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"及時部分總論

超聲心動圖檢查是利用超聲波來探測心血管系統的形態結構?功能和血流，為了更好地理解并充分應用此項技術，有必要了解超聲波物理學原理?儀器設備和生物學效應等基礎知識?

考慮到超聲波的物理學原理和儀器設備為相關物理學科和工程技術學科等專業范圍，涉及非常多的內容，尤其是隨著超聲心動圖儀器設備的日益發展，有關的理論和技術也越來越復雜，作為超聲心動圖的臨床工作者，可能沒有必要對這些專業知識進行非常深入的探討，如果需要，可參考有關專業文獻?本章僅對其物理學原理和儀器知識進行初步討論，且重點放在臨床超聲心動圖工作者必要的物理學基礎知識方面?

及時節超聲波物理特性

一?超聲波及其人工產生方法

聲波是彈性介質中傳播的機械振動波?根據其頻率，將聲波分為次聲波?可聽聲波和超聲波三類，其中高于人類可以聽到頻率的聲波稱為超聲波，通常其頻率在20 000Hz以上，即每秒20 000次以上?

人工產生超聲波的方法有許多種，應用于超聲心動圖的超聲，主要是利用某些非對稱性晶體所具有的壓電效應，即它們受到外界壓力或拉力作用時，晶體的兩個表面將分別出現正負電荷，從而使機械能轉變為電能(正壓電效應)，反之在受到交變電場作用時，晶體將出現機械性壓縮和膨脹，電能轉化為機械能(逆壓電效應)，產生機械振動波?

上述具有壓電效應的晶體稱為壓電晶體，是超聲心動圖探頭的主要部件，利用機械能與電能的相互轉變，探頭既可作為超聲波的發生器，也可作為超聲波的接收器?

二?超聲波物理特性

決定可聽聲波特性的聲學定律同樣適用于超聲，但超聲波具有可聽聲波不甚明顯的獨特物理特性，而這些特性使超聲在臨床醫學中成為廣泛應用的技術?目前應用于超聲心動圖的超聲頻率一般在2~30MHz，具有頻率極高?波長極短?方向性極好的特點，可以形成超聲波束，具有在不同介質界面反射?透射?散射和在介質傳播中衰減等物理特性?

一)超聲波傳播速度

超聲波傳播速度主要取決于介質的密度和彈性?在人體大多數組織內，超聲波的傳播速度相對一致，大約為1560m/s，而骨組織為2800m/s，肺組織為1200m/s?人體不同組織結構的聲速有所差異，有可能造成超聲的測量誤差?同時，超聲波傳播速度(c，單位m/s)與其頻率(f，單位Hz)及波長(λ，單位m)有關，通常以下述公式表示它們的關系:c=f λ?

根據上述公式，以大多數組織為基礎，應用于臨床的超聲波頻率為2~10MHz，其波長相當于08~016mm，此波長范圍限制了儀器的分辨率(resolution)?從理論上講，如果要分辨兩個組織結構，它們之間至少要有超過半個波長的距離?假如使用3MHz的超聲，在人體組織內的超聲波長為05mm，較大理論分辨率為025mm，而實際的分辨率要低于上述較大理論分辨率，為其1/8~1/5，相當于可以分辨2mm或稍小的物體?

二)聲阻抗

聲阻抗決定超聲波在介質內的傳播特性，而后者主要取決于介質的密度和彈性?介質的聲阻抗等于介質密度與其內傳播聲速的乘積，因此聲阻抗以固體最小，氣體較大，人體軟組織及實質性臟器的聲阻抗大致與液體接近?

超聲波在相同介質內傳播時，部分能量被吸收，其余繼續傳播，被吸收聲波的多少取決于聲阻抗及波長?吸收隨頻率增加，高頻超聲波束穿透深部組織的能力不如低頻者，因此要探測某個特定深度的組織，將必須限制探頭的超聲波頻率?當然還有其他許多因素也會影響探頭的選擇?

三)反射?透射和折射

超聲波束遇到兩種聲學密度不同介質之間的界面，當界面的線徑大于波長時，一部分超聲能量被反射(reflection)，而其余部分超聲能量穿過界面進入第二種介質，稱為透射(transmission)?兩種介質聲阻抗差的大小，決定反射與透射超聲能量的相對比例?例如在空氣與人體組織界面，超聲波幾乎全部被反射?同時，根據兩種介質中聲速的差別，透射入第二種介質的超聲波束傳播方向將會有所改變，稱為折射(refraction)，但通常將人體大多數組織內傳播的聲速視為常數，因此認為超聲波束在人體組織內幾乎呈直線傳播?折射是超聲聚焦的理論基礎，同時比較明顯的折射也是產生偽差的原因之一?

超聲能量反射和透射的多少，也取決于入射超聲波束與界面之間的角度(入射角)，而且此角度也會影響反射回探頭方向的超聲能量多少?假定是一個平的界面，只有入射波束與界面垂直，反射波才能從入射波束方向返回?生物體內的界面往往是不規則的，反射波會從界面向多個方向反射，真正返回發射方向的回聲將隨之減少?在某些情況下，超聲的入射角達到一定程度時，入射超聲能量可全部反射到及時種介質內，形成全內反射，可產生偽像，需要通過調整探頭角度予以避免?

及時章超聲物理學基本原理臨床超聲心動圖學(四)衍射和散射

當超聲波束遇到等于或小于超聲波波長的反射物體時，部分超聲能量將改變傳播方向，繞過該物體繼續向前傳播者稱為衍射(diffraction)，而以該物體為中心向各個方向傳播者稱為散射(scattering)，均可能產生偽像?

五)衰減

超聲波束在組織中傳播的過程中，隨著傳播深度的增加，由于上述各種情況使超聲能量被吸收，其能量將進行性衰減?除了超聲本身的條件外，組織結構內含水量越少?蛋白質和鈣質含量越多，衰減越高，如瘢痕組織?骨組織和鈣化組織均可以引起明顯的超聲衰減，產生聲影?因此，上述許多因素均可影響返回到入射方向超聲波的強度，從而影響超聲的探測狀況和圖像?

三?多普勒超聲的物理原理

詳見多普勒效應和相關技術(第五章)?

第二節超聲圖像顯示方式

與光不同，超聲波束進入組織和從組織反射回來均需要一定的時間?因為已經知道聲波的傳播速度，很容易通過測定探頭發射超聲至回聲返回探頭所需的時間，來確定探頭到反射面之間的距離?通過探頭發射和接受超聲脈沖，每個超聲脈沖射入組織結構途中可以遇到許多界面，在沿超聲波束行進方向，根據界面的深度，以不同的時間間期反射回來的一系列回聲信息，可反映所遇到的組織結構?

一)A型和B型

顯示為與聲束軸垂直的回聲信號，以振幅代表回聲的強度所產生的圖像，稱為A型;而以亮度代表回聲強度所產生的圖像，稱為B型?由于A型和B型在臨床應用中顯示出局限性，已極少使用?

二)M型

在B型顯示的基礎上，超聲脈沖每秒重復1000次或以上(脈沖采樣頻率)，一組回聲信息在縱軸(y軸)上按距離以點狀B型顯示，而水平軸(x軸)按時間依次顯示下一組回聲信息，即以y軸顯示深度信息，結合x軸的時間信息，構成了實時心臟結構運動的圖像，稱為M型超聲(Mmode or motionmode)?回聲強度決定M型圖像上相應點的灰度?

這種方式的采樣頻率遠遠高于心率，每個心動周期的采樣次數很多，比如心率每分鐘100次，每次心跳可以提供600組信息，因此有非常好的時間分辨率?盡管通過手動進行M型掃查，可以獲取組織結構空間的更多信息，但仍有非常明顯的局限性?

三)二維或切面圖像

在M型超聲的基礎上，隨時間進行掃描，逐漸將探頭晶體稍微改變角度，產生一組又一組的回聲信息，在獲取許多組回聲信息的基礎上，再通過重建，形成二維或切面圖像(twodimensional image)?超聲心動圖臨床應用的儀器系統，逐漸改變探頭晶體的掃描方式有許多種，包括機械扇形掃描?環陣型掃描?線陣式掃描?微型凸陣掃描和相控陣式掃描等，目前基本上采用相控陣式掃描?

整幀圖像是由多組回聲信息所構成，典型的是用128組回聲信息構成一幀圖像?隨后重復上述過程，形成每秒多幀的實時圖像?其掃描速度取決于場深，因為改變探頭晶體角度之前，每個入射超聲脈沖的回聲必須先回到探頭，故受到相應的時間限制?對兒童而言，探測深度為5~15cm，通常可以采用28~50Hz的采樣頻率?

目前使用的二維超聲心動圖系統，可以從操作界面直接引出M型和多普勒圖像，通過調節深度?增益?灰階?聚焦區等，使圖像達到狀態，并可以對超聲資料進行必要的前處理和后處理?不同的超聲系統，有不同的操作界面及操作方法，需要參考相應儀器系統的說明書?

四)三維圖像(threedimensional image

詳見第四章?

五)其他超聲新技術

詳見第十七章?

第三節超聲圖像質量和偽差

超聲圖像質量主要包括細微分辨率(detail resolution)和對比分辨率(contrast resolution)?隨著計算機技術的迅速發展，目前超聲心動圖的圖像質量已經有了長足的進步，包括采用動態聚焦等方法，也明顯提高了使整個視野圖像保持均衡分辨率的能力，即圖像的一致性(uniformity)?文獻中對分辨力和分辨率有不同的表述，為了避免混淆，在本書中均使用分辨率的概念?

一?細微分辨率

細微分辨率指超聲系統分辨細小組織結構的能力，系統分辨兩個最短間距之間的組織結構，可以顯示出兩個點而不是一個點?細微分辨率取決于許多因素，而且在所有方向不是都一樣?

軸向分辨率(axial resolution):指可以鑒別兩個沿超聲波束軸方向分布最短間距之間組織結構的能力，與超聲波長或頻率?超聲脈沖時間等因素有關?

側向分辨率(lateral resolution):指可以鑒別兩個垂直于聲束方向分布最短間距之間組織結構的能力，影響側向分辨率最主要的因素是超聲波束的寬度?

探頭的壓電晶體能夠向指定的方向產生短陣超聲波，超聲波束寬度隨距離發生變化?標準盤形超聲發生器發出的超聲波束，類似于激光束，開始部分呈直徑與該盤大小相似的圓柱形，波束窄小，稱為近場;距超聲探頭較遠時，聲束的邊緣逐漸發散?增寬，形成圓錐形，稱為遠場，兩者之間稱為移行區?大的高頻率超聲發生器產生的超聲波束近場較長，遠場發散較少?另外，通過聲學透鏡聚焦的方法可以改變聲束的形狀，從而提高探測范圍內超聲能量強度和系統的側向分辨率?

從理論上講，聚焦有一定的限度，取決于探頭大小和超聲波頻率，可以下述公式表示:

聚焦區直徑=λ?x/d

其中，λ為超聲波波長，x為探頭至感興趣探測點之間的距離，d為探頭直徑?探頭越大聚焦區的波束越佳，側向分辨率越好，但對近場聚焦的程度往往較差，而且從胸骨旁或心尖部檢查時，由于聲窗較小，過大的探頭會從肋骨和其他反射物產生偽像?

二?對比分辨率

對比分辨率指鑒別不同密度組織結構的能力以及顯示強反射物附近纖細組織結構的能力?如同細微分辨率，軸向的對比分辨率比側向好?目前使用的超聲系統已經采用新的計算機技術，盡可能地優化對比分辨率，無須操作者進行調節，但各種超聲系統之間會有一定的差異?

三?偽差

超聲心動圖檢查過程中，可出現多種偽差，可能造成分析判斷困難，甚至診斷錯誤?偽差(artifacts)的原意是人為現象?外來事物或不相干物，本身的含義比較廣泛，不僅包括通常所稱的偽像，也包括超聲圖像的某些細微差別和測量誤差等?在超聲心動圖檢查過程中，除了儀器設備條件外，人為技術因素往往也是造成偽差的主要原因?了解偽差產生的基礎，有助于操作人員在工作中更好地理解，盡可能避免錯誤?

一)回聲脫失

當超聲波束與組織結構界面接近于平行時，幾乎沒有反射到探頭的回聲，稱為回聲脫失(dropout)?比如從心尖部檢查時，房間隔幾乎與超聲波束平行，往往觀察到房間隔部位回聲脫失，難以與真正的房間隔缺損鑒別，需要從劍突下觀察房間隔，由于房間隔與超聲波束接近于垂直，容易觀察到房間隔，而避免由于回聲脫失造成的偽像?

二)致密回聲結構的聲影

任何回聲非常致密的結構均可能形成聲影(shadowing)，從而掩蓋其后的組織結構?由致密回聲材料制成的人工瓣膜，檢查時可以掩蓋瓣膜后面的心臟結構，如從心尖部檢查人工二尖瓣，將無法觀察其后的左心房?粗大心導管也可以產生聲影，有可能造成類似于間隔缺損的偽像?

三)側瓣

側瓣(side lobes)指高密度回聲的側向傳播?遠場的超聲波束發散增寬，所有遠場的圖像均向側向傳播，使波束沒有明確的邊緣，同時非常強的回聲會顯得相當寬，從而形成偽像?檢查時，強度正常的回聲沒有明顯的側向傳播，靠近血管的強回聲結構看上去會出現在正常的血管腔內?比如，有非常強回聲的心包，回聲超過了其實際邊緣，可以顯現于肺動脈內，形成偽像?

四)儀"