第二章　超声影像学基础

一、超声物理学

（一）声波的基本特征

声波是由物体的机械振动所产生，作为一种波，声波的几种特征对于理解它的属性非常重要。首先，声波是一种机械能的形式，因而我们可研究声波的强度，也可研究声波在介质中传播时的扩散和衰减。其次，声波同光一样，是以波的形式传播，波可用频率和波长来表示。声波在穿过界面时也同样具有波的特性：反射和折射。第三，声波的传播需要介质，它不能在真空中传播，但可以在介质（如人体组织）中传播。

（二）超声波的主要物理学特征及其在超声影像学中的意义

超声波作为一种波，具有频率、声速和波长几个特性。

（1）　频率：

是指在单位时间内介质质点完成全振动的次数。单位是：s-1，或称Hz，人耳可以听到的声音振动频率是15～20 000Hz之间，超过人耳听阈的高限20kHz的声波叫超声波。医用诊断的超声波频率一般为1M～30MHz，应用在腹部和盆腔超声频率多在2.5M～7.0MHz范围，大多数的内镜超声频率在5M～30MHz。超声波频率决定着声束的穿透力和影像的质量。

（2）　声速：

是指超声波每秒钟传播的距离。它与介质的密度和弹性有密切关系。超声波在水及人体大多数软组织中的传播速度相差不大，平均为1540m/s左右，如水为1483m/s，脂肪组织为1470m/s，肾脏为1560m/s，肝脏为1570m/s等。我们测量超声波在不同组织中传播的时间，并根据时间计算组织的大小，也就是首先假设了超声波在这些组织中的传播速度是相等的[1-4]，这是目前各种超声诊断仪测量大小的基础。

（3）　波长：

是指在振动的一个周期内波所传播的距离。超声波的波长通常非常小，一般小于1mm。波长、频率和声速之间有如下公式：

其中λ是波长，C是声速，F是频率。由于声速是常数，所以波长和频率是呈反比的。仪器的最高分辨率相当于半波长，频率越高，波长越短，分辨率越高，但穿透力越差。反之，频率越低，波长越长，分辨率越低，但穿透力越强。因而选择合适的换能器的超声频率、波长决定超声影像的质量。

当超声换能器发射出的超声波进入组织，超声波被反射形成回声（反射波）返回换能器，换能器作为接收装置侦测回声，这些回声经过处理形成影像。既然各种组织中声速是相近的，超声波从换能器发出、被目标反射、并回到换能器所需要的时间与换能器和目标之间的距离是相关的。从目标反射回来的多束声波经过收集（不同的反射时间代表不同回声的对应深度）、处理形成二维超声影像。

超声波的反射使我们能够得到超声影像。没有反射，从探头发出的声波就不能返回形成影像。反射的发生与组织的声阻抗密切相关，声阻抗（Z）主要反映介质的密度与弹性，它的值等于介质密度（ρ）与超声速度（C）的乘积，Z=ρ∗C。所以不同类型的组织声阻抗不同。当声波入射到两种不同声阻抗的组织的界面上，并且该界面的长度大于波长时，声束的一部分穿过界面进入第二种组织，称为透射，而另一部分会在这个界面上返回，这种现象称为反射。反射多少，透射多少，取决于两种组织声阻抗的差异（图2-1）。两种组织声阻抗的差异越小，在界面上反射的声波越少，透射的声波越多。通常人体大多组织内部的声阻抗变化很小，所以反射的声波也很少。而人体内两种组织间的声阻抗差异则较大，所以反射的声波较多，透射的声波较少。

组织和界面对声波的反射影响图像质量。当两种界面的声阻抗差异特别大时，声波绝大多数被反射，其后方就不能形成影像，因为只有极少的声波通过界面。这种情况一般发生在气体与软组织间的界面，因而我们无法用超声显示肺、气管和含气的胃肠道。这就是为什么EUS需要注水并排除胃肠道气体之后才能较好地进行检查的原因。

超声耦合剂能提高声波在界面的透射力。体表超声用的超声胶就是耦合剂，使探头与皮肤良好接触，减少附着气体的影响，减少被皮肤反射回来的声波。在EUS中，水和水囊起到同样的作用，水作为耦合剂，使换能器发出的声波更好地穿过消化道黏膜。如果没有水这种耦合剂，胃肠道气体常常使换能器与黏膜之间的声阻抗差异过大，此时绝大部分的声波被反射，只有很少的声波能进入黏膜组织，不足以形成组织的超声影像。

当声波在界面反射时，入射角与反射角相等，这一原理对影像的质量非常重要，当声波垂直入射组织时，反射波也垂直返回换能器，从而得到理想的影像。如果声束不垂直入射界面，声束会以与入射角相同的角度反射，但这些反射波不能直接回到换能器，而是反射至周围的组织中，声波在周围组织中散射。人体大多数组织存在许多不规则的界面，声波穿过时就会向许多方向发生不规则的反射和折射的现象，称为散射。这些声波不断散射，最终回到换能器，组织中声波的散射决定了各种组织有不同的内部回声，如正常肝脏的内部回声较为均匀（图2-2）。

当声波入射到界面上的声束与界面不垂直时，则透射过界面的声束方向会发生改变，这种现象称为折射。折射的方向取决于声波在不同组织中的速度，超声波在多数组织中传播的速度是接近的，所以折射的现象并不明显。当声波通过声速差别很大的组织界面时就可发生折射，形成超声伪像。

声波还可以用能量学的物理量来描述。声波的能量用振幅或强度来表示，与声音的响亮程度有关，同样超声波也可用振幅和强度来描述其能量。声强的单位通常用分贝（dB）表示。当声波通过组织时要损失一定的能量，这种现象称为衰减。反射、散射和组织的吸收都使能量衰减，组织吸收是一小部分能量被转化为热量。吸收的多少取决于介质的黏度和声波的频率，缺少黏性的物质（如液体）比黏性组织（如软组织或骨）吸收得少。

液体几乎不吸收声能，这一特点很有意义。内镜超声探头水囊中的水及注入消化道内的水都是良好的声学耦合剂，因为水吸收声能极少，声波在水中衰减很少，从而更易于显示深部的组织和病变。在体表超声检查时嘱患者饮水和憋尿也是同样的原理。

骨组织（如椎骨、肋骨）吸收声能明显，超声波很难穿透。胆结石和肾结石也能明显吸收和衰减超声。超声波很难通过结石，这样就产生了结石的声像特征：声影（图2-3）。

超声波的频率也能影响其衰减。在软组织中，超声波的频率与组织的吸收成正比，频率越高，组织吸收量越大，所以高频率的探头不能够显示较深层的组织。对于电子内镜超声来讲，5MHz换能器能显示约8cm深的组织，而10MHz换能器只能显示约6cm深的组织（图2-4，图2-5）。