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二、超声仪器

  所有的诊断性超声仪器，无论成本或特点如何，都由几个基本组件组成。脉冲发生器为探头内的压电晶体通电，向机体组织发射超声波脉冲。回声声波由沿探头表面排列的相同压电晶体接收，并转换为数字信号在监视器上形成可见图像。

1. 脉冲发生器

  超声成像是基于脉冲回波原理的。这意味着声波是由探头以脉冲的形式产生的，而不是连续产生的(见图1-1和图1-2)。脉冲发生器（或发射器）将精确定时的高压脉冲作用于探头内的压电晶片，然后探头晶片向机体发出瞬时的超声波。超声图像是由每次脉冲后从组织返回到探头的回波形成的。在探头再次发射脉冲之前，必须有足够的时间让所有回波返回。通常情况下，声波传播的时间不到1%，探头等待所有回声的时间超过99%。当高压脉冲作用于压电晶片时，在探头中的吸声背衬抑制晶片振动之前，每次脉冲大约发射2-3个波长的声波。因此，脉冲的空间长度通常是两个或三个波长。与低频探头相比，高频探头发射的波长更短，相应的脉冲也更短(见图1-1和图1-2)。反过来，脉冲的长度取决于探头的频率，决定沿声束轴方向的分辨能力，称为轴向分辨率或纵向分辨率。脉冲长度通常为0.1到1.0 mm。

  轴向分辨率不能超过脉冲长度的一半，因为在紧密间隔的界面上反射的回波有重叠。

  关于脉冲发射器有两个重要的临床意义。一是超声医生可以通过功率控制来调节施加在探头上的电压。功率控制是一种容量控制，可以调节传输到体内的声能（或声量，单位为分贝）。进入体内的脉冲越强，回声就越强，图像整体更明亮。功率控制是唯一的对脉冲发生器进行调整并影响声波在体内传播的调节。所有其他控制都是对接收器影响回声的调节。尽管高声能有利于提高图像的亮度，美国食品和药物管理局（FDA）规定了超声波扫描仪的最大输出量，以确保患者的安全。允许的声能部分取决于所选择的检查类型。例如，儿童检查的最大输出声能设置比成人的更低。

  另一个重要意义是也可以控制脉冲的速率，即脉冲重复频率（PRF）。至关重要的是，超声波脉冲间隔时间要足够长，以便在下一个声波脉冲发出之前，让返回的回波到达探头。如果传播的声波脉冲发射太快，与返回的回波重叠就会产生错误的数据。这一要求在使用多普勒超声时特别重要，在本章后半部分会有解释。作为参考，在诊断超声中脉冲重复频率（PRF）小于1-10 kHz或更高，这意味着每隔0.001-0.0001秒就会产生一次脉冲。

2. 传感器

  传感器通常称扫描头或探头，采用压电晶体发挥超声波的发射器和接收器的双重作用。如上所述，当脉冲发生器施加电压到压电晶体时，压电晶体振动并发射声波。特定传感器发射的频率范围取决于探头中所包含的晶体的特性和厚度。

  现代的传感器能够进行多频工作，称为宽带宽。产生一系列的频率，由优先（中心）频率和更高和更低的频率组成。探头技术的进步能够使用不同频率的声波同时进行近场和远场成像。这允许在给定的深度下无需转换探头就可获得最大的分辨率。使用宽带宽技术有几个优点。从临床角度来看，探头可以在更高或更低的频率下工作，以提高分辨率或增加深部结构的穿透力（图1-6）。它还允许超声医生通过捕获超声组织产生的频率频谱来获得更好的图像分辨率。通过频率组合可以减少散射斑伪影，这种技术是把不同频率下产生的散射斑图像组合在一起，从而增加图像对比度。

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  图1-6 宽带宽传感器频率对图像质量和穿透深度的影响。超声图像由一个4-13 MHz宽带宽的线阵探头获得。图像之间唯一的参数差异是所选频率范围不同（高、中、低）。有两个焦点，在2.5cm和4cm的深度。显示图像的整体深度为5.9cm。A：频率为13 MHz时，在1和2cm深的前两排囊肿能很好的显示。13 MHz高频探头的声波穿透力较差，不能使位于3、4和5 cm的深层囊肿成像。B：在频谱中频段时，超声波束能更好的穿透到5cm，可以识别更深的囊肿。注意更深的组织是如何变得更亮。C：在频率为4 MHz时，4和5 cm处的囊肿更清晰，整体图像更亮。

3. 接收器

  当探头内的压电晶体遇到回声产生的压力波时，会产生微小电压。这些电信号由超声仪计算机（接收器）处理，最终形成超声图像。通过选择各种扫描设置（处理参数）来操纵这些微弱的电信号以形成最好的图像，这在很大程度上依赖于超声医生，这就是诊断超声的“艺术”。

4. 超声仪器设置

  超声仪器设置能使超声医生最大程度优化图像质量，不理想或不适当的设置会降低图像质量。重要的是，调整超声仪器设置可能会直接影响对超声图像的解释。器官是高回声或低回声，或其实质结构显示模糊或精细，取决于超声仪器设置的选择和调整。根据制造商的不同，超声仪器设置有不同的名称（图1-7）。尽管名称不一致，但它们的功能是相似的。理解和学习有效地操作超声设备在有经验和无经验的超声医生之间有明显区别。

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  图1-7  超声扫描仪控制区。超声医生必须熟悉超声仪的各种设置，已获得最优化的图像。设置用文字或图标标记，便于识别功能。图片的上部有一个字母数字键盘，右侧是时间增益补偿（TGC）设置，右上方是电源开关。图片右侧的车轮状圆盘是亮度（B超）和运动（M超）增益设置，左侧是多普勒超声的增益设置。虽然这些旋钮和开关排列复杂，熟悉电脑的大多数超声医生能在相对较短的时间内适应这些控制系统。（百胜 MyLab 30超声仪器） 

  仅有一个设置是对探头输出的声波强度（功率）的调节，所有其他设置都是对回声声波的放大调节。总增益和时间增益补偿（TGC）是最重要的仪器设置，必须掌握这些设置，以形成尽可能好的图像。此外，总增益和时间增益补偿必须在整个检查过程中进行调整，以适应患者特定结构的深度和检查部位的差异（如肝脏和膀胱）。有许多其他的设置用于优化图像，包括动态范围、灰阶显示图谱、边缘滤波、余辉、和扫描线密度。仪器的许多设置会在图像显示屏上显示（图1-8）。

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  图1-8屏幕信息：解读显示的超声参数。提供了对超声图像上的字母和数字的解释，以帮助揭开大量可用的后处理设置的神秘面纱。这些设置能够对图像进行微调。每个制造商都有自己的命名法和信息显示方法，但在功能上有共同点。在这张左肾（LK）的矢状面图像中，探头标记指向颅骨，图像左侧是左肾的颅侧，图像右侧是左肾的尾侧。所有的制造商都有某种形式的探头标记，对应图像边缘的一个符号，通常是公司的图标。一个宽带高频（4-13 MHz）线阵探头（型号LA523）用于成像。探头工作频率接近频率带宽的最高值，在图像最左上位置的小柱状图显示（靠近13 MHz)。左上顶部的B RES-L表示B型超声、分辨率低。D 44mm 表示图像总深度44 mm。沿图像右侧边缘的小白色箭头指示焦点的位置，图像中为两个焦点。图像下方的x轴和右侧的y轴上有增量刻度标记，分别为5mm和1cm的增量。PRC/16/1/2表示三个不同的图像处理程序和相应的机器设置。P指动态范围，图中P值为16。动态范围代表最弱和最强回声之间强度的差异，通常以分贝为单位，宽动态范围为90 dB，窄动态范围为50 dB。较高的动态范围产生更多的灰色阴影，而较低的动态范围产生更多的黑色和白色图像（更高的对比度）。腹部成像使用更宽的动态范围，而在心脏成像中使用更窄的动态范围以最大限度地提高对比度。肌腱和韧带的检查通常在两者之间进行优化。在这台机器上动态范用数字表示。R指增强，图中R值为1。增强功能是一种用来增加或减少边缘清晰度的设置。C指线密度，图中C值为2。线密度是所显示的超声扫描线的数量。增加线密度能增加图像细节，降低线密度会导致更快的帧率，而牺牲图像细节。PST 0：表示选定的灰阶图谱。G---: 指示增益设置，但不显示在图像上。XV 2：表示“X视图”，一个专有的图像查看程序。PRS 5：余辉。余辉是指连续的图像帧与帧之间的重叠时间。长余辉会使图像非常平滑，余辉过长会导致图像模糊。C2：表示动态对比度。D1 3.45 cm：表示电子光标之间测量左肾（LK）的长度。（百胜 MyLab 30超声仪器）

  如前所述，超声检查是基于脉冲回波原理。在探头中的特殊压电晶体被振动并迅速抑制后，探头发出声波脉冲。PRF是在1秒内发生的脉冲次数，通常是每秒数千个脉冲。声波频率取决于晶体的固有特性。晶体的振动会立即被吸声背衬所抑制，每次晶体振动只能产生两个或三个波长的短脉冲。然后晶体保持安静，等待体内组织反射的回声。这些回声再次振动晶体，产生微小的电压信号，并被放大，形成最终的图像。

  晶体被脉冲作用时，计时器被激活，分别确定每个回声返回的时间，并在视频显示器上的适当位置显示。回声经过的时间代表特定回声产生部位到探头的距离（深度）。所有超声设备都假定软组织内的平均声速约为1540 m/sec。声波所经过的往返时间必须减半，并乘以1540 m/sec，以确定反射界面与探头之间的实际距离（图1-9）。因此，从最深组织产生的回声比从表层组织产生的回声更晚返回到探头。根据回声进入组织并返回所需的时间，在视频显示器上适当的深度位置显示一个点，代表每个返回的回声点。标准化的超声仪器以厘米为单位自动显示深度，而不是返回的时间。超声仪器根据回声的振幅或强度和数量为图像的每个像素分配灰度值。目前的惯例是将低强度的回声显示为近黑色，将中等强度的回声显示为各种深浅的灰色，将高强度的回声显示为白色（黑白显示器）。

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  图1-9  根据声波返时间确定距离。超声波扫描仪通过将从声波脉冲开始到回声返回的往返时间（RT）减半，并乘以软组织的平均声速(V)，来确定到反射界面的距离。如果RT需要65 µsec，则到反射界面的距离为50 mm。

  人眼在视频显示器上只能分辨出大约10到12种灰阶。大多数超声系统具有较宽的灰度范围（128到512灰阶或更多），并通过特殊的压缩、扩展或映射使它们适应显示器的动态范围。图像可以进行后处理，以便从采集到的信号中以各种方式分配灰阶。当分配灰阶时，可以优先考虑较弱的信号，从而使实质反射振幅的细微变化用不同的灰阶表示。相反，当较弱的回波不重要时，强信号可以分配更多的灰度值。由此产生的图像对比度的变化理论上只显示与临床最相关的信息。在许多超声仪器上预安装有可选择使用的线性或对数函数后处理曲线。在某些情况下，超声医生可以定制后处理曲线。超声医生可以预设最合适的后处理曲线和对比度设置，这样就避免了每次使用时的重新设置。

  超声波束和回声在通过组织时会出现衰减。反射界面离探头越远，回声就越弱。超声扫描仪的设置装置可以用来增加组织中声波的强度（功率），或者通过电子方式放大回声信号，以补偿声波衰减。包括深度增益补偿（DGC）和时间增益补偿（TGC）设置。在大多数情况下，TGC设置也被用来抑制近场表面结构的强回声。对超声仪器进行设置的主要目标是图像亮度在整个近场和远场产生均匀一致。

5. 功率（强度、输出量）设置

  功率设置能改变施加于压电晶体上的脉冲电压，从而调节从探头输出的声波强度。电压峰值越大，传播到组织中的振动振幅（强度）就越大。增加功率也会导致回声幅度增加。功率应设置得尽可能低，以获得最佳分辨率和防止伪影。可以通过选择合适的探头频率来实现，既能保证声波能够穿透到感兴趣的区域，而又不需要过大的功率。只要有可能，应使用总增益或TGC设置以最大限度地放大回声，使功率设置尽可能低(图1-10、1-11)。

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  图1-10  功率对图像质量的影响。 两个图像的总增益（40%）、时间增益补偿（TGC）和所有其他参数都是相同的，仅改变了功率。A：功率为10% ，B：功率为100%。B图像由于功率的增加，图像稍微亮一些，远场的更深部位的结构能更好的显示。使用宽带宽（1-8 MHz）的大凸阵探头，在最高频率范围内采集的超声图像。功率对图像亮度的影响小于总增益。

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  图1-11  谐波成像时，功率对图像质量的影响。两个图像的总增益（30%）、时间增益补偿（TGC）和所有其他参数都是相同的，仅改变了功率。A：功率为10%，图像的整体亮度和远场结构显示效果较差。B：功率为100%，与A相比，图像的亮度增加，更深部位的囊性结构现在很容易识别。使用宽带宽（1-8 MHz）的大凸阵探头，利用谐波成像采集的超声图像。与标准的非谐波成像相比，使用谐波成像时功率对图像亮度的影响更大。

6. 总增益（放大）设置

  总增益设置影响回声声波的放大，并直接影响图像的整体亮度。所有超声仪器均有一个总增益设置，可以均匀放大来自任何深度的回声(图112、1-13)。

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  图1-12  增益对图像亮度的影响。所有图像的功率、时间增益补偿（TGC）和所有其他参数都相同，只改变总增益。A：总增益为0%，图像是黑暗的。B：总增益为50%，图像明显比A的整体更亮。C：总增益为75%，图像亮度过大。使用宽带宽（1-8 MHz）的大凸阵探头，在最高频率范围内采集的超声图像。

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  图1-13  增益对图像质量的影响：肝脏肿块。 A：总增益太低，图像太暗，无诊断价值。B：总增益在适当的范围内；图像质量好，有诊断价值。C：总增益太高；图像太亮，无诊断价值。

7. 时间增益（深度增益）补偿设置

  TGC设置能使近场和远场的图像亮度保持平衡。深层结构的回声比浅层结构的回声弱，因为深层结构的回声衰减增加。如前所述，回声返回时间与反射界面的深度直接相关。为了选择性地补偿从深部结构返回到探头的较弱回声，增益也随着回声返回时间的增加而增加。时间增益补偿处理以TGC曲线形式显示在超声监测器上（图1-14）。TGC曲线表示调整时间增益补偿会影响特定深度的图像的整体增益水平。

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  图1-14  时间增益补偿（TGC）设置图。TGC设置的目的是通过补偿组织中声束的衰减，在整个显示深度中产生均匀的图像亮度。TGC曲线实时显示在图像的右侧。TGC曲线显示特定深度的相应增益。随着深度的增加，TGC曲线向下向右移动。

  近场回声产生的图像更亮，而来自更深结构的回声更弱，图像更暗，超声医生必须使用TGC设置来降低近场亮度，增加远场的亮度。TGC设置通常由一系列滑块控制，超声医生可以直观地调整TGC（见图1-7）。向左移动顶部滑块会降低近场亮度（总增益水平），而向右移动中间和底部滑块则会相应地增加图像亮度。TGC设置的名称和外观可能会有所不同（旋钮、滑块或触摸屏），但它们的功能类似，调整不同深度的增益。TGC处理以图形显示在屏幕上，或者通过滑块的位置推断TGC曲线形状。TGC曲线的第一部分为直线，表示图像中前几厘米深度的近场增益设置，且近场增益设置相同，通常用于抑制来自近场浅表结构的强回声。一些陈旧的超声仪器上TGC设置不太完善，除了总增益设置外，仅有近场和远场增益设置。

  合适的TGC设置是正确显示图像的基础。调整TGC到近场和远场的图像亮度均匀后，总增益就被用于增加（或减少）图像的整体亮度。TGC和总增益设置功能非常重要，现在一些高端超声仪器具有TGC设置自动调整功能。简单按下按钮就可以根据超声仪器参数和被检查组织的特征调整图像。在人类医学中，TGC设置自动调整功能可以节省检查时间。然而，经验表明，TGC设置自动调整功能不能为兽医患者提供最佳的图像。图1-15显示了合适和不合适的TGC设置对图像的影响。

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  图1-15  时间增益补偿（TGC）滑块设置与超声图像相应效应。滑块向右侧滑动则在相应的图像深度处增加增益（增加图像亮度），滑块向左侧滑动则减少增益（降低图像亮度）。A：交替增加（滑块向右滑动）和减少（滑块向左滑动）TGC及相应的超声图像。B：依次交替增加和减少两个TGC滑块及相应的超声图像。C：TGC滑块设置与正常完全相反，近场增益增加（滑块向右滑动），远场增益减少（滑块向左滑动），导致超声图像在近场太亮，远场太暗。D：图像整体亮度合适的典型TGC设置。降低近场增益（顶部滑块向左滑动）和增加远场增益（底部滑块向右滑动），近场和远场图像的整体亮度相同。使用宽带宽（4-13 MHz）的线阵探头采集的超声图像。除TGC设置外，所有其他参数都相同。

8. 动态范围（对比度）

  另一个重要的设置是动态范围，即对回声声波的振幅施加的压缩量，通常用分贝表示。动态范围部分控制超声图像的对比度。一个相对狭窄的动态范围（例如，15-30 dB）使图像具有更高的对比度（更多的黑色和白色），而更大的动态范围（例如，60-100 dB）产生更多的灰色阴影。在超声心动图中，使用较窄的动态范围，而在腹部成像中，首选更大的动态范围。许多超声仪器都预设有动态范围，但在需要时可由超声医生进行调整（图1-16)。减少动态范围（5-10 dB）可能有助于显示因对比度低而不能显示的结构，使病变更易显现（如肝脏低回声结节），或使器官更容易显现（如肾上腺、淋巴结）。

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  图1-16  动态范围对图像质量的影响。A：低动态范围产生的图像具有非常高的对比度和相对较少的灰色阴影。B：中动态范围图像。C：高动态范围产生的图像具有许多灰色阴影和相对较低的对比度。使用宽带宽的线阵探头采集的超声图像。除动态范围外，所有其他参数都相同。

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