诊断超声使用高频声波进入人体，然后通过计算机分析返回的回声，以产生器官、组织和血流的高分辨率横断面图像。显示的信息是基于组织的声阻抗所产生的超声波与组织相互作用的结果，并不一定代表特定的微观或宏观解剖结构。事实上，在出现功能障碍或功能衰竭时，器官在超声图像上可能显示完全正常。相反，器官在超声检查中可能出现异常，但功能正常。为了正确使用诊断性超声，必须理解和尊重这一基本原则。
高质量的超声学习需要对诊断超声的重要物理原理有深刻的理解。这一章节主要介绍诊断超声必要的基本物理原理，关于超声的详细物理知识，感兴趣的读者可以阅读本书推荐的参考文献。许多教材资料一致强调，图像质量取决于对超声与组织相互作用的理解和操作者对超声仪器的熟练操作。超声检查具有高度的互动性，要获得良好的图像，通常需要极大的灵活性。准确的解释直接取决于对正常和异常解剖结构的区分。与其他成像方式不同，解释最好是在检查时进行。很难从另一个超声医生的静态图像或视频剪辑中做出有意义的解释。
一、基本声学原理
1. 波长和频率
声波是机械能以压力波的形式在物质传播，在导电介质中产生紧密和疏松交替的分子带（图1-1）。每个紧密或疏松波段之间的距离是声波的波长(λ)，即在一个周期中移动的距离。频率是一个波长每秒重复（周期）的次数，用赫兹（Hz）表示。每秒一个周期为1 Hz，每秒1000和100万个周期分别为1千赫（kHz）和1兆赫（MHz）。人类的听力范围约为20到20,000赫兹。诊断超声的声波频率比这个范围高出1000倍。2至15兆赫及更高范围内的声音频率通常用于诊断超声检查。甚至更高的频率（20到100 MHz）用于眼部、皮肤等特殊部位的显微成像。
每秒数百万个周期的频率具有短波长（亚毫米），这对于高分辨率成像是必不可少的。波长越短（或频率越高），分辨率越好。如果介质内的声速保持不变，则频率和波长呈负相关。由于声速与频率无关，在机体软组织中几乎恒定（1540 m/sec）（表1-1），选择更高频率的探头会导致发射声波的波长降低，提供更好的轴向分辨率（图1-1A、图1-2）。声速、频率和波长之间的关系如下式：速度（m/sec）=频率（周期/秒）× 波长（m/周期）。
常用的超声波频率的波长可以通过这个方程的变形来确定（表1-2）。
图1-1 超声波和回波。A：探头发出的超声波以由紧密(C)或疏松(R)波段组成的纵波形式产生。B：波长是纵波在一个周期中移动的距离。频率是声波每秒重复（周期）的次数。波长随着频率的增加而减小。从较低频率切换到较高频率的探头（例如，从3.0到7.5 MHz）可以缩短波长并提供更好的分辨率。C：在脉冲超声系统中，声波以两个或三个波长的脉冲发出，而不是像在A和B中看到的那样是连续的。声波的一部分会被反射，而其余的则在通过组织中的界面时继续传播。
图1-2 纵向分辨率。高频探头比低频探头产生更短的脉冲，因为发射的声波的波长更短。实际上脉冲长度决定纵向分辨率，并直接依赖于原始超声波束的波长。如图中，如果从每侧囊肿壁返回到探头的回声保持不同，那么囊肿的近侧壁和远侧壁就可以被分辨。在囊肿远侧壁的回声返回近侧壁之前，囊肿近侧壁的回声必须离开近侧壁。分辨囊肿的能力取决于脉冲的长度和囊肿壁之间的距离。轴向纵向分辨率不能超过脉冲长度的一半。图中0.5mm的囊肿理论上可以用7.5 MHz的探头，但不能用3.0 MHz的探头，因为更高频率的探头具有更高的纵向分辨率。
表1-1 声波在组织中的传播速度
组织
或物质
空气
脂肪
水
（50℃）
均质软组织
脑组织
肝脏
肾脏
血液
肌肉
眼睛晶状体
骨骼
传播速度（m/sec）
331
1450
1540
1540
1541
1549
1561
1570
1585
1620
4080
表1-2 常用的超声波频率
频率（MHz）
2.0
3.0
5.0
7.5
10.0
波长（mm）
0.77
0.51
0.31
0.21
0.15
2.声波的传播
诊断超声采用“脉冲回波”原理，将短脉冲声波传送到体内（图1-1C）。声波以纵向压力波沿粒子运动方向传播，如图1-1所示。声速（传播速度）受到组织的物理特性的影响，主要是组织对压缩的抵抗力，这取决于组织的密度和弹性（刚度）。声波在硬质组织中传播速度增加，而在高密度组织中传播速度降低。幸运的是，声波在身体软组织中的传播速度非常相似，因此我们假设诊断超声的平均速度为1540 m/sec。
超声波探头既向组织发送脉冲声波(占1%的时间），又接收返回的回声(占99%的时间）。假设恒定的传播速度（1540 m/sec）的是超声仪器计算声波从一个反射表面返回距离（或深度）的基础。例如，从脉冲声波发射到回波返回需要0.126毫秒。反射面的深度计算如下：1540 m/sec × 0.126 msec × 1/1000 = 0.194 m 或 19.4cm。这是声波往返于反射面的行程，所以这个值必须除以2，因此反射面的深度等于9.70cm。
如果以1450 m/sec的速度计算声波穿过脂肪组织的深度，反射面深度的计算结果将会出现比实际深度更大（或更深）的错误。这是速度传播误差所造成的，将在后面的超声伪影的章节中进行讨论和进一步说明。
此外，当超声波束遇到气体（331 m/sec）或骨骼（4080 m/sec）时，声波在这些介质中显著的速度差异会导致强反射，并产生混响伪影和声影（见后面的伪影部分），可能引起对图像的错误解释（图1-3)。这种强烈的反射是由于声速的突变、软组织-骨骼或软组织-空气界面上介质的物理密度（声阻抗）等因素综合作用造成的结果。声阻抗将在本章的后半部分进行讨论。
声波穿透软组织的深度与所使用的频率直接相关（成反比）。高频声波比低频声波衰减更大，试图通过增加声波频率来提高图像分辨率将会降低声波的穿透力。认识到这一重要的反比关系，超声医生在保证声波所需穿透深度的前提下，尽量选择最高频率的探头。8到11 MHz之间的标准微凸阵探头应该能够满足穿透8到10厘米深度的高质量成像。
图1-3 超声波的强反射界面。A：降结肠（箭头）内的气体和粪便在无回声的膀胱深处形成强回声弯曲的界面。在正常的无回声的尿液中产生假回声，形成旁瓣伪影。结肠深处出现声影，它不像矿物产生的声影那样完整（干净）。B：肱骨近端、盂上结节和肩胛骨表面具有高反射性，在患有脓毒性关节炎幼犬的左肩产生高回声。在图像的右上角有一个混响伪影（箭头），这是由于传感器-皮肤接触不良造成的。在骨骼表面的深处出现声影。
2.反射和声阻抗
从软组织界面反射到探头的回声是形成超声图像的基础。相对于光束尺寸，较大的界面被称为镜面反射界面。与超声波束不成90度角的界面，其反射的声波偏离探头，不能形成超声图像。因此，从不同的角度进行扫描，使界面垂直于光束，可以提高图像质量。图1-4说明超声波束90度入射角的重要性。
图1-4 超声波束入射角重要性。在图像中心，超声波束垂直于（90度）多个平行的二头肌肌腱，肌腱纤维可以很好地显示。当肌腱向左右弯曲时，超声波束不再垂直于肌腱，声波被折射，肌腱的回声就消失了(箭头）。这种伪影可能被误认为是肌腱病变。
种组织的声波传播速度和组织密度决定超声波束从一种组织界面传播到另一种组织界面或到给定组织内不同界面时反射或传导的百分比。组织的密度和声波传播速度的乘积被称为组织的声阻抗，反映组织的声波反射或传播特性。为了便于应用，假定声波传播速度几乎是恒定的，组织之间的密度差异可以用来估计软组织的声阻抗。声阻抗可以用以下方程式来定义：声阻抗（Z）= 声速（v）× 组织密度（ρ）。
组织之间的声阻抗的差异决定给定组织的反射率。当声波通过不同组织界面时，回声的量与两个组织之间的声阻抗差异成比例关系。机体软组织之间的声阻抗差异很小（表1-3），
对于超声成像来说，这是有利的。因为在不同的软组织界面只有一小部分的声束被反射，而大部分声束继续传播，可进行深部结构的成像。
骨骼和气体分别具有高声阻抗和低声阻抗。空气比软组织密度更小，更容易被压缩，并以较低的速度传输声波。骨骼比软组织更致密，更不易被压缩，并以更高的速度传输声波。这意味着当超声波遇到软组织-骨或软组织-气体界面时，几乎所有的超声波都被反射，很难对深层结构成像（表1-4、图1-3）。这种效应代表声阻抗不匹配。骨骼或气体远场产生声影，因为很少有声波穿透。增加声波强度、降低频率或提高增益不能提高声波穿透率，而只是增强伪影，如混响伪影（软组织-气体界面）。超声医生在对腹部进行成像时，必须找到一个“声窗”，以避免骨骼和气体干扰。同样，所有超声检查中在探头和皮肤之间使用超声耦合凝胶，以消除二者之间的空气。
表1-3 不同组织的声阻抗
组织
或物质
空气
脂肪
水
（50℃）
脑组织
血液
肾脏
肝脏
肌肉
眼睛
晶状体
骨骼
声阻抗*
0.0004
1.38
1.54
1.58
1.61
1.62
1.65
1.70
1.84
7.8
*声阻抗(Z)= ×106 kg/m2-sec。
表1-4 不同界面的声波反射率
界面
血液-脑
肾脏-肝脏
血液-肾脏
肝脏-肌肉
血液-脂肪
肝脏-脂肪
肌肉-脂肪
肌肉-骨骼
脑-骨骼
水-骨骼
软组织-气体
反射率（%）
0.3
0.6
0.7
1.8
7.9
10.0
10.0
64.6
66.1
68.4
99.0
2.散射和散射斑
超声图像上显示的大多数回声不是来自于器官表面等较大的镜面界面，而是来自器官的内部。当超声波束遇到实质器官内小于入射波长（亚毫米）的小而不均匀界面时，就会发生散射。也被称为漫反射或非镜面反射，与声束角度无关。与镜面反射相比，声阻抗不匹配影响较小，返回的弱回声数量较多且容易相互增强，产生超声散射斑。散射对于腹腔器官实质组织回声是有利的，但不能代表这些组织的实际解剖特征、大体或显微结构。这种类型的散射随着探头频率的增加而增强，回声特性和细节明显增强。
3.折射
当声波从一种介质传递到另一种介质时，如果介质之间的界面以一个倾斜的角度被撞击，就会导致超声波束弯曲。这可能会对成像结构产生位置错误的伪影。超声波束在组织中传播方向的改变被称为折射。折射和反射会导致弯曲结构的外侧和远端形成窄的低回声区，如胆囊、膀胱或肾脏或囊肿边缘（图1-5)。这种伪影被称为侧边声影。
图1-5 超声波折射。在弯曲组织界面上超声波束折射产生声影。该组织以不同于周围介质的速度传播声波。这种现象通常被称为临界角声影或侧边声影。当组织中的声速高于周围介质时，声束向外折射，例如声波从腹膜后脂肪通过肾脏的曲面时，就会发生声束向外折射。在肝或肾囊肿的情况下，声束向内折射（聚焦），因为囊肿内的声速低于肝或肾组织。后方回声增强(E)也见于囊肿的后方，与周围组织相比，囊肿内的衰减减少。
4.声波衰减
超声波束以声能的形式传输到体内，具体来说，声功率（P）表示单位时间内声波的瓦（W）或毫瓦（mW）数，或以强度（I）表示，即超声波束单位横截面积的瓦数（W），I= W/cm2。
衰减是描述声波通过组织时声能损失的综合术语。反射回探头的回声也以同样的方式衰减。声波衰减（物理性超声波损耗）通常以分贝（dB）来测量，而不是强度或功率。
导致衰减的因素是声束的吸收（热损耗）、反射和散射。吸收是指将声波的声能（机械能）转化为热能。当声波在介质中传播时，介质中的分子纵向来回移动时的摩擦力产生热能。当应用超声波的生物学效应和安全性时，超声波引起组织内产生热量是很重要的。然而，在应用超声波进行诊断成像时，超声波的加热效应可以忽略不计，因为每台超声仪的声功率是有限制的（见后面关于脉冲器的部分）。
非常重要的是，衰减量与超声波束的频率成正比。在给定的介质中，高频率比低频率衰减得多。这意味着，任何通过增加频率来提高分辨率的尝试都必然会降低声波的穿透力。声波在软组织内往返传播时衰减非常显著，约为0.5 dB/cm/MHz。这是基本的观念，它决定了探头的选择、总增益和深度（或时间）依赖增益的设置以及系统功率。
在声波高衰减组织（矿物、空气）的后方可见黑色区域（声影），而在低衰减组织（液体）的后方可见浅色区域（回声增强）。一些疾病过程中，如猫重度肝脏脂肪变性、犬弥漫性空泡性肝病，以及患有严重胰腺炎犬或猫的脂肪性皮炎，导致超声束在软组织中异常衰减。
