超声波的物理性质与超声检查诊断原理

超声波(ultrasound)是指频率超过2万赫兹(Hz)的声波,一般诊断用超声波的频率为1~20MHz,内分泌疾病超声检查常用的频率是3~10MHz。超声波在弹性介质中以规则的纵波形式传播,有波长(λ)、频率(f)及声速(c)3个主要物理量。超声波的传播速度(c)取决于频率(f)和波长(λ),即c=fλ,并与介质的弹性(k)和密度(ρ)紧密相关。一般来说,超声波在固体中的传播速度最快,液体次之,气体最慢,在人体软组织中的平均传播速度为1540m/s。

超声诊断仪主要由主机与换能器(探头)组成。换能器具有压电效应。当主机沿压电晶片的压电轴方向供给一定频率的交流电场时,晶片可沿一定方向发生相应频率的声波,将电能转化为声能(逆压电效应);当交流电场的频率超过20 000Hz,压电晶片就可产生超声波。检查时,由换能器发生的超声波在人体组织内传播,遇到不同声阻抗组织构成的界面时,即产生反射,反射回来的声能到达换能器后,沿压电轴方向对压电晶片施以一定的压力,即可在该压电轴的两端和垂直于压电轴的面上产生一对相反的电荷(正压电效应)。换能器借助正压电效应将声能转变为电能,这些高频的微弱信号被主机接收并予以放大处理,随后以不同方式显示在荧光示波屏上,从而形成各种不同类型的超声图像。分析不同组织结构及病变所产生的反射波特点,并结合病史及其他实验检查,即可作出内分泌疾病超声检查结果的判断。

超声波具有方向性/反射性/折射性和散射性特征

由于超声波的频率高,波长短,故具有直线传播的特性。据此,可获得定向传播的超声波束。超声波束的方向性与频率、声源直径及声源直径/波长比有关,当超声波的波长小于声波直径许多倍时,发射出的超声波才能集中(类似平面波),具有方向性(束射性)。在相同声源直径条件下,频率越高,波长越短,方向性越强。近声源处的声束与声源相似,呈圆柱状,称为近场。在近场内,超声束平行,反射性强,失真度小。其后,声束就扩散成一圆锥形,其扩散角与波长和声源直径有关。扩散角愈小,方向性愈好。如果采用多种方法进行聚焦,则可获得更窄的声束,并能减少失真度。

超声波在介质中传播时,若介质内各部分的声阻抗相同,则其中不存在声学界面,也不出现反射。如果超声波通过两种不同声阻抗的介质,而这两种介质所形成的界面又较大(超过该超声波的波长)时,超声束的部分声能就会在这个界面上返回,这种现象称为反射(reflection),介质间的声阻抗差越大,反射就越强。超声波的反射方向与入射超声束和法线的夹角(即入射角)有关,如入射超声束与界面垂直,入射角等于0,则反射回声循原入射途径返回,几乎被探头完全接收。当入射声束不与界面垂直时,反射回声沿反射角反射,部分不被探头接收。

当超声束通过声学界面时,一部分被反射,另一部分穿过界面进入第二介质,称为透射(transmission)。如果入射声束与界面不垂直,则透射声束的方向要发生变化,这种现象称为折射(refraction)。折射角的大小取决于入射角及两种介质的声速。

此外,超声波在介质中传播如遇到不规则的小界面或界面小于波长时,会发生声波向许多方向不规则的反射、折射或绕射,统称为散射(scattering)。人体中的散射源主要是红细胞和脏器的微细结构。利用红细胞对超声波的散射特性,可进行内分泌腺组织的血管多普勒检查,以评价其血流动力学改变。

超声波具有吸收与衰减特征及多普勒效应

当超声波在介质中传播时,由于介质的黏滞性与导热性等因素的影响而耗损声能,称为吸收(absorption)。声能吸收、超声束在远场扩散与在界面上的反射与折射使声能在介质中随着传播距离的增加而逐渐减弱,称为衰减(attenuation)。吸收与衰减的程度与超声频率、温度、介质黏滞性、导热性及传播距离等密切相关。声能衰减后,能量减小,反射减弱,故深部组织结构的超声检查极为困难。

在介质中传播的超声波如遇到与声源相对运动的界面,则其反射的超声波频率随界面的运动情况而发生改变,这种现象称为多普勒效应(Doppler effect)。界面向着声源运动时,反射声波频率增加;相反则频率降低。反射声波与入射声波频率之差称为多普勒频移(Doppler shift),频移的大小取决于相对运动的速度。反射界面的相对运动愈快,频移愈大;反之,频移则小。

应用多种超声方法诊断病变

超声诊断可分为B型诊断、多普勒超声诊断、彩色多普勒血流显像、彩色多普勒能量图、组织谐波显像、三维超声数种。

B型诊断法

是超声诊断的主要方法,得到的是二维切面图,具有直观的优点。在声像图中,不同组织有不同的回声强度和不同程度的声衰减,囊性器官与实质器官,液性病灶与实质病灶之间有不同的声像表现,可作为鉴别诊断的依据。因此对二维切面图的分析应包括以下内容:

  1. 外形:脏器的外形是否肿大或缩小(如甲状腺肿)。
  2. 边界回声:肿块有边界回声且显示平滑者为具有包膜的证据,无边界回声或形态不规则者多为浸润性病变。
  3. 内部回声:器官和肿块的内部回声由内部结构的散射而来。如正常甲状腺、睾丸的回声光点细密,分布均匀;慢性甲状腺炎时,由于纤维组织增多,散射界面复杂,腺内的光点增多、增粗,且分布不均。
  4. 血管分布及其血流参数:脏器内或肿块内外血管的分布、走向、多少、粗细、形态以及血流等参数均可对脏器或肿块的病变性质有鉴别意义。
  5. 后方回声:后方回声增强表示前方的器官或肿块的声衰减系数较低,反之后方出现声影,则表示声衰减极大。
  6. 毗邻关系:正常器官所处位置基本固定,其周围的器官、血管和其他组织基本恒定。如:根据其周围血管可以辨识胰腺;同样,根据胰腺也可以辨识周围血管。
  7. 活动度和活动规律:如肾上腺随呼吸有一定幅度的上下活动,甲状腺随吞咽上下活动。
  8. 硬度:正常甲状腺有一定的柔软度,结节性甲状腺肿时其硬度增加。此外,在分析二维切面图像时,还应识别超声伪像,避免误诊。

多普勒超声诊断法

常用的多普勒超声诊断有脉冲波多普勒和连续波多普勒两种。前者具有距离选通(range gating)能力,即能定点检测血流,但无检测2m/s以上高速血流的能力;而后者则能检测10m/s以内的高速异常血流,但不能提供距离信息,无定位检测能力。因此,临床应用中常两者并用,取长补短,用脉冲波多普勒进行定位检测,再用连续波多普勒测量高速血流。利用多普勒进行定位检测血流时,要特别注意角度的影响,应尽可能使血流方向与声束平行,如用角度校正应小于60°。

最常用的多普勒血流频谱显示方式是速度/频移-时间频谱图,频谱图上横轴代表时间,即血流持续时间,单位为“s”或“ms”;纵轴代表速度(频移),单位为“m/s”或“cm/s”。中间水平线代表零频移线(基线),基线上方的频谱为正向频谱,代表血流方向朝向探头;基线下方的频谱为负向频谱,代表血流方向背离探头。频移宽度表示频移在垂直向上的宽度,代表某一瞬间采样血流中血细胞速度分布范围的大小。频谱灰阶表示某时刻采样容积内血流速度相同的血细胞数目多少,速度相同的细胞数目多,灰阶值高(显示较亮);反之,回声弱。利用血流频谱图进行测量可获得收缩期最高峰值血流速度(Vmax)、舒张末期最小血流速度(Vmin)和血流速度时间积分(VTI),从而计算出搏动指数(PI)、阻力指数(RI)和收缩期速度/舒张期速度比值(S/D),这些参数都是临床评价内分泌腺组织血流动力学的重要指标。

彩色多普勒血流显像(color doppler flow imaging,CDFI)

CDFI是在二维切面声像图的基础上,采用自相关技术将所获得的血流信息转变成可视影像,不同方向的血流以不同的颜色表示。一般设定朝向探头的血流为红色,背离探头的血流为蓝色,这两种不同方向的血流颜色的辉度水平与血流的速度成正比,即速度越快,辉度越亮,速度越慢,辉度越暗。绿色常表示有湍流,绿色的成分随着湍流的比例增加而增加。朝向探头的湍流接近黄色(红色与绿色混合),背离探头的湍流接近紫色(蓝色与绿色混合),这些彩色血流影像叠加在同时显示的二维切面图像上,构成一幅实际的彩色多普勒血流图。CDFI可显示大多数内分泌腺组织的血流情况,如甲状腺功能亢进(简称甲亢)时可见肿大的甲状腺的血彩呈“火海征(sea of fire)”,内分泌腺恶性肿瘤的血彩常增多,对鉴别良恶性肿瘤有一定帮助。最近又开发出了SST彩色多普勒技术,即高敏感、高分辨的彩色多普勒技术,具有频带窄,动态范围拓宽,能精确识别微血流状态,反映血流速度状态,可探测出深部组织的血流特点。此外,彩色多普勒能量速度图技术能显示血流的敏感性和方向性,更有利于深部脏器病变与血流动力学的研究。

彩色多普勒能量图(color doppler energy imaging,CDE)

亦称振幅超声血管造影,其成像原理与常规的彩色多普勒显像不同,后者提取和显示两种多普勒参数:平均血流速度和加速度,即能反映血流速度、方向和速度变化(加速度),但这些信号的显示受探测角度的影响较大,测定低速血流的能力亦受到一定的限制。而CDE则提取和显示返回多普勒信号的能量(信号强度),它利用血流中红细胞密度、散射强度或能量分布(单位面积下红细胞通过的能量)及信号振幅大小进行成像。故CDE所显示的参数不是速度而是血流中散射体相对应的能量信号。与CDFI相比,具有以下特点:

  1. 显示的信号不受探测角度因素的影响;
  2. 可以显示平均速度为零的灌注区;
  3. 显示的信号动态范围广;
  4. 能显示低流量低流速的血流;
  5. 不受Aliasing现象的影响。

在CDFI中,当显示的频率超过Nyquist极限时,图像的色彩发生混叠,表现出五彩镶嵌的血流信号,影响图像的观察,而CDE中显示的是能量参数,不受Nyquist极限的限制,因此无色彩混叠。由于CDE具有上述特点,更有利于显示内分泌腺组织的末梢血流和低流速的血流信号,具有重要的临床价值。例如用彩色多普勒超声可了解视网膜中央动脉血流情况,判断糖尿病视网膜病变的病情进展,预测增殖型视网膜病变的发生可能性。

组织谐波显像

利用人体回声信号的二次谐波成分构成人体器官的图像,称为谐波成像(harmonic imaging)或组织谐波成像(tissue harmonic imaging):利用超宽频探头接收入体组织通过非线性产生的高频信号和组织细胞的谐波信号,对多频移信号进行实时平均处理,增强较深部组织的回声信号,改善图像质量,提高信噪比,增强细微病变的显像力。如肾上腺位于腹膜后,位置较深,常规超声难以显示或显示不清,应用二次谐波技术可大大提高肾上腺的显现力和图像质量。

三维超声(three-dimensional ultrasonic reconstruction)

采用体元模型法(Voxel模型)对结构的所有组织信息进行重建,具有灰阶特征,可显示解剖细节。基本步骤包括图像采集、后处理、三维重建和定量。目前较为理想的三维图像显示方式有表面成像、透明成像和多平面成像。随着超声显像技术的发展,近年已有实时三维超声显像应用于临床,尽管还不十分成熟,但已显示出广阔的临床应用前景。三维成像可提供非常形象直观的三维立体图像,显示感兴趣区的立体形态、内部结构、表面特征及空间位置关系,可单独提取和显示感兴趣结构,精确测量容积和体积,有助于疾病的定性、定位及定量诊断。

介入超声/内镜超声/术中超声诊查病变

介入超声(interventional ultrasound)是现代超声医学的一个分支,它是在超声显像基础上发展起来的一门新技术,其主要特点是在适时超声的监护或引导下,完成各种穿刺活检以及抽吸、插管和注药治疗等操作,达到与手术媲美的效果。由于超声显像具有显示实时、灵敏性高、引导准确、无X线损伤、操作简便、费用低廉等优点,因而应用广泛,如甲状腺穿刺活检、胰腺穿刺活检、卵巢穿刺活检等。内镜超声(endoscopic ultrasonography,EUS)检查是将微型高频超声探头安置在内镜顶端,通过超声实时扫描,以获得体腔及其周围邻近脏器的超声图像。如当经腹壁检查胰腺有困难时,可以通过胃镜顶端的超声探头清晰显示胰腺病变;当怀疑卵巢或胆管病变时,可以通过腹腔镜超声进行诊断。腔内超声包括经食管超声、经直肠超声、经阴道超声等。内分泌检查应用较多的是经阴道超声检查,探头频率多为5~7.5MHz,探头直接放入阴道内,紧贴穹隆和宫颈使盆腔脏器处于声束近区,清晰显示双侧卵巢的形态、大小和卵泡,有助于卵巢病变的诊断。

术中超声是将探头直接放在脏器表面,以确定微小病变在脏器中的位置和物理性质,有利于正确选择手术切口,避免手术时损伤病变周围的血管和神经,如利用术中超声寻找胰岛素瘤和肾上腺肿瘤等。

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