现代医学超声主要采用脉冲回波技术，并以亮度模式（B模式）显示。B模式成像的基本原理与几十年前基本相同。其原理是利用换能器向体内发射微小的超声回波脉冲。当超声波穿过声阻抗不同的组织时，一部分会反射回换能器（回波信号），另一部分则会继续深入。多个连续共面脉冲返回的回波信号经过处理和组合后生成图像。因此，超声换能器既可以作为扬声器（产生声波），也可以作为麦克风（接收声波）。超声脉冲实际上非常短，但由于其沿直线传播，因此通常被称为超声波束。超声波沿波束方向的传播方向称为轴向，而图像平面上垂直于轴向的方向称为横向。通常情况下，只有一小部分超声脉冲在到达人体组织界面后会以反射回波的形式返回，而脉冲的其余部分则会沿着光束线继续传播到更深的组织中。

超声换能器（或探头）包含多个压电晶体，这些晶体通过电子方式互连，并在施加电流时振动。这种被称为压电效应的现象最初由居里兄弟于1880年描述，当时他们对一块切割好的石英施加机械应力，使其表面产生电荷。后来，他们还证明了逆压电效应，即对石英施加电流会导致石英振动。这些振动的机械声波在穿过人体组织时，会形成交替的压缩区和稀疏区。声波可以用频率（以赫兹为单位，即每秒周期数）、波长（以毫米为单位）和振幅（以分贝为单位）来描述。

超声波的波长和频率成反比关系，即高频超声波波长较短，反之亦然。超声波的频率超过人耳可听范围的上限，即大于20 kHz。医用超声设备使用频率范围为1-20 MHz的声波。在诊断和介入超声中，正确选择换能器频率是获得最佳图像分辨率的重要因素。高频超声波（短波长）可生成高轴向分辨率的图像。在给定距离内，增加压缩波和稀疏波的数量可以更准确地区分沿波传播轴向平面的两个不同结构。然而，在给定距离内，高频波的衰减比低频波更大；因此，它们主要适用于对浅表结构进行成像。相反，低频波（长波长）虽然图像分辨率较低，但由于衰减程度较小，可以穿透到更深的结构。图 1）。 出于这个原因，最好使用高频换能器（最高 10-15 MHz 范围）对表面结构（例如星状神经节阻滞）和低频换能器（通常 2-5 MHz）成像腰椎大多数成年人体内深部的神经轴结构（图 2).

图 1 超声波的衰减及其与波频率的关系。 请注意，对于给定距离，较高频率的波比较低频率的波衰减更高。 (a) 波长更短，衰减更大。 (b) 波长更长，衰减更小（经参考文献 [6] 许可转载）

图2 不同超声换能器频率的分辨率和穿透力比较。 （该图发表于参考文献 [3]。版权所有 Elsevier (2000)）

图 3 超声脉冲产生示意图。 （经参考文献 [6] 许可转载）

4. 超声-组织相互作用

当 US 波穿过组织时，它们部分传输到更深的结构，部分作为回波反射回换能器，部分散射，部分转化为热量。 出于成像目的，我们最感兴趣的是反射回换能器的回波。 撞击组织界面后返回的回声量由称为声阻抗的组织特性决定。 这是介质的固有物理特性，定义为介质的密度乘以 US 波在介质中的传播速度。 含气器官（如肺）的声阻抗最低，而骨骼等致密器官的声阻抗非常高（表1反射回波的强度与两种介质间声阻抗的差异（或不匹配）成正比。如果两种组织的声阻抗相同，则不会产生回波。声阻抗相似的软组织之间的界面通常会产生低强度回波。相反，软组织与骨骼或肺之间的界面由于存在较大的声阻抗梯度，会产生非常强的回波。

当入射超声脉冲遇到具有不同声阻抗的两个身体组织的大而光滑的界面时，声能被反射回换能器。 这种类型的反射称为镜面反射，产生的回波强度与两种介质之间的声阻抗梯度成正比（图 4）。 当针“平面”插入时的软组织-针界面是镜面反射的一个很好的例子。 如果入射的 US 光束以 90° 角到达线性界面，几乎所有生成的回波都将返回换能器。 但是，如果与镜面边界的入射角小于 90°，则回波将不会返回换能器，而是以与入射角相等的角度反射（就像可见光在镜子中反射一样）。 返回的回波可能会错过换能器而不会被检测到。 这对疼痛医师具有实际意义，并解释了为什么可能难以对以非常陡峭的方向插入的针头进行成像以到达位于深处的结构。

图 4 不同类型的超声波-组织相互作用。 （经参考文献 [6] 许可转载）

折射是指以不同的传声速度撞击两个组织的界面后传声方向的变化。 在这种情况下，由于声音频率是恒定的，因此必须改变波长以适应两个组织中声音传播速度的差异。 这导致声音脉冲在通过界面时重定向。 折射是超声图像上结构定位不正确的重要原因之一。 由于脂肪中的声速较低（约 1450 m/s）而软组织中的声速较高（约 1540 m/s），因此在脂肪/软组织界面处折射伪影最为突出。 最广为人知的屈光伪影发生在腹直肌和腹壁脂肪的交界处。 最终结果是通过腹部中线扫描时看到的深部腹部和骨盆结构重复（图5扫描肾脏时，由于脾脏（或肝脏）与邻近脂肪之间的界面处声波折射，也可能出现重复伪影。

图 5 折射伪影。 图 (a) 显示了声束折射如何导致重复伪影。 (b) 是上腹部的横向正中视图，显示了继发于直肌屈光的主动脉 (A) 重复。 （该图发表于参考文献 [8]。版权所有 Elsevier (2004)）

如果超声脉冲遇到尺寸小于超声波波长的反射体，或者遇到粗糙不规则的组织界面，就会发生散射。在这种情况下，反射回波会以各种角度传播，导致回波强度降低。然而，散射的积极作用在于，无论入射脉冲的角度如何，都会有一些回波返回到换能器。大多数生物组织在超声图像中看起来就像充满了微小的散射结构。在肝脏或肌肉等器官中呈现可见纹理的散斑信号，正是由于入射超声脉冲体积内产生的多个散射回波之间的相互作用而形成的。当超声脉冲穿过组织时，其强度会降低或衰减。这种衰减是反射、散射以及摩擦损耗共同作用的结果。摩擦损耗是由脉冲引起的组织振荡运动造成的，这种运动会将能量从原始的机械形式转化为热能。这种能量损失转化为局部加热的过程称为吸收，是超声衰减的最主要原因。较长的传播路径和较高的频率会导致更大的衰减。衰减程度在不同的身体组织中也存在差异，骨骼的衰减程度最高，肌肉和实质器官的衰减程度次之，血液的衰减程度最低（对于任何给定的频率）。图 6）。 所有超声设备通过自动增加屏幕较深区域的增益（整体亮度或信号强度）来内在地补偿预期的平均衰减程度。 这就是称为“后声学增强”的常见伪影的原因，该伪影描述了大血管或囊肿后方相对高回声的区域。图 7）。 与固体结构相比，含有流体的结构对声音的衰减要小得多，因此声脉冲在通过流体后的强度大于通过等量的实体组织后的强度。

图 6 超声波束在不同身体组织中随波频率的衰减程度。 （经参考文献 [6] 许可转载）

图 7 腹股沟区股骨神经血管结构的超声图像。 可以在股动脉深处看到高回声区域（箭头）。 这种众所周知的伪影（称为后声学增强）通常可见于含流体结构的深处。 N股神经； A，股动脉； 五、股静脉

 

5. B 模式超声的最新创新

在过去十年左右的时间里，大多数超声设备中出现的一些最新创新显着提高了图像分辨率。 其中两个很好的例子是组织谐波成像和空间复合成像。

组织谐波成像的优势最初是在针对超声造影剂成像的研究中发现的。谐波是指发射脉冲频率（也称为基频或一次谐波）的整数倍频率。二次谐波的频率是基频的两倍。当超声脉冲穿过组织时，原始波形会从完美的正弦波变为更尖锐、更尖锐的锯齿状。这种畸变的波会产生多种不同频率的反射回波，这些回波属于许多高次谐波。现代超声设备不仅使用基频，还使用其二次谐波分量。这通常可以减少近表面组织中的伪影和杂波。谐波成像被认为对那些体壁结构厚重且复杂的“技术难度较高”的患者最为有用。

空间复合成像（或多波束成像）是指利用阵列换能器发出的超声波束，通过电子控制，沿不同方向发射平行波束，对同一组织进行多次成像。然后将来自不同方向的回波平均（复合）成一幅合成图像。多波束的使用可以平均消除散斑，使图像颗粒感降低，并提高横向分辨率。空间复合图像通常能降低噪声和杂波水平，并提高对比度和边缘清晰度。由于使用多束超声波束探测同一组织区域，因此数据采集需要更多时间，复合成像的帧速率通常低于传统的B型超声成像。

 

6。 结论

US 在本质上相对便宜、便携、安全和实时。 这些特征以及图像质量和分辨率的持续改进已将 US 的使用扩展到传统诊断成像应用之外的许多医学领域。 特别是，它在辅助或指导介入程序方面的应用正在增长。 区域麻醉和止痛药程序是当前增长的一些领域。 现代美国设备基于 50 多年前使用的初始设备中采用的许多相同基本原理。 对这些基本物理原理的理解可以帮助麻醉师和疼痛从业者更好地理解这个新工具，并充分利用它的潜力。