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超声的基本概念  
2011-03-07 14:18:56|  分类： 超声专业知识交流 |  标签：血流  彩色  流体  彩超  超声波   |字号大中小 订阅
一、超声波基本物理量：
    1、超声波是声源振动的频率大于20000Hz的机械波
    2、超声波有三个基本物理量，即频率（f），波长（λ），声速（c），它们的关系是：
c = f*λ或λ=c / f，传播超声波的媒介物质叫做介质，不同频率的超声波在相同介质中传播时，声速基本相同。在人体软组织中声速为1540m/s。探测1cm深度目标所需的时间约13.4μs.
    3、相同频率的超声波在不同介质中传播，声速不相同，人体软组织中超声波速度总体差异约为5%。利用超声方法进行测距的误差也是5%左右。
    4、临床常用的超声频率在2MHz—10 MHz之间。
二、超声波的物理性能
    1、超声波在介质中传播时，遇到不同声阻的分界面，会产生反射和折射。
    2、人体软组织声阻抗差异很小，但只要有1‰的声阻抗差，就会产生反射回波，所以超声波对软组织分辨力很高。
    3、当超声波垂直于不同声抗阻分界面入射时，可得到最佳的反射效果。
    4、当分界面两边的声速不同时，超声波透入第二种介质后，其传播方向将发生改变—即产生折射。
    5、超声波在介质中传播时，有声能占据的空间，叫做声场。
    6、多振子探头的声场分布呈“花瓣”状，其“主瓣”越细（窄）越好，而“副瓣”在声束扫描时将产生伪象。声束处理技术之一就是消除“副瓣”，突出“主瓣”。
7、超声波在介质中传播时，随着距离增加，声能将随之减弱，这就是衰减。
8、为了使深度回声信息清楚，在诊断中要使用STC（TGC）调节，补偿声能的衰减。
衰减用IX=I0e -2αx来描述。
IX是距离声源X点的声强，X是距离声源的距离。
I0是X=0处的声强   α为衰减的系数    e为自然对数之底，e=2.71
声强或声压的衰减吸收以分贝（dB）作单位，组织的衰减系数用dB/cm表示。
在人体组织中衰减程度一般规律是：骨组织>肝组织>血液。若进一步细分：骨（或钙化）>肌腱（或软骨）>肝（或肾）>脂肪>血液>尿液（或胆汁）。
组织中含胶原蛋白和钙质越多，声衰减越大，液体内含蛋白成分的声衰减大。
    红细胞的直径比超声波要小得多，红细胞是一种散射体，其反（后）向散射信息是研究、分析红细胞运动规律的极有用的信息，声束内红细胞数量越多，后向散射强度就越大。
三、超声多普勒效应
1、当声源与反射界面（或散射体）作相对运动时，由于超声波在一定介质中传播的速度是恒定的，故可看作超声的波长被压缩或扩展。波长的变化必将伴随着频率的移动（改变），它仍需满足C= f*λ的关系，这种现象称之为多普勒效应。              
四、超声波分辨力，穿透力
1、分辨力指能在荧光屏上被分别显示为两个点的最小间距的能力，一般可分为轴（纵）向和侧（横）向两种。
2、轴向分辨力系指声束方向，能被分辩前后两点间的最小间距，它与超声波的频率有关，频率越高，波长越短，则轴向分辨越好。
3、侧向分辨力系指与声束相垂直的面上，能被分辨两点的最小间距，它与超声束的宽窄有关。声束越窄（细），其侧向分辨越好。
4、穿透力是指超声在介质中传播能到达最大深度的能力，它与声衰减系数有关，并与频率成正比，用dB/cm /MHz表示，所以频率高的超声波在人体中衰减也越大。

超声生物效应
一、超声声强概念：
对超声诊断设备的超声辐射，针对人体不同部位，规定了限定值，人体不同部位超声强度的限定值   FDA（美国食品药品局）规定
 Isppa： 空间峰值脉冲平均声强
Ispta： 空间峰值时间平均声强
Im：   最大声强度
Iob：  真实声束声强
国际电工委员会：IEC  1157-92规定
Iob < 20 mw / cm2  胎儿
Ispta <100 mw / cm2
我国的计量检定规程规定，超声诊断设备的输出声强<100 mw / cm2
超出这些规定值应公布其声强输出，超声强度超出规定,将造成若干生物效应，如：育龄妇女早熟排卵，受孕率下降，胎儿体重减轻，产后儿童发育迟缓等。
二、超声对生物体影响的作用原理
1、空化作用：在液体中产生强超声时，会出现一种类似雾状的气泡，就如轮船推进器在产生推动力的同时会溅出气泡那样，这就是空化作用。生物组织由于超声空化作用而产生不能复原的破坏性形变，以至使细胞坏死和整个生物组织坏死。
2、热作用：生物组织在超声机械能作用下，由于沾滞吸收，将一部分超声能转化为热能，使生物组织的温度上升。
3、超声的生物作用：
①超声对组织器官的影响：在强超声作用下，将使坐骨神经、脊髓、淋巴细胞、肝组织损伤。
②超声对细胞的影响：超声诊断声强较强时对子宫癌HELA细胞，人羊膜的FK细胞，三个月胎儿脑组织的胎生纤维细胞有影响。
    ③超声对染色体的影响：超声诊断声强较强时，对白细胞、淋巴、成纤维细胞有影响
    ④超声对精子的影响：强超声对精子活动力及受精卵易发生危害。
三、超声诊断的安全因素：超声剂量（声强）的限定值   Ispta<100 mw / cm2超声照射时间：通常一次超声10-20分钟超声波形的形态：脉冲占空比为0.001，1μs发射，1ms接受。

彩色多普勒
第一节 多普勒基本概念
1、多普勒超声血流检测技术主要用于测量血流速度，确定血流方向，确定血流种类：如，层流、射流等；获得速度、时间积分，压差等有关血流的参数。
2、多普勒方式表达血流速度的公式如下：
⑴COSQ是血流与声束夹角的余弦函数，当相对固定时，则fd与流速成正比，fd即影响流 速值V。
⑵ 当多普勒入射角（Q）恒定时，频移fd 仅决定于发射频率fo。
对于某一定的fd，fo越小，则可测的血流速度V就越大。欲测高速血流，fo就应选择低频率的探头。
⑶  当血流速度保持恒定时，如：100 cm/ s（以及恒定的fo和C），那影响fd的参数只有COSQ，即频移的数值依赖于入射角的变化，而速度的数值与入射角无关。Q角改变的一般规律：
a)当OO<Q<900时，COSQ为正值，即血流迎超声探头而来，频率增加，fd为正向频移。
b)当900< Q<1800时, COSQ为负值,即血流背离超声探头而去，频衰减低，fd为负向频移。
c)当时Q=0或Q=1800时, COSQ= ±1,即血流与声束在同一线上相向或背向运动，这时fd最大。
d)当时Q=900,COSQ=0时, 即血流方向与声束垂直，此时fd =0，检不出多普勒频移。
3、三种多普勒方式
(1)连续波多普勒(CW)
采用两种超声换能器,一个发射恒定的超声波,另一个换能器恒定地接收其反射波(或后向散射波), 沿声束出现的血流和组织运动多普勒频移全部被接受,分析,显示出来。CW不能提供距离信息,即不具有距离选通性,不受深度限制,能测深部血流,无折返现象,可测高速血流。
连续波多普勒在取样线上有符号标记，其符号仅表示波束发射声束与接受声束的焦点，或声束与血流的焦点。
(2)脉冲波多普勒(PW)、
采用单个换能器,在很短的脉冲期发射超声波,而在脉冲间期内有一个”可听期”。脉冲多普勒具有距离选通能力,可设定取样容积的尺寸,并调节其深度、位置，利用发射与反射的间歇接受频移信号，测值相对准确，但检查深部及高速血流受到限制。并受脉冲重复频率-PRF的影响，PRF越高，测量血流速度也越高。多普勒频谱技术的分析基础是快速富里叶变换-FFT。
(3)高重复频率脉冲多普勒-HPRF
是在脉冲多普勒基础上改进，探头在发射一组超声脉冲波之后，不等采样部位的回声信号反回探头又发射出新的超声脉冲群，这样在一组声束方向上，若有一组超声脉冲向心腔内发射，第二组超声发射后，探头接受的实际上是来自第一组超声脉冲的回声，依次类推，相当于PRF加倍，频移也就增加一倍，扩大了血流速度测量范围。

第二节   彩色血流显像
一、彩超发展历史与临床应用
1、1983年11月Aloka公司在世界范围内首次推出适用于临床的彩超SSD-880，从此彩色血流显像技术实用化、商品化，这是彩色多普勒血流显像技术发展的起始阶段——首台彩色显像装置问世。
2、1989年以后彩色多普勒血流显像仪在技术上，功能上都有了很大的突破，多数都可达到全身性应用检查，他们的设计原理大致相同，基本上都属检测多普勒频移的范围。这是彩超技术发展的第二阶段——改进和提高阶段，在这段时间，彩超的临床应用得到很大的发展，成为超声医学的重要阶段——彩色多普勒时代。
3、1990年以来，重要特征是以数字化技术为代表，采用了许多与传统方式不同的信息检测及波束形成技术，使彩超的性能有新的突破，图像质量有很大的提高。这是彩超发展的第三阶段——由模拟数字混合处理到全数字化处理的发展阶段——即步入数字化时
4、1996年后形成具有综合图像形成及处理功能的全数字一体化工作站的彩色血流现显设备。它不仅有极佳的图像质量，同时有极强的处理功能，并向三维立体显像方向发展。这就是今日“彩超”的新面貌。“彩超”的发展已进入第四阶段——全数字化多功能信息化时代。
二、彩色血流显像原理
1、彩色多普勒是使用一种运动目标显示器—MTI法，检测血细胞的动态信息，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，变化其颜色亮度，叠加在二维灰阶图像上的彩色血流图。
    MTI是彩色血流显像核心技术之一
    MTI的滤波特性好坏与彩色显像质量直接相关。从接受到的回声中，只分离出血流信号成分，而滤去非血流信息（心室壁，瓣膜）。当用于TDI时，作用正相反。
2、自相关技术也是彩超的重要技术之一。它用于分析血流信号相位差，并将两个相邻的回声进行复数相乘，再经A/D转换成数字信号进行运算。
    多普勒信号属于随机信号。随机信号不服从确定的规律，即便观察条件相同，各次察结果也不一样，根据过去已得知识不能准确预测其未来。这种信号的特征只能通过统计结果来描述。如对同一位置的采样线上的某一相同采样容积所获得的多普勒信息，必须用一些统计量来描述它在不同时刻的特征的总的结果，即不同时刻信号取值的相互关系，这就是自相关函数。一般用均值，均方，方差和功率谱表征。
     为了形成二维彩色血流图，保证显像质量，每帧图像应有32条采样线，每条采样线有256个采样点或64条采样线，每条线上128个采样点。
3、血流分散
    分散是表示血流的紊乱情况（显示红细胞速度，方向的分散情况），当血流为层流时，红细胞以基本的恒定速度朝大致一样的方向移动，当血流处于乱流状态时，红细胞的移动速度，方向皆不相同，这就有必要显示“分散”，它正好对应于频谱多普勒的频带宽度。频带窄=分散范围小，频带宽=分散范围大
4、彩色显示
      经过MTI滤波器后测出的红细胞运动的动态信息，有方向、速度、分散三个因素组成（1）彩色血流的特点是：
    出现血流紊流时，以红蓝混合色表示
    当高速血流超过最大显示频率范围时，（尼奎斯特频率极限）将出现与PW频谱同样的折返现象。折返现象表现为几种色彩的套叠，如同炽光的光焰色。
（2）二维彩色血流图每帧采样点可达到64×256或32×512个，采样点多，能提高信噪比及敏感度，
（3）彩色显像的角度范围一般从300-900选择，角度大则成像速度降低，帧频下降；检查血流的深度与彩色显像帧速度也有关，增加深度将减少帧数。
    所以彩色血流显像的帧速率与采样点数，角度大小，探测深度是相互制约的。在实际临床应用时注意到这点是必要的。
    当其相互间的矛盾解决得越好，这说明该彩超设备的技术水平越高，而彩色血流显像必须要保证一定的帧速度率，最低可视帧频不能少于10—12帧/秒。
（4）在常规的PAL，NTSC制式的监视器显示中，必须和电视同步扫描，超声显示的帧数必须是50的约数，否则即为非同步扫描，将造成不稳定。
5、彩色显像的局限性：
彩色显像与PW同样，存在类似的问题，
显示深度受脉冲频率影响，
减少脉冲频率最大速度又受影响，
增加角度，每秒的成像速度也受
6、小结：
（1）彩色血流显像的基本构成及工作流程应包括：由探头获取多普勒信息，经正交检波器，低通滤波，A/D转换，并将A/D转换后形成的数字信号输入到自相关器，计算出平均多普勒速度，血流分散和平均功率后而得到血流速度，方向和湍流的有关数据，进行彩色编码，并作彩色处理。
（2）在一定角度范围内形成若干条采样线，每条线上设置若干采样点，形成二维的彩色血流图后再与二维灰阶图像叠加，构成一幅完整的彩色多普勒血流图。
（3）彩超仪器有多种专门显示血流的彩色标尺（Coler  Bar  或Coler  map），常用的有速度、方差、功率方式。
（4）彩色血流显像可表示血流的存在，血流速度和方向及血流性质等，属于间接转换的二维显示方式。
（5）彩色多普勒能量图（CDE），不受声束与血流夹角的影响，不存在折返现象，它与血流中红细胞的浓度（数量）有关，对于低速血流灵敏度高，可更理想地显示血流的空间分布。CDE不能表达血流的速度和方向。
第三节 彩超、伪彩
一、彩色基础
1、在图像处理中应用彩色是由于人的眼睛能分辨几千种彩色色调和强度。而人眼对灰度 只有十几到二十级的分辨能力。
2、我们从一个物体上察觉的颜色基本上决定于物体反射的性质。
     所有可见光都平衡反射时，则观察物体呈白色，若观察物体呈某种颜色，则该颜色的波长光波被反射。
3、各种彩色是不同波长的光混合的结果。红色、绿色、兰色为三种基本颜色，即三基色。基色叠加后构成二次色，如品红色（红加兰），青色（绿  加兰），和黄色（红加绿）。彩色电视接收机就是彩色光相加性质的一个例子。
二、彩超—彩色多普勒血流显像—CDFI
实时彩色显示血流方向，血流速度，血流分散；在血流接近超声波束时（“近”流）用红色表示血流方向；在血流远离超声束时（“远”流），用兰色表示血流方向；多普勒频移的大小（流速）用不同强度的颜色色调表示；
多普勒频移分散（湍流）用绿颜色与红、兰混合色表示。当血流速度增快，流量大，彩色多普勒成像的敏感度也提高。
三、伪彩—灰阶到彩色变换
    对二维灰阶图像进行彩色编码处理，用于彩色增强—即伪彩，可以提高图像的分辨力，丰富影象层次，增加实感，提高B型超声对病理组织变化的可视度。
    所以“彩超”主要对血流，“伪彩”主要对灰阶图像，即把不同等级的灰度变换为某种颜色—灰阶到彩色变换。两者是不同的概念，应用领域亦不同，所以彩超与伪彩完全不同。目前众多彩色血流显像仪均带有以灰阶为基础的“B”彩，其作用是增强显示图像的边界分辨力。
第四节 血流动力学基础
一、基本概念
1、稳流：流体元素以恒定的速度和方向运动时，这种流动称为稳定流——稳流。在稳流中，流体元素的速度被认定为在时间&nbsp;t通过的距离 s即：s/t在人体血流中，静脉血流和毛细血管内的的血流可看成稳定流动。当流体元素内任何一点的速度大小和方向均随时间而变化时，这种流动称为非稳定流动，在人体内，动脉血流显现脉动的性质，即非稳定流动。
2、粘滞性：在实际流体元素流动时都具有粘滞。由于粘性作用，必须在流体元素上施加一个力，以克服流体阻力。流体阻力可由泊肃叶定律推导出。在稳流中流量Q与L长度上的压差P2- P1的关系为：
    即单位时间的流量Q与管端压差△P成正比，与流动阻力R成反比。
    决定流体阻力大小的主要因素是血管的半径r，流体阻力与半径的四次方成反比。半径的微小变化即可引起流体阻力的明显改变。血管的收缩对于调节心血管系统的外周阻力和血流量，显然具有重要的作用。
3、流量：所谓流量是指流体元素在一段时间里通过管腔横截面的体积。
      由于血管腔是圆形的，因此把血流系统流量Q看作是一圆柱体积，
即：Q=A.L
式中A为管腔横截面积，L为血柱的长度，即在给定的时间里血流通过的距离。因距离等于速度时间的乘积，即L=V.t，所以，流量Q=V.t.A。对于匀速运动的流体来说，流量等于横截面积A、流速V和时间t三者的乘积。如果流速随时间变化，应将瞬时速度Vi对时间t加以积分，对于非匀速流动的流体，流量等于横截面积A和流速积分的乘积。流量的单位为体积，常用 cm3 或 ml 表示。                                 
4、流率：流率系指单位时间里的流体体积。当流体匀速流动时，流率等于管腔横截面积与流速的乘积。在非匀速流动时，流速qI = A?VI    即流率等于横截面积和瞬时流速的乘积。                                 
    流率的单位是流量/时间，常用ml /s 或L/min表示。
    当流体流动时，由于粘性作用，流体各处的速度出现差异。在圆筒形容器中，形成层流状相互滑落。
       关于超声剂量参数,超声生物效应的阈值.更多的是期待相关机构的研究....