超声诊断-基础与探头

第六节　超声诊断

一、超声基础

（一)超声波的定义

波分为机械波和电磁波两大类，前者的传播需要介质，在真空中不能传播。而电磁波无需介质，在宇宙中也能传播。声波是一种机械波。

声波在介质中传播的速度称为声速，用“c”表示，单位（m/s），声速的大小取决于介质的密度，密度越大传播速度越快。所以在固体中传播速度最快，在液体中次之，在气体中最慢。波在传播过程中单位时间通过某点的完整波的数目称为频率，用“f”表示，单位赫兹（Hz）。一个完整波的长度称为波长，用“λ”表示，他们之间有以下关系：c＝f×λ。声波在同一介质中传播。f与λ成反比。声波以频率划分：20～20000Hz的波为可听见的声音，小于20Hz为次声波，超过20000Hz的声波为超声波，我们应用于医学的诊断时，超声波频率范围为1～30MHz。

（二)超声波的基本物理特性

1.反射与折射

超声波在传播过程中遇到两种不同介质，当它们的声阻抗差大于千分之一时就形成声学界面，产生反射。声阻抗是一种介质的固有特性，是与介质的密度和声速有关的常数，密度越高、声速越快的介质，它的声阻抗越大。骨骼的声阻抗就很大，对超声的反射很强烈，可以产生清晰的表面声像图。

超声波除了产生反射以外，还有一部分通过声学界面进入另一个介质形成折射。根据能量守恒原则，反射波能量与折射波能量之和应等于入射波能量，所以反射越强折射越弱。因此可利用反射产生的超声回波信息来诊断疾病。骨、关节、周围软组织及关节内液体的声阻抗差别很大，有不同的透声性。骨皮质有强反射，显示清晰，而骨骼内部就显示不清了。关节软骨有部分透声性，可以获得完整的切面声像图，关节周围软组织具有良好的透声性，可以产生良好的声像图，组织层次清晰，韧带、肌肉、肌腱、关节囊显示较好。关节腔内如有积液，为均匀的物质，不产生反射，故显示为无回声区。当关节发生病变时，骨关节及周围组织透声性会有相应改变，这就是关节超声检查的声像学基础。

2.衍射

声波传播过程中遇到障碍物的直径与声波波长相近时，声波可绕过障碍物继续向前传播，方向不变，这一现象叫衍射或绕射。所以高频超声波波长短，可以对更细小的物体产生反射，图像分辨率高，但衰减大，扫查深度浅。造成声衰减的因素很多，例如反射、散射及吸收均可造成超声波能量的损失。为了得到高分辨率的图像应该尽量选用高频率探头，但是高衰减又限制了扫描深度，因此我们必须在探查深度和空间分辨率之间做出选择。如腹部检查需要比较大的扫描深度，我们只能选择较低频超声探头，而检查浅表器官时，由于探查深度不大，我们可以选择高频超声探头，以得到比较高的分辨率。做膝关节超声检查以5～7MHz探头最为合适。因为器官表浅应用近场视野开阔的探头以适应关节形态复杂的特点，获得真实声像图。

（三)超声波的发射与接收

1.逆压电效应

在探头压电晶体表面加上电压，引起晶体几何变形产生振动，当振动频率超过20000Hz即产生超声波。这是一个将电能转化为机械能的过程，称逆压电效应。超声波的发射采用了逆压电效应，将电压转化为声压并向人体发射。

2.正压电效应

反射回来的超声波作用于探头的晶体片上，引起材料内部原来重合的正负电荷中心发生相对偏移，在材料表面上出现极性相反的表面电荷，这样由机械力作用产生了电场。这种由机械能转变为电能的过程叫正压电效应，超声接收利用的就是正压电效应，将来自人体的回声信号转化为电压变化。

（四)超声探头

在各种超声诊断仪中，发射和接收超声波的器件是超声探头，它既做发射又做接收。发射时它把电能转化为机械能，接收时又把机械能转化为电能，因此超声探头又被称为超声换能器。探头的核心是压电晶体片，压电材料具有压电效应，当它受外力作用发生变形时，其表面会产生电压和自由电荷，对它施加电压时会产生应力，发生形变。探头从外形上可以分为以下三种类型。

1.高频线阵探头

用于检查肌肉骨骼系统、外周血管等浅表组织器官，探头频率7～10MHz，分辨率较高，图像颗粒细小、清晰，具有良好的近场分辨率，同时近场视野较宽，有助于评价表浅部位异常。其缺陷是丢失远场信息。但肌腱和肌肉纤维及关节腔和滑囊层次清晰。

2.凸振探头

频率3～5MHz，探头表面呈弧形，外形上是对线阵探头的改进，可以在不损失近场范围的同时扩大远场的扫描范围，探头频率较低，穿透力较好，扫描深度较深，主要用于检查腹腔脏器以及肌肉、关节深部病变。

3.扇扫探头

探头接触面小（20～30mm），频率低，穿透力强，适于心脏检查，通过狭小的肋间声窗观察远场结构。其缺点是丢失近场信息。

4.其他探头

超声探头种类非常多，内窥探头是插入体腔内使用的超声探头，包括经食管、经阴道、经直肠及经尿道探头，还有更为精细的血管内探头。它们更加接近被检器官，避开其他组织的干扰，又可以选用更高频率，得到更精细的图像。三维成像探头单元排成一个平面，可以在三维空间实时扫描，形成三维立体图像。

（五)多普勒效应

波源和靶目标之间出现相对运动时，会使接收频率与发射频率之间出现改变，这种改变称为频移，这种现象称为多普勒效应。频率的改变与相对运动的速度成正比。如果波源相对静止，那么靶目标运动的速度就可以通过频移大小反映出来。人体中最主要的运动物是血液。血液中红细胞的流动使回波发生频移，检测出频移大小即可得知血流的流速。

多普勒频移大小在基线上下显示为波幅高低不同的曲线，这就是频谱多普勒。其中包括脉冲多普勒和连续多普勒。前者具有深度分辨率高的特点，能选择测量不同深度较低流速情况，但对最大速度有限制，适合测量正常血管及瓣口的低速血流。后者不需要距离选择，将取样线上所有信息叠加在同一频谱上，用于测量速度特别快的血流，例如血管狭窄及瓣口异常高速血流。如将血流信号加以彩色编码，以颜色来显示血液流动的方向。将频率增加的信号定为红色，频率减低的信号定为蓝色，即朝向探头的血流显示为红色，背离探头的血流显示为蓝色，这就是彩色多普勒超声。

（六)超声成像特点描述及组织学特点

1.无回声型

多见于液体组织，如膀胱、胆囊等空腔含液器官，囊肿、关节腔积液亦呈无回声。

2.低回声型

多见于均匀的实质脏器，如肝、脾等脏器。肌肉也呈低回声，其中可以看到平行排列的纹理，如果肌肉低回声中出现强回声或纹理不清的情况有可能是肌肉损伤所致，这时多普勒可探及增多的血流信号。

3.强回声型

多见于骨骼、气体、结石和钙化等。由于界面反射强烈，后方会出现声影及明显的声衰减现象，影响后方显示，但我们可以利用这一点显示骨骼面的情况。

二、超声在风湿性疾病诊断中的应用

风湿性疾病不仅累及骨关节、肌肉，也累及与其相关的附件和软组织，包括腱鞘、滑囊、筋膜、软骨等。影像诊断是骨关节疾病的首选检查方法，但他们各有侧重。

（一)各种影像学诊断方法的应用情况

现代影像诊断学发展很快，包括传统X线、CR、CT、MRI及超声诊断。前三种检查都依赖于X射线照射人体后，组织器官对X射线吸收不同，所以成像亦不同，主要应用于骨骼系统，而对关节周围软组织显示不满意，对关节的显示要依靠关节造影，但属于一种创伤性检查，患者不易接受，操作也有一定难度。CT检查是一种快速、准确、无创的诊断技术，具有高空间分辨力和密度分辨力，可清晰显示骨关节的解剖结构，有较高的诊断价值，尤其对脊椎疾患和深部关节病变（如骶髂关节）效果不错，但关节周围软组织层次显示相对逊色，而且只有横断显示。MRI对关节的显示具有独特的作用，它可产生关节、肌肉、韧带、软骨及滑膜等结构的详细影像资料，可提供多角度多断面影像，对脂肪、关节积液显示特别清楚，比CT更具优越性，对关节病的早期诊断具有独特的敏感价值，是一种非侵入性诊断方法，其缺点是价格较贵，对病人有一定禁忌证，如身体内有金属异物不能接受检查。

（二)超声在风湿性疾病诊断中的作用

超声检查以往很少用于骨关节领域，随着技术的改进，高分辨率彩超迅猛发展，肌肉和骨关节系统超声成为超声工作者研究的热点，并逐渐形成它自己的特点和优势。纵观历史，风湿性疾病治疗比较困难，后期对人的损害非常大，致残率非常高，病人非常痛苦。医生往往采取一些缓解症状的治疗方法或应用激素类药物，不良反应较大。所以风湿病的早期诊断、早期治疗显得尤为重要。病变初期往往是软组织病变，X线平片不易显示。而超声对关节周围软组织能逐层显示，尤其是肌腱韧带及滑囊等结构，对关节内滑膜渗出积液的显示亦很敏感，因而有助于骨关节病变的早期诊断以及关节周围软组织炎性和损伤性疾病的诊断。超声的另一大优势是可以实时观察关节的运动、肌肉的收缩、关节内积液挤压后变形情况、关节周围囊性结构与关节的比邻关系，还可以观察关节的功能状态、周围血管的动态血流情况，以及关节周围软组织的充血情况。超声形成的实时切面图像避免了普通X射线所产生图像结构相互重叠的缺陷。超声的另一个优势是受众面较广，无损伤，无痛苦，可以随时重复检查，设备轻便，适于各种环境，甚至可以床旁检查。超声检查也有其不足之处，它的穿透力受介质的影响较大，如骨骼皮质下的骨破坏及骨骼内部病变超声就不易显示，超声能量被反射强烈的骨表面反射和吸收，后方形成宽大声影。另外超声图像是切面图，显像有一定片面性，再加上人为操作的因素易漏掉一些信息，影响了超声在骨关节领域的广泛应用。

（三)风湿性疾病所致关节及其周围软组织损害的病理基础

风湿性疾病所致关节病的关节病理变化一般分四个阶段。

1.滑膜炎期

这是此类疾病最早的、最基本的病理改变，是一种独特的炎症反应，累及微循环和滑膜内皮细胞，滑膜充血水肿增厚，关节内出现渗出液，此为急性渗出期。随着炎症的进展，滑膜下单核细胞浸润，滑膜的成纤维细胞和新生毛细血管增生，并沿着关节面向关节内生长，此为慢性炎症期，关节出现积液，关节间隙增宽。

2.血管翳形成和软骨破坏期

滑膜及滑膜下组织的炎症及水肿，导致微血管和滑膜绒毛状增生及淋巴细胞浸润，在关节软骨表面形成片状薄膜组织，称为血管翳，血管翳是由浆细胞、巨噬细胞及淋巴细胞共同形成，释放免疫球蛋白。血管翳不但隔绝了骨及软骨通过滑膜获取营养，而且能释放多种炎性介质与蛋白水解酶等，侵蚀关节软骨、软骨下骨、韧带肌腱等组织，引致骨关节软骨破坏，软骨下骨溶解，关节囊破坏松弛，关节错位、融合，以致骨化，影响软骨正常营养。滑膜的渗出物可改变正常滑液的性质，加上血管翳本身对软骨的侵蚀溶解，导致关节软骨逐渐发生破坏，关节间隙有变窄的趋势。

3.纤维性关节僵直

随着滑膜增生范围的扩大，滑膜水肿逐渐消失，炎症组织被纤维组织替代，关节出现粘连，关节活动障碍，关节间隙变窄。

4.骨性关节强直(www.xing528.com)

关节内纤维结缔组织增生逐渐明显，甚至出现钙化，与骨组织连接起来，关节间隙可消失。后两期均出现明显关节变形和致残表现。故早期发现滑膜炎，早期治疗，对预后有很大帮助。另外周围血管炎和结节形成也是特征性表现，血管炎也是风湿性疾病的一种早期改变，多发生在关节周围，小血管增生，淋巴细胞浸润，周围纤维化包绕形成结节，结节中心可发生坏死，内有退变的胶原纤维细胞壁和其他碎屑，此种结节可见于关节周围皮下。关节滑膜炎出现关节积液，关节内压增高，滑囊可沿关节周围薄弱区向外膨出，多见于膝关节腘窝处，形成腘窝囊肿；见于手小关节处，形成腱鞘囊肿，可统称为滑膜囊肿。

三、风湿性疾病的超声表现

风湿性疾病是一种全身性各系统自身免疫性疾病，不仅累及骨关节、肌肉，也累及与其相关的软组织，包括腱鞘、滑囊、筋膜、软骨等。

（一)风湿性疾病在肌肉中的表现

以四肢肌肉最明显，超声可实时动态多平面观察肌肉的运动情况，随着仪器分辨力的提高，超声已经成为评价肌肉疾病的首选检查方法。肌肉整体回声低于肌腱和皮下组织，肌肉束表现为低回声，筋膜及包绕外周的肌束膜、肌外膜、肌间隔和薄层纤维脂肪组织表现为回声较强的线状或条状强回声。纵断面二者平行排列成羽状、袋状或梭形；横断面排列成网状间隔，内含低回声肌束的结构。彩色多普勒可显示星点状血流信号（图3—17）。

图3—17　左图为正常胫前肌。右图为肌肉受损,纹理不清,肌膜不清,血流信号增多

风湿性疾病早期关节周围肌肉以炎性反应为主，表现为肌束的水肿增厚，肌肉纹理模糊，正常的羽状结构消失。肌束膜、肌外膜及肌间隔界限不清，肌束回声稍增强，呈一种“磨砂玻璃”样改变，其中可见散在分布的条带状无回声区，是由于血管通透性增高及淋巴细胞、浆细胞浸润造成的，肌肉内血流信号增多，呈一种弥漫性水肿，此为炎症性充血期表现，此时是治疗的最佳时机图，如上图所示。随着病变的进展，成纤维细胞增多，肌束间出现粘连，肌间隔及筋膜、脂肪组织增厚，肌束的伸缩有所减弱，肌肉整体显示出将僵硬的迹象，肌束回声增强，肌间隔分界不清，进入纤维僵直期，继而还可出现钙化及结节样病变。

（二)风湿性疾病在关节滑膜的表现

风湿性疾病是一种自身免疫性疾病，它形成的免疫复合物吞噬、释放水解酶，破坏滑膜、关节软骨、关节面及周围组织，所以关节是它的一个主要侵犯目标，可累及手腕、足、膝、踝、髋、肩、肘关节及脊柱。膝关节是人体最大的关节，解剖结构复杂，是最易受损伤的部位，下面以膝关节为例重点阐述。

膝关节由股骨下端、胫骨上端和髌骨组成，周围有韧带、滑囊、滑膜来维系，之间有半月板。半月板作为缓冲装置有加强关节稳定性的作用，是对关节结构的保护。膝关节内外侧分别由内外侧副韧带来加强，前方有髌韧带、髌腱和股四头肌腱，后方有股二头肌、半膜肌和半腱肌，关节内有前后交叉韧带。膝关节周围主要滑囊有髌上囊、髌下深浅囊、髌前囊。除前后交叉韧带受骨骼干扰超声不易显示外，其余结构包括肌肉、肌腱、韧带、滑囊、神经、血管都能清晰显示。以下是风湿性疾病膝关节受损的超声表现，如图3—18所示。

图3—18　正常膝关节纵切图

1.髌上囊积液

髌上囊位于股四头肌腱与股骨之间，是全身最大的滑液囊，与膝关节腔相通。正常髌上囊在膝关节屈曲呈30°～40°时显示最好，囊壁呈线样，为薄层低回声，内为髌上脂肪垫和股骨前脂肪垫，两层滑膜紧贴在一起，其间有少量积液，深度小于0.2cm。当积液量增加时出现髌上囊扩张，出现液性暗区，前后径小于1.0cm为中等量积液，大于1.0cm为大量积液，如图3—19所示。膝关节长时间积液可汇集到关节后方，形成腘窝囊肿。

2.关节滑膜增生肥厚

呈绒毛状或结节状向髌上囊突出，声像图显示髌上囊内液性暗区，内可见囊壁结节状或乳头状突起，滑囊壁厚度超过0.5cm，滑膜回声增强，并可见皱襞增生肥厚，呈强光带反射。多普勒显示增生的滑膜内血流信号增加，当治疗有效时血流信号消失。

图3—19　髌上囊积液

3.关节内或关节囊滑膜表面

出现了强回声光团伴声影，有的可游离于关节腔内称作游离体或关节鼠，可能为软骨或骨质破坏后脱落的软骨或骨组织，也可能为关节内炎性、血性积液机化所致。

4.关节积液

时间较长并且迁延不愈，关节内压力较高，液体积聚于膝关节后方关节囊内，关节内液体可从关节囊薄弱部位进入腘窝形成囊肿，即腘窝囊肿（Baker囊肿），其特点为有蒂与关节腔相连，但连而不通，偶可见分隔，囊肿内回声较清，后方回声增强。有时囊肿内出现散在强回声光点或光斑，可能为脱落的滑膜碎片或软骨碎片，如图3—20所示。

图3—20　窝囊肿伴滑囊壁增厚

5.膝关节周围滑囊

表现膝关节周围滑囊较多，包括膝前的髌前囊、髌下浅囊和深囊，膝后的腘肌囊、腓肠肌内侧囊、半膜肌囊、腓肠肌外侧囊及膝内侧囊、外侧囊。风湿性疾病累及膝关节周围滑囊时常可见上述滑囊出现扩张积液、滑囊壁增厚的表现。部分滑囊与关节腔相通，挤压可见囊肿体积变小，液体流向关节腔。但部分滑囊与关节腔不相通或积液以后通道关闭，挤压无明显改变，我们称之为滑膜囊肿。腘窝囊肿实际上也属于滑膜囊肿。有时滑膜囊肿合并感染囊壁增厚，并有乳头状结构向内突出，经抗感染治疗及物理治疗可明显缩小甚至消失，如不消失可手术治疗，因滑囊与关节腔不相沟通，手术不损害关节。对风湿性疾病所致滑膜囊肿，经激素治疗可见囊肿明显缩小。

（三)风湿性疾病在腱鞘的表现

关节两侧有很多肌腱通过，风湿性疾病时肌腱受累，水肿增厚，回声减低，其周围腱鞘上的致密结缔组织同时受累且局部营养不良，导致退行性变。声像图常表现为肌腱周围层次不清的低回声带，排列规则呈磨砂玻璃样改变。多普勒可探测到增强的血流信号，有时可合并有腱鞘囊肿。

（四)风湿性疾病在关节软骨的表现

风湿性疾病对关节的损害也表现在关节软骨损伤上，但出现病理改变晚于肌肉滑膜等软组织。这是与退行性骨关节病的区别。退行性骨关节病一般最早出现关节软骨面的破坏，继而累及软骨下骨及滑膜。例如膝关节软骨面主要指股骨下端及胫骨上端的关节面软骨，正常时应该是光滑的中低回声，被软骨下骨骼面衬托更易显示。髌下脂肪垫与股骨髁之间可见一宽度一致平滑的低回声带为关节面软骨，如图3—21所示。当软骨受损时软骨线变得不连续，宽窄不一，凹凸不平，回声强弱不等，表面出现不规则凸起，多普勒显示丰富的血流信号，即血管翳形成所致，如图3—22所示。随着时间的推移关节软骨面破损严重，周围出现粘连，声像图更加模糊，结构不清，有时可见脱落的软骨碎片。

图3—21　正常膝关节软骨面呈均匀低回声带

图3—22　关节软骨受损,血管翳形成

（五)风湿性疾病对关节间隙的影响

正常膝关节股骨下端与胫骨平台之间是等距的，一般成人膝关节间隙宽度为0.5cm。风湿性疾病时，关节受损，早期滑膜受累增厚，关节积液、关节软骨亦有水肿改变，关节间隙增宽，随着病变的进一步发展关节软骨破坏，关节内反复积液造成粘连，关节间隙逐渐变窄，甚至出现关节纤维性骨性强直。

（六)风湿性疾病对其他关节的影响

手腕关节、足踝关节、肩肘关节都是易受风湿性疾病侵犯的关节。以近端指间关节受累最早，甚至早于膝关节。最初表现为关节肿胀，超声探测到滑膜增生肥厚，关节间隙增宽，关节腔或关节周围滑囊积液，这种情况可持续数日或数年，关节面软骨受损后，关节出现变形，关节间隙逐渐变窄，当软骨下骨受损后，关节出现纤维融合，产生关节畸形，如图3—23所示。

图3—23　掌指关节滑囊炎

（七)鉴别诊断

1.骨关节炎

骨关节炎常有双手及双膝关节痛及肿胀变形，易于混淆。不同点在于骨关节炎是一种退行性疾病，多见于老年人，起病缓慢，手、膝、髋及脊柱关节受累严重，而掌、指、腕关节很少受累。超声表现先出现关节软骨受损，低回声软骨面不光滑，继而才出现软骨下骨及滑膜受累。

2.结核性关节炎

多见于40～60岁中老年人，有结核中毒症状，低热、盗汗、全身不适。常不对称损害单个关节，髋关节、膝关节好发，骨破坏明显，较早出现关节僵直。

3.痛风

本病是一种嘌呤代谢紊乱产生的疾病。也有全身关节对称受累的情况，关节区肿胀及皮下结节形成，30%的患者类风湿因子阳性。不同点：①本病患者多为男性，第一跖趾关节最先受累；②发作急剧；③反复发作，可同时两个或两个以上关节胀疼，缓解后积液和水肿消退快；④关节周围皮下可见痛风结节；⑤化验室检查血尿酸升高。

(宋　芹)