第一章 床旁超声基础
第一节 床旁超声基础
提要
临床诊断超声波与超声探头
超声检查格式与诊断扫描模式
超声检查的图像分辨率及影响因素
图像方位——探头方向标识与图像方向标识
超声诊断的解剖平面
临床超声诊断仪的基本操作要点
一、临床诊断超声波的产生与常用超声探头
（一）诊断用超声波的产生
超声波是将电流作用于晶体，使晶体快速振动产生的振动波。这个过程也称“逆压电效应”。逆压电效应所产生的超声波与人体组织接触并被传导，在传导过程中遇到不同质地组织反射回来不同的波可使晶体产生振动，这种振动可类比电流信号。计算机将电流信号处理，最后表现为超声图像。因此，超声诊断仪的所有探头的末端有压电元件排列（称其“声源”），既能发送超声波使其在人体组织传导，又能接受不同组织的回波信号传回至超声仪，通过计算机数字化而最终成像。
（二）常用超声诊断探头
1.线阵探头
临床习惯称其为“血管探头”或“浅表器官探头”。探头的压电元件排列成直线而称为线阵探头。产生的超声从探头表面垂直发出呈线性扫描。探头的接触面（又称切迹）是平的，有不同大小的接触面，小至中等的透声窗。线阵探头的频率4～12MHz。线阵探头适用于要求分辨率高的浅表的、小至中等大小的组织结构，如表浅部位的血管、骨骼、肌肉、乳房、眼、阴囊、皮下软组织等，无法探及深度>5cm的组织（图1-1-1）。
图1-1-1 小器官探头（何鑫 图）
2.凸阵探头
临床习惯称其为“腹部探头”。探头呈曲线，压电元件的排列仍然呈弧线，但是探头的接触面（切迹）较小且是弧形，产生的图像是扇形扫描的模式。凸阵探头的频率是2～5MHz，接触面大，适用于深部大器官，常用于腹部器官、妇产科检查。近年，急诊和重症医学专业常用于胸及肺部肺水肿、胸腔积液及气胸的监测（图1-1-2）。
图1-1-2 腹部探头（何鑫 图）
3.相控阵探头
临床习惯称其为“心脏探头”。探头的切迹呈平面，探头的压电元件通过不同的相位差来激活产生超声信号，因而呈扇形扫描模式。其优势是以较小的接触面（切迹）获取更多的超声图像。相控阵探头的频率2～4MHz，适用于深部大器官，常用于心脏监测。紧急情况没有“腹部探头”时，也可用于肺和腹部检查（图1-1-3）。
图1-1-3 心脏探头和“方向标识”（何鑫 图）
注：探头左侧长条形隆起即为“方向标识”
Tips：
二维超声探头侧面有“方向标识”，与显示屏上的方向标记是同一方向，用于识别器官的二维空间方位。不同厂商生产的超声诊断仪有不同形状的方向标记，如可触及的长条形隆起或角等，超声显示屏上的方向标记图形和颜色也因不同的超声诊断仪而不同，如圆圈、圆点或箭头，或绿色等。
二、声音的传导速度与超声诊断的应用
超声是声音的一种，因此具有声音的特性。声音是一种能量，能在介质中传播。不同的介质，声音传导速度不同，超声也是如此。
（一）声音特性
1.周期
所有的超声信号都由若干振动周期组成。一个周期就是一次重复的周期性的振动。每个周期都由一对正负波构成（图1-1-4）。
图1-1-4 超声每个周期振动示意图（刘鹭琛 图）
2.频率
每秒内振动周期数为频率。频率的单位是赫兹（Hz）。每秒一个周期就是1Hz。人耳听到的频率是20～20 000Hz。超声的频率超过20 000Hz。临床诊断用超声的频率超过了100万Hz（图1-1-5）。
图1-1-5 超声频率示意图（刘鹭琛 图）
3.波长
波长是一个振动周期的长度，是可计量的距离，是从一个正偏转波起点到负偏转波终点的距离（图1-1-6）。
（二）声音的传导
声音的传导速度又称声速，在指定的介质中速度不变。波速等于波长和频率的乘积。频率增加，波长减小，反之亦然。影响声音传播的因素是传播介质的密度和硬度。
图1-1-6 超声波长示意图（刘鹭琛 图）
1.密度
介质的密度越高，声音的传导越好。比如，空气是声音的不良传导介质，尤其对于超声的传导，空气能将声波完全地反射回声源，比如含气多的肺。而水对声波的改变较小，比如胸腔积液、腹腔积液等（参见第三章肺、胸、腹腔积液超声影像图）。
2.硬度
介质越硬，声音传播越差，相反，越柔软则传播越好。肝脏、脾脏比骨柔软且致密，是良好的声音传导介质，很少改变声波信号。骨质硬，声波传导差，声音信号被完全反射回来（参见第三章肋骨超声影像图，第四章肝脏、脾脏超声影像图）。
3.声窗
声窗是超声诊断经常使用的术语，是指在身体表面或体内允许超声信号传播到深部。根据声音的传导特性，声窗通常是致密柔韧、富有弹性的结构和富有液体的器官，如肝脏、脾脏、心脏及膀胱等。反之，不利于声音传导的组织结构即为不适合作为声窗的结构，如坚硬的骨骼，以及密度小而充满气体的组织如肺、消化道。
三、超声诊断仪的超声产生输出模式与临床应用
超声诊断仪产生与输出的超声有2种模式：连续模式和脉冲模式。
1.连续模式
压电效应连续不间断地振动产生超声波称连续模式，即连续不断地产生超声信号（图1-1-7），横轴表示时间，纵轴表示波幅。由于不间断地发出超声信号，超声回声无法引起晶体振动产生电流信号，最终不能使超声仪器识别并成像。因此，连续模式用于血流测量、碎石及物理治疗。
图1-1-7 超声产生输出的连续模式图（刘鹭琛 图）
2.脉冲模式
大部分临床诊断超声是脉冲模式。超声信号是以小段为单位产生，该小段超声称“空间脉冲长度”（spatial pulse length，SPL），其长短随频率变化而改变。一个SPL的末端到下一个SPL开始之间的时间叫脉冲离线时间，随信号频率的变化而变化。一个SPL开始到下一个SPL开始的时间叫总周期时间，不随信号频率的变化而改变。超声探头约99%的时间在接收组织传导回来的信号，只有不到1%的时间产生超声信号（图1-1-8）。
图1-1-8 空间脉冲长度（SPL）示意图（刘鹭琛 图）
四、超声诊断扫描模式
典型的超声诊断扫描有两种模式：线性扫描模式和扇形扫描模式。
1.线性扫描模式
通过小器官探头完成，影像是长方形平面（图1-1-9）。
图1-1-9 正常甲状腺和血管图（韩东刚 李苗 影像）
注：a.正常甲状腺图；b.甲状腺长轴声像图；c.血管图
2.扇形扫描模式
腹部探头和心脏探头都产生扇形图像（图1-1-10）。
图1-1-10 腹部探头探测肝脏和肾脏影像图（李苗 影像）
注：RL：肝右叶；RK：右肾
五、超声检查的图像型或格式
超声检查有两种图像格式，图像格式常称为图像型。
1.二维格式
二维超声或二维格式是二维亮度型，通常又称B型格式。二维超声是诊断超声最常用的模型，提供所测器官实时图像、显示二维空间，如显示心脏、肝脏、脾脏、肾脏等器官的二维空间图像。
2.M型格式
M型超声主要用于心脏检查，也可以检查胎儿心动。M型格式通过二维格式转换。在操作超声仪时，使用B型超声探头，获得B型超声图像，启动转换模式旋钮，在B型超声图像中将取样线放置在所需部位，按下确认键即可转换为所需心脏部位的M型模式。例如，需要获取二尖瓣前叶的M型超声曲线图，首先获取B型心脏超声的胸骨旁长轴或短轴的二尖瓣水平切面，启动转换模式旋钮，获得M型心脏超声的二尖瓣前叶曲线图（图1-1-11）。
图1-1-11 二维超声胸骨旁长轴二尖瓣水平转换M型超声（何鑫 影像）
注：图的上部图像是二维超声胸骨旁左心室长轴切面，取样线位于二尖瓣水平；图的下部图像是转换为M型超声二尖瓣前叶影像
六、超声检查的图像分辨率及影响因素
（一）轴面与分辨率
人体的器官是三维结构，二维超声图像实际上是用二维图像看三维结构。所谓二维超声图像，是指人体器官在显示器上呈现的图像是二维平面，分轴面和侧面。轴面是平行于信号长轴的面，侧面（横）是垂直于信号长轴的面（图1-1-12）。
图1-1-12 轴面与侧面示意图（韩东刚 影像）
1.轴面分辨率
分辨轴面的不同组织结构的能力称轴面分辨率。组织离探头越近，或两种组织结构距离越近，越需要更高频率进行分辨。简言之，频率越高，分辨率越好。
2.侧面分辨率
分辨侧（横）面的不同组织结构的能力称侧面分辨率。如果两种组织结构距离较近或较小，则需要缩小扫描宽度以获取较好的分辨率。声束越远越分散，降低了横向的分辨率。
（二）束宽、焦区与分辨率
每个探头的晶体有上百个独立的压电元件。对于线性扫描模式，无论组织器官距离远还是近，探头在扫描范围内的组织器官以同样的机会接收到单一压电元件的信号。而扇形扫描模式的信号以扇形发出，这些信号在传播的过程中逐渐分散。声束越远越分散，横向分辨率降低。现代超声技术可将离探头一定距离的超声束集中，声束集中的区域称为焦区。靠近焦区的范围称为近场，反之为远场。远场的不同组织结构或器官与不同的信号接触的可能性降低，因此显示器上难以分辨远距离的物体。多数探头能将焦区移近或移远，也可以用几个焦区。但是，聚集焦区占用处理器，使其处理能力降低，实时图像断断续续，影响超声诊断检查。
（三）频率与图像
高频率有更好的轴分辨率，但是高频率降低超声波的组织穿透力。换言之，高频率难以分辨深层组织结构。
1.低频（2～4MHz）
用于体积较大或肥胖人群及心脏及大多数腹部器官。
2.中等频率（4～7MHz）
用于体积较小的成年人或儿童、较浅表器官（如大血管）、腹腔内器官（如子宫）。
3.高频率（>7MHz）
用于儿童，表浅器官如外周血管、睾丸、异物以及腔内器官如卵巢。
（四）超声灰阶
超声显示器由上千像素构成，每个像素定位一个灰度，灰度的范围称为灰阶。灰阶越宽，分辨率越好。增益对灰阶有影响，增益越大，灰阶越小，其结果是分辨率降低。简言之，增益越大，分辨率越差。尽量调小总体增益，得以扩大灰阶。
（五）超声图像伪影
所有图像都有伪影。伪影可以使图像不清晰而影响诊断的准确性，应注意识别。
1.增益伪影
由于回声信号过大而使灰阶被压缩，从而降低了总体图像分辨率。可以通过调暗室内灯光或调低整体增益而改善。
2.声影伪影
由于信号被完全反射回去，没有到达更深的组织，形成完全或部分无回声、低回声的暗区，叫声影伪影。是判断疾病及解剖结构的重要依据，如胆囊结石的声影，肋骨的声影等（图1-1-13）。
3.折射伪影
在诊断超声中，当遇到不同传播速度的介质呈倾斜排列时，信号产生折射而改变了传播方向，在远场形成了一个低信号区。其结果是在显示器上的“阴影”可能被误诊为病变。临床上，往往使用旋转探头、改变探头与皮肤的夹角，以及来回移动探头等方法，改变信号方向，消除折射伪影。
图1-1-13 胆结石的声影图像（韩东刚 影像）
注：箭头所示胆结石，其后有长条状声影
4.声窗增强
由于信号穿过无反射介质，使整个信号得到传播，而没有发生衰减。因此，远场反射回来的信号相对于周围组织更强，图像上的灰阶更亮。可通过时间增益补偿降低远场回声的强度。
5.镜像伪影
由于相似的结构在高反射的结构的两侧出现。远场的结构是假象，经常在横膈附近出现。可以通过改变探头方向而消除。
6.振铃效应产生的伪影
振铃效应类似于混响效应，是由于信号在一连串回声组织间反射所致的图像。常见于空气与水的界面，因为有许多反射，显示器显示的阴影像“彗尾”。“彗尾”征见于正常肠道，病理情况见于肺水肿（参见第三章肺部超声）。
七、脏器解剖方位——探头方向标识与图像的方向标识
探头的一侧有方向标识，与超声屏幕上的方向标识一致，以此识别人体器官在二维超声影像中的二维空间方位。
1.器官前后识别（图1-1-14）
图1-1-14 器官二维超声影像前后方位识别图（刘鹭琛 图、韩东刚 影像）
注：a.二维超声探头放置于右前胸壁，方向标识指向头部；b.右肾超声影像，屏幕顶端是探头接触前胸壁即“前”，屏幕底部即“后”；影像从上向下代表从前向后，依次是胸壁、肝脏、肾脏，探头的方向标识与屏幕的方向一致，方向标识在图左侧即头侧，右侧即为尾部
2.器官左右侧识别（图1-1-15）
3.心脏方位识别
（1）胸骨旁长轴切面识别心脏方位识别（图1-1-16）。
（2）心尖4腔切面心脏方向识别（图1-1-17）。
图1-1-15 右侧胸壁探查左右侧识别图（刘鹭琛 图、韩东刚 影像）
注：a.二维超声探头放置于右侧胸壁，超声束呈冠状面切入，方向标识指向头部；b.肝脏、右肾超声影像，屏幕的顶端是探头接触胸壁“右侧”，屏幕的底部即为“左侧”，图从上向下代表从右向左，依次是胸壁、肝脏和肾脏；图中的绿色方向标识代表头侧
图1-1-16 左心长轴切面心脏方位识别图（韩东刚 影像）
注：二维超声心脏探头放置于胸骨旁左缘，探头方向标识指向右肩部即心底，图像中探头标识在左侧即指心脏底部，心尖在图的右侧
图1-1-17 心尖4腔切面心脏方位识别图（刘鹭琛 图、韩东刚 影像）
注：a.心尖4腔切面探头放置示意图，探头置于心尖，探头方向标识指向患者胸部左侧；b.心尖4腔切面影像，探头首先接触的是心尖部位，因此图像“下”指心尖，图像“上”指心底即左右心房；图像左侧黄色箭头是方向标识，与心脏方位一致，即右侧是右心房右心室，左侧是左心房左心室
Tips：
在分辨超声所探测的脏器的方位时，在超声诊断仪显示屏中，影像的顶端是探头接触患者的部位。
八、二维超声解剖平面与超声切面
二维超声的解剖平面有矢状面（纵切面）、轴面（横断面）、冠状面（额状面）。腹部和肺病超声使用主线解剖平面，心脏超声和经阴道、盆腔超声不用解剖平面如矢状面等。
1.矢状面或纵切面
探头的方向标识指向头部，超声信号沿矢状面传递。屏幕顶部为前即距离探头最近，底部为后，屏幕上绿色方向标识代表头侧，未标记侧是尾部（图1-1-18）。
图1-1-18 二维超声矢状切面图（刘鹭琛 图、韩东刚 影像）
注：a.剑突下二维超声探头呈竖状放置，标识指向头部，超声束呈矢状切面；b.腹主动脉影像呈长形暗色回声，探头的方向标识（绿色）在影像左侧即头部，依此辨别腹主动脉头、尾、前和后侧；图中密集超声回声是肝左叶，上部椭圆形液性暗区是胆囊
2.轴面或横断面
轴面或横断面是人体的短轴。探头的方向标识指向右侧，超声信号沿轴面传递（图1-1-19）。
图1-1-19 胰腺二维超声轴面或横断面图（刘鹭琛 图、韩东刚 影像）
注：a.二维超声探头横置于上腹部，方向标识指向身体右侧，超声束横断面切入；b.胰腺在图中略显弯曲的致密影，方向标识在图的右侧，右侧即胰头，左侧是胰尾
3.冠状面
或称额状面，探头放置于躯体右侧，探头的方向标识指向头侧，超声信号沿冠状面传递（图1-1-20）。
图1-1-20 肝脏、肾脏二维超声冠状面（刘鹭琛 图、韩东刚 影像）
注：a.二维超声探头置于上腹部右侧或右侧胸下部，探头方向标识指向头部；b.肝脏二维超声影像图，绿色方向标识指向头部，探头距离最近的部位在右侧，从右至左依此识别肝脏、肾脏
九、临床超声诊断仪的基本操作要素
虽然不同厂商生产的超声诊断仪的操作键盘不尽相同，但是超声诊断仪的基本操作原理和步骤相同。床旁超声诊断仪最基本的操作步骤如下：
1.电源开关 打开仪器电源开关，电脑将在数秒内启动。
2.输入患者信息。
3.屏幕显示信息 在超声诊断仪显示屏上显示的主要信息有：（1）方向标识，与探头方向一致。（2）患者姓名、检查日期和时间。（3）扫描预设置，使操作者迅速进行扫描设定。（4）探头类型。（5）判断视野深度的标尺。
4.增益 增益增加和减少，或选择自动增益。
5.频率调节 调节分辨率，近场用较高频率，远场用较低频率。因为低频率增加组织的穿透力，主要用于较深部位的组织结构和（或）体重指数较高的患者。
6.增益补偿 分为近场时间增益补偿和远场时间增益补偿。通常，设置时间增益补偿，选择近场增益少而远场增益多，用于补偿信号的衰减。
7.测深度 当深度减小，近场的组织结构逐渐增加。
8.放大和缩小。
9.图像冻结 定格图像，便于分析、储存或打印。
10.回放、储存和动态视频剪辑 定格后查看回放的图像、储存图像或视频剪辑。
11.模式选择
（1）二维模式（B型超声）。
（2）M型模式。
（3）彩色多普勒：当用彩色多普勒时，二维图像上叠加一个框，框内可见彩色多普勒信号成像，并可通过轨迹球或触摸板移动该框。同时，在视频的上方出现彩色条带，提供系统对于显示的多普勒信息的敏感度。低值表示系统显示的低流速，如果被分析的部位的流速高于设定值，可见伪影。高值表示系统显示的高流速，如果被查部位的流速低于设定值，则不能显示多普勒信息。
（4）脉冲多普勒（PW）：选择PW，二维图像上出现1条竖线，在竖线中间部位有2条短平行线，通常称“取样容积”。再按下PW键后，可见PW血流速度图像。在Y轴上，多普勒血流速度波代表迎向探头的血流速度。
（5）连续多普勒（CW）。
12.定格（freeze） 按下测量键实施测量。
13.位置和数目 在多数超声诊断仪，操作者可调整聚焦带的位置，也有系统自动调整。当仅有1个聚焦带时，显示屏的图片的帧频是每秒15帧。
14.下载储存的图像 按压“review”键。在仪器的USB接口处插入U盘，按下输出键。图像转化成JPEG格式，视频则是MPEG格式。
要点
（1）超声探头：临床常用的超声探头有心脏探头（相控阵探头）、腹部探头（凸阵探头）及小器官探头（线阵探头）。心脏探头，既能探测心脏也能探测腹部及肺部。
（2）识别人体器官的二维超声图像的二维空间方位——上下、左右及前后，有两个关键点：①超声探头的方向标识与显示屏影像的方向标识一致；②二维超声探头接触机体的部位始终在显示屏的顶端。
（3）腹部、胸部二维超声的解剖及超声切面：矢状面（纵切面）、轴面（横断面）、冠状面（额状面），心脏超声不用该解剖平面和超声切面的概念。
（4）超声诊断仪器的操作：不同厂商生产的超声诊断仪的操作盘和操作步骤基本相同，了解基本操作步骤，结合超声仪器使用说明书可实施操作。
（李丽君）
参考文献
任卫东，常才．超声诊断学［M］．3版．北京：人民卫生出版社，2013．