第一节 超声波的物理原理
一、声波的定义
能够在听觉器官引起声音感觉的波动称为声波。用于人体诊断的超声波是声源振动在弹性介质中产生的纵波。
二、声波的物理性质
（一）声波的频率、周期和速度
声源振动产生声波。声波有纵波、横波和表面波三种形式。而纵波是一种疏密波，就像一根弹簧上产生的波。在弹簧的一端推拉，弹簧就产生一列由左向右传播的波。可以看到弹簧的一部分紧密，另一部分稀疏。紧密部分逐渐前移变为稀疏，稀疏部分亦逐渐前移变为紧密，这样紧密与稀疏状态交替前进，形成一系列波动传播开来。声波在介质中传播，介质中质点在平衡位置来回振动一次，就完成一次全振动。纵波完成一次全振动就是一次紧密与稀疏的总和。一次全振动所需要的时间称振动周期（T）。在单位时间内全振动的次数称为频率（f），频率的单位是赫兹（Hz），1Hz＝ls－1，则频率f＝l／T。
声波既然是一种机械振动，那么必在介质中以一定速度传播。因为质点振动一周，波动就前进1个波长（λ）。波长就是在质点振动一周时波动传播的距离，由此得出波速（C），C＝λ／T或C＝f·λ。
（二）声阻抗
声波在媒介中传播，其传播速度与媒质密度有关。在密度较大介质中的声速比密度较小介质中的声速要快。在弹性较大的介质中声速比弹性较小的介质中要快。这样就引出了声阻抗的定义，声阻抗（Z）为介质密度（ρ）和声速（C）的乘积，Z＝ρ·C。声阻抗的单位是瑞利。1瑞利等于lg／（cm2·s）。声阻抗在决定超声波的传播，以及反射回声的大小方面是一个重要因素。
（三）声强级
人耳对声波反应的主要因素有两个，一是声波的强度，另一个是声波的频率。声强是单位时间内通过垂直于传播方向的单位面积的能量。声强的单位是W／cm2，声强I＝P2／C。式中P为声压，C为声速。上式表明声强与声压的平方成正比。在听觉区域中，声音强度的差别很大。以1000Hz为例，最低可闻的强度是10－12 W／cm2。经验表明，强度每增加10倍，主观响度约增加1倍。因此在声学上采用对数标度来表示强度的等级，叫做声强级（intensitylevel）。以L表示。声强级的单位用贝尔（bel．B）表示。如果—个声音的强度为1，则根据定义，它的声强级是：L＝lg1／I0（B）。式中I0＝10－12 W／cm2是规定的标准参考强度。更常用的声强级单位是贝尔的十分之一，即分贝（deci－bel，dB）。用dB为单位时，上式为L＝10lgI／I0（dB）。例如：10000Hz的痛阈强度I＝1W／cm2，它的声强级是L＝10lgI／I0－12＝120dB。声强级和强度一样都是客观物理量。
三、超声波的概念
超声波就是频率大于20KHz、人耳感觉不到的声波，它是纵波，可以在固体、液体和气体中传播，并且具有与声波相同的物理性质，但是由于超声波频率高、波长短，因此具有一些自身的特性。
（一）反射和折射
当一束超声波入射到比自身波长大很多倍的两种介质的交界面上时，就会发生反射和折射。设物体直径为d，超声波长为λ，则d＞λ时，一部分超声能量在界面上被反射回来。另—部分能量进入第二层介质继续传播。
1．超声波的反射定律：入射角等于反射角。即θ1＝θ2。θ1和θ2分别为入射角和反射角。超声束反射的强弱与入射角密切相关。当超声束垂直于反射界面入射时，入射角等于零，则声束沿入射声束全部返回。随着入射角的增大，反射角亦增大，返回声束逐渐偏离探头，探头接收的回波信号就会逐渐减弱。如果入射声束与界面平行，入射角等于90°，则没有反射回声，即没有回波信号返回探头。因此超声波探查心脏时，要求声束尽量与组织界面垂直。
超声波的反射还与界面两边的声阻抗有关。两介质声阻抗差越大，入射超声束反射越强。声阻抗差越小，反射越弱。声强的反射系数为a＝（Z2—Z1）2／（Z2十Z1）2。式中Z1为第—介质的声阻，Z2为第二介质的声阻。人体软组织和空气的声阻抗相差3800倍，空气界面上99．89%的超声波均被反射回来。因此超声心动图在检查心脏时应尽量避开肺等含气脏器。骨与软组织的声阻抗相差近3．61倍。由上式可计算出在骨与软组织界面之间有32%的超声波被反射回来。当超声波通过胸骨探查心脏时，大部分声波将被反射回来，使心脏图像显示不清晰。由上式还可看到，当Z1－Z2时，反射系数为零，表示没有超声波反射，全部超声波进入下一层介质中，这就是超声束通过心脏中的血液和均匀心肌组织时呈无回声区的原因。
2．超声波的折射定律：入射角正弦和折射角正弦之比等于两种介质中声速之比。即sinθ1／sinθ2＝C1／C2。C1为入射介质中的声速。C2为透射介质中的声速。由超声波折射定律可以看出，超声波的折射与超声束在两种介质中的传播速度有关，并与声束由一种介质向另一种介质射入角度有关。
（1）当声束从传播速度快的介质进入传播速度慢的介质时，即C1＞C2时，折射角θ1比入射角θ2小，声束走向靠近法线；反之，当声束从传播速度慢的介质进入传播速度快的介质时，即C1＜C2时，折射角θ1比入射角θ2大，于是声束走向偏离法线。
（2）当C2＞C1，θ1等于某一值时。sinθ1＝1时，则θ1＝90°，由sinθ1＝C1／C2sinθ1可看出，此时折射波只沿着两种介质的交界面行进。
（二）散射与衍射
超声波在介质内传播，如果所遇到的物体的界面直径大于超声波的波长则发生反射。如果所遇到的物体的界面直径小于超声波的波长，超声波的传播方向将发生偏离，在绕过物体以后又以原来的方向传播。此时反射回波很少，这种现象叫衍射。物体界面直径小于1／2波长即发生衍射。因此，波长越短，超声波的分辨力越好。如果物体是直径大于超声波波长的微粒，在通过这种微粒时，大部分超声波继续向前传播，小部分超声波能量被微粒向四面八方辐射，这种现象称为散射。散射时，物体微粒构成点声源，辐射球面波。超声波的散射对于超声波的诊断甚为重要。人体组织内的细微结构对超声波的散射，正是脏器内部图像形成的依据。血液中红细胞的散射是构成超声多普勒频移信号的主要组成部分。因为红细胞的直径比超声波波长小很多。超声束投射到红细胞上，红细胞就形成一个个散射声源，超声探头接收其中的反向散射信号，就构成了超声多普勒频移信号。
（三）超声波的衰减
超声波在介质中传播时，入射超声能量会随着传播距离的增加而逐渐减小，这种现象称作超声波的衰减。超声波的衰减有以下两个原因：
1．超声波在介质中传播，质点发生振动产生摩擦而转换成热能，使总的超声能量逐渐减少，这叫做吸收。吸收与超声波的频率、介质的黏滞性、导热性、温度相传播距离有关。
2．介质对超声波的反射、散射使得入射超声波的能量向其他方向转移。而返回到传播方向上的超声波能量越来越小。
（四）束射性
超声波具有束射性。这一点与一般声波不同，而与光的性质相似，即可集中向一个方向传播，有较强的方向性。因为超声波波长极短，所以可以用适当的方法使其汇聚或发散。超声波的束射性形成了超声波的声场特性。由换能器发出的超声波呈窄束的圆柱形分布，其直径与换能器压电晶体的大小接近，故称超声束。超声束有以下几个特点。
1．方向性强。在近场区（近探头处），因声束宽度可近似换能器直径（约为其直径的0．96），在远场区（远离探头处），因声束开始发散出现扩散角，故声束逐渐增宽。
2．旁瓣效应。超声束除了中心主瓣外，在主瓣旁边还有许多旁瓣，它们包围了主瓣，但超声能量主要集中在主瓣内。
3．在声束线上声强分布不均匀。靠近换能器表面，声强起伏变化。离开表面一段距离（远场），声强随距离增加而减少。
三、超声波的应用原理
（一）超声波的产生
超声波应用于诊断，必须有产生超声波的器件，这种器件就是超声换能器。超声换能器向人体发出超声波信号，同时接收由人体返回来的信号。这个过程是由换能器中的压电晶片完成的。超声诊断仪必配的探头就是由超声换能器等组成。不同类型的探头，可以配制1～260多个换能器晶片。换能器上施加的高频交变电压不同，其所产生的超声波频率亦不同。一般用于心脏超声诊断的频率在2．5～7MHz范围，而血管内所用的探头频率通常在10～20MHz。这是为了适应不同年龄组、不同体形和不同心脏血管结构而设定的。
压电晶片是一类压电材料。当在其两端施加一压力或拉力时，晶体受到压缩或拉伸，此时材料两端的两个电极面上将产生电荷，这种效应称正压电效应。材料的压电效应是可逆的。当在压电材料两端施加—个交变电场时，压电材料将出现与交变电场频率相同的机械振动，这种效应称逆压电效应。压电效应是法国物理学家居里兄弟（JandPCurie）在1880年发现的。正压电效应把声能转变为电能，所以，发射超声波利用了逆压电效应，接收超声波利用了正压电效应。
（二）超声显像的分辨率
1．纵向分辨率。又称轴向分辨率、距离分辨率和深度分辨率。是指能够区分超声声束轴线上两个物体的能力。以刚好区分两个物体之间的前后距离来量度。对反射型超声来说，纵向分辨率理论上应为λ／2。但由于生物组织内部超声传播比较复杂，故实际上纵向分辨率只能达到2～3个波长。纵向分辨率由超声波的波长决定，而波长又由超声波发射频率决定。故频率越高、波长越短，纵向分辨率越好。
2．横向分辨率。又称侧向分辨率、方向分辨率和水平分辨率。是指能够区分与声束轴线垂直的平面上两个物体的能力。以声束刚好可以分辨两个物体的横向距离来量度。横向分辨率可以认为等于声束宽度。声束越细，横向分辨率越好。图像质量主要取决于横向分辨率。横向分辨率好，图像细腻，小结构显示清晰。反之图像不清晰。横向分辨率由晶片形状、发射频率、聚焦效果及换能器的距离等因素决定。
3．厚度分解率。超声显像仪探头的晶体排列呈矩形，在短轴方向做成了曲面，但仍具有一定厚度。所以超声切面图像并非一个理想的切得很薄的断面图像，而是一个较厚的断层信息的叠加图像。这就是厚度分辨率的问题。厚度分辨率定义为探头在厚度方向上声束的宽度，它与探头的曲面聚焦及距换能器的距离有关。厚度分辨率越好，图像上反映组织的切面情况越真实。
（三）超声心动图诊断仪的类型
超声心动图诊断仪型号很多，目前广泛应用的超声心动图仪的类型有A型、B型、M型、Doppler型。A型、B型、M型按其工作原理属于反射型。
1．A型（A—mode）。属于振幅调制型。它是组织界面的回声以脉冲波的幅度形式来显示反射波信号的强弱。可用于测量组织界面的深度（距离）和反映组成界面的组织的基本结构。A型属于一维图像。
2．B型（B—mode）。B型显示的是超声束方向上的切面回声图像。它属于辉度调制型，即组织界面的回声以不同辉度的光点表示，当声束扫描（线形或扇形扫描）时便构成二维切面图像。
超声心动图诊断仪常见的B型扫描方式有：
（1）机械扇形扫描，由微型马达通过传动机构带动超声探头作转动或摆动，形成扇形扫描图像。①摆动式：由机械装置驱动单晶片超声探头来回摆动，形成扇形扫描图像。其成像速度快，可达30帧／秒。②转动式：三个换能器晶片以120°角相隔开来，安装在同一转动轴上，由直流马达驱动旋转三个换能器发射和接收，形成扇形扫描图像。
（2）电子扇形扫描，即电子相控阵扫描。超声探头由32个晶片或48、64、96个晶片组成。利用这组晶片延时发送存在的相位差和引起组合超声束偏转的原理，通过控制相应变化来形成扇形扫描检查。超声心动图诊断仪中绝大部分采用此种方式。
（3）凸阵扫描，介于线阵扫描和相控阵扫描之间。超声探头的晶片被造成一凸面，曲率半径10～100mm，获得梯形图像。
（4）环阵相控扇形扫描，超声探头晶片被改变成几个叠套的环，克服了单晶体片只有一个固定聚焦点的缺点。只要改变环状晶体片的发射接收延时，就可改变聚焦点的焦距。环阵相控扫描将机械扇形扫描声场特性好和电子相控阵扫描可以动态聚焦的优点集于一身，使其图像质量更加优越。
3．M型（M—mode）。M型也属于辉度调制型，它是单超声束通过心脏各层次，以回声光点形式反射回来，同时通过仪器中的慢扫描电路按时间顺序展开，由此得到心脏层的运动回声曲线。其垂直方向代表组织的深度，而水平方向代表时间，形成位置－时间曲线。M型仍为超声心动图诊断定量检测的重要方式。
4．超声多普勒（Doppler－D）。是根据多普勒效应基本原理而制作的。超声波发射器和接收器安装于一个换能器中，用于探测血管、心脏内血液流动反射回来的各种多普勒频移信息，从而达到诊断的目的。
（四）影响超声图像显示的因素
1．超声的多次反射。超声显像仪采用的是脉冲回声法。当超声束垂直入射到平整的组织界面时，会出现超声波在探头与各界面之间来回反射的现象，称超声的多次反射。如果探头与组织界面之间距离较大，则可观察到等距离的多条回声，其回声强度逐渐衰减。如果探头与组织界面距离小，则可观察到回声的延续现象。多次反射不仅可发生于探头与反射面之间，也可发生于两个反射体之间和一个物体的两个界面之间。超声的多次反射常常对超声图像造成严重干扰，需要认真识别。
2．分辨率。组织内部的回声，从根本上说是由其内部结构的反射和细微结构的散射所产生的，但横向和纵向分辨率的好坏对图像的光点分布具有直接的影响。分辨率对回声光点长度、宽度及光点间隔的影响，在浅表和深部是不同的。在组织深部超声恰为扩散区，具有一定的宽度，点状回声波光点呈现线状，线条较宽且间隔较大，使横向分辨率降低。而在靠近聚焦区的部位，点状回声波光点变短变细，间隔变小。说明在聚焦区分辨率最好，光点细腻，可显示较小的间隔。因此把所查目标放在分辨率最佳的焦区位置上，声像图才能较逼真地反映组织结构的真实情况。另外，过分加大增益也可使分辨率受到影响，而使声像图失真。
3．镜面伪像的影响。光的反射可产生镜面虚像，位于镜子前面的物体可被观察者在镜子里面看到。超声波的反射也可以形成镜面虚像。此时显像屏上将出现以某个界面为对称轴的两个对称的物体图像。例如在超声心动图诊断中，左室长轴扫查经常遇到此种现象。探头发射的超声波在左房后壁处被反射，反射回声将沿着刚才来时的道路返回到探头。当探头接收到左房后壁的回声时，就会把左房后壁在入射超声的延长线上显示出来，结果在左房后壁实像的后方又出现一个左房的虚像，这就是镜面伪像。
4．厚度的影响。超声断层图像具有一定厚度，而且此厚度在不同的距离上都是不同的，显像荧屏上显示的图像是超声束于空间内所有回声的集合。如四个不在一个平面内的点，由于它们都在声束宽度之内，因此显示在同一图像平面上。又如与探头距离相等的两个线状物，由于它们也在声束宽度之内，因而在图像上以一条线显示出来。所以厚度分辨率对图像的影响不可低估，需认真加以分辨。例如探查胎儿心脏，由于胎儿心脏结构微细，超声图像显示的心脏结构极易出现几层结构叠加，而出现判断错误。
5．旁瓣的影响。旁瓣是超声诊断中产生图像伪象的主要原因之一。旁瓣产生的条件和特点是：
（1）任何换能器，不管是圆形晶片还是长方形晶片，都会产生旁瓣，但旁瓣产生的数目与换能器直径及超声波的波长有关。换能器越小，产生的旁瓣越多。
（2）旁瓣呈中心对称，对于矩形晶片，旁瓣在长轴和短轴的两侧分别是对称的。在成像过程中，探头里晶体越多，边缘就越多，旁瓣的数目也就越多。这就是电子探头比机械探头（单晶片）的超声图像受旁瓣干扰更为严重的原因。
（3）旁瓣和主瓣是同时产生的，它在介质中传播时，不仅速度与主瓣相同，而且其他的各种传播特性如反射、折射、散射等也相同。一般情况下，由于旁瓣超声强度比主瓣小得多，旁瓣回声极其微弱，对图像不产生干扰。但当反射超声能量或动态范围调行过大时，使旁瓣的弱回声增大并被探头接收，即产生旁瓣伪像。另外，如果旁瓣超声与反射体界面相互垂直时，也可能会产生较高的旁瓣回声，被探头接收后，在图像上产生旁瓣伪像。
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