醫學超音波檢查

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醫學超音波檢查超音波檢查超聲診斷學)是一種基於超聲波(超音波)的醫學影像學診斷技術,使肌肉和內臟器官——包括其大小、結構和病理學病灶——可視化。產科超音波檢查在妊娠時的產前診斷廣泛使用。

超音波頻率的選擇是對影像的空間解析度和患者探查深度的折中。典型的診斷超音波掃描操作採用的頻率範圍為2至13兆赫。

雖然物理學上使用的名詞「超音波」用於指所有頻率在人耳聽閾上限(20,000赫茲)以上,但在醫學影像學中通常指頻帶比其高百倍以上的聲波。

29周大正在發育中的胎兒的「三維超音波」

應用[編輯]

聲像圖顯示子宮內胎兒的頭顱

超音波診斷學的歷史並不悠久,是在20世紀才開始運用,但在現在的醫學診斷學中,卻有著難以取代的作用。現在超音波檢查在醫學中廣泛應用。它可能起診斷作用,也可能在治療過程中起引導作用(例如活檢或積液引流)。通常使用手持式探頭(通常稱為探頭)放置於患者身上並移動掃查,一種水基凝膠被塗在患者身體和探頭之間起耦合作用。

舉例來說,醫學超音波檢查通常用於:

盆腔超音波[編輯]

盆腔超音波多囊卵巢綜合征的主要診斷工具,也可用於子宮卵巢膀胱的成像。妊娠時超音波用於檢查胎兒的發育情況。男性有時進行盆腔超音波用於檢查膀胱和前列腺的健康狀況。有兩種方式進行盆腔超音波檢查:經皮和腔內。腔內超音波可經陰道(女性)或者經直腸(男性)。參見:-

治療中的應用[編輯]

超音波診斷在對腹部臟器疾病的診斷中,因為它的快速、價廉而在腹部疾病的檢查中常作為首選。另外,近年來在心臟超音波、婦產科超音波和腔內超音波等領域也有了很大的發展。同時,隨著介入超音波和超音波治療的加盟,肝腎的穿刺、癌症的治療、震波碎石造瘺等檢查和治療迅速發展起來,超音波診斷的同時進行治療。

由聲波產生圖像[編輯]

由聲波產生圖像經由三個步驟:產生聲波,接收回聲並將這些回聲可視化。

產生聲波[編輯]

醫學超音波檢查儀

在醫學超音波檢查中,壓電換能器(一般是陶瓷的)的相位陣列產生的短而強的聲音脈衝製造聲波。電線和換能器都封裝在探頭中。電脈衝使陶瓷振蕩產生一系列的聲音脈衝。聲波的頻率可表現為2至13兆赫中的任一頻率,遠超於人耳能聽到的頻率。任何頻率超過人耳能聽到的範圍的聲波都可稱為「超音波波」。而醫學超音波的目的在於使由換能器散射出的聲波匯總產生單一聚焦成弧形的聲波。

為了使聲波有效地傳導入人體(即阻抗匹配),探頭的表面由橡膠包被。為此,水基凝膠也塗布在探頭和患者皮膚之間。

聲波部分地從不同組織之間的界面反射回探頭,即為回聲。由非常小的結構散射的聲波也產生回聲。

接收回聲[編輯]

聲波返回探頭,與探頭髮射聲波相似,只是過程恰恰相反。返回的聲波使探頭的單元振蕩並使振蕩轉化為電脈衝,脈衝由探頭髮送至超音波主機,並處理成數字圖像

形成圖像[編輯]

超音波儀必須確定接收到的回聲的3個要素:

  1. 在探頭的眾多單元中是哪個單元接收到的回聲;
  2. 回聲的信號強度;
  3. 從探頭髮射聲波到接收到其回聲用了多少時間。

一旦超音波儀確定了這3點,即可明確圖像中哪個象素應該顯示,亮度為多少。接收信號轉化為數字圖像可比方為往一個空白的電子表格上填寫數據。接收脈衝的探頭單元決定電子表格的哪一'列'(如A,B,C列等)。接收回聲所用的時間決定哪一'行'(如1,2,3行等),回聲的強度決定亮度(白色表示強回聲,黑色表示無回聲,不同的灰階表示2者之間的不同回聲),如同在電子表格的格子里填入數據。

設備[編輯]

線陣探頭

超音波檢查使用含有一個或多個換能器的探頭向物體發射脈衝。當聲波遇到聲阻抗不同的物體,部分聲波就會被反射,當探頭探測到時即為回聲。回聲返回探頭的時間被測量記錄,用於計算產生此回聲的組織界面的深度。2種物質之間的聲阻抗差異越大,回聲越強。液體和氣體之間的聲阻抗差異極大,導致遇到其界面的絕大多數聲能被反射,致使其區域外的物體不能顯像。

在不同的物質中聲波的傳播速度不同,這取決於該物質的聲阻抗。但是,醫學超音波的主機假定聲速恆為1540m/s。雖然由於產生回聲,會喪失一部分聲能,但與由於聲波被吸收而產生的衰減而言影響很小。

為了產生二維圖像,聲束採用機械或電子方式的聲學換能器相控陣列進行掃射。接收的數據則進行處理以構建圖像。

用於醫學超音波的聲波頻率一般在1至13兆赫。頻率越高相應的波長越短,所得影像的解析度越高。但是隨著聲波頻率的增高,聲波的衰減也越快。所以為了探查更深的組織,使用較低的頻率(3-5兆赫)。

大多數超音波儀也能顯示各種彩色圖像。這僅僅是指定不同的顏色用以表示接收到的回聲的振幅。 此外。由一系列的2維圖像可以生成三維圖像,通常使用的是特殊探頭。

微氣泡[編輯]

超音波造影是指在醫學超音波檢查中使用微氣泡造影劑以提高超音波信號的反射。此技術當前應用於超音波心動圖技術,將來可能應用於分子成像和藥物擴散。

都卜勒超音波[編輯]

頸總動脈都卜勒頻譜
頸總動脈彩色超音波都卜勒聲像圖

都卜勒超音波大大提高了醫學超音波檢查的能力,它利用都卜勒效應判斷某結構(通常是血流)是否朝向或背離探頭運動,並計算出其相對速度。通過計算部分樣本容積的頻率漂移(例如心臟瓣膜上方的噴射血流),可以確定其方向、速度,並顯示出來。這對心血管方面的研究特別有用,對其他的一些醫學領域也是必要的,比方說診斷肝臟門脈高壓症時的血流逆行。都卜勒信息的圖形化顯示可以使用頻譜都卜勒,也可以使用彩色都卜勒或者能量都卜勒。通常此信息利用立體聲揚聲器表現出來:是一種雖然為人工合成,但是特徵明顯的聲音。

嚴格說來,大多數現代超音波儀並不使用都卜勒效應來測定流速,而是依賴脈衝都卜勒(PW)技術。機器發出超音波波脈衝,然後再切換至接收模式。這樣,接收到的反射脈衝並沒有頻率漂移,聲學效應也不連續。但是,經過多次測量,這些序貫的測量的相變可以用來得到頻率漂移(因為頻率是相變的速度)。為了從發射信號和接收信號得到相變漂移信息,通常使用2種演算法中的一種:自相關技術或者相關性技術。更舊的機器,採用連續都卜勒(CW)技術,按上述方式顯示都卜勒效應。為了做到這點,機器的發射和接收換能器必須是分立的。採用連續都卜勒技術的機器,其主要缺點在於不能獲得距離信息(而這正是脈衝都卜勒系統的主要優點——發射和接收脈衝所花的時間在知道聲速的情況下可以換算成距離信息)。

在超音波領域(但不是指信號處理領域),術語都卜勒超音波兼指脈衝都卜勒和連續都卜勒系統,而忽視速度測量的不同機理。

超音波檢查的優勢[編輯]

  • 肌肉軟組織顯像良好,對於顯示固體和液體腔隙之間的界面有特別用處;
  • 實時生成圖像,檢查操作者可動態選擇對診斷最有用的部分觀察並記錄,利於快速診斷;
  • 顯示臟器的結構;
  • 目前未知有長期副作用,一般不會造成患者不適;
  • 設備廣泛分布並相對靈活;
  • 有小型的、攜帶型掃描儀;可在患者床邊進行檢查;
  • 相對於其他檢查價格便宜(例如CT成像雙向X射線吸收成像或者核磁共振成像)。

超音波顯像的不足[編輯]

  • 超音波設備對的穿透性差。例如,腦的超音波成像就極為受限;
  • 因為聲阻抗的差異過大,當探頭與要探查的組織之間有氣體時超音波顯像質量很差。例如,由於前方受到胃腸道氣體的干擾,使得胰腺的成像非常困難,肺臟成像也是不可能的(除非是探查胸腔積液);
  • 即使沒有骨骼或氣體的干擾,超音波的探查深度也是有限的,使得遠離體表的結構成像困難,特別是肥胖病人;
  • 操作者的手法十分重要。高超的技巧和豐富的經驗對於獲得高質量的圖像和作出準確診斷是必要的。

超音波成像的危險性[編輯]

對於超音波的安全性曾經有過爭議。既然超音波是能量的一種形式,那麼就存在一個問題:「此種能量波會對我的組織產生何種影響?」有一些報導稱一些接受了超出建議次數超音波檢查的產婦產出低體重兒。[來源請求]

美國FDA警告說,實驗室研究表明診斷水平的超音波波會對組織產生物理效應,例如機械震動和溫度升高。並且建議,公眾如無必要,不要隨便暴露在超音波波下,尤其是孕婦。儘管沒有證據表明這些物理效應會傷害胎兒,但絕不可認為超音波波檢查傳送的能量對胎兒完全無害,並且FDA不許可利用醫學超音波波成像設備進行胎兒寫真、視頻留念等非醫學用途行為,並將醫學超音波波成像設備列為處方設備。[1]

可能的一些副作用:

  • 效應:局部組織吸收超音波的能量並使組織的溫度升高。[1]
  • 空化效應:溶解的氣體因為局部的溫度升高從溶質中釋出。

歷史[編輯]

美國[編輯]

瑞典[編輯]

蘇格蘭[編輯]

參考文獻[編輯]

  • Donald I, MacVicar J, Brown TG. Investigation of abdominal masses by pulsed ultrasound. Lancet 1958;1(7032):1188-95. PMID 13550965
  • Edler I, Hertz CH. The use of ultrasonic reflectoscope for the continuous recording of movements of heart walls. Kungl Fzsiogr Sallsk i Lund Forhandl. 1954;24:5. Reproduced in Clin Physiol Funct Imaging 2004;24:118-36. PMID 15165281.
  • S. A. Kana. Introduction to physics in modern medicine. Tsylor & Francis. 2003. ISBN 0-415-30171-8. 
  • History of the AIUM. [2005-11-15]. 
  • C. Kasai et al. Real-time two-dimensional blood flow imaging using an autocorrelation technique. IEEE Transactions on Sonics and Ultrasonics 1985:458-464.
  • Ohanyido FO,. Basic Sonology for Doctors in Low Income Settings. Healthquest 2005;3:23.
  • Bushberg JT. The essential physics of medical imaging. Lippincott Williams & Wilkins. 2002. ISBN 0-683-30118-7. 

引用[編輯]

  1. ^ 1.0 1.1 美國FDA對醫學超音波波成像設備濫用的警告:, From a medical standpoint, ultrasonic fetal scanning is generally considered safe and is properly used when medical information on a pregnancy is needed. But ultrasound energy delivered to the fetus cannot be regarded as completely innocuous. Laboratory studies have shown that diagnostic levels of ultrasound can produce physical effects in tissue, such as mechanical vibrations and rise in temperature. Although there is no evidence that these physical effects can harm the fetus, public health experts, clinicians and industry agree that casual exposure to ultrasound, especially during pregnancy, should be avoided. Viewed in this light, exposing the fetus to ultrasound with no anticipation of medical benefit is not justified. For additional information about the "prudent use" of diagnostic ultrasound, see the statement from the American Institute of Ultrasound in Medicine (AIUM). Persons who promote, sell or lease ultrasound equipment for making "keepsake" fetal videos should know that FDA views this as an unapproved use of a medical device. In addition, those who subject individuals to ultrasound exposure using a diagnostic ultrasound device (a prescription device) without a physician's order may be in violation of State or local laws or regulations regarding use of a prescription medical device. FDA notified the medical community and the ultrasound industry in August 1994 regarding its concerns about the misuse of diagnostic ultrasound equipment for non-medical purposes, and asked them to discourage their patients from having sonograms for non-medical reasons.

相關條目[編輯]

外部連結[編輯]