做B超时，肚子上黏黏的液体是什么？聊聊生物医学超声

丁忠运

说到生物医学超声，可能绝大部分人对其概念和应用了解的没有那么完整，但每个人的一生当中都不可避免的会接触到生物医学超声。为什么这么说呢？因为B超就属于生物医学超声的范畴。你看，一说到B超，我相信几乎每个人都会“哦~”的一声表示自己做过B超检查。毕竟B超检查是常规体检或者很多疾病检查的必做常规项目之一啦。

图1. B超检查插图（http://www.kangailu.com/a/201512/unews-10283.html）

图2. 医用超声耦合剂（为避免广告嫌疑，特将logo打码，见谅，侵删！）既然话说到B超了，我们就先来举例聊聊关于B超比较有意思的两件事情。
一是每次做B超检查的时候，医生在我们躺下之后，总是会在腹部涂抹大量的凉飕飕、黏糊糊的浓稠的液体。这东西叫医用超声耦合剂，长得就如图2所示。抹完之后，小肚肚还感觉蛮舒服滴，有点放飞自我的感觉。还没享受完，医生就把超声探头使劲的在我们的肚子上压啊压啊（好想笑啊，不行，我要矜持，得憋着）。整个检查过程就在抹耦合剂和探头按压腹部之间来回几次，还是有点小酸爽的。还没酸爽够，检查很快就结束了，麻溜起身，擦掉耦合剂，然后下一位开始接受B超检查。

图3. B超检查体验插图二是体检的时候经常会有B超检查前列腺这一项，在检查之前，医生总是会提前提醒大家先喝水憋尿，否则不让检查。但是，经常有人觉得自己水喝的差不多了，尿应该也憋的差不多了，屁颠屁颠跑去让医生给他检查，换回来医生一句“还不够，继续喝，继续憋，待会儿再来”。这时憋尿的原因是：B超检查前列腺会经过位于腹部的膀胱，只有膀胱内需充满尿液，超声波才能到达前列腺区域。终于，尿憋好了，医生也满意了，好怕医生把我们的尿给按压出来（此处只是开个玩笑，一般不会发生这种情况）。检查完了赶紧上厕所轻松一下吧。

图4. 平时该尿尿，别控制，不过B超检查前列腺时该憋还得憋~那么，问题来了，上述两个关于B超检查的例子有什么原因呢？为了便于大家理解，这里我们就先来举个简单的例子说明一下。如图5所示，假设我们需要从橙色区域走到绿色区域。对于图5左图这种橙色区域和绿色区域高度差特别巨大的情况，那不是一般的吓人，谁也不敢跳过去，我们只能原路返回了。不过，如果橙色区域和绿色区域高度差不大，就如图5右图一般，那就so easy了，我们可以轻轻松松的跳过去嘛。超声的传播也是类似的道理啦，只不过例子当中影响人跳不跳的因素对于超声的传播来说就变成“特性阻抗”啦。至于什么是特性阻抗，大家先不要着急哟，下面我们会解释。这里，大家只需要记住涂抹耦合剂或者憋尿都是为了把“特性阻抗”差距（类似于图5中橙色和绿色区域高度差距）缩小，从而让B超检查时的超声波可以更方便的进入到人体当中，实现更好的B超检查效果哟。

图5. 跳还是不跳呢？那么，如何从科学的角度解释上述关于B超检查的两个现象呢？这就涉及到超声波的透射问题了。鉴于本文不想过多涉及声学理论方面的知识，这里我们仅以最简单的两层介质中的平面声波垂直透射来对上述现象进行解释。图6给出了平面声波在界面的反射和透射示意图：在介质1（密度 \rho_{1} ，声速 c_{1} ）中传播的平面声波 p_{i} 垂直入射到介质2（密度 \rho_{2} ，声速 c_{2}）的时候，只有一部分的声波可以穿过介质1和介质2的界面透射到介质2当中，即透射波 p_{t} ，另一部分声波则会在介质1和介质2的界面上反射回来，即反射波 p_{r} 。根据声学理论，两层介质中的平面声波垂直透射的声强（即能量流密度）透射系数 t_{I} （即透射到介质2中的声波能量与介质1中的入射声波能量的比值）为：
t_{I}=\frac{4Z_{1}Z_{2}}{\left( Z_{1}+Z_{2} \right)^{2}}                                                （1）
其中， Z_{1}=\rho_{1}c_{1} 和Z_{2}=\rho_{2}c_{2}分别为介质1和介质2的特性阻抗（敲黑板：这里就告诉大家什么是“特性阻抗”了哟~）。

图6. 平面声波在界面的反射和透射示意图好了，接下来我们可以根据公式（1）来分析一下如果不涂抹耦合剂或者不憋尿的话，超声波在传播的时候会发生什么情况。如果不涂抹耦合剂或者不憋尿，对应于图6的模型，介质2都是空气（注：超声探头直接接触皮肤，中间不可避免的会有空气；前列腺中不充满尿液，也会有空气），介质1则分别对应压电材料（准确来说应该是匹配层材料，此处不详细论述）或者生物软组织。空气的密度和声速可以分别取一般值 1.29kg/m^{3} 和 340m/s ，压电材料和生物软组织的的密度和声速则比水的密度和声速大或者与之相当。为简单起见，此处我们就取水的密度和声速的一般值 1000kg/m^{3} 和 1500m/s来进行计算。由此可得，在不涂抹耦合剂或者不憋尿的情况下，B超检查时超声的声强透射系数是：
t_{I}\approx0.00117
可以看出，此时超声波基本没法透射到生物组织或者待检查的前列腺区域。既然生物组织或者待检查的前列腺区域都没有超声波，就根本谈不上B超检查了。图7画出了在入射介质1特性阻抗保持不变（本例即为水的特性阻抗）的条件下，声强透射系数随透射介质2特性阻抗的变化曲线。从图7可以看出，只有当透射介质2的特性阻抗接近入射介质1的特性阻抗的时候，声强透射系数才会越接近1，即入射波才能更加高效的从介质1透射到介质2当中。因此，为什么B超检查时要涂抹耦合剂或者憋尿，就是为了把介质2从空气替换为特性阻抗更加接近介质1的耦合剂或者尿液，从而增强超声的透射效率，获得更好的B超图像质量，实现更好的B超检查效果。

图7. 在入射介质1特性阻抗保持不变的条件下，声强透射系数随透射介质2特性阻抗的变化曲线上面讲了一点关于B超的小知识，相信大家对于B超甚至生物医学超声应该有了一个大致的认识了吧。
接下来这部分内容将主要涉及生物医学超声的概述和系统分类。
生物医学超声概述

生物医学超声学是将物理学中的声学、电子信息工程、材料科学与生物医学等学科相结合而形成的一门交叉学科。
经常有人会被医学超声和超声医学搞混，分不清楚二者的区别。实际上，生物医学超声学是不同于超声医学的，前者是研究超声波在生物组织内的传播规律，并加以利用以达到医学诊断和治疗的目的；而后者则是研究超声波的医学临床诊断方法。
振动、波与场的理论是生物医学超声学的理论基础。生物医学超声学又包括医学超声物理和医学超声工程两个方面。医学超声物理研究超声波在生物组织中的传播特性和规律；医学超声工程则是应用生物组织中超声传播的规律，设计制造用于医学诊断和治疗的超声设备。现代医学超声系统和设备是通过不断发展的材料科学、电子技术、信息处理方法、计算机技术、制造工艺等领域的先进技术，将超声学理论应用于医学领域的结晶，它是许多学科最新成就的完美组合。
生物医学超声学一直在不断地发展和完善，应用领域也不断扩展，但超声在医学上的应用主要可包括超声诊断和超声治疗两大方面。
超声诊断主要利用超声信号幅度、频率、相位和时间等参量携带的生物组织信息对人体进行测量、成像和诊断。超声诊断正是通过对这些参量进行测量和成像，来识别这种差异、判别组织性质，进而诊断许多器质性和功能性疾病。
当超声能量作用于生物组织时，通过机械效应、温热效应和理化效应使这部分组织温度升高，血液循环改善，代谢旺盛，组织软化， pH变化，化学反应过程加速，细胞活性增强。这些变化必然对这部分组织的机能状态产生影响，同时也通过体液传递及神经系统的反射活动，对远距离器官产生影响。被超声波辐照的组织、细胞所产生的生物学效应直接与超声波的声强和作用时间有关。超声治疗主要利用生物体吸收超声的特性，以及超声波的生物学效能和机理达到超声治疗的目的。
生物医学超声系统的分类

根据生物医学超声系统的原理、任务和设备体系等，从大的用途方面可将其分为诊断用和治疗用两大类，这一点在上面关于“生物医学超声概述”部分也已经提及过。另外，还可按照不同标准将其划分成很多更加详细的种类，这样会更加便于理解。具体分类如下所述。
1、按超声波形分类
顾名思义，就是根据超声探头发射出来的超声波波形进行的分类啦。主要分为连续波型和脉冲波型，分别如下所示：
1）连续波超声设备
连续波在时间轴上是一直存在的，没有间断的。图8就是波长不同的两个连续波。

图8. 连续波示意图2）脉冲波超声设备
脉冲波发射与接收处理方式在医学超声治疗和诊断设备中得到了最广泛的应用。脉冲波是一种间断的持续时间很短的信号，它在时间轴上是不连续的，可以单个出现，也可以间断式/周期性的出现。图9就是单个出现的脉冲。

图9. 单脉冲示意图2、按利用的物理方法分类
这种分类方法主要区别在于超声系统是处理反射超声信号还是透射超声信号。因此，也是主要分为两类：回波式和透射式。分别如下所示：
1）回波式超声诊断仪
它从回波信号（即反射信号）中提取所需的信息，并用于诊断。一般是一个超声探头既用于发射超声也用于接收反射回来的超声，如图10所示。

图10. 回波式超声诊断仪原理示意图2）透射式超声诊断仪
它是应用最早的超声诊断技术，与X 射线透射相似，即从经过生物组织透射过来的超声波中获取所需的医学信息。一般是一个超声探头用于发射超声，同时需要另一个超声探头用于接收透射过来的超声，如图11所示。

图11. 透射式超声诊断仪原理示意图3、按医学超声设备的体系分类
按照医学超声设备体系的分类就比较丰富了，比如我们上面提到的B超就是基于这一分类标准的简称，其全称其实是“B型超声诊断仪”或者“B 型超声切面显像仪”。那么按照这一分类标准总共有多少种医学超声设备呢？我们在下面总共列出了11种。不过，生物医学超声一直在不断地发展当中，肯定还存在其他种类的医学超声设备啦，下文所列仅供参考哟。大家感兴趣的话可以仔细阅读一下下面的11种医学超声设备，里面会介绍每一种医学超声设备大致的工作原理以及名称由来。如果大家觉得读的比较枯燥，可以直接大致看看设备名称，然后翻到最后看看视频放松放松，视频可以帮助大家对超声诊断和超声治疗有一个大致的了解和认识哟。
1）A型超声诊断仪
A 型显示是一种最基本的显示方式，示波管上的横坐标表示超声波的传播时间，即探测深度;纵坐标则表示回波脉冲的幅度(amplitude) ，故称A 型。
2）M型超声诊断仪
它是在A 型超声诊断仪的基础上发展起来的一种最基本的超声诊断设备。显像管上的亮度表示回波幅度，由A 型回波幅度加到显像管Z 轴亮度调制极上所控制；其纵轴表示超声脉冲的传播时间，即探测深度；显像管水平偏转板加一慢时间扫描电压。这样在做人体探查时，就构成一幅各回波目标的活动曲线图。由英文motion 得名M 型。
3）B型超声诊断仪
B 型超声诊断仪也称为B 型超声切面显像仪。它用回波脉冲的幅度调制显示器亮度，而显示器的横轴和纵轴则与声速扫描的位置一一对应，从而形成一幅亮度调制的超声切面图像。由英文brightness 得名B 型。
4）超声多普勒诊断仪
超声多普勒诊断仪也称其为D 型，由英文Doppler 而得名。它利用超声波传播过程中与应用目标之间的相对运动所产生的多普勒效应来探测运动目标。
5）C型和F型超声成像设备
它是在B 型超声诊断仪的基础上发展起来的，主要用来获取与声束方向垂直或呈一定夹角的平面和曲线上的回波信息并成像。
6）超声外科设备
超声外科学是继超声治疗和诊断之后出现的一个医用超声领域。它用较强的超声波粉碎眼部、肾部的病变组织并排出，以达到实施超声外科手术的目的。
7）超声治疗设备
它主要利用组织吸收超声波能量等特性，即温热效应、机械效应和化学效应，达到治疗的目的。
8）介入性超声设备
近年来发展的腔内超声诊断有食道、阴道、尿道、腹腔镜及血管内等超声图像诊断。
9）超声全息诊断设备
它沿引自光信息的概念，应用两柬超声波的干涉和衍射来获取超声波振幅和相位的信息，并用激光进行重现出振幅和相位。
10）超声显微镜
超声显微镜用来观察人体组织和细胞的细致结构、特性及其变化。
11）超声CT
超声CT 是X 射线CT 理论的移植和发展。用超声波束代替X 射线，并由透射数据进行如同X 射线那样的图样重建，就称为超声CT 。
（欢迎观看视频1：超声诊断。参考链接：Ultrasound）

视频1. 超声诊断https://www.zhihu.com/video/12150********070400（欢迎观看视频2：超声治疗。参考链接：https://www.youtube.com/watch?v=L8F24Y_tOg4）

视频2. 超声治疗https://www.zhihu.com/video/12149********511296

正文完结，感谢大家的阅读~
下次有机会再和大家分享~
本文第一部分关于B超小知识的论述，声强透射系数理论部分可参考：
朱哲民，龚秀芬，杜功焕. 声学基础[M]. 南京大学出版社，2001.
张海澜. 理论声学[M]. 高等教育出版社，2007.
这两本书中都有专门的章节详细的介绍声波的反射和透射，大家感兴趣的话可以自行阅读。
本文第二部分关于生物医学超声概述和系统分类的撰写，主要节选自西安交通大学万明习教授等人的专著：
万明习，宗瑜瑾，王素品. 生物医学超声学[M]. 科学出版社出版，2010.
这本书比较详细的讲解了生物医学超声的方方面面，大家感兴趣的话可以自行阅读。
感谢 @子鱼 提供的视频~
作者： @wxdzz
欢迎交流~


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