超声诊断的物理、生理和病理基础

超声诊断的物理基础 分以下几个方面。
(1)超声的发生和显示： 超声诊断仪主要由主机和探头（扫查器）所构成，根据逆压电效应原理，将具有压电效应的晶体片置于探头内，当由主机产生和供给的高频交变电场，与晶体压电轴方向一致时，压电晶体片就随着交变电场的变化沿一定方向发生压缩或拉伸。交变电流达20,000Hz以上时，即产生超声波。此种将电能转换为声能的晶体片还有回收超声信号的性能，基于正压电效应，它可将回声声能再转换为电信号，而显现于示波屏上。一个主机可以配置一个探头、二个探头和多探头。在一个探头内可安装单晶片、双晶片、三晶片或数十至数百个晶片。多晶片的探头主要用于快速实时显象法。

超声在一些介质中的传播速度

介 质	传播速度(m/s)
石蜡油 生理盐水 血 液 肝 脏 肾 脏 脂 肪 肌肉（平均值） 人体软组织（平均值） 头 骨	1,420 1,534 1,570 1,570 1,560 1,476 1,568 1,540 3,360

(2) 超声的声速、频率与波长： 波长(λ)、声速(c)和频率 (f) 的关系如下式λ=c/f。超声的下限频率为20KHz^*，最高频率在10MMHz^***以上。诊断所用的超声频率在0.3MHz至30MHz^**之间，一般最常用者为0.8MHz、1.25MHz、2.5MHz、3.0MHz与5.0MHz。超声在介质中传播速度与介质的温度、弹性及密度有密切关系，下表所列为超声在一些介质中的传播速度。在实际应用中，在人体内超声声速平均值多以1500m/s计算，例如超声频率为2.5MHz，在人体内波长：

在人体组织中传播时超声频率与波长的关系如下表：

频率(MHz)	0.8	1.25	2.5	5.0	10.0	15.0
波长(mm)	1.88	1.20	0.6	0.3	0.15	0.1

(3) 超声的反射和折射： 超声在介质中传播时，如声阻抗(介质密度×声速)发生改变，部分声能即在声阻抗改变的界面上产生反射，另一部分则在界面后产生折射。超声在传播途径中遇到直径小于半个波长的障碍物时，便绕过障碍物而继续传播，即绕射。
(4) 超声的吸收和衰减： 超声在介质中传播，能量逐渐减弱，即发生衰减。造成衰减的原因，主要是介质的吸收，介质的粘滞性、导热性和温度等也能使能量消耗。软组织对超声的吸收程度与频率高低大致成正比。其次由于介质粗糙介面的散射以及超声声速在远场的扩散，也使能量分散。故离开声源某点的超声振幅与距离的平方成反比。
(5) 超声的分辨力、分辨率与穿透力： 超声的分辨力是指能测到的物体的最小直径，分辨力的大小与频率的高低成正比，理论上最大分辨力是波长的1/2。如2.5MHz，波长0.6mm，其分辨力是0.3mm。分辨率则是指超声仪器能够区分相邻两个界面的能力。超声诊断仪的纵向分辨率决定于超声脉冲宽度。例如电路发生的脉冲为5μs，通过换能器所产生的脉冲超声在软组织内所经距离为7.5mm，其纵向分辨率则为3.75mm。故两个纵向界面相距>3.75mm才能分别出现两个回声。仪器的横向分辨率指能区分横向两个相邻界面的能力，它决定于声束的直径。在超声远场的超声声束宽度因扩散角的关系，随距离的增加而增宽，横向分辨率也随之下降，故现在多采用聚焦探头。超声对人体软组织的穿透力与其频率成反比。探查表浅器官常用较高频率，如眼球已用到10～20MHz。而体内组织，则多用2.5或3.0MHz。
(6) 超声多普勒效应： 超声多普勒效应是美国物理学家Christian Doppler(1803～1853)发现的一种物理现象。当声源与反射物体之间发生相对运动时，在一定介质中发生频率改变，相向运动时频率增高，相背运动时频率降低，其频移的程度（差频）与相对运动速度成正比。利用多普勒效应的D型超声诊断法在超声诊断学中已形成一个重要的分支。用探头向体内发射超声，遇到活动的脏器和血流界面时，即产生多普勒频移(fd)。当探头与反射界面角度一定时，频移值的大小反映被测物体的运动速度。但在探测同一运动物体时，探头与反射界面间角度的改变可影响频移数值。其相互关系如下式：

f——入射超声频率
u——反射界面的运动速度
c——超声声速
λ——超声波长
θ——探头与反射界面间角度
根据频移数值可测定血流速度，此频移数值适在音频范围内，如用扬声器显示，可听到多普勒信号音；如用示波器显示，即为超声多普勒信号图。根据多普勒信号的有无和变化，可判断妊娠情况和某些心血管疾病，脉冲超声频移诊断法可测定血液的流向、流速和流量。
超声诊断的生理和病理学基础 超声诊断除D型超声诊断法外，多用脉冲反射法，因而介质的界面反射是超声诊断的重要基础。声阻抗相差0.1%的界面，即可发生反射。主要有关介质的声阻抗如下表。

几种介质的声阻抗值

介质	密度(g ml)	声速(m/s)	声阻抗(×105)
空 气 血 液 脂 肪 肝	0.00129 1.055 0.955 1.050	332 1570 1476 1570	0.000428 1.656 1.410 1.648

在人体中，实质性、含液性、含气性脏器都各有不同声阻抗的界面，和固有的反射规律。一旦发生病变如肿瘤、积液及积脓等造成声阻抗改变时，即产生新的界面，从而改变了其原有的反射规律。各种正常组织和病变都有它一定的超声反射规律，一般都是根据下述几种反射规律来做超声诊断。
(1) 无反射： 超声在匀质液体如血液、胆汁、尿液和羊水中，以及在病变引起的胸水、腹水及囊肿中传播时，因无反射界面，故无回声出现，在A型回声图上称为液平段，在声象图中则出现液性暗区。
(2) 少反射及多反射： 在某些实质性脏器如肝、肾、脾等中只有少数反射界面，故仅见少数反射波或反射光点。当这些脏器发生病变，例如纤维化、变性、炎症及肿瘤等，则反射界面增多，可变为多反射，表现为反射波或光点密集。少反射在增大仪器灵敏度后也可呈现多反射。
(3) 多重反射： 空气与人体组织的声阻抗几乎相差4,000倍，故充气的肺及含气较多的胃肠道可以产生多次重复反射，一次强回声可在探头与界面之间发生重复的多次反射。
(4) 动态反射： 心脏、动脉、膈肌、胎心等处于运动状态的器官，由于反射界面与声源的距离不断发生改变，故反射波或光点的位置也随之移动，以及产生多普勒效应等。于是超声光点扫描法可显示曲线，实时成象法可见动态的活动的图象，D型超声诊断法则可探出细小动脉内血液流动的多普勒信号音或曲线图等。
(5) 吸收衰减： 超声在癌肿或有大量脂肪沉积的脏器中传播时，往往出现衰减，一般表现是脏器出波降低或消失。在巨大癌肿组织中，也可出现衰减平段或暗区。
(6) 周边反射： 因脏器表面多有被膜，有的器官结构层次分明（如眼球等），所以可从脏器的进波反射至出波反射所经历的时间进行径线测定，以测知其前后径 （厚度）纵径和横径，B型超声并可测知周边的长度和面积。各脏器的大小均有其正常值，如发生肿胀或占位性病变，则其径线数值增加，萎缩时则减少。此种测定也常用于眼轴、胎头的测量等。某些显象仪可直接测出脏器或病变的面积。
此外根据反射规律还能进行脏器功能测定，如超声心动图可测定左心室排血量，超声示波或显象法均可测定胆囊收缩功能，以及排尿前后的膀胱容量或有无尿潴留等。