超声的基本特性

第一节　超声的基本特性

一、超声波定义

声源振动并在介质内传播时产生声波。

声波为一种机械波，频率范围10⁴～10¹⁴次/s。振动1次/s为1Hz。振动频率为16～20 000Hz的声波可以引起人类耳鼓膜的振动，经神经传给大脑听觉中枢，引起大脑的听觉反应，这就是声音，或称为可闻声波（audible sound）；振动频率小于16Hz或大于20 000Hz时，超出了人耳能接收的频率范围，不能引起大脑的听觉反应。小于16Hz的声波称为次声波（subaudible sound），大于20 000Hz的声波称为超声波（ultrasonic wave）。医用诊断级超声波（简称超声）的频率范围一般是1～40MHz。临床常规超声检查中，最常用的频率范围是2～10MHz，部分高档彩超的探头可以采用10～15MHz频率。

在人体内，声波依靠介质内各质点在声束轴线上的前后移动，即依靠介质的疏密变化，以纵波（longitudinal wave）的方式向前传播。当质点的运动方向和波的传播方向垂直时称为横波（transverse wave）。

二、超声的产生和接收

超声仪器的探头（transducer）产生超声波。探头主要的构件是压电晶体（piezoelectric crystal）。压电晶体具有压电效应（piezoelectric effect）的特性。在压电晶体表面施加一定的压力或拉力时，其受力表面可出现异名电荷；反之，将压电晶体置于交变电场内，其将产生厚薄的变化。这种机械能与电能相互转换的现象称为压电效应，前者是将机械能转变为电能，称为正压电效应；后者是把电能转变为机械能，称为逆压电效应。

仪器内产生的高频交变电信号经过导线传给探头内的压电晶体时，根据逆压电效应的原理，压电晶体产生厚薄变化，即产生机械振动，推动与探头表面接触的介质（人体）振动，形成疏密波（声波）。当仪器发出的交变信号频率高达2MHz，甚至高达20MHz、40MHz，便产生了2MHz以至20MHz、40MHz频率的超声。

探头发出的超声经过人体表面进入到人体内部、遇到由不同声阻抗的组织结构形成的声学界面时，部分声波在界面处被反射回来。反射声波对探头接触面又形成了一定的压力。根据正压电效应的原理，探头内的压电晶体将受到的压力转变为电信号，由导线传回仪器并经过处理、放大后以不同的方式显示于屏幕上，变成人们能够识别的信号。分析人体内不同器官和病变的回声（echo）信号，达到超声检查、诊断疾病的目的。

三、超声的基本物理量

（一）频率

一次振动从开始至结束的整个过程称为全振动。单位时间内完成全振动的次数称为频率（frequency，f），单位即为Hz。每秒振动百万次时即为MHz。常规经胸心脏超声检查使用的超声频率多为2.5～5MHz，经食管心脏超声检查多使用5～7.5MHz的超声。在某些特殊的情况下，如经血管内的超声检查可使用10MHz，甚至40MHz的超声。

（二）波长

完成一次全振动声波在介质内的传播距离称为波长（wave length，λ）。波长和频率有关。在某一特定的介质内，超声的频率越高，波长就越短。使用高频率的声波进行检查可以获得更好的显示和分辨能力。

（三）声速

振动源振动时，推动周围介质中的质点在各自的位置产生平衡位移，而振动状态则向一定的方向传播。声速（sound velocity，C）就是单位时间内声波在介质中传播的距离。

声速的大小与介质的弹性系数（K）和介质的密度（ρ）有关，而与声波的频率无关。

在同一种介质中，不同频率声波的速度是一定的。因此，提高声波的频率可以获得较短的波长，并以此提高超声的分辨能力。

在弹性介质中，每完成一次振动波动就向前移动了一个波长的距离。假如振动f次/s，波动便向前推进了f个波长的距离，这就是声速。

当频率为f，波长为λ，声速为C时，上述三个物理量的关系是

C=f·λ

声波在固体介质中的传播速度最快，在液体中次之，在气体中最慢。在人体内，各种器官的组织结构非常复杂，声波的速度也有一定的差异。例如，声波在正常羊水中传播的速度是1474m/s，而在成人颅骨内的传播速度可以达到3360m/s。正常人体组织器官的声波速度变化为1400～4000m/s。

声波在人体内的传播速度是超声距离测量的基础。

在现代超声检查仪器的设置中，采用人体软组织平均声速1500m/s作为声波在人体内传播速度的统一标准，实质上是假设了人体各种组织器官的声速是一致的。人体多数软组织的声速差异在5%以内，因此，在超声检查中进行距离测量时也产生了大约5%的差异。由于人体组织器官的组成不是均质的，所处的位置不同，人体功能状态和血流状况不同，以及由此引起的温度差异，引起了组织结构密度的差异和声速的变化。在超声检查中以同一标准检查这些组织结构，必然会引起距离测量的误差。当然，在临床超声检查应用中，这些距离测量的误差是可以接受的，但在回声显示上可出现一些假象。比如超声检查肝脏中富含脂肪成分的血管平滑肌脂肪瘤时，由于在肿瘤内脂肪组织声速小于肝组织，所以发射和接收的超声在其内传播的时间都比周边正常的肝组织长，这样就导致来自其后方组织结构的回波信号返回探头的时间比较长，因此所显示的深度也要大于其周边的组织结构。同样，通过肋骨的声波会提前到达其后方的肝脏表面，形成肝脏被膜的凸起假象。在检查中要注意分析、辨认。

（四）周期

声波完成一次全振动所需要的时间称为周期（periodicity）。当周期为T时，

四、超声的基本物理特性

（一）超声的声场特性

探头发出的超声在人体内传播时，声波经过的区域内人体组织器官受到声波的明显影响，该区域称为声场（acoustic field）。离探头较近的声场为近场（near field），声速以与探头直径相近的圆柱状向前传播。当近场距离为L、探头半径为r时，

超过近场后的声场为远场（far field），声束呈圆锥状向前传播。当探头直径为D时，声束的扩散角θ可以由下式计算：

扩散角反映了声束的扩散或集中的程度。利用物理透镜技术和电子聚焦技术可以延长超声的近场距离，减小声束扩散程度，改善超声的侧向分辨力。

在声场内，超声和人体组织器官相互作用，形成了人体内声场的复杂状况。

1.声场分布的不均匀性　声场内声波能量分布是不均匀的，并且也不是仅有轴线上的声束（sound beam），还有许多侧声束。声束轴线上的声波能量最大，形成声束的主瓣（main lobe）。近场内主瓣的声波的束射性比较强，但强度起伏相对比较大。侧声束的声波能力较小，形成声束旁瓣（side lobe）。主瓣与第一旁瓣的轴线夹角即为扩散角（divergence angle）。探头在接收组织的回波信号时，可以同时接收来自于主瓣和旁瓣的回波信号，但是超声仪在处理并显示这些回波信号时，并不能够区分它们的来源，而是将其叠加后全部显示在主瓣的方向上，形成了超声旁瓣效应。如心脏瓣膜重复伪像、充盈胆囊和膀胱内的“披纱样”伪像等。通过降低声波的输出能量、变换患者体位、改变探头检查方向和位置等方法可以减少或消除这种伪像的干扰，以避免将其误认病理改变。

2.声场的声能、声强和声压　声能、声强和声压主要用于描述超声在声场中的强弱。

超声检查时超声探头以脉冲波的方式发射一定频率的声波，在人体内以纵波的方式传播。介质中的质点由近及远顺序地产生疏密变化，声波的能量向一定的方向传播。在不同的时间、通过某个区域的声波能量不同，但通常以平均声能的概念来衡量探头发出声波的能量。由于探头发射超声脉冲的持续时间要明显小于脉冲间歇时间，组织中平均声能也比较低。

声音强度由振动幅度的大小决定，可以简单地理解为，以能量来计算称声强（I），以压力计算表示时称声压（p）。

声强是指通过垂直于声波传播方向单位面积上的声波能量，单位是W/m²，超声诊断级声强常以mW/cm²为单位。声强的大小与声速成正比，与声波的频率的平方、振幅的平方成正比。声压是指介质中有声波传播时的压强与没有声波传播时的压强之差。单位为N/m²或帕斯卡（Pa）。声强与声压之间满足如下关系式：

在临床超声检查仪器中，除连续波外，均采取脉冲式放射声波，但一般都采用时间平均声强的概念，其强度一般为10～20mW/cm²。采用超声多普勒和彩色多普勒进行检查时，探头处于发射超声状态的时间较灰阶超声检查要长，尤其是使用连续波多普勒检查时，声波持续发射；并且在这些检查方式下的声能更加集中于一个比较小的区域，因此超声多普勒检查时的时间平均声强一般为数百mW/cm²。为了降低超声对人体的作用，尤其是检查敏感的胚胎组织时，检查时需要遵循“最小剂量”原则。

（二）超声的传播特性

1.超声的传播特点　如前所述，超声由探头产生，对与其直接接触的人体产生相应的压力和拉力，使声场内的人体组织各质点发生与声波轴线一致的疏密变化，即以纵波的方式向前传播。由于超声的频率较高、波长较短，发出后集中于一定的方向传播，在近场内波束成圆柱状，波的前面呈平面状，形成平面波（plane wave）；传播一定的距离、超过近场后声束发生扩散，呈圆锥状，波的前表面中心突出，形成球面波（spherical wave）。声波的频率越高，近场就越长。

正是由于超声具有方向性传播的特点，才使得超声检查时能够通过体表探查深部的心脏，显示心脏内部的结构。

2.声阻抗　声阻抗（acoustic impedance）又称为声特性阻抗（Z_c），是指声场中某处的声压与该处质点振动速度的比值，单位为Pa·S/m。当ρ为介质的密度、c为声速时

介质的弹性系数K越大，介质越硬，声阻抗（Z_a）就越大。

3.超声的反射和透射　超声在介质内传播、经过声阻抗不同的前后两种介质形成的界面（interface）时，如果界面足够大，部分声能（sound energy）可由界面处返回到第一介质中，此为反射（reflection）；另一部分声能则穿过界面，进入到深部介质中去，此为透射（transmission）。引起声波反射的界面称为声学界面（acoustic interface）形成声学界面的条件首先是界面两侧介质的声阻抗差异要超过0.1%，其次是界面直径大于1/2波长。

声束垂直于界面入射时，反射声波的多少仅与界面两侧介质声阻抗的差异程度有关：界面两侧介质声阻抗差异越大，声波反射越多；差异越小，反射越少；在同一种介质中，由于声阻抗无差异，则无反射发生。

当两种介质的特性声阻抗分别为Z_c1、Z_c2时，

界面处的声压反射系数R_P

从以上公式可以看出，两种介质之间的阻抗差异越大，界面的反射声波就越多，透过该界面的声波就越少。组织与空气间以及组织与骨骼间的阻抗差很大，通常超声几乎无法穿过这类界面，大部分甚至几乎全部声波能量被反射，无法观察其后部的结构；相反，超声在两种软组织间传播时，由于两者之间的阻抗差异比较小，反射系数也比较小，界面处回声波较弱，透过界面的超声就较多。经胸心脏超声检查时将探头放置在胸骨左缘第2～4肋间隙，就是为了避开胸骨和肺部气体的影响，利用此处作为透声窗来显示心脏及其内部的结构。

声束与界面存在一定的角度入射时，反射声波的多少除受限于界面两侧的声阻抗差异外，还与声束的入射角度有关。在界面处，部分声波返回第一介质内，发生反射，入射角=反射角。

由于入射角的存在，透过界面进入到第二介质中的声波方向也发生改变，这种现象称为折射（refraction）。

当入射角为θ₁、反射角为θ₂、第一介质声速为c₁、第二介质声速为c₂时：

如果两种介质的声速相等，即c₁=c₂，声波经由第一介质进入到第二介质内时就不会发生方向的偏移。人体软组织的声速多接近，这种方向的偏移基本可以不计，而把超声在人体内的传播认为是直线传播即可。但当两种介质由于声阻抗差异较大而引起较大的声速差异时，由折射引起的声波方向的偏移可以引起显示目标的变形。在临床检查时应当注意。

当入射角（incident angle）增加达到一定的角度时，声波不能透过界面进入到第二介质中去而被全部反射回第一介质中，这个角度称为全反射的临界角。

进行超声检查时，应选择正确的检查部位。为了获得最大的反射声波，要正确地选择探头位置，不断地调整探头角度，尽量使声束与界面或被检查器官表面垂直，以使探头能接收尽可能多的反射声波，并有利于声波透过界面进入到深部介质中去。在心脏超声检查时，由于心脏位置的要求以及心脏内部结构和病变的复杂性，正确地选择探头位置和理想地调整探头角度尤为重要。将探头放置于体表进行超声检查时，有时尽管探头与体表有一定的夹角，但由于皮肤有一定的变形能力，仍不会使入射角超过全反射的临界角。探查人体内器官或病变时，声波并不一定与探查的界面垂直。由于人体内没有绝对的平面，故仍会有部分反射声波被探头接收，使我们能够观察到人体内器官的结构，但回声强度会明显降低有时甚至会形成假性回声失落现象。例如，将探头放置在心尖部显示心脏四腔观时，纤薄的房间隔中部常常显示不清；将探头放置在剑突下检查时可以显示清晰的房间隔回声，就是一个典型的例子。

4.超声的散射　声波在介质中传播过程中遇到很小、一般认为接近或略小于波长、表面粗糙的障碍物时，除发生反射外，该障碍物还会吸收超声波的能量向四周发射声波。这种现象称为散射（scatter）。其中能被探头接收的这些散射信号称为背向散射（或反向散射）。

一般认为，超声仪接收反射声波主要是背向散射，也就是说，背向散射与超声成像关系最密切，尤其是基于血管内大量流动的红细胞的背向散射声波，在多普勒超声的应用中体现得更加明显。

正是因为超声在传播过程中具有反射和透射的特性，我们才有可能利用超声探查人体内器官，显示器官内部的回声和结果，并对其病理变化做出判断。但超声反射过多会形成多层反射伪像，影响我们对图像的观察，如二尖瓣的多层反射会显示二尖瓣增厚，人工瓣的多层反射会显示为很强的回声，形成内部混响（reverberation）而影响对人工瓣的评价。

超声发生明显的折射时可形成超声检查中的棱镜效应伪像。当超声探查一个不平整的界面时，由于折射的存在，其深部的超声束方向发生变化，导致深部的结构不能正常显示，原本一个结构可以显示为两个或多个，原本应当清晰的回声变得不清晰。如心脏人工瓣的棱镜效应、宫内节育器的棱镜效应等。

5.超声的非线性传播　除以上论述的超声各种传播特性外，在人体内声的传播中还有一个不容忽视的问题，就是它的非线性传播的问题。在以上的叙述中都假设了超声在介质中呈线性传播，而实际的情况是，超声在介质中还会在界面的位移、变形等各种复杂的情况时，波形可能发生畸变、产生谐波等复杂的物理现象。常规超声检查中，超声的非线性信号被忽略；但利用先进的技术可以记录、分析超声在介质内传播时产生的非线性信号，达到诊断疾病的目的。

（三）超声的吸收与衰减特性

超声在体内传播时，声波能量会随着传播距离的增加而逐渐减小。器官使声波能量减小的作用称为吸收（absorption），声能由大变小的过程称为衰减（attenuation）。引起声波能量减少的因素主要有以下几种：

1.声强分散　声波在传播过程中，随着传播距离的增加，反射、折射、散射也增多，由此引起声波能量由大变小的现象称为声强的分散。

2.吸收　声波在传播过程中付出能量克服质点间摩擦力而引起的能量减小称为吸收。吸收的多少与声波的频率、介质的弹性系数及密度、导热性和声波的传播距离等因素有关。在同一种器官中，频率高的声波引起质点位移的频率和速度比频率低的声波所引起质点位移的频率和速度要快得多，付出的能量也多，故衰减程度也增大。人体内不同器官、不同病变有不同的声波吸收特性，衰减程度不同。根据组织和病变的声波衰减程度差异，做出不同的临床诊断。

3.声束扩散　传播距离的增加声束逐渐扩散、波阵面（wave surface）逐渐扩大。由此导致声束截面单位面积内的声能减小，也是声波衰减的原因之一。

随距离增加而产生衰减的比率称为衰减系数（attenuation coefficient），单位为dB/cm。衰减系数取决于组织类型和超声的频率。组织类型不同，衰减系数不相同；频率增加1MHz，同时深度增加1cm时，超声的能量大约会衰减1dB。临床超声检查时，对于浅表的组织（如甲状腺、乳腺等），可以选用较高频率探头（5～10MHz），提高轴向分辨力。对于成人心脏检查，可以选择频率较低探头（2.5～3.5MHz），这种低频超声有着比较好的穿透力，有利于观察深部结构。

人们常用半值层（half-volue layer，HVL）来衡量声波衰减的程度。半值层是指超声衰减到原来能量的一半时传播的距离。不同的介质、不同的声波频率其半值层有很大的差异。表2-1列出了在实验条件下不同的声波频率在人体组织内的半值层。

表2-1　不同的声波频率在人体组织内的半值层

*顺着肌纤维和垂直肌纤维扫查时其HVL可能有较大的差异。

假设我们以1MHz声波检查人体肝脏右叶，由于肝脏的半值层仅有2.4cm，当声波进入到12cm的肝脏深部时，在5倍于半值层的深度其具有的声波能量可能是相当低的。其他器官的检查同样存在类似的情况。因此，在超声仪器上除了增益控制外还设置了灵敏度时间补偿（sensitivity-time compensation，STC）或称为深度增益补偿（depth gain compensation，DGC），用来弥补不同深度由于声波能量降低引起的回声过低的情况。

衰减是声波的重要特性。观察超声的衰减情况可以判断不同的器官和同一器官不同的病变。组织的密度越大，质点间的摩擦力越大，超声的衰减越严重。超声在通过诸如骨骼、人体内的结石等介质时，其深部常由于声波的严重衰减而形成一条相应的低回声带，称为声影伪像。在心脏的深部和某些病变或结构的后方出现回声增强现象，特别是在囊肿后出现的明显回声增强的现象也是声波的吸收和衰减特性的例子。因为与周围软组织相比，声束穿过液体过程中衰减较小，进入其后方组织中的超声能量相对增多，故其后方组织的回波信号强度要高于其周围软组织的回波信号强度。

（四）超声的频率特性

超声的频率特性，即超声的多普勒效应（Doppler effect），是超声的重要特性，尤其是在心脏超声检查中，超声的多普勒效应发挥了巨大的作用。多普勒效应是1842年由奥地利物理学家Christian Johan Doppler首先发现的。当时在观察天体运动时，人们发现星体会发生红色或蓝色的变化，进一步的研究表明这种变化是由于观察者看到的星体光波频率发生了改变之故。同样，当声源和声波接收器之间发生相对运动时，声源发出的声波频率和接收器接收的声波频率将出现变化。当接收器朝向声源运动时接收到的声波频率会增加，而接收器背向声源运动时接收到的声波频率会减低。这种物理学现象称为多普勒效应。声源发出声波的频率和接收器接收的声波频率之间的差值称为多普勒频移（Doppler frequency shift，f_D）。

五、超声的分辨能力

超声的分辨能力主要包括超声的显现力、纵向分辨力、横向分辨力和厚度分辨力等。

（一）显现力

超声显示最小界面直径的能力称为超声的显现力（discovery power）。

超声的显现力与波长有关。在理论上，超声可以探测到直径大于1/2波长的界面。频率越高，波长愈短，显现力越高。

（二）纵向分辨率

超声分辨其轴线上前后两个界面之间最小距离的能力称为超声的纵向分辨率（longitudinal resolution），又称为轴向分辨率。超声的纵向分辨率与脉冲持续时间（pulse duration）有关，当两个界面之间的距离大于脉冲宽度的1/2时，声波即可将其分别显示。现代超声仪器多选择声波的2～3个波长作为脉冲宽度，均具有良好的纵向分辨能力。进行超声检查时，在满足检查深度的条件下，应选择较高频率的探头，可以获得更好的轴向分辨率。

（三）横向分辨率

超声分辨声束轴线垂直面上两点间最小距离的能力称为超声的横向分辨率（transverse resolution），又称为侧向分辨率。超声的横向分辨率和声束直径有关。当两点间距离大于声束直径时，超声可将其分别显示。由于远场区声束扩散，横向分辨率会明显降低。与超声的纵向分辨率比较，超声的横向分辨率明显地影响着超声图像的质量。横向分辨率差者可将点状回声显示为线状回声，将小于声束直径的两点显示为一点，导致误诊或漏诊。使用高频率、聚焦声波时，可以获得较好的横向分辨率。

需要注意，在超声显像检查中还有一个与横向分辨率有关的问题。超声探头并排发出声束，进入介质遇到声学界面后发生反射，每一条声束线反射的声波以不同亮度的点显示出来。所有声束线上的回声共同组成反射回声图，即声像图。由此可见，超声检查获得的图像并不是人体某一部位的截面，而是一个与声束直径相近的断层上的叠加图像，这就是所谓的厚度分辨率，又称为空间分辨率，其实质就是横向分辨率的问题。声场的空间分布是三维的。只要是声场内的声学界面满足了可引起超声反射的条件就可以引起声波反射，将反射信息叠加，在显示屏上以断面的方式显示出来，这就造成了回声图像上的重叠，形成超声检查中的容积效应。这可解释为什么在一些体液或血液内会出现点状回声，以及在穿刺时在管腔外的针尖显示在管腔内的现象，此种现象又称为超声的部分容积效应。

（四）速度分辨率

进行超声多普勒检查时，超声能够探查的血流速度和超声的脉冲重复频率（pulse repeated frequency，PRF）有关。脉冲重复频率是指超声脉冲群发射次数每秒。超声多普勒检查时探头的脉冲重复频率为2～20kHz。在多普勒检查时，根据取样定理，脉冲重复频率必须大于多普勒频移的2倍才能准确地显示频移的方向和大小，即：f_D<1/2PRF。如果多普勒频移超过这一极限，脉冲多普勒所检出的频率改变就会出现大小和方向的伪差，称为频率倒错或频率混叠（frequency aliasing）。表现为彩色多普勒超声现象检查时的色彩混叠、多普勒检查时的流速曲线图混叠。这一现象称为尼奎斯特频率极限（nyquist frequency limit）。如果PRF>f_D>（1/2）PRF，流速曲线表现为正负双向的单次折叠，称为单纯性频率混叠；f_D>（1/2）PRF较多时，流速曲线可表现为正负方向上的多次混叠。利用连续多普勒检查可以检出由于血流速度过快、f_D过大引起的混叠。

（五）改善超声分辨能力的技术措施

可以明确，超声频率愈高、波长愈短，近场距离就越长，声束扩散就越轻，其显现力，纵向分辨率、横向分辨率、空间分辨率就越好，显示的组织结构及其病变就愈清晰；但随着声波频率的提高，衰减程度也增加，透入深度随之降低。因此，应根据检查部位及深度的不同选择不同频率声波的探头（单频探头），或使探头改变工作频率（多频探头），或使用动态频率探头（宽频带探头），使声波既能达到要求的探测深度，又能获得理想的分辨能力。考虑到超声检查对分辨率和穿透深度的要求，成人心脏超声检查常选择2.5～3.5MHz的探头，小儿心脏超声检查可使用5～7.5MHz的探头。

此外，人们还采用了许多技术来改变超声的分辨能力，通过预处理可以提高超声的聚焦能力，减少声束的扩散；使用复合成像技术可以提高超声对界面的显示能力；通过对图像的后处理可以增加图像的灰阶或增加某一范围的灰阶显示，突出边缘回声，增强内部回声，其他如空间时间平滑运算、插补技术、三维重建等。随着科学技术的发展，将会有更多的先进技术用于超声检查和诊断。

六、超声在人体器官中的回声特点

（一）超声的回声类型

超声在人体内的回声类型主要受限于人体的组织结构类型，其中的水、蛋白质和脂肪等是影响超声回声的主要物质。各种人体器官和病变的含水量不同，蛋白质和脂肪的含量不同，声衰减程度不同，超声的回声强度势必不同。含水量或含水比例越多的器官越有利于超声的传播和显示。根据人体器官的不同回声，可以将超声在人体器官内的回声简单地分为四种不同类型。

1.无回声　超声通过含有液性物质的区域，如充满血液的心腔和大血管腔时，以及病变状况下的脓液、囊肿液、浆膜腔积液，如心包腔积液时，由于这些区域均为液体，无声阻差异及界面，超声束通过时无反射产生，在显示器上没有回声显示，显示黑色区域。这种回声称为无回声（echoless），产生无回声的器官或病变称为无回声型器官或病变。

2.低回声　超声通过结构比较均匀的实质性器官时，如超声检查正常的心肌以及腹部大部分实质性器官，如肝、脾、肾实质等，或检查某些结构均匀的病变，如心房黏液瘤、心脏横纹肌瘤、血管内新鲜的血栓、早期的动脉粥样斑块等。因其内部声阻差异小，超声反射较少，在显示器上显示为细小均匀、中等或偏低的回声区域，这种回声称为低回声，产生低回声的器官或病变称为低回声（hypoechoic）型器官或病变。

3.强回声　超声通过结构复杂、致密的器官或结构时，如器官的被膜、心脏瓣膜、血管壁，肾窦内容物等，以及某些病变，如某些恶性肿瘤、肝硬化、畸胎瘤、陈旧的血栓、钙化的动脉粥样斑块等，声波可遇到较多而紊乱的界面，反射较多，在显示器上显示为较强的回声区域。这种回声称为强回声（strong echo），产生强回声的器官或病变称为强回声型器官或病变。

4.全反射　超声束通过软组织气体形成的声学界面时，界面两侧组织的声阻差异可达3000多倍，声能几乎全被反射而不能透过界面进入下一组织内，如心壁与肺的界面等，在显示器上显示为很亮的区域，由于回声太强而致其深部结构无法显示，这种回声称为全反射，产生全反射的器官或病变称为全反射（perfect reflection）型器官或病变。

在超声检查中使用偶合剂，除了偶合探头与皮肤间的声阻差异和便于移动探头外，主要是为了排除探头和皮肤间的气体，以利于超声进入人体内。

（二）超声在人体器官中回声的一般规律

相比而言，较瘦的人比较胖的人容易检查，年龄小一些的人图像显示的比较清楚，含水量越多的器官越有利于超声检查。

人体不同组织、器官回声强度：颅骨>瓣膜>肌肉>肾窦>胰腺>肝脏>脾>肾皮质>血液>胆汁>尿液。尽管超声经过血液、胆汁、尿液时都没有回声显示，在显示器上均显示为黑色的区域，但是后方回声增强的现象以尿液最为明显，胆汁次之，而在血液的后方回声增强的现象最不明显。

七、超声临床应用发展趋势

超声诊断技术首先是对反射回声显示技术的发展。①反射回声的显示技术从一维向二维、三维发展，从静态显示向动态显示发展，从双稳态图像向灰阶、彩色图像发展，从单一的显示方式向多种方式发展。在图像显示技术改进的同时，图像的分辨能力不断提高，早期仪器使用的声波频率低，声聚焦技术比较差，脉冲宽度较长，纵向分辨率及横向分辨率很低；而现代的仪器则可根据不同的检查部位选择超声频率，20～40MHz的超声已在血管内显像中得到了应用，不仅换能器直径很小，聚焦技术也使声束变得很窄，并缩短了脉冲时间。现代超声仪器的纵向分辨率及横向分辨率均达到了1mm或其以下。高质量和高分辨率的超声检查仪器相结合，已能检查出肝内0.5cm以上的占位性病变，对腹腔内实质器官及含液器官的检查可获得相当准确的诊断信息，在妇科和产科的应用解决了许多临床或其他检查难以解决的问题，在某些领域内超声检查并不逊于CT，甚至在某些方面还优于CT。②实时技术的应用，以往获得一幅图像需数秒或数十秒，只能静止地观察脏器的结构，而今，显示一幅图像仅需数微秒或数十微秒，可以使用高帧频进行组织多普勒显像。③新技术的应用，自超声检查开始应用以来，就伴随着不断的新技术的应用。多普勒血流和组织检查技术、经腔内超声检查技术、声学定量技术、彩色室壁运动分析技术、解剖M型超声技术、实时三维技术、心脏功能测定评价技术、谐波成像技术、心腔及心肌造影技术、弹性成像技术等。每一项新技术的应用，都会带来诊断方法及技术、诊断标准革命性的变化。

专科超声仪器的应用和介入性超声技术的应用扩大了超声的检查范围，提高了其应用价值。如食管、胃、肠道探头和阴道、尿道探头、血管内探头等以及穿刺探头、手术探头等。一机多用和各种专用仪器的问世将不断地提高诊断水平。此外，脉冲多普勒和多普勒彩色血流显像的应用，为观察某一部位的血流状况提供了有效的手段，可以代替大部分心导管检查，对小血管的血流状况，包括血流量、血流方向、血流速度等均可进行检测。可以肯定，随着科学技术的发展，仪器不断的改进，诊断技术的不断提高，其应用价值及范围还会不断的提高和拓宽，一些原来认为并不适应超声检查的部位或病变，可能成为其检查的适应证。

当然，超声也有目前一段时间内难以克服的局限性，首先，穿透力弱，对由骨骼包围的部位如颅脑及含气器官如肺等仍难以探测。其次，超声的某些物理特性会影响图像的质量。再者，超声所显示的回声仅和器官或病变的声学特性有关而与病理性质无关。所以超声检查医师应结合其他影像学检查手段及临床、实验室检查资料等综合分析，以便为临床提供尽可能多的诊断信息。另外，实时显示和灵活的断面显示是超声检查的优势，但也影响了超声检查图像资料的临床医师共享性和重复性。超声检查的诊断形成于检查过程中，对检查者的操作、广泛的临床知识和综合分析能力依赖性很大。

八、超声的生物效应及应用的安全性

作为一种物理检查方法，超声检查会对人体产生一定的影响，引起人体细胞的功能或结构的变化，此即为超声生物效应（ultrasonic bio-effect）。

（一）超声生物效应的产生机制

超声生物效应的机制主要是热效应（thermal effect）、空化（cavitation）、机械效应（mechanical effect）。

1.热效应　超声以纵波的方式通过引起组织介质的质点在声束轴线上的前后位移向前传播。传播过程中超声需要付出能量以克服质点的摩擦力，在此过程中部分声能被转换成热能，由此可能会对人体产生一定的影响。很明显，除了超声的因素外，致密的介质质点摩擦力大，声波阻力大，产生的热量也多；局部热的传播和血液灌流情况将影响热的散出。

实验表明，超声的热效应致组织内部温度上升0.5℃时可引起组织细胞的有丝分裂受到抑制；升高2.5℃时可导致动物胚胎流产、畸形。假设人体组织的密度与比热和蒸馏水相同，使用1MHz、1W/cm²的声波照射1min可使组织的温度上升0.7℃。因此，进行超声检查时要尽量缩短检查时间，不断地移动探头，以减少超声热效应的影响。

2.空化　在超声传播过程中，组织内的质点产生高频的疏密变化和压力梯度的变化。这种变化可能引起组织内产生微小的气泡或与组织内业已存在的微小气泡产生变化，由此可能会对人体产生一定的影响。在形态学上可以表现为微气泡的形成、微气泡压力变化和微气泡的爆裂等不同的变化。由于这些微气泡的力学行为不同，超声的空化效应分为固定空化（stable cavitation）及瞬时空化（transient cavitation）两种。

介质中的微气泡随着超声的传播、组织内压力梯度的变化发生膨胀和压缩，气泡本身保持完整，称为固定空化。一般认为，固定空化不会对人体产生明显的影响，但微泡产生的辐射在实验条件下稳态腔化作用可以诱发生物学效应。

当介质中的微气泡在超声的传播过程中不能承受组织内压力梯度的变化而发生破裂时，会产生巨大的热量和压力。这种现象称为瞬时空化作用。介质中的空化作用依赖于组织中存有或随着承受的传播产生的微气泡。空化，尤其瞬时空化可能引起游离水的蒸发、自由基的产生等，对生物的遗传物质可能产生一定的影响。但研究者也在利用超声的瞬时空化诱导肿瘤细胞及肿瘤内血管内皮的损毁，可望成为肿瘤新的治疗手段。

3.机械效应　超声由探头发出后在人体内传播。在传播过程中质点的位移、振动速度、声压等力学参数也可能对生物体产生影响。例如，当声频为1MHz、声能100W/cm²的平面波在人体内传播时，声场内质点位移为0.18μm，振动速度为120cm/s，在这种情况下也可能会对组织，尤其是大分子物质的空间构象产生一定的影响。

（二）超声生物效应的影响

1.对生物大分子和细胞的效应　超声对生物大分子的影响已被证实，可能通过超声引起大分子物质的空化和去极化作用引起。可能引起碱基、DNA降解、酶被激活或失活等，可以引起分裂期细胞受损、胞膜的通透性异常、内质网、线粒体、溶酶体、微管和微丝的损伤等。

2.对组织、器官和各系统的影响　动物实验证明超声可以导致眼的损伤包括晶状体混浊、虹膜水肿、眼内压增高、玻璃体溶解、视网膜萎缩、视神经受损等；对肝脏的损伤包括肝脏细胞线粒体的损害、DNA的减少、RNA的增加、脂肪的降解、葡萄糖的损耗等；对肾脏的损害包括肾小球和肾小管的功能改变、出血、水肿和肾脏体积缩小等；对血细胞的影响包括红细胞和血小板形态改变、水肿和聚集，红细胞胞膜的通透性发生改变、表面抗原的丢失和氧合血红蛋白离解曲线的位移，白细胞则表现为吞噬细菌、溶解细菌和氧的利用能力下降。

在中枢神经系统，动物实验表明诊断级超声即可引起血脑屏障的通透性增加；胚胎的神经组织和白质较成年动物的神经组织和灰质易于受损。高声强的超声可以引起神经系统传导速度和动作电位的变化。

与实验研究结果不同，诊断级超声由于超声强度较小，尚未发现可以引起不可逆的不良反应，流行病学调查也未发现导致胎儿生长迟缓、流产、胎儿畸形（骨、脑和心脏）和行为异常等。

（三）超声检查的安全性

超声检查的安全阈值剂量主要是指超声检查胚胎和胎儿的安全阈值剂量问题。由于超声应用广泛，尤其是在产科的广泛应用范围，一般认为，对于局部的超声检查，即使有少量的细胞、组织的损伤也不会对人体带来不利的影响，但唯一例外的是涉及人体的生殖细胞，或处于发育敏感时期的胚胎或胎儿，哪怕是损伤几个细胞也是难以接受的。因此，超声暴露安全阈值剂量标准的建立，尤其是对生殖细胞、对胚胎和胎儿的超声暴露安全阈值剂量标准的建立还有待于进一步研究。

正是基于此，人们提出了最小剂量原则作为超声检查的通用原则，就是在保证获取必要诊断信息的前提下，在超声检查中应尽量降低超声的能量输出，尽量缩短检查时间，把超声的影响降低到最低。只有在具有明确的医学指征条件下，才可进行妊娠期的超声检查，而以商业或教学为目的的胎儿超声成像检查应严加杜绝。

（宋树良）