第一章　绪论
　　第一节 中国古代声音史话
　　“声音”是我们日常生活中常见的一个汉语词汇。然而，在我国古代，“声”和“音”有着各自明确的含义。甲骨文的“声”由4个独体形象组成，如图1-1所示，左上部的三角形是古代的一种打击乐器石磬（qìng）；石磬上部是悬挂石磬的绳索或架子；右半部是“殳”字，表示人手拿槌击磬的样子；下部是“耳”和“口”组成的古文“听”字。整个字表达的意思是，人手拿槌击磬，用耳去听，听到的自然是磬所发出的“声”了。“声”字的字源形象地告诉我们，一个声学系统包含发声的装置（石磬），如何发声（打击），以及声音的接收装置（人耳），足见古人的智慧及中华历史文明的深远。
　　图1-1 声的字源及演化
　　“音”的字源与“声”有所不同，“音”字始见于春秋时期，金文和小篆描画的“音”与“言”字相似，在口中加了一点指示符号，表示“音”从口中，经过舌头调制而发出的语音，后来也引申为乐器发出的乐音。用现代科学术语解释，“声”可以理解为单频率的声波，而“音”则为不同频率（音调）和不同响度声波的混合，可见在中国古代实际上已经区分声波的频率和响度了。老子在《道德经》中提到“大方无隅；大器晚成；大音希声；大象无形”。如果按照上面关于“声”和“音”的造字解释，老子的“大音希声”可能指的是世上最美妙的音乐通常只包含简单的音调和旋律，所谓大道至简。
　　图1-2 声波最早的应用—伏罂而听
　　关于声音的应用，我国古代多见于乐器制作，然而早在2000多年以前，春秋末期墨家思想的代表人物宋国的墨子就将声音技术应用于战场，制作了所谓的“地听器”，用于守城，这也是成语“伏罂（yīng）而听”的由来，如图1-2所示。据《墨子？城守？备穴第六十二》记载：“穿井城内，五步一井，傅城足。高地一丈五尺，下地，得泉三尺而止。令陶者为罂，容四十斗以上，固幎之以薄鞍革，置井中，使聪耳者伏罂而听之，审知穴之所在，凿穴迎之。”“伏罂而听”应该是世界历史上关于声波应用的最早案例。
　　第二节 医学超声发展简史
　　超声是一门古老学科，早在1794年，科学家证实蝙蝠夜间导航能力取决于频率高于人耳响应范围的声波的回音，即我们这里提到的超声波。1877年，Lord Rayleigh出版的《声学理论》（The Theory of Sound）首次以数学方程的形式描述声波，构建了实用声学的基础。1880年，Pierre Curie和Jacques Curie发现在石英晶体上施加机械压力会产生电荷，即压电效应，这是制造现代超声换能器的物理原理突破。之后，开启了超声在军事、医疗、工业等领域的研究应用。随着锆钛酸铅（lead zirconate titanate，PZT）压电材料的出现，换能器制造工艺技术获得突破，超声的应用得到飞速发展。20世纪五六十年代，用于临床的A、B、M型超声成像检测设备陆续出现，并在功能和成像性能方面得到不断完善和提升。70年代后期，微型计算机在超声诊断仪器中得到使用，超声图像的数字扫描变换器（digital scan converter，DSC）及图像的数字信号处理（digital signal processor，DSP）等技术的深入应用，使医学超声仪器的成像质量与临床应用迈进了一大步。近年来，超声诊断仪日趋精密化、小型化、自动化、综合化、多功能化，三维立体技术诞生，彩色多普勒超声显像仪出现；超声诊断技术由于具无痛、无损、无离子辐射和可重复检查等一系列优点，当前已经与X线、核医学、磁共振技术并列为四大医学成像手段。
　　纵观医学超声学科的近代发展史，可谓西方人的天下，国内的医学超声发展起步相对较晚。1958年，上海市第六人民医院与上海第一、第二医科大学的研究人员合作创立了上海市超声医学应用研究小组，为我国超声诊断的开始；1959年7 月，第一届全国超声会议在武汉召开；1960年，上海医学院附属中心医院制作了最早的B型扫描仪；1961年7月，中国第一本有关超声的著作《超声诊断学》出版；1984年，中国超声医学研究会成立；1985年正式发行官方刊物《中国超声医学杂志》（Chinese Journal of Ultrasound in Medicine），协会更名为“中国超声医学工程学会”；20世纪80年代末到90年代，上海交通大学生物医学工程系的王鸿樟教授等最早开始超声热疗方向的研究。随着时代的发展，我国医学超声的发展正在赶超世界先进水平，有些领域已经开始有原创的突破和进展。
　　20世纪80年代初，超声体外机械波碎石术和超声外科成为结石症治疗史上的重大突破，如今已在国际范围内推广应用。高强度聚焦超声（high intensity focused ultrasound，HIFU）无创外科，已使超声治疗在当代医疗技术中占据重要位置，HIFU被誉为21世纪治疗肿瘤的最新技术，我国在HIFU领域的研究与临床应用走在世界前列。
　　第三节 超声波的特点及应用
　　我们通常用“嗓门大”和“嗓门尖”来区别不同的说话声，所谓“嗓门大”，实际上是指声音的“响度”大，“嗓门尖”是指声音的“音调”高，即频率高。我们常说女性的声音要比男性的尖，就是指女性声音的频率通常比男性的高。人耳能响应的声波的频率一般为20～20 000Hz；频率小于20Hz的声波叫作次声波。次声波不容易衰减，不易被水和空气等吸收。次声波的波长往往很长，因此能发生衍射绕开大型障碍物。1961年，苏联在北极圈内新地岛进行核试验激起的次声波绕地球转了5圈。有些次声波的频率与人体器官的振动频率相近甚至相同，容易与人体器官产生共振，对人体有很强的伤害性，严重时可致人死亡。例如，4～8Hz的次声波可在人的腹腔里产生共振，使心脏出现强烈共振和肺壁受损，地震、核爆、鼓风机等都可能产生次声波。频率高于20kHz的声波为超声波，其频率高于人耳听觉响应上限。人耳的听觉频率上限因人而异，一般认为健康成年人的听觉频率上限是20kHz。次声波和超声波人耳都听不见，但却真实存在，且有着广泛的应用。
　　一、超声波的特点
　　超声波频率高于声波，频率高则意味着超声波具有如下特殊的性质。①超声波的方向性好：相对于频率较低的声波及次声波，超声波的能量更易于集中，空间分辨力更高。②携带能量高：在波幅相等的情况下，超声波携带的能量与频率的平方成正比，有利于将超声波能量传递到目标位置。③穿透力强：超声波能在各种不同介质中传播；相对于可见光，超声波可以穿透到人眼看不到的物体内部，探测其内部细节；此外，超声波可以在水中很好地传播，而无线电波在水中的衰减很大，这也是水下探测与通信采用声呐技术的主要原因。④超声波在大部分介质中具有反射、折射、衍射、散射等传播特性；作为波动形式，超声回波承载着被测物的信息，可用于探测及诊断；作为能量形式，当其强度超过一定值时，可与受体介质相互作用，影响、改变甚至破坏后者的状态、性质及结构，可用于理疗、焊接、切割等。超声波的这些特点，成就了它在业界的广泛应用。
　　二、超声波的应用
　　超声波在生物医学工程领域有广泛应用，形成生物医学超声学（biomedical ultrasound）。该学科以研究超声作用于生物体的规律并加以利用，取得诊断、治疗效果并以促进人体健康等为目的，包括超声诊断学（diagnostic ultrasound）、超声治疗学（ultrasound theraphy）和生物医学超声工程（biomedical ultrasound engineering）等，其理论基础是振动与波。超声的应用领域与其频率密切相关，从图1-3可以看出，诊断超声常采用较高频率，以提高分辨力；而治疗超声，频率相对较低，以降低能量的衰减。
　　图1-3 声波频率范围及相应用途
　　超声波探测应用的基本原理是回声定位，如图1-4所示：被检测物体与收发器的距离r等于发射波与接收回波时间差Δt乘以声波传播的速度c，再除以2，即r = Δt？c/2。超声在临床医学上的应用主要有A、B、M、D型超声等。
　　图1-4 超声波回声定位示意图
　　（一）A型超声
　　通常，超声波在不同生物组织的分界面处会发生反射和透射，回波信号中包含界面的位置、形状、软硬（相对于超声波）等信息，探头（换能器）接收回波信号，经过分析处理可以获得介质界面的细节信息，透射波则继续探测更深组织的奥秘，A型超声（简称A超）就是利用这一原理，探头以固定位置和方向对人体发射并接收超声波。超声在人体内传播时，遇到声特性阻抗不同的界面，便产生反射，探头接收反射回波，将其转换为电信号，经处理后送示波器显示，A型超声诊断仪属于幅度（amplitude）调制显示型，是最早用于临床的一种超声诊断仪，也是B、M、D型超声仪器的基础。
　　（二）B型超声
　　图1-5 12周胎儿的超声图像
　　B型超声（简称B超）在A超的基础上发展而来，将A超的扫描线在一个平面内扫描扩展，并将幅度调制映射为亮度（brightness）调制，形成一幅二维图像，即为B超成像的原理，如图1-5所示。超声诊断技术主要用于体内液性实质性组织的诊断，对于骨组织、充满气体的脏器（如肺）及被它们遮挡的脏器不适合探及，因此B超主要被应用于妇产科、心内科等。
　　（三）M型超声
　　M（motion）型超声（简称M超）也是在A超的基础上发展而来，将A超的扫描线在时间上扩展，同时也将幅度调制映射为亮度调制，即形成M超。M超可以获得回波随时间的变化，进而观察记录脏器（心脏）结构随时间的变化，也称超声心动图，主要被用于心脏疾病的诊断。超声心动图有别于心电图，超声心动图是心脏各组织物理运动轨迹的真实反映，而心电图是心脏运动过程中释放出的微弱电信号的记录，临床上二者可以相互补充，综合诊断心脏疾病。
　　（四）多普勒超声与血流速度测量
　　多普勒（Doppler）超声也称D型超声，它利用多普勒效应，通过检测回波信号的多普勒频移获取血流的速度、方向等信息，可实时显示心脏或大血管内某一点一定容积（SV）血流的频谱图，是一种无创检查心内分流和反流的技术。多普勒超声中的三基色为红、绿、蓝；红色表示血流朝向探头；蓝色表示背向探头；湍流显示为绿色；正向湍流为黄色；反向湍流接近深蓝色。目前有脉冲式多普勒、连续式多普勒及彩色多普勒血流显像等，其中脉冲式多普勒的应用范围最广。
　　（五）超声介入检查与治疗
　　图1-6 B超引导的羊水穿刺
　　超声介入检查与治疗作为超声医学的一个重要组成部分，在临床的诊断和治疗中发挥了不可替代的作用。超声介入检查与治疗不仅指在超声引导下的各种穿刺、引流的诊断治疗技术，实际上还包括术中超声、超声造影（contrast-enhanced ultrasound，CEUS）、经腔超声内窥镜技术、超声碎石、超声吸脂术等。下面以B超引导的羊水穿刺为例加以介绍，如图1-6所示。羊水穿刺检查是产前诊断的一种方法，一般适合中期妊娠的产前诊断。做产前诊断最佳穿刺抽取羊水时间是妊娠16～24周，因为这时胎儿小，羊水相对较多，胎儿漂在羊水中，周围有较宽的羊水带，用针穿刺抽取羊水时，不易刺伤胎儿；抽取20mL羊水，只占羊水总量的1/20～1/12，不会引起子宫腔骤然变小而流产；而且这个时期羊水中的活力细胞比例最大，细胞培养成活率高，可供制片、染色，作胎儿染色体核型分析、染色体遗传病诊断和性别判定，也可用羊水细胞DNA做出基因病和代谢病诊断。测定羊水中甲胎蛋白，还可诊断胎儿开放性神经管畸形等。妊娠晚期，羊水穿刺检查可测定血型、胆红素、卵磷脂、鞘磷脂、胎盘催乳素等，了解有无母儿血型不合、溶血，胎儿肺成熟度、皮肤成熟度及胎盘功能等。