第一节　超声成像的基本原理

一、超声波的物理原理

声波是一种机械波。当声源振动时，由于介质质点之间的相互作用力，能够由近及远地使介质的质点陆续发生振动，则形成声波。波动只是振动状态的传播，介质的质点并不随着波前进。如果各质点的振动方向与波的传播方向垂直，则为横波；如果各质点的振动方向和波的传播方向平行，则为纵波。液体和气体只能传播与容积变形有关的纵波，固体既能传播纵波，又能传播横波。在超声医学中，人体软组织（如血液、脂肪、肌肉、心、脑和肝、肾）传播的超声波是纵波。

图1-1A显示了横波的传播过程，图中各小点代表质点。t=0时，质点处于平衡位置，在受到外力后正要移动；经过一段时间，t=T/4时，质点1、2、3已离开平衡位置，质点1到达最大位移，正要向下运动，质点4刚受到弹性力作用，正要向上移动。同样，图中也给出了t=T/2、3T/4、T和5T/4时各质点的运动情况。可以看出，每个质点在上下振动，而波却是从左向右传播的，此为横波。图1-1B显示了纵波的传播示意图。介质中各个质点沿着波的传播方向来回振动，形成了疏密相间的质点分布波形，从左向右进行传播，又称疏密波。

在声波的传播方向上，相邻两个相位相差2π的质点，其振动的步调完全一致，它们之间的距离即一个完整的波的长度，称为波长，以λ表示。质点完成一次振动所需的时间，称为周期，以T表示。而单位时间内质点完成的振动次数，称为频率，以f表示。频率与周期关系为：f=1/T。单位时间内声波在介质中的传播距离，称为声速，以C表示。波长、频率与声速之间的关系为：λ=C/f。人耳可听到的频率范围为20～20000Hz，当频率超过20000Hz时，称为超声（ultrasound）。常用的医用超声探头频率为2～20MHz。声速与介质的弹性系数和密度有关。由于介质的弹性系数与温度有关，故声速也与温度有关。人体组织声速可分为3类，软组织中的声速约为1540m/s（总体差异约5%），气体约350m/s，骨骼约3852m/s。介质中任意点的密度ρ与该点处声波的传播速度C之积为此介质在该点处的声阻抗，以Z表示，即Z=ρC。它是表现介质声学特性的一个重要物理量。声阻抗的变化将影响超声波的传播。

在超声医学中，传播超声波的介质主要是人体的组织和器官。因此，对超声波在人体组织中的传播规律的研究是超声医学的基础，主要涉及与声阻抗和声速相关的超声波的反射、折射、散射和衰减。由于人体内不同器官的声阻抗不同，不同器官之间存在着界面。当超声波从一种特性阻抗的介质进入另一种不同特性阻抗的介质中，有一部分能量的声波会被界面反射回来，在原介质中传播，称为反射波，而其余能量的声波则会进入界面另一侧的介质中，继续传播，称为折射波（图1-2）。被界面反射的声波带回了界面的位置和形状等重要信息，超声医学的诊断正是基于这些信息，而透射进去的声波将在第二种介质中继续传播，从而探索更深处的组织。

垂直入射时，假设两种介质的声阻抗分别为ZR₁R和ZR₂R，反射系数R=［（ZR₂RZR₁R）/（ZR₂R+ZR₁R）］P2P。当ZR₁R=ZR₂R时，为均匀介质，R=0，无反射。当ZR₁R≪ZR₂R或ZR₁R≫ZR₂R时，R≈1，产生强反射。空气的声阻抗远小于人体软组织，故超声诊断时声波遇含气组织会产生全反射。当声波呈斜入射时，声波的反射系数不仅与两种介质的声阻抗有关，还与入射角θ以及两种介质中的声速相关。根据著名的折射定律（Snell定律），反射角θR₁R、折射角θR₂R和入射角θ之间存在以下关系：θR₁R=θ，sinθR₁R/sinθR₂R=CR₁R/CR₂R。对于CR₂R＞CR₁R的情况，当入射角θ=arcsin（CR₁R/CR₂R），折射角θR₂R等于90°，即发生全反射。对于理想的平面界面，只有在θR₁R方向才有反射波，即镜面反射，但是人体组织面通常比较粗糙，因此可以在各个方向检测到反射波。

在讨论声波的反射和折射时，其条件是界面的尺寸要比声波的波长大得多。当声波在传播过程中遇到尺寸与波长相近的障碍物时，声波可绕过障碍物界面的边缘向前传播，称为衍射。当声波遇到尺寸远小于波长的微小粒子时，微小粒子吸收声波的能量向各个方向辐射声波，则称为散射。超声在介质中传播，因反射、散射、声束扩散以及介质对超声能量的吸收等，其能量随着距离的增加而减小，这种现象则称为超声波的衰减。