醫學影像學/USG的成像基本原理與設備

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醫學影像學

總論
- 超聲成像
  - USG的成像基本原理與設備
  - USG圖像特點
  - USG檢查技術
  - USG圖像分析與診斷
  - USG診斷的臨床應用

一、超聲的物理特性

超聲是機械波，由物體機械振動產生。具有波長、頻率和傳播速度等物理量。用于醫學上的超聲頻率為2.5～10MHz，常用的是2.5～5MHz。超聲需在介質中傳播，其速度因介質不同而異，在固體中最快，液體中次之，氣體中最慢。在人體軟組織中約為150m/s。介質有一定的聲阻抗，聲阻抗等于該介質密度與超聲速度的乘積。

超聲在介質中以直線傳播,有良好的指向性.這是可以用超聲對人體器官進行探測的基礎。當超聲傳經兩種聲阻抗不同相鄰介質的界面時其聲阻抗差大于0.1%,而界面又明顯大于波長,即大界面時,則發生反射,一部分聲能在界面后方的相鄰介質中產生折射,超聲繼續傳播,遇到另一個界面再產生反射,直至聲能耗竭。反射回來的超聲為回聲。聲阻抗差越大，則反射越強，如果界面比波長小，即小界面時，則發生散射。超聲在介質中傳播還發生衰減，即振幅與強度減小。衰減與介質的衰減系數成正比，與距離平方成反比，還與介質的吸收及散射有關。超聲還有多普勒應（Doppler effect），活動的界面對聲源作相對運動可改變反射回聲的回率。這種效應使超聲能探查心臟活動和胎兒活動以及血流狀態。

二、超聲的成像基本原理

人體結構對超聲而言是一個復雜的介質，各種器官與組織，包括病理組織有它特定的聲阻抗（表1-4-1）和衰減特性。因而構成聲阻抗上的差別和衰減上的差異。超聲射入體內，由表面到深部，將經過不同聲阻抗和不同衰減特性的器官與組織，從而產生不同的反射與衰減。這種不同的反射與衰減是構成超聲圖像的基礎。將接收到的回聲，根據回聲強弱，用明暗不同的光點依次顯示在影屏上，則可顯出人體的斷面超聲圖像，稱這為聲像圖（sonogram或echogram）。

表1-4-1　人體不同介質的聲速與聲阻抗

介　質	密度(g/cm3)	超聲縱波速度(m/s)	特征阻抗(105R*)	測試頻率(MHz)
空　氣	0.001293	332	0.000429	2.9
水	0.9934	1523	1.513	2.9
血　液	1.055	1570	1.656	1.0
軟組織	1.016	1500	1.524	1.0
肌　肉	1.074	1568	1.684	1.0
骨	1.658	3860	5.571	1.0
脂　肪	0.955	1476	1.410	1.0
肝	1.050	1570	1.648	1.0

^*R(Rayls)=1kg/m².s

人體器官表面有被膜包繞,被膜同其下方組織的聲阻抗差大,形成良好界面反射,聲象圖上出現完整而清晰的周邊回聲,從而顯出器官的輪廓。根據周邊回聲能判斷器官的形狀與大小。

超聲經過不同正常器官或病變的內部，其內部回聲可以是無回聲、低回聲或不同程度的強回聲。

無回聲：是超聲經過的區域沒有反射，成為無回聲的暗區（黑影），可能由下述情況造成：①液性暗區：均質的液體，聲阻抗無差別或差很小，不構成反射界面，形成液性暗區，如血液、膽汁、尿和羊水等。這樣，血管、膽囊、膀胱和羊膜腔等即呈液性暗區。病理情、況下，如胸腔積液、心包積液、腹水、膿液、腎盂積水以及含液體的囊性腫物及包蟲囊腫等也呈液性暗區，成為良好透聲區。在暗區下方常見回聲增強，出現亮的光帶（白影）。②衰減暗區：腫瘤，如巨塊型癌，由于腫瘤對超聲的吸收，造成明顯衰減，而沒有回聲，出現衰減暗區。③實質暗區：均質的實質，聲阻抗差別小，可出現無回聲暗區。腎實質、脾等正常組織和腎癌及透明性變等病變組織可表現為實質暗區。

低回聲：實質器官如肝，內部回聲為分布均勻的點狀回聲，在發生急性炎癥，出現滲出時，其聲阻抗比正常組織小，透聲增高，而出現低回聲區（灰影）。

強回聲：可以是較強回聲、強回聲和極強回聲。①較強回聲：實質器官內組織致密或血管增多的腫瘤，聲阻抗差別大，反射界面增多，使局部回聲增強，呈密集的光點或光團（灰白影），如癌、肌瘤及血管瘤等。②強回聲：介質內部結構致密，與鄰近的軟組織或液體有明顯的聲阻抗差，引起強反射。例如骨質、結石、鈣化，可出現帶狀或塊狀強回聲區（白影），由于透聲差，下方聲能衰減，而出現無回聲暗區，即聲影（acoustic shadow）。③極強回聲：含氣器官如肺、充氣的胃腸，因與鄰近軟組織之聲阻抗差別極大，聲能幾乎全部被反射回來，不能透射，而出現極強的光帶。

三、超聲設備

超聲設備類型較多。早期應用幅度調制型（amplitude mode），即A型超聲，以波幅變化反映回波情況。灰度調制型（brightness mode），即B型超聲，系以明暗不同的光點反映回聲變化，在影屏上顯示9～64個等級灰度的圖像，強回聲光點明亮，弱回聲光點黑暗。

根據成像方法的不同，分為靜態成像和動態成像或實時成像（real timeimagimg）兩種。前者獲得靜態聲像圖，圖像展示范圍較廣，影像較清晰，但檢查時間長，應用少，后者可在短時間內獲得多幀圖像（20～40幀/s）故可觀察器官的動態變化，但圖像展示范圍小，影像稍欠清晰。

超聲設備主要由超聲換能器即探頭（probe）和發射與接收、顯示與記錄以及電源等部分組成（圖1-4-1）。

脈沖回聲式超聲設備基本結構示意圖