超声成像基本原理和技术简介

超声波(ultrasound)

指振动频率在20 000赫兹(Hz)以上,超过人耳听觉阈值上限的声波。超声成像(ultrasonography)是利用超声波的物理特性如反射、散射、折射、衍射和多普勒效应等与人体组织器官声学特性相互作用后产生的信息,并将其接收、放大和信息处理后形成图像(如2D、PW、CDFI)或其他数据等,借此进行疾病诊断的成像方法。

二维超声(2D)

二维超声成像的基础主要是根据超声波的反射。它是通过探头扫查部位所构成的断层图像,获得的任意方位的二维声像图。它以解剖形态学为基础,依据各种组织结构间的声阻抗差的大小以明(白)暗(黑)之间的灰度来反映回声之有无和强弱,从而分辨解剖结构的层次,显示组织脏器和病变的形态轮廓、大小以及物理性质。在声像图上,液性结构显示为无回声,实质性结构显示为强弱不等的各种回声,如均质性实质结构显示为均匀的低回声或等回声,非均质性实质结构显示为混合性回声,钙化或含气性结构则显示为强回声并伴后方声影(下图)。此外,由于超声成像速度快,所以可实时观察活动器官的运动情况。

颈动脉2D:a示软组织低回声;b示血管腔无回声;箭头示斑块强回声;c示斑块后方声影

颈动脉2D:a示软组织低回声;b示血管腔无回声;箭头示斑块强回声;c示斑块后方声影

二维超声在检测血管疾病时,主要用于确定血管的位置及其走行,了解血管壁的情况,如内膜的连续性和光滑度,动脉内膜、中层和外膜结构的完整性,血管壁斑块的位置和回声特点等,并测量动脉内膜-中层的厚度(IMT)(图21-2A)和斑块的大小。观察血管腔有无异常回声、狭窄或扩张,并根据狭窄后残留管腔测量其内径和面积,计算内径或面积狭窄百分比。对于对称性动脉狭窄或二维图像可较清晰显示动脉管壁和残留管腔时,一般采用形态学指标估测动脉的狭窄程度(图B,C),其计算公式为:

1.血管狭窄直径百分比(在血管纵轴测量)

内径狭窄(%)血管狭窄直径百分比(在血管纵轴测量)

颈动脉IMT(箭头) 颈动脉狭窄直径(D1、D2,双向箭头)测量,单向箭头示颈动脉斑块 颈动脉狭窄面积(A1、A2)测量;ECA:颈外动脉;ICA:颈内动脉;CCA:颈总动脉

颈动脉2D

A:颈动脉IMT(箭头);B:颈动脉狭窄直径(D1、D2,双向箭头)测量,单向箭头示颈动脉斑块;C:颈动脉狭窄面积(A1、A2)测量;ECA:颈外动脉;ICA:颈内动脉;CCA:颈总动脉

(D1:血管原有内径,D2:血管狭窄处残腔内径)

2.血管狭窄面积百分比(在血管横轴测量)

面积狭窄(%)血管狭窄面积百分比(在血管横轴测量)

(A1:血管原有横截面面积,A2:血管狭窄处残腔面积)

二维图像估测动脉狭窄程度也存在一定的局限性,在动脉壁斑块或管腔血栓回声很低时,由于难以准确判定管腔边缘,从而导致测量误差。

多普勒超声(doppler ultrasound)

多普勒效应

多普勒效应是奥地利物理学家Christian Johan Doppler于1984年首次提出的一种物理现象。他在观察星球的光色变化时,发现当星球与地球相向运动时,光色向光谱的紫色端移位,表明光波频率升高;反之,当星球与地球背向运动时,光色向光谱的红色端移位,表明光波频率降低。这种光源(星球)与接收器(观察者)之间由于相对运动而引起的频率的偏差,称为多普勒频移,此种物理学效应称为多普勒效应。

多普勒超声的基础是多普勒效应。根据多普勒效应,通过测定血管中血细胞(主要为红细胞)与超声探头发射的脉冲波之间相对运动产生的频率差(多普勒频移),来反映红细胞的运动状态,如血流性质(层流或紊流,动脉或静脉)、血流速度、血流方向等。多普勒超声在检测血流时遵循多普勒方程,即:

式中:fd为血流多普勒频移,fr为接收频率,f0为发射超声波的频率,c为超声波在人体中的传播速度,cosθ为入射声束与血流方向之间夹角的余弦值,v为血流速度。

从上式中可知:

  1. 当f0一定时,fd与v成正比,若v=0,即血流无运动,则无多普勒频移。
  2. 当0°<θ<90°时,cosθ为正值,fd为正向频移,表示血流方向朝向探头。
  3. 当90°<θ<180°时,cosθ为负值,fd为负向频移,表示血流方向背离探头。
  4. 当θ=0°或180°时,cosθ=±1,fd为正向或负向最大频移,表示血流方向与声束方向平行,但两者为相向或背向运动。
  5. 当θ=90°时,cosθ=0,则fd=0,说明血流方向与声束垂直时,检测不到多普勒频移,但此时可能仍有血流运动。
  6. 由多普勒方程可求出血流速度:

脉冲多普勒(PW)

脉冲多普勒通过发射脉冲波并接收某一时间延迟后的超声波,它具有距离选通功能,可对血管疾病进行定位诊断和通过检测有关血流动力学参数进行血流定量分析。脉冲多普勒检测有关血流动力学的参数,最常采用的是“流速—时间”曲线,曲线中纵坐标(Y轴)代表血流速度(频移)大小,单位为cm/s或m/s,横坐标(X轴)代表时间,单位为s。横轴线(X轴)代表零频移线(基线),正向频移位于基线以上,表示血流方向朝向探头,负向频移位于基线以下,表示血流方向背离探头(下图A)。临床上常用于外周动脉血管检测的血流参数如下:

  1. 收缩期峰值流速(Vs
  2. 舒张末期流速(Vd
  3. 空间峰值时间平均流速(Vm
  4. 流速曲线上谷值流速(Vp
  5. 阻力指数(RI):反映血管阻力状况的指标。RI=(Vs-Vd)/Vs
  6. 搏动指数(PI):反映血管的顺应性和弹性状态。PI=(Vs-Vp)/Vm
  7. 加速时间(AT)
  8. 收缩早期加速度(AC)
动脉“流速-时间”曲线图 肢体动脉PW:Vs、Vd、Vp测量图 肢体动脉PW:AC、AT测量图

根据血流动力学原理,一般情况下,动脉狭窄的程度与血流速度成正比,脉冲多普勒可较为准确地测量动脉血流速度,所以,可用于判断动脉的狭窄程度。对于轻度动脉狭窄(内径减少<50%),狭窄处峰值流速无明显改变或仅有轻度升高,此时,一般采用二维超声图像来判断狭窄程度,而不采用脉冲多普勒。而对于中度以上的动脉狭窄(内径减少≥50%),狭窄处血流动力学的改变较为明显,表现为狭窄出口处动脉血流峰值流速明显增高,频谱频带增宽,频窗减小或消失,频谱形态由“三相波”变为“单相波”。虽然脉冲多普勒能较好反映动脉狭窄的程度,但是,脉冲多普勒只是一种根据血流动力学的改变,间接判断动脉狭窄程度的方法,因而可出现高估或低估动脉狭窄程度的现象。所以,为了较准确的估测动脉的狭窄程度,应根据二维超声图像、彩色多普勒血流显像和脉冲多普勒进行综合判断。

彩色多普勒血流显像(CDFI)

彩色多普勒血流显像是使用一种运动目标显示器计算出血流中血细胞(主要是红细胞)的动态信息,并根据血细胞的运动方向、速度、分散情况,调配红、蓝、绿三基色,变化其亮度,将彩色多普勒血流图叠加在二维声像图上,用红、蓝颜色形象直观地显示血流信息,如血流分布、血流方向和平均血流速度等。通常将朝向超声探头方向的血流用红色表示,背离超声探头方向的血流用蓝色表示,颜色的亮度(辉度)表示血流平均速度的大小。

 腹主动脉(AO)CDFI

腹主动脉(AO)CDFI

彩色多普勒血流显像可快捷直观地显示和确定二维图像中所观察到的血管和管腔内的血流情况。

1)根据探头的相对位置和血流信号的颜色,可判断血流的方向。红色表示血流方向朝向探头流动,蓝色表示血流方向背离探头流动。

2)根据血流信号色彩的明暗(强弱),可判断血流平均速度的大小(快慢),血流速度快,则血流信号色彩明亮,血流速度慢,则血流信号色彩暗淡。

3)根据血流信号有无充盈缺损,可判断血管腔内有无异常回声(如血栓)和血管腔有无狭窄,甚至闭塞。由于受彩色外溢或灵敏度的影响,完全根据血流信号的充盈情况,来判断血管的狭窄程度或闭塞情况,会有一定的误差,出现高估或低估病变情况。

4)层流和紊流血流。层流血流表现为彩色信号颜色较单一、位于管腔中心的颜色最明亮、而逐渐靠近管壁则颜色逐渐变暗淡,如大多数正常动脉和较大静脉内的血流均为层流。紊流血流(如湍流和涡流)由于血流方向和速度均有改变,其表现为彩色信号颜色强弱不等、呈“五彩镶嵌”现象,例如血流通过动脉狭窄处时的湍流和扩张处时的涡流等为紊流。

动脉血管CDFI:正常股动脉层流血流 动脉血管CDFI:颈动脉狭窄后“五彩镶嵌”(箭头)湍流血流 动脉血管CDFI:腹主动脉瘤涡流血流(同一段血管内同时显示红色和蓝色血流信号)

动脉血管CDFI

A:正常股动脉层流血流;B:颈动脉狭窄后“五彩镶嵌”(箭头)湍流血流;C:腹主动脉瘤涡流血流(同一段血管内同时显示红色和蓝色血流信号)

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