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"及時部分總論

超聲心動圖檢查是利用超聲波來探測心血管系統(tǒng)的形態(tài)結(jié)構(gòu)?功能和血流，為了更好地理解并充分應(yīng)用此項技術(shù)，有必要了解超聲波物理學(xué)原理?儀器設(shè)備和生物學(xué)效應(yīng)等基礎(chǔ)知識?

考慮到超聲波的物理學(xué)原理和儀器設(shè)備為相關(guān)物理學(xué)科和工程技術(shù)學(xué)科等專業(yè)范圍，涉及非常多的內(nèi)容，尤其是隨著超聲心動圖儀器設(shè)備的日益發(fā)展，有關(guān)的理論和技術(shù)也越來越復(fù)雜，作為超聲心動圖的臨床工作者，可能沒有必要對這些專業(yè)知識進行非常深入的探討，如果需要，可參考有關(guān)專業(yè)文獻?本章僅對其物理學(xué)原理和儀器知識進行初步討論，且重點放在臨床超聲心動圖工作者必要的物理學(xué)基礎(chǔ)知識方面?

及時節(jié)超聲波物理特性

一?超聲波及其人工產(chǎn)生方法

聲波是彈性介質(zhì)中傳播的機械振動波?根據(jù)其頻率，將聲波分為次聲波?可聽聲波和超聲波三類，其中高于人類可以聽到頻率的聲波稱為超聲波，通常其頻率在20 000Hz以上，即每秒20 000次以上?

人工產(chǎn)生超聲波的方法有許多種，應(yīng)用于超聲心動圖的超聲，主要是利用某些非對稱性晶體所具有的壓電效應(yīng)，即它們受到外界壓力或拉力作用時，晶體的兩個表面將分別出現(xiàn)正負(fù)電荷，從而使機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?正壓電效應(yīng))，反之在受到交變電場作用時，晶體將出現(xiàn)機械性壓縮和膨脹，電能轉(zhuǎn)化為機械能(逆壓電效應(yīng))，產(chǎn)生機械振動波?

上述具有壓電效應(yīng)的晶體稱為壓電晶體，是超聲心動圖探頭的主要部件，利用機械能與電能的相互轉(zhuǎn)變，探頭既可作為超聲波的發(fā)生器，也可作為超聲波的接收器?

二?超聲波物理特性

決定可聽聲波特性的聲學(xué)定律同樣適用于超聲，但超聲波具有可聽聲波不甚明顯的獨特物理特性，而這些特性使超聲在臨床醫(yī)學(xué)中成為廣泛應(yīng)用的技術(shù)?目前應(yīng)用于超聲心動圖的超聲頻率一般在2~30MHz，具有頻率極高?波長極短?方向性極好的特點，可以形成超聲波束，具有在不同介質(zhì)界面反射?透射?散射和在介質(zhì)傳播中衰減等物理特性?

一)超聲波傳播速度

超聲波傳播速度主要取決于介質(zhì)的密度和彈性?在人體大多數(shù)組織內(nèi)，超聲波的傳播速度相對一致，大約為1560m/s，而骨組織為2800m/s，肺組織為1200m/s?人體不同組織結(jié)構(gòu)的聲速有所差異，有可能造成超聲的測量誤差?同時，超聲波傳播速度(c，單位m/s)與其頻率(f，單位Hz)及波長(λ，單位m)有關(guān)，通常以下述公式表示它們的關(guān)系:c=f λ?

根據(jù)上述公式，以大多數(shù)組織為基礎(chǔ)，應(yīng)用于臨床的超聲波頻率為2~10MHz，其波長相當(dāng)于08~016mm，此波長范圍限制了儀器的分辨率(resolution)?從理論上講，如果要分辨兩個組織結(jié)構(gòu)，它們之間至少要有超過半個波長的距離?假如使用3MHz的超聲，在人體組織內(nèi)的超聲波長為05mm，較大理論分辨率為025mm，而實際的分辨率要低于上述較大理論分辨率，為其1/8~1/5，相當(dāng)于可以分辨2mm或稍小的物體?

二)聲阻抗

聲阻抗決定超聲波在介質(zhì)內(nèi)的傳播特性，而后者主要取決于介質(zhì)的密度和彈性?介質(zhì)的聲阻抗等于介質(zhì)密度與其內(nèi)傳播聲速的乘積，因此聲阻抗以固體最小，氣體較大，人體軟組織及實質(zhì)性臟器的聲阻抗大致與液體接近?

超聲波在相同介質(zhì)內(nèi)傳播時，部分能量被吸收，其余繼續(xù)傳播，被吸收聲波的多少取決于聲阻抗及波長?吸收隨頻率增加，高頻超聲波束穿透深部組織的能力不如低頻者，因此要探測某個特定深度的組織，將必須限制探頭的超聲波頻率?當(dāng)然還有其他許多因素也會影響探頭的選擇?

三)反射?透射和折射

超聲波束遇到兩種聲學(xué)密度不同介質(zhì)之間的界面，當(dāng)界面的線徑大于波長時，一部分超聲能量被反射(reflection)，而其余部分超聲能量穿過界面進入第二種介質(zhì)，稱為透射(transmission)?兩種介質(zhì)聲阻抗差的大小，決定反射與透射超聲能量的相對比例?例如在空氣與人體組織界面，超聲波幾乎全部被反射?同時，根據(jù)兩種介質(zhì)中聲速的差別，透射入第二種介質(zhì)的超聲波束傳播方向?qū)兴淖儯Q為折射(refraction)，但通常將人體大多數(shù)組織內(nèi)傳播的聲速視為常數(shù)，因此認(rèn)為超聲波束在人體組織內(nèi)幾乎呈直線傳播?折射是超聲聚焦的理論基礎(chǔ)，同時比較明顯的折射也是產(chǎn)生偽差的原因之一?

超聲能量反射和透射的多少，也取決于入射超聲波束與界面之間的角度(入射角)，而且此角度也會影響反射回探頭方向的超聲能量多少?假定是一個平的界面，只有入射波束與界面垂直，反射波才能從入射波束方向返回?生物體內(nèi)的界面往往是不規(guī)則的，反射波會從界面向多個方向反射，真正返回發(fā)射方向的回聲將隨之減少?在某些情況下，超聲的入射角達到一定程度時，入射超聲能量可全部反射到及時種介質(zhì)內(nèi)，形成全內(nèi)反射，可產(chǎn)生偽像，需要通過調(diào)整探頭角度予以避免?

及時章超聲物理學(xué)基本原理臨床超聲心動圖學(xué)(四)衍射和散射

當(dāng)超聲波束遇到等于或小于超聲波波長的反射物體時，部分超聲能量將改變傳播方向，繞過該物體繼續(xù)向前傳播者稱為衍射(diffraction)，而以該物體為中心向各個方向傳播者稱為散射(scattering)，均可能產(chǎn)生偽像?

五)衰減

超聲波束在組織中傳播的過程中，隨著傳播深度的增加，由于上述各種情況使超聲能量被吸收，其能量將進行性衰減?除了超聲本身的條件外，組織結(jié)構(gòu)內(nèi)含水量越少?蛋白質(zhì)和鈣質(zhì)含量越多，衰減越高，如瘢痕組織?骨組織和鈣化組織均可以引起明顯的超聲衰減，產(chǎn)生聲影?因此，上述許多因素均可影響返回到入射方向超聲波的強度，從而影響超聲的探測狀況和圖像?

三?多普勒超聲的物理原理

詳見多普勒效應(yīng)和相關(guān)技術(shù)(第五章)?

第二節(jié)超聲圖像顯示方式

與光不同，超聲波束進入組織和從組織反射回來均需要一定的時間?因為已經(jīng)知道聲波的傳播速度，很容易通過測定探頭發(fā)射超聲至回聲返回探頭所需的時間，來確定探頭到反射面之間的距離?通過探頭發(fā)射和接受超聲脈沖，每個超聲脈沖射入組織結(jié)構(gòu)途中可以遇到許多界面，在沿超聲波束行進方向，根據(jù)界面的深度，以不同的時間間期反射回來的一系列回聲信息，可反映所遇到的組織結(jié)構(gòu)?

一)A型和B型

顯示為與聲束軸垂直的回聲信號，以振幅代表回聲的強度所產(chǎn)生的圖像，稱為A型;而以亮度代表回聲強度所產(chǎn)生的圖像，稱為B型?由于A型和B型在臨床應(yīng)用中顯示出局限性，已極少使用?

二)M型

在B型顯示的基礎(chǔ)上，超聲脈沖每秒重復(fù)1000次或以上(脈沖采樣頻率)，一組回聲信息在縱軸(y軸)上按距離以點狀B型顯示，而水平軸(x軸)按時間依次顯示下一組回聲信息，即以y軸顯示深度信息，結(jié)合x軸的時間信息，構(gòu)成了實時心臟結(jié)構(gòu)運動的圖像，稱為M型超聲(Mmode or motionmode)?回聲強度決定M型圖像上相應(yīng)點的灰度?

這種方式的采樣頻率遠遠高于心率，每個心動周期的采樣次數(shù)很多，比如心率每分鐘100次，每次心跳可以提供600組信息，因此有非常好的時間分辨率?盡管通過手動進行M型掃查，可以獲取組織結(jié)構(gòu)空間的更多信息，但仍有非常明顯的局限性?

三)二維或切面圖像

在M型超聲的基礎(chǔ)上，隨時間進行掃描，逐漸將探頭晶體稍微改變角度，產(chǎn)生一組又一組的回聲信息，在獲取許多組回聲信息的基礎(chǔ)上，再通過重建，形成二維或切面圖像(twodimensional image)?超聲心動圖臨床應(yīng)用的儀器系統(tǒng)，逐漸改變探頭晶體的掃描方式有許多種，包括機械扇形掃描?環(huán)陣型掃描?線陣式掃描?微型凸陣掃描和相控陣式掃描等，目前基本上采用相控陣式掃描?

整幀圖像是由多組回聲信息所構(gòu)成，典型的是用128組回聲信息構(gòu)成一幀圖像?隨后重復(fù)上述過程，形成每秒多幀的實時圖像?其掃描速度取決于場深，因為改變探頭晶體角度之前，每個入射超聲脈沖的回聲必須先回到探頭，故受到相應(yīng)的時間限制?對兒童而言，探測深度為5~15cm，通常可以采用28~50Hz的采樣頻率?

目前使用的二維超聲心動圖系統(tǒng)，可以從操作界面直接引出M型和多普勒圖像，通過調(diào)節(jié)深度?增益?灰階?聚焦區(qū)等，使圖像達到狀態(tài)，并可以對超聲資料進行必要的前處理和后處理?不同的超聲系統(tǒng)，有不同的操作界面及操作方法，需要參考相應(yīng)儀器系統(tǒng)的說明書?

四)三維圖像(threedimensional image

詳見第四章?

五)其他超聲新技術(shù)

詳見第十七章?

第三節(jié)超聲圖像質(zhì)量和偽差

超聲圖像質(zhì)量主要包括細(xì)微分辨率(detail resolution)和對比分辨率(contrast resolution)?隨著計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，目前超聲心動圖的圖像質(zhì)量已經(jīng)有了長足的進步，包括采用動態(tài)聚焦等方法，也明顯提高了使整個視野圖像保持均衡分辨率的能力，即圖像的一致性(uniformity)?文獻中對分辨力和分辨率有不同的表述，為了避免混淆，在本書中均使用分辨率的概念?

一?細(xì)微分辨率

細(xì)微分辨率指超聲系統(tǒng)分辨細(xì)小組織結(jié)構(gòu)的能力，系統(tǒng)分辨兩個最短間距之間的組織結(jié)構(gòu)，可以顯示出兩個點而不是一個點?細(xì)微分辨率取決于許多因素，而且在所有方向不是都一樣?

軸向分辨率(axial resolution):指可以鑒別兩個沿超聲波束軸方向分布最短間距之間組織結(jié)構(gòu)的能力，與超聲波長或頻率?超聲脈沖時間等因素有關(guān)?

側(cè)向分辨率(lateral resolution):指可以鑒別兩個垂直于聲束方向分布最短間距之間組織結(jié)構(gòu)的能力，影響側(cè)向分辨率最主要的因素是超聲波束的寬度?

探頭的壓電晶體能夠向指定的方向產(chǎn)生短陣超聲波，超聲波束寬度隨距離發(fā)生變化?標(biāo)準(zhǔn)盤形超聲發(fā)生器發(fā)出的超聲波束，類似于激光束，開始部分呈直徑與該盤大小相似的圓柱形，波束窄小，稱為近場;距超聲探頭較遠時，聲束的邊緣逐漸發(fā)散?增寬，形成圓錐形，稱為遠場，兩者之間稱為移行區(qū)?大的高頻率超聲發(fā)生器產(chǎn)生的超聲波束近場較長，遠場發(fā)散較少?另外，通過聲學(xué)透鏡聚焦的方法可以改變聲束的形狀，從而提高探測范圍內(nèi)超聲能量強度和系統(tǒng)的側(cè)向分辨率?

從理論上講，聚焦有一定的限度，取決于探頭大小和超聲波頻率，可以下述公式表示:

聚焦區(qū)直徑=λ?x/d

其中，λ為超聲波波長，x為探頭至感興趣探測點之間的距離，d為探頭直徑?探頭越大聚焦區(qū)的波束越佳，側(cè)向分辨率越好，但對近場聚焦的程度往往較差，而且從胸骨旁或心尖部檢查時，由于聲窗較小，過大的探頭會從肋骨和其他反射物產(chǎn)生偽像?

二?對比分辨率

對比分辨率指鑒別不同密度組織結(jié)構(gòu)的能力以及顯示強反射物附近纖細(xì)組織結(jié)構(gòu)的能力?如同細(xì)微分辨率，軸向的對比分辨率比側(cè)向好?目前使用的超聲系統(tǒng)已經(jīng)采用新的計算機技術(shù)，盡可能地優(yōu)化對比分辨率，無須操作者進行調(diào)節(jié)，但各種超聲系統(tǒng)之間會有一定的差異?

三?偽差

超聲心動圖檢查過程中，可出現(xiàn)多種偽差，可能造成分析判斷困難，甚至診斷錯誤?偽差(artifacts)的原意是人為現(xiàn)象?外來事物或不相干物，本身的含義比較廣泛，不僅包括通常所稱的偽像，也包括超聲圖像的某些細(xì)微差別和測量誤差等?在超聲心動圖檢查過程中，除了儀器設(shè)備條件外，人為技術(shù)因素往往也是造成偽差的主要原因?了解偽差產(chǎn)生的基礎(chǔ)，有助于操作人員在工作中更好地理解，盡可能避免錯誤?

一)回聲脫失

當(dāng)超聲波束與組織結(jié)構(gòu)界面接近于平行時，幾乎沒有反射到探頭的回聲，稱為回聲脫失(dropout)?比如從心尖部檢查時，房間隔幾乎與超聲波束平行，往往觀察到房間隔部位回聲脫失，難以與真正的房間隔缺損鑒別，需要從劍突下觀察房間隔，由于房間隔與超聲波束接近于垂直，容易觀察到房間隔，而避免由于回聲脫失造成的偽像?

二)致密回聲結(jié)構(gòu)的聲影

任何回聲非常致密的結(jié)構(gòu)均可能形成聲影(shadowing)，從而掩蓋其后的組織結(jié)構(gòu)?由致密回聲材料制成的人工瓣膜，檢查時可以掩蓋瓣膜后面的心臟結(jié)構(gòu)，如從心尖部檢查人工二尖瓣，將無法觀察其后的左心房?粗大心導(dǎo)管也可以產(chǎn)生聲影，有可能造成類似于間隔缺損的偽像?

三)側(cè)瓣

側(cè)瓣(side lobes)指高密度回聲的側(cè)向傳播?遠場的超聲波束發(fā)散增寬，所有遠場的圖像均向側(cè)向傳播，使波束沒有明確的邊緣，同時非常強的回聲會顯得相當(dāng)寬，從而形成偽像?檢查時，強度正常的回聲沒有明顯的側(cè)向傳播，靠近血管的強回聲結(jié)構(gòu)看上去會出現(xiàn)在正常的血管腔內(nèi)?比如，有非常強回聲的心包，回聲超過了其實際邊緣，可以顯現(xiàn)于肺動脈內(nèi)，形成偽像?

四)儀"