"及时部分总论

超声心动图检查是利用超声波来探测心血管系统的形态结构?功能和血流，为了更好地理解并充分应用此项技术，有必要了解超声波物理学原理?仪器设备和生物学效应等基础知识?

考虑到超声波的物理学原理和仪器设备为相关物理学科和工程技术学科等专业范围，涉及非常多的内容，尤其是随着超声心动图仪器设备的日益发展，有关的理论和技术也越来越复杂，作为超声心动图的临床工作者，可能没有必要对这些专业知识进行非常深入的探讨，如果需要，可参考有关专业文献?本章仅对其物理学原理和仪器知识进行初步讨论，且重点放在临床超声心动图工作者必要的物理学基础知识方面?

及时节超声波物理特性

一?超声波及其人工产生方法

声波是弹性介质中传播的机械振动波?根据其频率，将声波分为次声波?可听声波和超声波三类，其中高于人类可以听到频率的声波称为超声波，通常其频率在20 000Hz以上，即每秒20 000次以上?

人工产生超声波的方法有许多种，应用于超声心动图的超声，主要是利用某些非对称性晶体所具有的压电效应，即它们受到外界压力或拉力作用时，晶体的两个表面将分别出现正负电荷，从而使机械能转变为电能(正压电效应)，反之在受到交变电场作用时，晶体将出现机械性压缩和膨胀，电能转化为机械能(逆压电效应)，产生机械振动波?

上述具有压电效应的晶体称为压电晶体，是超声心动图探头的主要部件，利用机械能与电能的相互转变，探头既可作为超声波的发生器，也可作为超声波的接收器?

二?超声波物理特性

决定可听声波特性的声学定律同样适用于超声，但超声波具有可听声波不甚明显的独特物理特性，而这些特性使超声在临床医学中成为广泛应用的技术?目前应用于超声心动图的超声频率一般在2~30MHz，具有频率极高?波长极短?方向性极好的特点，可以形成超声波束，具有在不同介质界面反射?透射?散射和在介质传播中衰减等物理特性?

一)超声波传播速度

超声波传播速度主要取决于介质的密度和弹性?在人体大多数组织内，超声波的传播速度相对一致，大约为1560m/s，而骨组织为2800m/s，肺组织为1200m/s?人体不同组织结构的声速有所差异，有可能造成超声的测量误差?同时，超声波传播速度(c，单位m/s)与其频率(f，单位Hz)及波长(λ，单位m)有关，通常以下述公式表示它们的关系:c=f λ?

根据上述公式，以大多数组织为基础，应用于临床的超声波频率为2~10MHz，其波长相当于08~016mm，此波长范围限制了仪器的分辨率(resolution)?从理论上讲，如果要分辨两个组织结构，它们之间至少要有超过半个波长的距离?假如使用3MHz的超声，在人体组织内的超声波长为05mm，较大理论分辨率为025mm，而实际的分辨率要低于上述较大理论分辨率，为其1/8~1/5，相当于可以分辨2mm或稍小的物体?

二)声阻抗

声阻抗决定超声波在介质内的传播特性，而后者主要取决于介质的密度和弹性?介质的声阻抗等于介质密度与其内传播声速的乘积，因此声阻抗以固体最小，气体较大，人体软组织及实质性脏器的声阻抗大致与液体接近?

超声波在相同介质内传播时，部分能量被吸收，其余继续传播，被吸收声波的多少取决于声阻抗及波长?吸收随频率增加，高频超声波束穿透深部组织的能力不如低频者，因此要探测某个特定深度的组织，将必须限制探头的超声波频率?当然还有其他许多因素也会影响探头的选择?

三)反射?透射和折射

超声波束遇到两种声学密度不同介质之间的界面，当界面的线径大于波长时，一部分超声能量被反射(reflection)，而其余部分超声能量穿过界面进入第二种介质，称为透射(transmission)?两种介质声阻抗差的大小，决定反射与透射超声能量的相对比例?例如在空气与人体组织界面，超声波几乎全部被反射?同时，根据两种介质中声速的差别，透射入第二种介质的超声波束传播方向将会有所改变，称为折射(refraction)，但通常将人体大多数组织内传播的声速视为常数，因此认为超声波束在人体组织内几乎呈直线传播?折射是超声聚焦的理论基础，同时比较明显的折射也是产生伪差的原因之一?

超声能量反射和透射的多少，也取决于入射超声波束与界面之间的角度(入射角)，而且此角度也会影响反射回探头方向的超声能量多少?假定是一个平的界面，只有入射波束与界面垂直，反射波才能从入射波束方向返回?生物体内的界面往往是不规则的，反射波会从界面向多个方向反射，真正返回发射方向的回声将随之减少?在某些情况下，超声的入射角达到一定程度时，入射超声能量可全部反射到及时种介质内，形成全内反射，可产生伪像，需要通过调整探头角度予以避免?

及时章超声物理学基本原理临床超声心动图学(四)衍射和散射

当超声波束遇到等于或小于超声波波长的反射物体时，部分超声能量将改变传播方向，绕过该物体继续向前传播者称为衍射(diffraction)，而以该物体为中心向各个方向传播者称为散射(scattering)，均可能产生伪像?

五)衰减

超声波束在组织中传播的过程中，随着传播深度的增加，由于上述各种情况使超声能量被吸收，其能量将进行性衰减?除了超声本身的条件外，组织结构内含水量越少?蛋白质和钙质含量越多，衰减越高，如瘢痕组织?骨组织和钙化组织均可以引起明显的超声衰减，产生声影?因此，上述许多因素均可影响返回到入射方向超声波的强度，从而影响超声的探测状况和图像?

三?多普勒超声的物理原理

详见多普勒效应和相关技术(第五章)?

第二节超声图像显示方式

与光不同，超声波束进入组织和从组织反射回来均需要一定的时间?因为已经知道声波的传播速度，很容易通过测定探头发射超声至回声返回探头所需的时间，来确定探头到反射面之间的距离?通过探头发射和接受超声脉冲，每个超声脉冲射入组织结构途中可以遇到许多界面，在沿超声波束行进方向，根据界面的深度，以不同的时间间期反射回来的一系列回声信息，可反映所遇到的组织结构?

一)A型和B型

显示为与声束轴垂直的回声信号，以振幅代表回声的强度所产生的图像，称为A型;而以亮度代表回声强度所产生的图像，称为B型?由于A型和B型在临床应用中显示出局限性，已极少使用?

二)M型

在B型显示的基础上，超声脉冲每秒重复1000次或以上(脉冲采样频率)，一组回声信息在纵轴(y轴)上按距离以点状B型显示，而水平轴(x轴)按时间依次显示下一组回声信息，即以y轴显示深度信息，结合x轴的时间信息，构成了实时心脏结构运动的图像，称为M型超声(Mmode or motionmode)?回声强度决定M型图像上相应点的灰度?

这种方式的采样频率远远高于心率，每个心动周期的采样次数很多，比如心率每分钟100次，每次心跳可以提供600组信息，因此有非常好的时间分辨率?尽管通过手动进行M型扫查，可以获取组织结构空间的更多信息，但仍有非常明显的局限性?

三)二维或切面图像

在M型超声的基础上，随时间进行扫描，逐渐将探头晶体稍微改变角度，产生一组又一组的回声信息，在获取许多组回声信息的基础上，再通过重建，形成二维或切面图像(twodimensional image)?超声心动图临床应用的仪器系统，逐渐改变探头晶体的扫描方式有许多种，包括机械扇形扫描?环阵型扫描?线阵式扫描?微型凸阵扫描和相控阵式扫描等，目前基本上采用相控阵式扫描?

整帧图像是由多组回声信息所构成，典型的是用128组回声信息构成一帧图像?随后重复上述过程，形成每秒多帧的实时图像?其扫描速度取决于场深，因为改变探头晶体角度之前，每个入射超声脉冲的回声必须先回到探头，故受到相应的时间限制?对儿童而言，探测深度为5~15cm，通常可以采用28~50Hz的采样频率?

目前使用的二维超声心动图系统，可以从操作界面直接引出M型和多普勒图像，通过调节深度?增益?灰阶?聚焦区等，使图像达到状态，并可以对超声资料进行必要的前处理和后处理?不同的超声系统，有不同的操作界面及操作方法，需要参考相应仪器系统的说明书?

四)三维图像(threedimensional image

详见第四章?

五)其他超声新技术

详见第十七章?

第三节超声图像质量和伪差

超声图像质量主要包括细微分辨率(detail resolution)和对比分辨率(contrast resolution)?随着计算机技术的迅速发展，目前超声心动图的图像质量已经有了长足的进步，包括采用动态聚焦等方法，也明显提高了使整个视野图像保持均衡分辨率的能力，即图像的一致性(uniformity)?文献中对分辨力和分辨率有不同的表述，为了避免混淆，在本书中均使用分辨率的概念?

一?细微分辨率

细微分辨率指超声系统分辨细小组织结构的能力，系统分辨两个最短间距之间的组织结构，可以显示出两个点而不是一个点?细微分辨率取决于许多因素，而且在所有方向不是都一样?

轴向分辨率(axial resolution):指可以鉴别两个沿超声波束轴方向分布最短间距之间组织结构的能力，与超声波长或频率?超声脉冲时间等因素有关?

侧向分辨率(lateral resolution):指可以鉴别两个垂直于声束方向分布最短间距之间组织结构的能力，影响侧向分辨率最主要的因素是超声波束的宽度?

探头的压电晶体能够向指定的方向产生短阵超声波，超声波束宽度随距离发生变化?标准盘形超声发生器发出的超声波束，类似于激光束，开始部分呈直径与该盘大小相似的圆柱形，波束窄小，称为近场;距超声探头较远时，声束的边缘逐渐发散?增宽，形成圆锥形，称为远场，两者之间称为移行区?大的高频率超声发生器产生的超声波束近场较长，远场发散较少?另外，通过声学透镜聚焦的方法可以改变声束的形状，从而提高探测范围内超声能量强度和系统的侧向分辨率?

从理论上讲，聚焦有一定的限度，取决于探头大小和超声波频率，可以下述公式表示:

聚焦区直径=λ?x/d

其中，λ为超声波波长，x为探头至感兴趣探测点之间的距离，d为探头直径?探头越大聚焦区的波束越佳，侧向分辨率越好，但对近场聚焦的程度往往较差，而且从胸骨旁或心尖部检查时，由于声窗较小，过大的探头会从肋骨和其他反射物产生伪像?

二?对比分辨率

对比分辨率指鉴别不同密度组织结构的能力以及显示强反射物附近纤细组织结构的能力?如同细微分辨率，轴向的对比分辨率比侧向好?目前使用的超声系统已经采用新的计算机技术，尽可能地优化对比分辨率，无须操作者进行调节，但各种超声系统之间会有一定的差异?

三?伪差

超声心动图检查过程中，可出现多种伪差，可能造成分析判断困难，甚至诊断错误?伪差(artifacts)的原意是人为现象?外来事物或不相干物，本身的含义比较广泛，不仅包括通常所称的伪像，也包括超声图像的某些细微差别和测量误差等?在超声心动图检查过程中，除了仪器设备条件外，人为技术因素往往也是造成伪差的主要原因?了解伪差产生的基础，有助于操作人员在工作中更好地理解，尽可能避免错误?

一)回声脱失

当超声波束与组织结构界面接近于平行时，几乎没有反射到探头的回声，称为回声脱失(dropout)?比如从心尖部检查时，房间隔几乎与超声波束平行，往往观察到房间隔部位回声脱失，难以与真正的房间隔缺损鉴别，需要从剑突下观察房间隔，由于房间隔与超声波束接近于垂直，容易观察到房间隔，而避免由于回声脱失造成的伪像?

二)致密回声结构的声影

任何回声非常致密的结构均可能形成声影(shadowing)，从而掩盖其后的组织结构?由致密回声材料制成的人工瓣膜，检查时可以掩盖瓣膜后面的心脏结构，如从心尖部检查人工二尖瓣，将无法观察其后的左心房?粗大心导管也可以产生声影，有可能造成类似于间隔缺损的伪像?

三)侧瓣

侧瓣(side lobes)指高密度回声的侧向传播?远场的超声波束发散增宽，所有远场的图像均向侧向传播，使波束没有明确的边缘，同时非常强的回声会显得相当宽，从而形成伪像?检查时，强度正常的回声没有明显的侧向传播，靠近血管的强回声结构看上去会出现在正常的血管腔内?比如，有非常强回声的心包，回声超过了其实际边缘，可以显现于肺动脉内，形成伪像?

四)仪"