1.1.4 超声(US)：声波反射
“实时成像让医生拥有了‘动态的眼睛’。”——超声在临床的独特地位
在前面的章节中，我们了解了CT、MRI和X射线这三种主要的解剖成像技术。现在，让我们探索一种独特的成像模态：超声成像。它是实时成像的典范，无辐射、便携、经济，在产科、心脏、血管、介入引导等场景中几乎无处不在。
🔊 从声呐到医学影像
从声呐到临床：技术迁移的经典案例
超声波的早期应用
超声波（频率>20 kHz，超出人耳听觉范围）的应用最早可以追溯到第一次世界大战期间的声呐（SONAR）技术，用于探测潜艇。战后，超声技术被用于工业探伤，检测金属内部的裂纹。
但将超声应用于医学诊断，则是一个更大的挑战：人体组织比金属复杂得多，而且需要实时成像。
医学超声的先驱
1942年，奥地利神经学家卡尔·杜西克（Karl Dussik）首次尝试用超声波透射成像来诊断脑肿瘤。虽然这个尝试并不成功（超声无法穿透颅骨），但它开启了医学超声的探索。
1958年，苏格兰格拉斯哥大学的妇产科教授伊恩·唐纳德（Ian Donald）发表了具有里程碑意义的论文，展示了超声在产科诊断中的应用。他与工程师汤姆·布朗（Tom Brown）合作，改进了工业探伤设备，成功地用超声波观察到胎儿和卵巢囊肿。
👶 超声改变了产科学
在超声出现之前，医生只能通过触诊和听诊来评估胎儿状况，很多异常无法在产前发现。超声的出现彻底改变了这一切：
- 确认妊娠和胎儿数量
- 评估胎儿生长发育
- 检测胎儿畸形
- 监测胎盘位置
- 引导羊膜穿刺等操作
超声使产前诊断成为可能，极大地降低了孕产妇和新生儿的死亡率。
实时超声的突破
早期的超声设备只能产生静态图像，需要手动扫描并记录。1970年代，随着电子技术的进步，实时B超（B-mode ultrasound）问世，可以每秒产生数十帧图像，实现动态观察。
这使得超声成为真正的"实时成像"工具，可以观察心脏跳动、血液流动、胎儿运动等动态过程。
📡 超声成像原理：声波的回响
超声波的本质
超声波是一种机械波，需要介质传播，无法在真空中传播。医学超声的频率通常在1-20 MHz之间：
- 低频（1-5 MHz）：穿透力强，用于深部器官（如腹部）
- 高频（7-20 MHz）：分辨率高，用于浅表结构（如甲状腺、血管）
超声波的产生：压电效应
超声探头（transducer）的核心是压电晶体（如锆钛酸铅，PZT）：
- 正压电效应：施加电压→晶体振动→产生超声波
- 逆压电效应：超声波→晶体振动→产生电压
同一个晶体既是发射器又是接收器，交替发射和接收超声波。
医用超声线性阵列探头，内部包含多个压电晶体阵列
超声波与组织的相互作用
当超声波在组织中传播时，会发生：
1. 反射（Reflection）
- 在不同组织界面发生
- 反射强度取决于声阻抗差异
- 这是超声成像的主要信息来源
2. 散射（Scattering）
- 遇到小于波长的结构时发生
- 产生组织的"纹理"信息
3. 衰减（Attenuation）
- 超声波能量随深度逐渐减弱
- 衰减程度与频率成正比
- 限制了超声的穿透深度
4. 折射（Refraction）
- 超声波在界面改变方向
- 可能产生伪像
超声成像模式
| 模式 | 全称 | 显示方式 | 主要应用 |
|---|---|---|---|
| A型 | Amplitude mode | 一维波形图 | 眼科（眼轴长度测量） |
| B型 | Brightness mode | 二维灰阶图像 | 最常用，腹部、产科、心脏等 |
| M型 | Motion mode | 时间-深度曲线 | 心脏瓣膜运动、胎心监测 |
| 彩色多普勒 | Color Doppler | 彩色血流叠加在B型图像上 | 血管、心脏血流 |
| 频谱多普勒 | Spectral Doppler | 血流速度-时间曲线 | 血流动力学评估 |
| 能量多普勒 | Power Doppler | 显示血流能量分布 | 低速血流、肿瘤血管 |
多普勒效应：看见血液的流动
多普勒效应：当声源与观察者相对运动时，观察到的频率会发生变化。在医学超声中：
- 血液向探头流动→频率升高（通常显示为红色）
- 血液背离探头流动→频率降低（通常显示为蓝色）
通过测量频率变化，可以计算血流速度：
其中：v是血流速度，c是声速，Δf是频率变化，f₀是发射频率，θ是超声束与血流方向的夹角。
💡 为什么超声检查需要涂耦合剂？
空气的声阻抗与人体组织差异极大，超声波在空气-皮肤界面会几乎完全反射，无法进入体内。耦合剂（通常是水基凝胶）的作用是排除探头与皮肤之间的空气，确保超声波能够有效传入体内。这就像光学显微镜使用香柏油来提高分辨率一样。
🚀 超声技术的发展历程
| 年代 | 里程碑事件 | 关键技术 | 图像质量 | 主要应用 |
|---|---|---|---|---|
| 1940s-1960s | 探索阶段 | A型超声、接触式扫描 | 一维波形 | 脑中线、眼科 |
| 1942：Dussik尝试脑部超声 | ||||
| 1958：Ian Donald产科超声 | ||||
| 1970s-1980s | 实时成像时代 | 实时B超、线阵/凸阵探头 | 灰阶图像 | 产科、腹部、心脏 |
| 1970s：实时B超问世 | ||||
| 灰阶成像技术 | ||||
| 1980s-1990s | 彩色多普勒时代 | 彩色多普勒、频谱多普勒 | 彩色血流图 | 血管、心脏、产科 |
| 1980s：彩色多普勒成像 | ||||
| 数字化超声系统 | ||||
| 1990s-2000s | 三维成像时代 | 3D/4D超声、谐波成像 | 立体图像 | 产科（胎儿面部）、心脏 |
| 1990s：三维超声重建 | ||||
| 组织谐波成像（THI） | ||||
| 2000s-2010s | 功能成像时代 | 超声造影、弹性成像 | 功能信息 | 肿瘤、肝脏、乳腺 |
| 2000s：微泡造影剂 | ||||
| 剪切波弹性成像 | ||||
| 2010s至今 | 智能化时代 | AI辅助诊断、便携式超声 | 智能优化 | 全科应用、远程医疗 |
| 深度学习图像增强 | ||||
| 掌上超声设备 |
关键技术突破
| 技术类别 | 技术名称 | 时间 | 核心贡献 | 临床价值 |
|---|---|---|---|---|
| 成像技术 | 实时B超 | 1970s | 动态观察 | 实现心脏、胎儿动态成像 |
| 成像技术 | 彩色多普勒 | 1980s | 血流可视化 | 血管疾病诊断、心脏瓣膜评估 |
| 成像技术 | 组织谐波成像（THI） | 1990s | 利用二次谐波 | 提高图像对比度和分辨率 |
| 成像技术 | 3D/4D超声 | 1990s | 立体成像 | 胎儿畸形诊断、心脏结构评估 |
| 造影技术 | 超声造影（CEUS） | 2000s | 微泡造影剂 | 肿瘤血供评估、肝脏病变鉴别 |
| 功能成像 | 弹性成像 | 2000s | 组织硬度测量 | 肝纤维化评估、乳腺肿块鉴别 |
| 探头技术 | 相控阵探头 | 1980s | 电子扫描 | 心脏成像、经颅多普勒 |
| AI辅助 | 深度学习增强 | 2010s | 自动测量、病变检测 | 提高诊断效率和准确率 |
🎯 超声弹性成像：触摸组织的"硬度"
传统上，医生通过触诊来评估组织的硬度（如肿块是硬还是软）。超声弹性成像将这种触诊"数字化"：
- 应变弹性成像：手动压迫组织，观察变形程度
- 剪切波弹性成像：发射"推动脉冲"产生剪切波，测量传播速度来定量评估硬度
这项技术在肝纤维化评估中特别有用，可以无创地替代肝穿刺活检。
超声技术的临床意义
| 应用领域 | 典型应用 | 临床价值 | 技术特点 |
|---|---|---|---|
| 产科 | 胎儿监测 | 评估胎儿生长、检测畸形 | 实时、无辐射、可重复 |
| 产前诊断 | 唐氏综合征筛查、结构异常 | 3D/4D成像 | |
| 心脏 | 超声心动图 | 评估心脏结构和功能 | 实时、多普勒血流 |
| 瓣膜疾病 | 诊断瓣膜狭窄或反流 | 彩色多普勒 | |
| 腹部 | 肝胆胰脾 | 结石、肿瘤、炎症诊断 | 无辐射、便捷 |
| 肝纤维化 | 无创评估肝硬化程度 | 弹性成像 | |
| 血管 | 颈动脉 | 动脉粥样硬化、狭窄评估 | 多普勒血流 |
| 深静脉血栓 | DVT诊断 | 实时压迫试验 | |
| 乳腺 | 肿块鉴别 | 良恶性鉴别 | 弹性成像、造影 |
| 介入引导 | 穿刺活检 | 实时引导针道 | 实时成像 |
| 治疗监测 | 消融治疗监测 | 实时、无辐射 |
🧭 学习提示
- 想看 PET/SPECT（功能代谢）：请前往
1.1.5 PET/SPECT：功能代谢（/guide/ch01/01-modalities/05-pet）。 - 想看“US 降噪/伪像处理”等工程要点：请结合第2章
2.3 PET/US：衰减校正与降噪（/guide/ch02/03-pet-us-preprocessing）与第5章相关后处理内容。