子计算机体层成像、超声显微镜和超声全息照像等多种新的超声成像设备正在研制或发展过程中,但目前均未在临床正式投入试用。

参考文章