超声的医学应用

第三节　超声的医学应用

超声诊断的物理基础

超声诊断的物理基础是超声的界面反射，超声的反射决定于介质的声阻。因为超声波在介质中是以纵波形式传播的，当超声经过介质时，可使介质产生时而密集、时而稀疏的周期性变化，从而引起介质内部的压强作相应的变化。

介质中某处有声波传播时和无声波传播时的压强差叫该处的声压，声压与介质质点振动速度之比叫作声阻，由理论计算可知：

式中，z为声阻；p为声压；ν为质点振动速度；ρ为介质密度；u为声速。

由式（11－5）可知，介质的密度不同，声阻就不同。当超声波经过两相邻组织的界面时，只要声阻相差0.1%，即可产生反射。人体组织和器官是一个复杂的超声传播介质，其声学性质各异，因此就有各自不同的声阻界面和固有的反射规律，一旦发生病变，如炎症、纤维化、肿瘤、积液等造成声阻改变时，即产生新的界面，从而改变了原有的反射规律。

超声诊断的原理

由于超声诊断无损害、无痛苦、报告及时等优点，在医学界已广泛用于诊断肝、脾、胆、胰、肾、颅脑、甲状腺、心脏等各种组织脏器的疾病，与x射线透视、CT等诊断互为补充，并正在发挥越来越大的作用。简单说，超声诊断的基本原理是脉冲回声原理，通过接收到的超声回波情况来进行诊断。

正常人含液器官，如充盈的胆囊和膀胱、心脏及大血管等或病理性液化病变如体腔积液、组织器官的囊肿、血肿、脓肿及有腔器官的液体贮留，如果液体是均匀的，则无声阻差，液体中间无界面反射，超声探查时，出现一无回声区。

正常实质脏器如肝、脾、胰、肾等仅有少数反射界面，故仅显示少数反射波或反射光点，一旦这些脏器发生病变，就会改变原有的回声特点，即反射界面增多，显示为反射波或反射光点密集。

因空气与组织的声阻相差4000倍，故正常含气器官如肺、胃肠道可产生全反射或逐渐衰减的多次反射波形。当含气器官发生实质性病变时，则原来多重反射消失，被实质反射所代替。

炎症、充血和肿瘤等病变组织，由于组织肿大，增加了声路的长度。病变结构增加了反射界面及声能的过度分散、消耗，而使出射波明显衰减或消失。

计算出从发射脉冲开始到回声返回探头之间的时间，即可正确地读出探头与反射界面问的距离。这一原理可用于测量器官的大小和病变发生的部位、范围。

超声诊断

1.超声显像

家喻户晓的B超是超声成像的典型例子，它是利用超声波将人体内部的某些器官或异物如体内的肿瘤或胆囊内的结石等显示成像，来帮助医生诊断。

B型超声仪一般采用几兆赫兹的声波频率，横向和纵向分辨率都可以达到毫米数量级。它采用的是B型成像方式，这种方式得到的是与声传播方向平行的平面上的图像。诊断仪的部件一般包括同步、发射和接收、扫描、放大电路、换能器、显示器和机械同步等部分。

发射器的电信号通过换能器转换成超声波并射入到人体内，超声波在人体内的传播过程中，如果遇到声阻抗不同的组织，就会发生反射，换能器将接收到的反射声信号转换成电信号，再经放大处理后送到显示器形成图像。

为什么选用超声诊断？我们平常习惯于在空气中听声音，其实声波可以钻进任何物质，而且钻到一定深度可以进入液体和固体，也可以进入人体。但是，由于空气的声阻很大，为了将超声波导人体内，通常在探头与人体皮肤之问涂一些甘油作为耦合剂。

为什么用超声显像？是因为检测人体器官需要成束的声波，高频的超声波能得到很细的声束，具有很强的方向性。超声本质上是一种波动，当超声波入射到一个物体的表面或内部结构上时，由于在表面上的声阻抗变化（介质变化）或由于内部结构的不均匀性表现出的声阻抗的不均匀性，超声波会按一定规律发生反射或透射。这些反射波和透射波带有介质变化的信息。如果把反射或透射的声波接收下来，就可以用某种方式得到表面的结构或内部结构的像，经过适当的处理就可以把像显示在荧光屏上。

2.利用超声显示血流速度及运动情况

人体全身充满着血管，血流速度和血流运动的信息的测定，对于脑循环、心血管疾病的诊断是非常重要的。通常的B超不能提供血流运动的定量信息。

20世纪50年代，人们开始将多普勒效应应用于医学。到了80年代人们利用超声多普勒技术成功地测量了血流速度，实现了体外就可进行血流的无损测量。

多普勒效应是19世纪的科学家多普勒首先从光波的现象中发现的。因为波源与观察者有相对运动速度而引起频率改变的效应就叫多普勒效应。后来有人注意到，这种现象也适用于声波。

我们知道，血液里有红细胞，血液流动时红细胞也流动。当有超声辐射红细胞时，红细胞会反射超声。当超声波被流动的红细胞反射时，接收到的反射波频率与入射频率不一样。有频移现象，而这种频率变化的大小依赖于反射体（血流）运动的快慢。如图15所示，若由超声发射探头（换能器）发射的频率为ν₁，的超声波，被流动的血流反射后，由超声接收探头接收到的超声波频率为ν₂，血流速度为ν₁在实际应用中，一般将图中的超声发射探头与超声接收探头靠得很近，认为θ₁≈θ₂≈θ，则θ为超声束与血流运动方向的夹角，超声波在人体组织中传播的平均速率为u，则多普勒频移为

△ν＝ν₂－ν₁＝cosθ

5　用超声检查血管内的血流情况

从式（11－6）可以看出，△ν不仅同ν成正比，而且同cosθ成正比。如果自在0°～90°之间，即血流方向朝向探头，△ν为正。如果θ在90°～180°之间，即血流方向是背离探头，△ν为负。根据这个关系，人们设计实现了一种非常生动的显示方法，显示出血流的大体方向和大体速度及平稳性。在实际应用中是利用测试到的△ν来推算出血流速度ν，即

ν＝

实际测量的频移△ν与入射频率ν₁之比约为10^－4～10^－6，可见要求测量仪器有较好的灵敏度，若u＝1500m/s，可得到血流速度ν约为10^－1～10^－3m/s。

在人体中多普勒效应不只出现在血管或心脏中的血流中，它对任何运动着的器官都存在。应用超声多普勒效应，可以研究心脏的运动、测量胎儿的心音等，以监护胎儿的健康成长。

超声治疗

超声治疗是继超声诊断之后，发展起来的，尤其是近几年，超声治疗技术得到迅速发展。如超声乳化治疗白内障，使大量失明的患者重见多彩的世界。它是通过超声波破碎晶状体中心的白内障，医生用此方法做手术时，比普通白内障手术切口小，减少撕破囊膜的风险，并且不用等到白内障“成熟”，患者基本失明的时候，才能做这个手术。在国外，患者在晶核还软时便可以做超声摘除手术。

利用超声的高频振动，从体外粉碎肾结石、胆结石，改变了多年来手术取石的办法，是十分重要的创举。也可用超声波击碎血栓，减少血液流动的障碍。

超声波在声阻大的地方衰减剧烈，而将其超声能量变成热能。利用超声这种热效应，可使照射的骨折部位的骨膜温度升高，加快骨伤愈合速度，还可用来治疗关节炎，起到活血的作用。近年，又出现了超声治疗癌症的新技术。

另外，超声在治疗过程中还有独特的作用：一是可以将药物溶液雾化，做到雾化吸人，直接作用到病痛局部；二是用超声使药物透人体内；三是超声针灸。