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醫學影像學

第四章 超聲成像

  超聲是超過正常人耳能聽到的聲波,頻率在20000赫茲(Hertz,Hz)以上。超聲檢查是利用超聲的物理特性和人體器官組織聲學性質上的差異,以波形、曲線或圖像的形式顯示和記錄,借以進行疾病診斷的檢查方法。40年代初就已探索利用超聲檢查人體,50年代已研究、使用超聲使器官構成超聲層面圖像,70年代初又發展了實時超聲技術,可觀察心臟及胎兒活動。超聲診斷由于設備不似CT或MRI設備那樣昂貴,可獲得器官的任意斷面圖像,還可觀察運動器官的活動情況,成像快,診斷及時,無痛苦與危險,屬于非損傷性檢查,因之,在臨床上應用已普及,是醫學影像學中的重要組成部分。不足之處在于圖像的對比分辨力和空間分辨力不如CT和MRI高。本教材只介紹灰階超聲成像(grey scale ultrasonic tomography)。

第一節 USG的成像基本原理與設備

  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)。

 

圖1-4-1 脈沖回聲式超聲設備基本結構示意圖

  換能器是電聲換能器,由壓電晶體構成,完成超聲的發生和回聲的接收,其性能影響靈敏度、分辨力和偽影干擾等。B型超聲設備多用脈沖回聲式。電子線陣式多探頭行方形掃描,電子相控陣式探頭行扇形掃描(圖1-4-2)。為了借助聲像圖指導穿剌,還有穿剌式探頭。

 

圖1-4-2 實時掃查探頭
a.電子線陣式 b.電子相控陣式

  探頭性能分3.0、3.5、5.8MHz等。兆赫越大,其通透性能越小。根據檢查部位選用合適的探頭。例如眼的掃描用8MHz探頭,而盆腔掃描,則選用3.0MHz探頭。一個超聲設備可配備幾個不同性能的探頭備選用。

  顯示器用陰極射線管,記錄可用多幀照相機和錄像機等。

 



 
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