掌握基礎概念，超聲醫學物理原理並不難（1）

醫學超聲是利用超聲波的物理特性，通過研究聲波在人體組織器官傳播中的聲學特性，為臨床進行診斷或治療的一門學科。

在學習超聲診斷學之前，需要掌握基本一些基本物理概念，從而弄懂貫穿在整個成像過程中的物理原理，指導超聲醫師對疾病的診療工作。

此文主要介紹超聲成像的聲學基礎和原理，後續逐步講解超聲成像的偽像、特點、熱點與各類疾病的診斷和鑒別診斷。

基本概念梳理

超聲：物體的機械振動波（屬於聲波的一種），其振動頻率超過人耳聽覺上限閾值（20000HZ)。

超聲診斷應用較高頻率（1～40MHZ，常用為2.2～10MHZ）超聲作為信息載體，從人體內部獲得某幾種聲學參數的信息後，通過一系列計算機演算法，形成圖像數據，用於對疾病信息進行分析。

超聲成像基本過程

超聲波的物理現象

超聲診斷儀向人體組織中發射超聲波，遇到各種不同的物理界面時，可產生不同的反射(Reflection)、散射(Scatter)、折射(Refraction)、繞射（Diffraction）、吸收（Absorption）和衰減（Attenuation）的信號差異。將這些不同的信號差異加以接收放大和信息處理，顯示各種可供分析的圖像，從而進行醫學診斷。

1-反射

反射：大界面對入射超聲波產生反射現象。反射使入射超聲能量中的較大部分向一個方向折射（入射角與反射角相等）。

反射的能量大小取決於界面兩側介質的聲特性阻抗差。

組織間（介質）的聲特性阻抗差越大，反射率越大；即，超聲圖像畫面越亮。當聲阻抗差大到一定程度時，可發生全發射，聲能不再到達深部組織。如，空氣-軟組織界面和骨骼-軟組織界面。

當聲阻抗差較小時，兩種介質構成的界面反射率小，大部分聲能投射到深部組織，而當發射的能量低到一定程度時，可造成圖像上無法顯示。均勻介質中不存在聲阻抗差，無超聲反射，探頭接收不到該處的回聲；例如膽汁和尿液中無回聲，聲像圖上表現為無回聲液性暗區。

超聲最怕的是空氣介質，因為空氣與人體組織的聲阻抗差極大，導致絕大部分聲能反射，圖像顯示一片白茫茫，無法分辨出具體組織，這也是為何進行超聲檢查前要現在探頭或皮膚上塗抹一層偶合劑（清除探頭與檢查部位之間的氣體，減少界面聲阻抗差，保證聲波到達人體深部組織）。

下圖是塗抹偶合劑前後的圖像對比：

左圖是塗抹偶合劑之前的圖像，因探頭與皮膚之間存在大量空氣，界面聲阻抗差大，幾乎無聲波達到深部組織，圖像上無法顯示各組織。

右圖是塗抹偶合劑之後的圖像，空氣被偶合劑清除，偶合劑本身相當於均勻一致的液性介質，聲波在耦合劑中進行無衰減傳播，可到達人體深部組織，並經過各個界面反射至超聲探頭，形成高對比度的圖像。

用超聲檢查肺組織和腸道看見的都是大量反射的聲波信號，圖像上表現為一片高亮區域。

而用超聲檢查膽囊和膀胱時，因無聲波反射，圖像上表現為無回聲暗區。

2-散射

散射：小界面對入射超聲產生散射現象。如果介質中含有大量雜亂的微小粒子（如血液中的紅細胞、軟組織中的微細結構、肺部小氣泡等），超聲波激勵這些小粒子成為新的波源，再向四周發射超聲波。散射無方向性，其返回至聲源的回聲能量甚低，但臨床意義十分重要。

3-繞射

超聲波在介質中傳播，如遇到的物體其直徑小於λ/2時，則繞過物體繼續向前傳播，這種現象稱為繞射（也稱衍射）。

反射、散射對於超聲圖像形成具有重要意義，而繞射卻是超聲工作者害怕的現象。對於許多微小病灶，發生繞射則無法在聲像圖上顯示，即超聲檢查容易漏診某些微小病灶，無法早期發現病變。

4-折射

超聲波由一種介質進入另一種介質時，由於聲阻抗不同，其傳播方向發生改變，稱為折射。

由於折射，聲像圖實際上是一副多向扭曲的圖形。折射可使測量及超聲導向產生誤差。

5-衰減

超聲波在介質中傳播，聲能因為小界面散射、大界面反射、聲束擴散、軟組織對超聲能量吸收，導致聲能隨傳播距離的增加而減小，這種現象稱為超聲的衰減。

一般而言，衰減與探頭頻率1次冪成正比，與距離對1次冪成正比，即高頻探頭的成像深度淺、傳播距離越遠，聲能衰減越明顯。

正常髖關節的超聲圖像：股骨頭-軟組織界面反射大量聲能，導致後方出現無回聲。

脂肪肝超聲圖像：由於肝臟脂肪變性，肝組織中的大量微小的脂肪細胞散射聲能，導致深部肝組織回聲低，而近探頭側的肝組織回聲相對增強。

總結

在超聲成像基礎中，比較重要的概念有：

• 反射
• 散射
• 繞射
• 折射
• 衰減

以上5個概念能夠解釋大部分超聲成像原理、偽像、超聲診斷顯像方式。初學者對於物理基礎望而生畏，若把原理細分為一個個基本概念，將有助於我們獲得微進步；每一次反饋都是進步的來源。初學者很容易陷入兩個極端：即物理基礎太難，乾脆不學，直接跨越到應用部分；或者花大量時間研究物理基礎而捨本逐末。超聲的成像原理應該伴隨著整個學習過程，第一步需要掌握基本概念，然後再把基礎運用到圖像分析；當發現自己存在知識模糊的情況再又重新回顧原理部分，如此反覆，有助於我們掌握此門學科。

參考來源：

1.《超聲診斷學》第三版.人民衛生出版社

2.《超聲檢查與臨床應用》李穎嘉

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