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超声基础知识总结
物理基础
基本概念――人耳听觉范围：20-20000HZ
超纵声波频率＞20000HZ――纵波（疏密波）：粒子运动平行于波传播轴； 诊断最常用超声频率：2-10MHZ
基本物理量：频率（f）、波长（λ）、声速（c）；三者关系：λ＝c／f
人体软组织的声速平均为1540m/s，与水的声速相近；骨骼的声速最高，相当
于软组织平均声速的2倍以上。
超声场：发射超声在介质中传播时其能量所达到的空间；简称声场，又称声束。 声束的影响因素：探头的形状、大小；
阵元数及其排列；
工作频率（超声的波长）； 有无聚焦及聚焦的方式； 吸收衰减；
反射、折射和散射等。
声束由一个大的主瓣和一些小的旁瓣组成。超声的成像主要依靠探头发射高度
指向性的主瓣并接收回声；旁瓣的反向总有偏差，容易产生伪像。
声场可分为近场和远场两部分
（1）近场声束集中，呈圆柱状； 直径――探头直径（较粗）； （横断面声能分布不均匀） 长度――超声频率和探头半径。 公式：L＝（2r·f）／c
L为近场长度， r为振动源半径， f为频率， c为声速 （2）远场声束扩散，呈喇叭状；声束扩散角越小，指向性越好。
（横断面声能分布较均匀）
声束两侧扩散的角度为扩散角（2θ）；半扩散角（θ）。 超声波指向性优劣指标是近场长度和扩散角。
影像因素：增加超声频率；――近场变断、扩散角变小； 增加探头孔径（直径）――但横向分辨率下降。 采用聚焦技术――方法：固定式声透镜聚焦； 电子相控阵聚焦；
声束聚焦：采用声束聚焦技术，可改善图像的横向和（或）侧向分辨力。 固定式声透镜聚焦――将声透镜贴附在探头表面。 常用于线阵探头、凸阵探头；
可提高横向分辨力，但远场仍散焦。
电子相控阵聚焦――（1）利用延迟发射是声束偏转，实现发射聚
焦或多点聚焦；可提高侧向分辨力；
常用于线阵探头、凸阵探头；
（2）动态聚焦：在长轴方向上全程接收聚焦。 （3）利用环阵探头进行环阵相控聚焦； 可改善横向、侧向分辨力；
（4）其他聚焦技术：如二维多阵元探头。
超声物理特性： 一、束射特性（方向性）――是诊断用超声首要的物理特性； （如反射、折射、聚焦、散焦） 大界面：指长度大于声束波长的界面；大界面的回声反射有显著的角度依赖性。 入射声束垂直于大界面时，回声反射强；
入射声束与大界面倾斜时，回声反射减弱甚至消失。 两种介质存在真声阻抗，是界面反射的必要条件。
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声强反射系数（R1）＝（Z2－Z1）／（Z2＋Z1）
Z1，Z2代表两种介质的声阻抗；声阻抗＝密度×声速 界面回声反射的能量与界面形状密切相关：垂直于凹面――聚焦；
垂直于凸面――散焦；
垂直于不规则面――乱散射。 超声界面反射的特点：非常敏感。
人体许多器官如肝、脾、胆囊的包膜、腹壁各层肌肉筋膜以及皮肤层都是典型的大界面。 小界面：指小于声束波长的界面。其后散射（背向散射）回声无角度依赖性。 后散射：超声遇到肝、脾等实质性器官或软组织内的细胞、包括成堆
的红细胞（称散射体），会发生微弱的散射波。散射波向四面八方分散能量，只有朝向探头的微弱散射信号――后散射（背向散射），才会被检测到。
现代超声诊断仪正是利用大界面反射原理，能够清楚显示体表和内部的表面和轮
廓；还利用无数小界面后散射的原理，清楚显示人体表层，以至于内部器官、组织复杂而细微的结构。
二、衰减特性――衰减与超声传播距离和频率有关；
衰减的原因主要有吸收、散射、声束扩散。 软组织平均衰减系数：1dB/cm·MHz；
蛋白质成分是人体组织衰减的主要因素（占80%）。
衰减规律：骨＞软骨＞肌腱＞肝、肾＞血液＞尿液、胆汁； 超声的分辨力：显示器上能区分声束中两个细小目标的能力或最小距离。 影像因素：超声波得频率； 脉冲宽度；
声束宽度（聚焦）； 声场远近和能量分布； 探头类型；
仪器功能（二维图像中像素多少、灰阶的级数多少等）。
分类：空间分辨力（与声束特性有关）
――轴向（纵向）分辨力：与超声频率（正）和超声宽
度（负）有关；理论值：λ／2
横向分辨力：与探头厚度方向上声束的宽度和曲面
聚焦性能有关；――常采用透镜聚焦
侧向分辨力：与探头长轴方向上声束的宽度有关； ――常采用相控聚焦 细微分辨力――宽频带和数字化声束处理； 对比分辨力――与灰阶级数有关；
时间分辨力――单位时间成像速度即帧频
超声的生物学效应――声功率：单位时间内探头发出的功率。单位：W或mW；
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声强：单位面积上声功率。单位：W/cm或mW/cm；
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ISPTA：空间峰值时间平均声强（mW/cm）
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ISPPA：空间峰值脉冲平均声强（W/cm） 分贝：两个声强的比值；超声系统可控制的最大能量与最小
能量之比为动态范围。
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生物学分类――热效应：诊断用超声一般不会造成明显的温度升高；（mW/cm级）
空化效应：可形成气体微泡；诊断用超声尚未得到证实； 对细胞畸变、染色体、组织器官的影响；
高强聚焦超声（HIFU）：热凝固和杀灭肿瘤细胞作用；
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（KW/cm级） 强烈机械震荡――用于碎石治疗；
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在物理治疗学方面的作用（W级，一般0.5-3 W/cm） 超声辐射剂量是超声强度与辐射时间的乘积。
热指数（TI）：1.0以下无致伤性，胎儿应调至0.4以下；眼球应0.2以下； 机械指数（MI）：指超声驰张期的负压峰值（MPa数）与探头中心频率（MHz）
的平方的比值。1.0以下无致伤性，胎儿应调至0.3以下；眼球应0.1以下；
超声声学造影应采用低机械指数，可以防止微气泡破裂，提高造影效果。
多普勒超声技术的基础及应用
多普勒效应的公式：fd＝2Vcosθf0／c――V＝fd c／2f0cosθ
在超声医学诊断中，V为红细胞运动速度；fd为多普勒效应产生的红细胞散射回声的 频移；c探头发射的超声在人体组织中的传播速度；f0为探头发射的超声频率；θ为探头发 射的超声的传播方向与红细胞运动方向间的夹角。
分类――脉冲多普勒：选择性接收回声信号，所需检测位置的深度用延迟电路完成； 连续多普勒：无选择检测深度的功能，但可测很高速的血流；
高脉冲重复频率（HPRF）多普勒：增大检测血流的能力；可有多个取样容积。 多普勒超声所检测的不是一个红细胞，而是众多的红细胞，各个红细胞的运动速度及方向不可能完全相同，因此，出现多种不同颜色的频移信号，被接受后成为复杂的频谱分布（波形），对它用快速傅立叶转换技术（FFT）进行处理后，把复杂的频谱信号分解为若干个单频信号之和，以流速-时间曲线波形显示，以便于从中了解血流的方向、速度、时相、血流性质等问题。
脉冲多普勒技术的局限性：
（1）最大频移即最大测量速度受脉冲重复频谱频率的限制（fd＝PRF/2）
（2）PRF与检测深度（d）的关系：d＝c/2PRF，说明检测深度受PRF的影响；
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（3）检测深度（d）与速度（v）关系：vd＝c/8f0cosθ，为常数，v、d相互制约； （4）当被检测目标的运动速度超过PRF/2时，出现混迭现象。 增大脉冲波多普勒技术检测速度、检测深度的方法：
降低发射频率； 移动零位基线； 减低检测深度；
增大超声入射角（θ），但cosθ在分母位置，值越小计算出速度
值误差越大，所以此法不可取。
用HPRF的频谱多普勒：fd＝HPRF/2
彩色多普勒――原理：以脉冲多普勒技术为基础，用运动目标显示器（MTI），自相关函
数
计算（自相关处理技术），数字扫描转换、彩色编码等技术，达到对血流的彩色现象。 三基色――红、蓝、绿三色；三基色混合时，可产生其他彩色，称为二次色； 红色加绿色产生黄色（二次色），就以红-黄表示正向高速血流。 种类――速度型彩色多普勒：以红细胞运动速度为基础； 能量型彩色多普勒：以红细胞散射能量（功率）的总积分进行编码； 速度能量型彩色多普勒：
显示方式――速度-方差显示：朝向探头―黄色；背向探头―青蓝色。 速度显示：朝向探头―红色；背向探头―蓝色；明暗表示快慢。 方差显示：高速血流显示时从单一彩色变为五彩镶嵌。 能量显示：适应于对低速血流的显示；明亮度表示多普勒振幅。 局限性――（1）受入射角的影响；
（2）超过尼奎斯特频率极限（PRF/2）时，彩色信号发生混迭； （3）检测深度与成像帧频及可检测流速间的互相制约； （4）对二位图像质量的影响； （5）湍流显示的判断误差。
彩色多普勒技术的调节方法：
1、彩色标尺（PRF）的选择：中、低速血流――速度显示方式；
高速血流――速度-方差及方差显示方式； 2、发射超声频率：检测较浅表的器官、组织及经腔道检测――高频超声； 对高速血流的检测――低频超声； 对低速血流的检测，达到被检测深度的情况下―高频超声； 3、滤波器调节：低速血流――低通滤波；高速血流――高通滤波；
4、速度标尺：腹部及外周血管――低速标尺；心血管系统――高速标尺； 5、增益调节：检测开始时，用较高的增益调节，使血流易于显示；然后再降
低增益使血流现象最清楚而又无噪音信号。
6、取样框调节：取样框应包括需检测区的血流，但不宜太大，使帧频及显像
灵敏度下降；
7、零位基线的调节：零位基线下移，可增大检测的速度范围；
8、余辉调节：persistence调节钮可使帧频图像重叠，增大信/噪比，使低速
度、低流量的血流更易于显示清楚；
9、扫查范围与方向的调节：较小的扫查范围（角度）可增加帧频，彩色显像
更清楚。与血流方向相同的扫查方法，可使彩色显像更敏感，更清晰。
10、消除彩色信号的闪烁：可选用高速度标尺、高通滤波抗干扰，最佳方法是
令病人屏住呼吸
频谱多普勒
血流流动学基础知识――一般规律：当雷诺数（Re）＞2000时成为湍流
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能量守恒定律：ΔP＝4Vmax；估算跨瓣压、心腔及肺动脉压；