超音波診斷﹝ultrasound_diagnosis﹞:

超音波診斷﹝ultrasound_diagnosis﹞是在現代電子學發展的基礎上,將雷達技術與超音原理相結合,並應用於臨床醫學的診斷方法。隨著電子技術的發展,尤其是電子電腦技術應用於超音波診斷儀﹝supersonic_diagnostic_set﹞,使超音波診斷﹝ultrasound_diagnosis﹞水準迅速提高,並廣泛應用於臨床各個領域,包括肝、膽、脾胰、腎、膀胱、前列腺﹝prostate_gland﹞、顱腦、眼、甲狀腺﹝thyroid﹞、乳腺、腎上腺、卵巢、子宮及產科領域、心臟等臟器及軟組織的部分疾病診斷。B型超音(B-mode_ultrasonography)及二維超音心動圖(Two-dimensional_echocardiography)能即時顯示臟器內部結構的切面圖像。M型心動圖(M-mode_echocardiography)可以記錄心臟內部各結構的運動曲線。超音多普勒﹝Doppler﹞(Ultrasonic_Doppler)可以檢測心臟及血管內血流速度、方向及性質等。超音與X線CT及核素掃描已成為八十年代現代化醫學的三大影像技術。

 基本原理及儀器簡介:

一、超音的概念:

超音波﹝ultrasonograph﹞是音波的一種,是機械性的顫動﹝mechanical_vibration﹞在彈性介質中的傳播;頻率在16~20000赫(Herz)的音波人耳可以聽到稱為可聞音波;頻率高於20000赫的音波,人耳聽不到稱為超音波﹝ultrasonograph﹞。

二、超音的物理特性:

(一)超音場特性:超音在介質內傳播的過程中,明顯受到超音振動影響的區域稱超音場。超音場具有以下特點:如果超音換能器﹝Transducer﹞的直徑明顯大於超音波﹝ultrasonograph﹞波長﹝wave-length,WL﹞,則所發射的超音波﹝ultrasonograph﹞能量集中成束狀向前傳播,這現象稱為超音的束射性(或稱指向性)。換能器近側的超音波﹝ultrasonograph﹞束寬度與聲源直徑相近似,平行而不擴散,近似平面波,該區域稱近場區。近場區內聲強分佈不均勻。近場區以外的音波以某一角度擴散稱遠場區。該區音波近似球面向外擴散,聲強分佈均勻,但逐漸減弱,換能器的頻率愈高,直徑愈大,則超音束的指向性越好、其能量越集中。近場距離,遠場擴散角與換能直徑及頻率的關係如公式所示:

L0=r2f/C_sinθ=1.22λ/D

式中L0為近場距離,r為換能器半徑,f為頻率,C為聲速、θ為半擴散角、D為換能器直徑,λ為超音波﹝ultrasonograph﹞波長﹝wave-length,WL﹞。

L0近場區:θ半擴散角_D聲源直徑

(二)超音的反射﹝reflex﹞與散射﹝scattering﹞:

01、聲阻抗:介質的密度與超音在介質中傳播速度的乘積稱聲阻抗。聲阻抗值一般為固體>液>氣體。

超音在密度均勻的介質中傳播,不產生反射﹝reflex﹞和散射﹝scattering﹞。當通過聲阻抗不同的介質時,在兩種介質的交界面上產生反射﹝reflex﹞與折射﹝Refraction﹞或散射﹝scattering﹞與繞射﹝diffraction﹞。

02、反射﹝reflex﹞、折射﹝Refraction﹞與透射﹝transmission﹞:凡超音束所遇介面的直徑大於超音波﹝ultrasonograph﹞波長﹝wave-length,WL﹞(稱大介面)時,產生反射﹝reflex﹞與折射﹝Refraction﹞。成角入射,反射角等於入射角,反射聲束與入射聲束方向相反。垂直入射﹝Normal_incidence﹞時,產生垂直反射﹝reflex﹞與透射﹝transmission﹞。反射﹝reflex﹞聲強取決於兩介質的聲阻差異及入射角的大小。垂直入射﹝Normal_incidence﹞時,反射﹝reflex﹞聲強最大。反射﹝reflex﹞聲能愈強則折射﹝Refraction﹞或透射﹝transmission﹞聲能愈弱。進入第二介質的超音繼續往前傳播,遇不同聲阻抗的介質時,再產生反射﹝reflex﹞,依次類推,被檢測的物體密度越不均勻,介面越多,則產生的反射﹝reflex﹞也愈多。

超音波﹝ultrasonograph﹞的指向性

L0近場區:θ半擴散角_D聲源直徑

03、散射﹝scattering﹞與繞射﹝diffraction﹞:超音在傳播時,遇到與超音波﹝ultrasonograph﹞波長﹝wave-length,WL﹞近似或小於波長﹝wave-length,WL﹞(小介面)的介質時,產生散射﹝scattering﹞與繞射﹝diffraction﹞。散射﹝scattering﹞為小介質向四周發散超音,又成為新的聲源繞射﹝diffraction﹞是超音繞過障礙物的邊緣,繼續向前傳播。散射﹝scattering﹞回聲強度與超音入射角無關。

超音波﹝ultrasonograph﹞的反射﹝reflex﹞與散射﹝scattering﹞

A.成角入射時反射﹝reflex﹞與折射﹝Refraction﹞。

B.垂直入射﹝Normal_incidence﹞時反射﹝reflex﹞與透射﹝transmission﹞

C.散射﹝scattering﹞。

D.繞射﹝diffraction﹞。

(三)超聲衰減﹝ultrasonic_attenuation﹞:超音在介質中傳播時,隨著傳播距離的增加,聲強逐漸減弱,這種現象稱為超音的衰減。引起衰竭的主要原因是介質對超音的吸收(粘滯吸收及熱傳導吸收)。超音頻率愈高,介質的吸收愈多;其次為能量的分散如反射﹝reflex﹞、折射﹝Refraction﹞、散射﹝scattering﹞等。使原傳播方向上的能量逐漸減弱。

(四)多普勒效應:聲源和接收體作相對運動時,接收體在單位時間內收到的振動次數(頻率),除聲源發出者外,還由於接收體向前運動而多接收到(距離/波長﹝wave-length,WL﹞個)振動,即收到的頻率增加了。相反,聲源和接收體作背離運動時,接收體收到的頻率就減少,這種頻率增加和減少的現象稱為多普勒效應。

三、超音波診斷﹝ultrasound_diagnosis﹞基礎

(一)人體組織的聲阻與衰減係數:

超音波診斷﹝ultrasound_diagnosis﹞是通過人體各種組織聲學特性的差異來區分不同組織。按照聲學特性。人體組織大體上可分為軟組織和骨骼兩大類,軟組織的聲阻與水近似,骨骼則屬固體。人體組織的聲速、聲阻抗、聲吸收係數、衰減係數等反映人體組織的基本聲學特性,人體不同組織的聲學特性不同,見表1。人體各種軟組織的平均聲速約為1540米/秒,聲衰減係數約與聲頻率成正比。聲頻率1兆赫時,衰減係數約1分貝_/1釐米。

表15-1-1人體正常組織的聲速、密度、聲阻及衰減係數

m/s g/cm3g/cm2.s)dB/cm MHz

1476 0.955 14100.63 0.87.0
 
1530 1.038 1588   0.95 0.93.4
 
1523 1.000 1523
 
1570   1.055 1656 0.18 1.0
 
1570 1.050 1638 0.94 0.33.4
 
(37°) 1523 0.993   1513
 
3360 1.658 5570   20 1.6
 
332 0.00129 0.428

超音在人體內傳播時,在兩種不同組織的介面處產生反射﹝reflex﹞和折射﹝Refraction﹞,在同一組織內傳播,由於人體組織的不均勻性而發生散射﹝scattering﹞。超音通過不同器官和組織產生不同的反射﹝reflex﹞與散射﹝scattering﹞規律,儀器利用這些反射﹝reflex﹞和散射﹝scattering﹞信號,顯示出臟器的介面和組織內部的細微結構,作為診斷的依據。

(二)正常臟器的回聲規律:

01、含液體臟器如膽囊﹝GB﹞、膀胱、血管、心臟等,壁與周圍臟器及內部液體間為介面、液體為均勻的無回聲區。

02、實質性軟組織臟器如肝、脾、腎等臟器均有包膜,周圍有間隙,內部各有一定結構,如肝可以顯示臟器輪廓﹝contour﹞、均勻的肝實質與肝內管道結構。

03、含氣臟器如肺、由於肺泡內空氣與軟組織間聲阻差異極大,在其交界面上產生全反射﹝reflex﹞(幾乎100%),並形成多次反射﹝reflex﹞,即超音不能進入正常肺泡。脹氣的胃腸亦如此。

04、正常骨骼與周圍軟組織的差異大,在軟組織與骨皮質交界處產生強反射﹝reflex﹞,進入骨骼的超音由於骨松質組織吸收極多而不能穿透﹝transmission﹞(除顱骨外)。其後方形成無回聲區稱聲影﹝acoustic_shadow,AS﹞。

正常人體組織與病理組織反射﹝reflex﹞規律

A、實質性臟器(肝)與含液體臟器(膽)的聲象圖規律。

B、含氣臟器(肺)的多次反射﹝reflex﹞。

C、骨骼的聲象圖(脊柱﹝Vertebral_column﹞)

D、肝腫瘤、內部回聲不均勻、較強回聲區呈團狀,肝表面不平。

E、膽囊﹝GB﹞內結石、膽囊﹝GB﹞無回聲區中一強回聲光團,後方有聲影﹝acoustic_shadow,AS﹞。

(三)病變臟器的回聲規律:

當臟器有病變時,由於病變組織與正常組織的聲學特性不同,超音通過時產生不同正常的回聲規律,各種病變組織亦各有其聲學特性、其反射﹝reflex﹞規律亦不相同。如肝內液性病變為無回聲區,肝癌為強弱不均的實質性回聲區、邊緣不整齊(圖15-1-4D),膽囊﹝GB﹞內結石則在無回聲區中有強回聲光團,後方有聲影﹝acoustic_shadow,AS﹞。

(四)超音多普勒﹝Doppler﹞:

利用多普勒效應原理檢測運動物體。當發射超音傳入人體某一血液流動區,被紅細胞﹝RBC﹞散射﹝scattering﹞返回探頭,回聲信號的頻率可增可減,朝向探頭運動的血流,探頭接收到的頻率較發射頻率增高,背離探頭的血流則頻率減低。接收頻率與發射頻率之差稱多普勒頻移或差頻。多普勒頻移(fd)與發射頻率(fo)、血流速度(V)、超音束與血流間夾角(θ)的餘弦成正比,與聲速(C)成反比,公式為:

fd=±2v/λ=±2_v/C_fo

fd=±_2v.cosθ_/C_fo

V=fd_C/2fo.cosθ

式中fd、cosθ儀器均可顯示,fo及C為已知,可以計算出V。聲束與血流方向平行時可記錄到最大血流速度,聲束與血流方向垂直時則測不到血流信號。

目前常用的超音多普勒﹝Doppler﹞有連續波多普勒﹝CWD﹞、脈衝波多普勒(PWD)及彩色多普勒(CDFI)。

 (01)、連續波多普勒﹝CWD﹞:以頻譜顯示,可單獨使用,亦可與二維超音心動圖結合。接收取樣線經過部位上所有頻移信號,其優點為可以測定高速血流,常用於測定心臟瓣口狹窄或返流的高速血流。缺點為不能區分信號來源深度。

 (02)、脈衝波多普勒﹝PWD﹞:亦以頻譜顯示,與二維超音相結合,可以選擇心臟或血管內任一部位的小容積血流顯示血流即時頻譜,頻譜可顯示血流方向(朝向探頭的血流在基線上,背離探頭的血流在基線下),血流性質(正常的層流呈空窗型,湍流則呈充填型),血流速度(頻譜上信號的振幅)、血流持續時間(橫座標顯示時間)。可供定性、定量分析。其特點為所測血流速度受探測深度及發射頻率等因素限制。通常不能測高速血流。

 (03)、彩色多普勒﹝CDFI﹞:脈衝多普勒原理,在心臟或血管內多線、多點取樣,回聲經處理後進行彩色編碼,顯示血流速度剖面圖,以紅色代表朝向探頭的血流、蘭色代表背離探頭的血流、與二維超音心動圖套疊顯示,可直觀地顯示心臟或血管的形態結構及血流資訊的即時動態圖像,資訊最大,敏感性高,並可引導脈衝或連續多普勒取樣部位,進行定量分析。

正常脈衝多普勒頻譜

超音束經血管內層流血流。正常血流頻譜(空窗型)

脈衝多普勒湍流頻譜

左圖示超音束經狹窄後的湍流血流。湍流頻譜(充填型)

(五)超音對人體的影響:

超音是一種機械能,超音的產熱和空化效應在人體內是否產生,取決於使用儀器的功率和頻率,現在超音波診斷儀﹝supersonic_diagnostic_set﹞的功率為10毫瓦/平方釐米,(超音治療儀為0.5~2.5瓦/平方釐米),根據國內外實驗研究證明對機體無損害作用,但對胎兒的檢查時間不宜太長。

四、超音波診斷儀﹝supersonic_diagnostic_set﹞簡介

超音波診斷儀﹝supersonic_diagnostic_set﹞由兩大部分組成,即超音換能器﹝Transducer﹞及儀器。

(一)超音換能器﹝Transducer﹞:超音換能器﹝Transducer﹞是由壓電晶片組成,晶片受電信號激發發射超音,進入人體組織,遇不同聲阻介面產生反射﹝reflex﹞與散射﹝scattering﹞、晶片又接收回聲信號,轉換成電信號、送入儀器。晶片將電能轉換成聲能(發射),又能將聲能轉換成電能(接收),稱之為聲電換能器。

(二)儀器:目前所用超音波診斷儀﹝supersonic_diagnostic_set﹞多應用超音脈衝回波技術,將接收到的回波信號、經過放大並顯示在顯示幕上。根據顯示的方式不同,分為A(Amplitude)型、M(Motion)型、B(Brightness)型及D(Doppler)型已為臨床廣泛應用。其他如超音全息、超音CT及超音顯微鏡等目前尚處於研製階段。

01、A型:屬一維超音、回聲強度以振幅顯示、探頭由單晶片構成,主要用於腹部、頭顱﹝skull﹞、眼、胸腔等檢查,現多已淘汰。

02、M型:一維、光點顯示、光點的亮度代表回聲強弱、探頭為單晶片,用於心臟、胎心、血管檢查、顯示心臟、血管結構的活動規跡曲線圖又稱M型超音心動圖。

03、B型:以二維、光點顯示。

 (01)、機械掃描:由單個晶片擺動或三個晶片轉動掃描,探頭內晶片由微電機帶動,作扇形掃描、圖像呈扇面形。

 (02)、電子掃描器:探頭內有多數晶片構成,又可分為:

 ①線陣﹝linear_array﹞:由數百個小晶片、排列成線形。

 ②凸陣﹝convex_array﹞:由數百小晶片排成弧形。

 ③相控陣:由32~64個晶片排成方形或矩形。顯示圖像呈矩形或扇形,線陣﹝linear_array﹞與凸陣﹝convex_array﹞主要用於腹部、扇形主要用於心臟。

現代高分辯力、高靈敏度儀器都具有即時(real_time)顯像,顯示動態圖像、灰階(gray_scale)編碼及動態聚集功能,橫向分辨力達2~3mm。時間增益補償(Time_gain_compensation),以補償由超聲衰減﹝ultrasonic_attenuation﹞造成的深部組織顯示不清的缺陷。採用數位掃描轉換器(Digital_scan_converter),增加了很多附加功能。如圖像處理,圖像輪廓﹝contour﹞增強,探頭位置顯示、字元顯示、局部放大、停幀、拼幅、電子尺規,面積及心功能自動顯示,產科胎兒測量計算及預產期顯示等,便於臨床使用。並多附有攝影、錄影及印表機(printer)等現代記錄設備,記錄靜態的或即時圖像供會診或教學用。

超音波診斷﹝ultrasound_diagnosis﹞工作原理方塊圖及各類型儀器顯像原理示意:

高頻信號發生器_←_同步器

聲電換能器_←_→

←_接_收_放:大:←顯示器

超音波診斷儀﹝supersonic_diagnostic_set﹞工作原理方塊圖

04、超音多普勒﹝Doppler﹞儀:

 (01)、連續波多普勒:一維、頻譜顯示、探頭內有二個晶片一收一發,用於檢測高速血流。

 (02)、脈衝波多普勒:一維、頻譜顯示,探頭由單晶片組成、兼收、發。常與二維超音相結合,用於檢測血流速度、方向、性質等。

 (03)、彩色多普勒:二維、光點顯示、以偽彩色代表血流方向、性質及速度。

多普勒用於檢測心腔及血管內血流。彩色多普勒儀都具有B型、M型、連續波、脈衝波多普勒功能、根據需要任意選擇使用。

五、超音波診斷﹝ultrasound_diagnosis﹞術語

【B】B型超音命名:

01、B型超音法又稱二維超音掃描﹝Two-dimensionalscan﹞,超音切面顯像﹝Cross-ection_imaging﹞,超音斷層法﹝Ultrasound_tomography﹞,其圖像稱聲像圖﹝Ultrasonnogram﹞。

02、聲像圖命名

 (01)、以回聲強弱命名:

強回聲光點或稱高水準回聲。

中等回聲光點可分為較強或較弱回聲。

低回聲光點、低水準回聲或暗淡光點。

 (02)、以回聲分佈命名:分佈均勻與不均勻

 (03)、以回聲光點形態命名:

光點:亮度不同的回聲小點。

光團:多數光點集中成團狀。

光帶:多數光點排列成帶狀。

光環:光點排列成環形。

光斑:較弱的多數光點集中成片狀。

管狀結構:兩條平行光帶間為無回聲區。

 (04)、暗區:無回聲區

液性暗區:邊緣有明確光帶,內部無回聲,後方回聲增強,如膽囊﹝GB﹞。

實質暗區:正常靈敏度下無回聲或回聲極低,適當加大增益後回聲增強,如腎實質。

衰減暗區:在某些臟器或病變之後的無回聲區。在含氣臟器產生多次反射﹝reflex﹞,聲能減弱,回聲消失。在骨骼、結石及鈣化病灶後方向由於反射﹝reflex﹞及吸收,回聲突然消失稱聲影﹝acoustic_shadow,AS﹞。

經筋醫理探源(永康堂‧張老師)

                       

 

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