第五节 超声成像
超声成像（ulrasonography，US）是利用超声波的物理特性，获得人体组织或器官的声学物理信息。这项技术起源于20世纪50年代，经历了从黑白灰阶到彩色多普勒，从基波到组织谐波等不同超声发展阶段，目前常用的有A型、B型、M型、D型及E型（弹性）等5大类超声技术，临床应用广泛，是一种价廉、安全、方便、无创、无辐射损伤的检查手段，不仅能对人体组织或器官做出形态学诊断，还能提供功能信息。近年来，超声医学在疾病的介入治疗方面也发挥着越来越重要的作用。
一、超声成像概述
（一）超声波定义及相关物理基础
超声波（ultrasound）是声波的一种特殊类型，其振动频率超过20000Hz，人耳不能听到，能成束发射，以纵波方式向远方传导。常用医学超声诊断频率在1～15MHz。超声波除具有频率、波长、声速等基本物理量之外，还有声特性阻抗，为超声诊断中的基本物理量，声像图中各种回声的差异主要是不同介质的声阻抗不同形成的。
（二）超声波的物理特性
1.指向性 超声波波长极短，其声波直径远大于波长，故声束能集中在一个狭小的角度内发射，称为指向性。在相同声源直径条件下，频率越高，波长越短，其指向性即方向性越好。
2.反射与折射 当超声波在介质中传播遇到两种声阻抗不同的声学大界面时，声波将发生部分反射，其余部分通过界面折射，其传播速度亦随之改变。
3.散射与绕射 当超声波在人体中传播遇到声阻抗不同的声学小界面（如细胞）时，一部分声波将分散到各个方向，称为散射；一部分声波则绕过该界面后继续向原来方向传播，称为绕射。反射回声与散射回声是一切回波型超声诊断的基础。
4.频率与分辨率和穿透力的关系 频率越大其穿透力越小，指向性和分辨率越佳；频率越小，穿透深度越深，但指向性和分辨率越低。
5.声衰减 是指超声波在介质中传播时，其强度随着传播距离的增大而减小，主要原因为声速扩散、界面上的散射和介质的声吸收等导致的声强减小。因此，在人体组织深部超声探查时，用时间和远场增益补偿后方能获得较满意图像。
6.伪像 是由于超声波的物理特性、仪器性能、探查技术等因素造成的不真实图像，但一些伪像也可以提供重要辅助信息加以利用，如胆囊结石后方的声影。
7.多普勒效应 超声波到达一个静止物体时，其反射的频率与发射的频率相同，但当物体与声源存在相对运动时，反射波的频率与发射波的频率不同，两者的频率之差（即频移）与它们之间的相对运动速度成正比。此现象是1842年奥地利物理学家C.Doppler发现的，故称为多普勒效应。多普勒超声诊断即是利用运动目标所产生的频移，从而计算出运动速度的。胎心、瓣膜、血管壁以及血流都是人体中的运动体，都会产生多普勒效应。
（三）超声成像基本原理
超声波探头内晶体具有“正逆压电效应”。当晶体受力后产生电极极化现象，称正压电效应；当晶体外加电场后产生机械变形，称逆压电效应。超声波探头内晶体受“正逆压电效应”激发产生压缩和弛张交替变化的机械振动，从而产生超声波。超声波在人体不同组织、脏器中传播时，因界面大小、声阻抗的差异而发生不同的反射、折射和散射，形成不同的回声，这些不同组织的不同的回声信息，经过超声仪器的接收、放大和处理，在显示屏上形成声像图。
（四）人体组织的声学分型
超声波入射人体后，各脏器与组织存在不同的反射类型（表1-2-3）。
表1-2-3 人体组织器官声学类型
二、超声仪器的类型
按显示方式分类，超声仪器可分为四类。
（一）A型
最早开发使用，为振幅模式（amplitude mode），主要以波幅变化进行诊断，不能直观显示组织图像。仅用于颅脑和眼科，目前已很少使用。
（二）M型
为运动模式（motion mode），以沿时间轴移动的曲线观察器官的变化，可分析心脏和大血管的运动幅度，主要用于心脏和血管检查，一般与B超、彩色多普勒联合使用（图1-2-30）。
图1-2-30 心脏二维和二尖瓣M型
（三）B型
目前使用最多，属亮度模式（brightness mode），其原理是将单声束在传播途径中遇到各个界面所产生的一系列散射与反射回声在显示器上以一系列亮度变化的点来表达。B型超声以灰阶度来表示回声强度的高低（图1-2-31）。回声编码是把从白到黑分成若干灰阶，回声越强，亮度越亮（接近白色，如密度大的骨骼、结石等），回声越弱，亮度越暗（接近黑色，如正常胆囊和膀胱内的液体）。分静态和动态实时两种。为二维超声，其图像称为声像图。
图1-2-31 正常甲状腺B型声像图
（四）D型
向运动目标发射固定频率的脉冲或连续超声波，接收频率已经发生变化的回波，提取并显示差频，即多普勒模式。主要用于心血管和产科，对各类血管疾病的诊断有很大价值，可检测其形态学和血流动力学状况，常与B型、M型超声合并使用。D型超声又分为：
1.频谱多普勒 超声探头接收到的血流信号为复杂信号，需经过快速傅里叶转换分解为简单的基本频率和振幅信号组成的频谱图，用于研究血流动力学，检测血流有无、方向、时相、速度等（图1-2-32）。又分为脉冲波多普勒（PW）和连续波多普勒（CW），PW能测低速血流，能分辨深度，CW能测高速血流，但不能分辨深度。
图1-2-32 心脏彩色和频谱多普勒
2.彩色多普勒（CDFI） 利用相关技术迅速获得一个较大腔室或管道中的全部差频回声信息，然后以彩色编码显示。可以直观和动态显示血流状况，有红、蓝、黄三种基本色，红色表示朝向探头的血流，蓝色表示反向探头的血流，五彩镶嵌反映病理血流（图1-2-33）。颜色的明暗可反映血流速度的大小。
图1-2-33 肾脏彩色血流
红色表示进入肾脏血流，蓝色表示流出肾脏血流
3.彩色能量图（CDE） 原理同彩色多普勒，采用的信息是反射信号的幅度，常用单一的红色显示，能量越大，颜色越深。颜色既不代表血流速度的大小，也不反映血流的方向，而是与各个位置的运动目标产生的反射信号的能量成正比。检测微小血流的灵敏度高于彩色多普勒数倍。也不会产生混叠现象，与CDFI常常切换使用，互为补充。
（五）三维超声
可显示人体器官和病灶的X、Y、Z轴立体图像，从而增加更多的诊断信息量，在胎儿、心脏检查中以及介入治疗应用较多。三维诊断又分计算机三维重建图像和实时三维（又称四维超声）图像，后者是通过特殊的容积探头进行扫描而获得实时立体图像（图1-2-34）。
图1-2-34 胎儿三维立体声像图
（六）超声造影
将造影剂（含微气泡的溶液）注入静脉，造影剂随血流灌注进入器官、组织，使其显影，从而为临床超声诊断提供更多的信息和依据。主要技术是谐波成像、二次谐波成像和间歇谐波成像。常用于肝脏、心脏、肾脏、妇科、浅表器官、周围血管等疾病的诊断与鉴别诊断。
（七）腔内超声及内镜超声
为获得更佳的超声声像图，可通过各种符合人体工程学的超声探头在人体腔道内进行超声检查。包括腔内超声与内镜超声。腔内超声有经食管超声、经阴道超声、经直肠超声等，弥补了体表探头的不足，更直接贴近病变部位，使过去的检查盲区得以直观显示，尤其有利于病灶的细微解剖层次和病变状况的判断分析。内镜超声包括胃镜超声、腹腔镜超声等。
此外，超声诊断仪还包括超声显微镜、C型超声、P型超声等技术，超声CT也在研发之中。
三、超声成像的优势与限度
超声成像具有无辐射、无创伤、价廉的优势；能实时、动态、灵活显示人体组织器官和活动状态，且能获得各方向的切面图像；彩色多普勒可反映血流动力学改变。但也存在一些限度，如不能检查被气体或骨骼遮盖的组织或器官，对肥胖体型的深部结构检查有限；局部成像显示范围较小，大的脏器显示不完整；图像不直观，结果受操作者手法或经验影响较大等。
四、介入性超声
（一）超声介入诊断与治疗
主要有在超声引导下的细针穿刺活检、对管腔结构的穿刺造影、对体内病灶的引流和治疗，如对囊肿、脓肿、心包积液、胸腹腔和盆腔积液进行超声引导的穿刺引流，对肿瘤、泌尿系结石的超声引导介入治疗等。超声引导也应用于宫内胎儿病变的手术方面。
（二）超声治疗
利用高能量的超声波可以进行超声治疗。利用超声波产生的热效应、机械效应，可以加速细胞代谢和物质交换，可以消炎镇痛、软化瘢痕，还可气化或切割组织、止血、杀灭癌细胞，以及用于泌尿系结石的碎石等。