第一章 超声诊断基础
第一节 超声诊断的物理基础
一、超声波概述
（一）超声波及医用超声波
人耳能够感知的声波频率范围为20～20000 Hz，低于20 Hz者称为次声波，高于20000 Hz者称为超声波。医用诊断用超声波的范围多在2～15 MHz。
超声波是机械波，可由多种能量转换而成，医用超声波是由压电晶体（压电陶瓷等）产生。压电晶体在交变电场的作用下发生厚度的交替改变，即机械运动，其振动频率与交变电场的变化频率相同，当电场交变频率等于压电晶片的固有频率时，其电能转换为声能的效率最高，即按原则振幅最大。
在交变电场的作用下，由电能转换为声能，称为逆压电效应，相反，在声波机械压力交替变化的作用下，晶体变形而表面产生正负电位交替变化，称为压电效应。超声探头（换能器）中的压电晶片，在连接电极电压交替变化的作用下产生逆压电效应，成为超声发生器；而超声波机械压力下产生压电效应，又成为超声波接收器。这是超声波产生和接收的物理学原理。
（二）超声波的物理量
超声波在除固体外的介质内的传播方式均以纵波为主，即介质质点的振动方向与波的传播方向平行。两个相继波峰之间的距离称为声波的波长（λ），单位时间回声波在介质中传播的距离称为声速（C），在单位时间内介质质点振动的次数称为频率（f）。三者有以下关系：C=f·λ或λ=C/f。
超声波在介质中传播，单位面积上介质受到的压力称为声压（P），介质不同，超声波在介质中的声速也不同，但是在同一介质中，诊断频段的超声波的声速可认为相同。P=ρ·C·V。
式中ρ为介质密度，C为声速，V为质点振动速度。
衡量超声强弱的另一个物理量是声强（I），即超声波在介质中传播时，单位时间内通过与传播方向垂直的单位面积的能量，单位为瓦/厘米2或毫瓦/厘米2（W/cm2或mW/cm2）。对于平面波，I=P2/（ρ·C），超声总功率为声强与超声通过某截面的总面积的乘积，即W=I·S。
声强大小很重要，一般来说诊断用超声无害，但是声强超过一定限度则对人体产生伤害。目前，国际上公认的超声波对人体的安全阈值为10 mW/cm2，一般合格的超声诊断仪都能达到对人体无害的设计要求。了解超声波的声强，对正确应用超声诊断仪很重要，尤其对孕妇及儿童，应尽可能将超声功率调小。
介质学特性的另一个非常重要的物理量为声阻抗（Z），即超声波在介质中传播时介质对它的阻力单位为瑞利，其关系为：Z=ρ·C。
式中ρ为介质的密度（g/cm3），C为声速（cm/s）。
由于各种物质或介质不同，其密度、声速、声阻抗也不同。人体正常组织的密度、声速、声阻抗见表1-1。
表1-1 人体正常组织的密度、声速、声阻抗
（三）超声波的物理性能
超声波与一般的声波不同。由于频率高，波长很短，远小于换能器（探头压电晶体片）的直径，在传播时发射的超声波集中于一个方向，类似平面波，声场分布呈狭窄的圆柱状，声场宽度与换能器压电晶体片之间大小相接近，因有明显的方向性，故称为超声束。声束具有扩散作用，至远场声束逐渐增宽。
（1）反射与透射：超声波在传播过程中经过两种不同介质的界面时，由于界面后介质的不同，超声传播的方向将发生变化。一部分发生反射；另一部分穿过界面，进入第二介质，即透射，依折射率的不同，而发生不同程度的折射。
（2）吸收与衰减：声波在传播过程中，发生吸收和衰减的多少与超声波的频率、介质的黏滞性、导热性、温度及传播的距离等因素有密切关系。
超声波束遇到小于声波波长且声阻不同的界面时会产生散射，其能量向各个方向辐射，朝向探头方向的散射波称为背向散射。心肌背向散射的信号有较大的离散度，心脏收缩和舒张过程中，心肌的几何形态发生变化，背向散射的信号也会发生改变。将背向散射的信号用一定的分析程序进一步分析，心肌组织的背向散射信号行组织定征，将是一种特异、敏感和准确地反映心肌运动状态的方法，继而定量分析和显示心腔面积、动态显示心脏功能的一些指标，即声学定量。根据声学定量的原理，利用血液与心肌组织背向散射的不同可以检测室壁的运动，按心肌活动时间顺序进行彩色编码，用彩色显示心脏内膜的收缩与舒张幅度，即彩色动力成像技术，它能更直观地观察室壁整体与局部的运动状态，这样对冠心病的诊断就进一步提高。
当声波遇到不规则界面时，声波在组织中传播可发生波形畸变、谐波成分增多和声衰减系数增大，声波的这种传播方式称为非线性传播。声学造影剂具有较强的非线性信号的特点，利用这一特征，采用这一部分信号形成图像的方法即二次谐波成像技术，可对心肌的血流状态进行定性和定量评估。
超声诊断的优点是：①无创伤，无放射性。②分辨力强，取得信息丰富。③可以实时、动态观察组织及器官。④观察血流方向及流速。⑤能多方位、多切面进行扫查。⑥检查心脏及浅表器官及组织无须空腹、憋尿及排便，随时可以检查。⑦急病和手术中进行检查不受条件限制。⑧可以追踪、随访观察并比较前后两次治疗的效果等。
超声诊断的缺点是：①图像不如CT及MRI清晰。②扫查方位及手法应用尚不够规范，临床医师尚难以独立阅读超声图片。③操作手法、技巧及识别图像水平差异较大。由此可见，对改进仪器性能、规范操作手法、提高识图水平等，还需做很大的努力。
二、超声多普勒效应
多普勒效应是自然界中普遍存在的一种现象，C.Doppler是奥地利的物理学家和数学家，1842年，他注意到在地球上观察星星能看到不同的颜色。因为观星者和星星相对移动，光的波长产生改变，即频率发生改变，物理学上称为多普勒效应。
身边类似这样的体验很多：在火车站站台，一辆正在行驶的火车鸣笛，当其从远而近时，人感到鸣笛声由粗变尖，远离人时，则由尖变粗。这种变化是因为火车的声音具有一定的频率，由于火车与人之间发生相对运动，人所接受到的频率与火车鸣笛声的振幅频率不同，即有一个频率的移动（频移现象）。由于声源和收听者之间的相对运动，接收的频率较原来频率发生变化，这种现象称为多普勒效应。在超声波上也是相同的，首先静止反射体的反射波频率是不变的，反射体由近及远移动时，接收到的脉冲信号周期延长，即频率变低。反射体由远及近移动时，接收的信号周期变短，频率升高。这一效应可用于进行多普勒超声诊断。
（1）假定收听者静止，即vL=0；声源静止，即vs=0。
式中，fL表示接收的频率，fs表示声源的频率。
（2）假定收听者以vL的速度运动；声源静止，即vs=0。
1）趋近波源，波速相当于c+vL。
式中说明频率变高了。
2）远离波源，波速相当于c-vL。
式中说明频率变低了。
（3）假定收听者静止，即vL=0；波源以vs速度运动。
1）声源趋近收听者，相当于波长变短了（λ′）。
式中说明频率变高了。
2）波源远离收听者，相当于波长变长了（λ′）。
式中说明频率变低了。
（4）假定收听者以vL速度运动，波源以vs速度运动。
1）相互趋近时，波速c+vL，波λ′=λ-vst。
式中说明频率变高了。
2）相互远离时，波速c-vL，波长λ′=λ+vst。
式中说明频率变低了。
不论是收听者运动、声源运动，还是两者同时运动，只要是趋近时，频率就变高；远离时，频率就变低。
多普勒超声诊断原理：在进行人体血流检测时，探头发射频率作为声源，血液中的红细胞作为收听者，当两者同时以一定的速度运动时，就有：
（一）血流方向与声束方向平行
不考虑角度情况下，血流方向与声束方向一致。
当vs=0，vL=v，fs=f，那么入射超声频率
当vL=0，vs=v，那么反射超声频率
将（1）代入（2）得：
fd=fr-f式中表示发射频率和接收频率之间的变化量。
（二）超声束与血流方向成角
如果两者方向不一致，超声束与血流方向之间夹角为θ。
式中v为血流速度（m/s或cm/s）；c为超声波在人体中传播速度，1540 m/s；fd为多普勒频移（Hz或MHz）；f为超声波的发射频率（Hz或MHz）；cosθ为入射或反射超声束与血流方向之间夹角的余弦函数。
由式1-11可以得知：
（1）多普勒效应发生的基本条件是声源与接收者发生相对运动。
（2）多普勒频移fd的大小与发射频率f，相对运动速度v及余弦函数cosθ成正比。
（3）在v、c、f一定的条件下，fd的大小取决于cosθ。当θ=0时，cosθ=1，fL最大；当θ=90°时，cosθ=0，fd=0。所以，应用多普勒超声仪时，要注意探头的位置，使声束与血流方向的夹角尽可能小。
超声多普勒技术可以检测人体心血管内血流方向，并计算血流速度和血流量等血流动力学的信息。频谱多普勒技术主要用于：测量并计算心脏及动、静脉的血流速度、血流量；确定血流方向；确定血流性质，如层流或湍流等；获得血流速积分、压力阶差、阻力指数、搏动指数、流速曲线上多种指数等有关血流动力学参数。超声多普勒技术已广泛用于心脏、血管各种疾病的诊断。
三、人体组织
（一）人体组织的声学参数
各种组织器官的密度是重要声学参数中声特性阻抗的重要组成之一。密度的测定应在活体组织保持正常血液供应的情况下进行。密度的单位为g/cm2。
声速是指超声波在介质中的传播速度，单位为m/s或mm/μs。各种不同组织内声速不同：含固体成分多者声速最高，含纤维（主要为胶原纤维）成分多者声速次之，含水分较高的软组织声速较低，液体中的声速更低，气体中则声速最低。
声阻抗为密度与声速的乘积，单位为g/（cm2·s），其为超声诊断中最基本的物理量。超声显像图中各种回声均由声阻抗差产生。
两种声阻抗不同物体相接在一起时，形成一个界面，界面小于超声波长时，称为小界面；界面大于超声波长时，称为大界面。成分复杂的病变经常有不同大小界面混杂，在声像图上表现为强回声。均质体和无界面区：在一个器官、组织中如由分布均匀的小界面组成，称为均质体。液体区内则为无界面区，其内各小点的声阻抗完全一致。人体内无界面区在生理情况下见于血管内血液、胆囊内胆汁、膀胱内尿液及眼球玻璃体。在病变情况下可见于胸腔积液、腹水、心包积液、各脏器囊肿及肾盂积水等。
（二）人体组织对入射超声波的作用
人体组织器官对入射超声波可产生以下多种物理现象。
散射是指小界面对入射超声波产生的散射现象。散射使入射超声波的能量中的一部分向各个空间方向分散辐射、散射，无方向性。如果散射回声是来自组织器官内部的细小结构，则有重要的临床意义。
反射是指大界面对入射超声波产生的反射现象。反射使入射超声能量中有较大部分在与入射超声波同一平面向一个方向发生折返，且反射角与入射角相等。如入射角过大之声束入射到光滑大平面上，则使反射声束偏离换能器，则回声失落而在声像图上不予显示。
超声波声束经过不同的组织器官大界面时，因其声速不同而发生声束前进方向的改变，称为折射。折射可使测量及超声导向产生误差。
如第二介质声速大于第一介质，则折射角大于入射角。当入射角＞90°折射角（称为临界角）时，折射声束完全返回至第一介质，称为”全反射”。全反射发生时，超声波不能进入第二介质，该区可出现折射声影。
绕射又称衍射。当超声声束边缘邻近大界面1～2个波长时，声束传播方向发生改变，趋向这一界面，称为绕射现象。声束绕过大界面后又以原来的方向传播。
超声波在介质中传播时因反射、散射、扩散以及人体软组织对超声能量的吸收，造成超声衰减。由于衰减现象的存在，故需在仪器上使用“深度增益补偿”调节，以使声像图近、远场均匀一致。
声束经过圆形低声速区后，可至声束会聚。囊肿后方可见声束会聚后逐渐收缩变细，呈蝌蚪尾征。
发散声束经过圆形高声速区，可至声束发散。实质性含纤维成分多的圆形肿块后方可见声束发散现象，呈”八”字形。某些肿瘤内含纤维较多，其后方常有发散现象。
入射超声波遇到活动的界面（血管内流动的红细胞）后散射或反射回声频率发生改变，称为多普勒频移。界面活动（流动的红细胞）朝向探头时，回声频率升高呈正频移。界面活动（流动的红细胞）背离探头则回声频移降低，呈负频移。频移大小与界面活动速度（流动的红细胞）成正比。利用多普勒效应可测算出血流方向和血流速度，彩色多普勒血流显像正是利用这一原理。
（三）超声波对人体组织的作用
超声波携带能量，入射人体组织会产生生物学作用。超声显像技术应用的是医用脉冲式超声，通常有4种超声声强，分别为：①空间平均时间平均声强（SATAI）。②空间平均时间峰值声强（SATPI）。③空间峰值时间平均声强（SPTAI）。④空间峰值时间峰值声强（SPTPI）。以上4种超声声强均可对人体产生生物学效应，其中SPTAI在生物学效应中特别重要。1978年，美国医用超声学会生物效应委员会根据W.Nyborg提出的声强与时间关系的安全剂量曲线，建议各类型超声诊断仪使用的超声波的SPTAI不得＞100 mW/cm2即超声显像技术安全阀值。但近年研究发现，SPTAI≤100 mW/cm2，仍可使细胞分裂时姊妹染色体互换率增加，使活体血小板计数增加并长出伪足，使红细胞膜抗原松解及氧结合力下降。在妇产科超声显像检查时，可促使妇女提早排卵，胎儿出生体重降低及儿童诵读困难等。在人体组织中对超声波敏感的组织器官有神经系统、视网膜、生殖腺、早孕期胚芽及妊娠3个月内胎儿等。因此，为了超声显像检查的安全，应对以上脏器超声检查在每一切面上观察时间不超过1分钟，可做切面往返检查，使进入超声波能量平均下降。隔2～3分钟后可再扫查先前感兴趣的切面。时间仍以不超过1分钟为宜。需注意的是彩色多普勒显像比二维黑白超声所产生的SPTAI要大许多。例如，二维超声显像探头发射SPTAI在100 mW/cm2时，在做彩色多普勒显像时SPTAI可达到600～800 mW/cm2，而做频谱多普勒检查时SPTAI可超过1000 mW/cm2。因此做超声检查时要求超声医师熟悉仪器操作技术、缩短扫查时间、选用低度探头输出能量尤其是对超声敏感的部位。
自1994年开始，国际规定在各类型超声诊断仪应用新的参数即热指数（TI）和机械指数（MI）。TI为探头输出的声功率与从计算所得使受检组织升温1℃所需声功率之间的比值，又可分为以下3种。
（1）TIB：声束经软组织至骨骼表面条件下的TI值。
（2）TIC：声束经过探头近区的骨骼再进入体内软组织条件下的TI值。
（3）TIS：声束在单纯软组织中的TI值。MI为超声空化效应的重要参数，为声轴线上所弛张期峰值负压除以声脉冲频宽所中心频率平方根值，即
。
四、超声的生物效应
尽管诊断超声医学以其可靠的临床安全历史著称，但人们还是早就知道超声医学成像在某种程度上仍会影响生物系统。美国超声医学生物效应委员会描述了两种可能引起超声生物效应的基本机制：热机制及非热机制或称为机械效应。国内有不少学者在超声的生物效应方面进行了大量的动物实验和临床探索性工作。
所谓超声生物效应，也就是一定强度的超声波（由辐照声强和辐照时间两个因素决定）在生物体系内传播时，通过它们之间一定的相互作用机制（热生物效应、机械生物效应）致使生物体系的功能和结构发生变化。
（一）超声生物效应的机制
机械生物效应是由超声波声束穿过或擦过组织引起其膨胀或收缩。这类机械作用的绝大部分即空化作用，其牵涉到组织内微气泡的形成、扩大、振动和萎陷。空化现象是指在强超声传播时，会出现一种类似雾状的气泡。空化现象的产生取决于许多因素，如超声波的压力和频率，声场（聚焦或散焦、脉冲波或连续波），组织及界面的状态和性质。该类机械生物效应具有阈值现象即当超声波声能输出超过一定值之后才可能发生，当然组织不同，其阈值也不相同。一般认为机械效应的潜在发生率随着超声波峰压增加而增加，随着超声波频率增加而下降。
尽管人体暴露于诊断超声波中尚未发现有害的机械效应，但对哺乳动物而言，空化现象产生的阈值尚不明了。
由于生物组织大多数属于软组织，因此，在空化作用下，其细微结构多少会发生形变。此形变将随着超声强度的增大而增加。在较小强度超声的作用下，虽然产生形变，但不产生破坏性形变，在超声医学诊断与治疗中所使用剂量均在允许范围内。在较大强度超声的作用下，如超声治疗所用的1 W/cm2以上的剂量，则生物组织会由于超声空化作用而产生不可恢复的破坏性形变，以致细胞、组织坏死。这种强度的剂量用于超声治疗中，如碎石、溶栓等。在外科手术中，用更强的超声作为非侵入性手术刀，这种剂量在常规超声诊断中是禁止使用的。
热生物效应即当组织暴露于超声能量之中其温度上升的现象。这是因为生物组织在超声波机械能的作用下，由于黏滞吸收，使部分声能转换成热能。若在某一特定局部能量堆积超过其热能散发能力，该局部温度上升，温度上升的值取决于超声声能、接触面积及该组织的热物性。如频率1 MHz，声强为1 W/cm2，则超声波辐照1秒导致温度上升0.012℃，辐照1分钟，温度上升0.75℃，辐照5分钟，温度上升3.5℃。
当超声用于治疗疾病，即达到治疗的强度时，热生物效应明显，并能使能量深入人体器官组织，甚至还有可能随着血液循环传导热能。从超声治疗中得知，频率为800 kHz，剂量为4 W/cm2的超声持续辐照20秒后，就在器官组织0.2～3.0 cm的部位产生热生物效应，从而达到治疗效果。目前，高强度聚焦超声（HIFU）在临床中用于治疗肿瘤，由于聚焦部位组织或病变内温度瞬间上升至65℃以上，焦点处能量能使焦点处病变组织瞬间产生凝固性坏死，但对周围组织或声通道上的组织没有损伤，达到手术切除病变组织的目的，对有适应证的肿瘤患者有一定的治疗效果。HIFU治疗频率为0.8～2.4 MHz，焦域声强范围为5000～25000 W/cm2，系统噪声≤65 dB。
在生物介质中存在某些非热效应和非空化作用时出现的某些超声生物效应现象，此现象与声场中的机械应力有关，它们是辐射压、辐射力、辐射转力和超声波的流力等。其引起生物学效应的机制目前还不清楚。
以上三种作用机制经常会同时存在，但其中必然存在一种导致生物效应的主导机制。在各种作用机制之间会产生相互影响。例如，瞬时空化会产生局部高温，而温度升高又会影响空化强度等。诊断超声以空化作用最为重要，空化时可产生大量氧自由基，尤其在液态环境如羊水和血浆中。
（二）超声生物效应的影响
治疗剂量的超声强度对人体组织有着不同程度的损伤，其损伤的程度与频率辐射的时间有关。实验表明，对于1 MHz脉冲持续期为7.3秒的脉冲波，强度为35 W/cm2，只要辐射一次，就可引起致伤的效果。在同样的频率下，脉冲宽度为10毫秒时，即使辐射120秒，也没有引起致伤的效果。
超声对组织的损伤与探头的构造也有一定关系，如矩阵探头，此类探头相当于一个微型计算机，其内有数十个微波束形成器（芯片），芯片需要通电，电流就会产热，使用时间过长，可能会对人体组织产生损伤。
（1）对胚胎绒毛形态结构的影响：经腹超声持续辐照，可致妊娠囊收缩，绒毛板呈细锯齿状，变厚，回声增强。辐照5分钟病理组织学变化不明显，辐照＞10分钟绒毛上皮细胞出现不同程度损坏。经阴道超声辐射时间相同，但病理形态学改变更明显。
（2）对胚胎组织化学的影响：诊断超声辐照孕囊20分钟，过氧化氢细胞化学反应为阳性，丙二醛值随超声剂量增加而升高，而超氧化物歧化酶及谷胱甘肽过氧化物酶活性随超声辐照剂量增加而下降。
（3）对绒毛细胞凋亡的影响：诊断超声对孕囊照射20分钟以上可能引起绒毛滋养层细胞bcl-2蛋白表达率和Fas-Fasl蛋白表达率下降，可能与细胞凋亡增加有关。
（4）对绒毛分子生物方面的影响：诊断超声对孕囊辐射20分钟以上可引起绒毛细胞单、双链DNA裂解。经阴道诊断超声对孕囊辐照10分钟以上，DNA单链、双链断裂，微绒毛扭曲，个别出现断裂、丢失现象，胞质内空泡化明显，粗面内质网扩张。
（5）对胎儿的影响：美国超声生物物理研究所的学者认为，超声在胎儿体内传播过程中产生的次级振动波可被胎儿的内耳结构所接收，该波辐射力能产生一个小范围的”噪声”，相当于空气作为介质的85～120 dB。但由于声束聚焦于非常微小的数毫米小点，胎儿可通过调整姿势来避开该“噪声”，故对胎儿是否造成危害仍没有结论，但建议超声医学工作者行胎儿检查时要尽量避免把探头直接对准胎儿的耳朵。
（三）超声医学的生物安全
就目前超声诊断仪器工作所需的超声声能输出强度而言，未见肯定的对患者及超声医学工作者的生物不良反应的报道。尽管一些生物效应的存在可能在将来被认为有临床不良反应，就目前的数据表明，患者谨慎使用超声诊断仪的利处远远大于其可能存在的潜在危险性。
应用最低能量输出（ALARA）原则是诊断用超声波仪器使用的指导性原则：超声检查时，应以尽可能低的能量输出获得必需的临床诊断信息，也就是在能够获得诊断图像的同时，尽可能地少暴露在超声波之下，可以将超声波对使用者的生物效应减至最小。由于诊断用超声波的生物效应阈值尚未确定，所以，超声医学工作者有责任对患者接受的总能量加以控制，还必须兼顾患者在超声波下的暴露时间和诊断图像的质量。为了保证诊断图像的质量并限制暴露时间，超声诊断仪提供了在超声检查过程中可操纵的控制键，以使检查结果最优化。
诊断类超声仪所应用的成像模式是由所需的信息决定的。二维及M模式成像提供解剖信息，而多普勒成像、彩色能量图及彩色多普勒成像则提供与血流有关的信息。二维、彩色能量图及彩色多普勒等扫描模式将超声能量在扫描区域内分散；而M模式或多普勒成像等非扫描模式则将超声能量聚集。了解所用成像模式的特点将使超声仪器操作者能够用有依据的判断来应用ALARA原则。使用者可以通过多种系统控制来调整图像的质量，并限制超声强度。控制的方法分为三类：直接控制、间接控制和接收器控制。
（1）直接控制：应用选择和Output Power控制直接影响超声强度。对于不同的检查部位，可有不同范围的允许使用超声强度和能量输出。在任何一项检查开始之前，首先要做的一件事就是为该项检查选择合适的超声强度范围。例如，对外周血管检查时的超声强度就不适用于对胎儿的检查。有些超声仪能够自动为某一应用选择合适的超声强度范围，而有些超声仪则要求进行手动选择。
Output Power对超声强度有直接影响。一是确定了应用类型，就可以使用Output Power控制键来增加或降低输出强度，在保证获得高质量图像的前提下，选择最低的输出强度。
（2）间接控制：间接控制是指对超声强度产生间接影响的控制。成像模式、脉冲重复频率、聚焦深度、脉冲长度及探头选择对超声强度可产生间接影响。
1）成像模式：成像模式的选择决定了超声波束的性质。二维是扫描模式，多普勒是非扫描模式或静止模式。一束静止的超声波束将能量聚集在一个位置上，而移动或扫描模式的超声波束则将能量分散在一个区域上，而且超声波束聚集在同一区域的时间比非扫描模式的时间要短。
2）脉冲重复频率：脉冲重复频率是指在某一时间段内猝发超声能量的次数。其频率越高，单位时间内发生的能量脉冲就越多。与聚焦深度、采样容积深度、血流优化、标尺、聚焦数量及扇面宽度控制等因素有关。
3）聚焦深度：超声波束的聚焦情况影响图像分辨力。为了在不同的聚焦情况下维持或增加分辨力，就需要改变对该聚焦带的输出。这种输出变化是系统优化的结果。不同的检查部位需要不同的聚焦深度。设置合适的聚焦深度可以提高检查部位的分辨力。
4）脉冲长度：脉冲长度是指超声波猝发的开启时间长度。脉冲越长，时间平均强度值就越大，造成温度升高和空化的可能性也越大。在脉冲多普勒中，脉冲长度是指输出脉冲的持续时间。多普勒取样容积大小的增加会使脉冲长度增加。
5）探头选择：探头选择对超声强度有间接的影响。组织衰减随频率而变化。探头工作频率越高，超声能量的衰减越大。对于较深的部位，采用较高的探头工作频率会需要使用更高的输出强度进行扫描。要想用相同的输出强度扫描更深的部位，需要采用较低的探头频率。
（3）接收器控制：超声诊断仪操作者可以使用接收器来提高图像的质量。这些控制并不对输出产生影响，接收器控制只影响超声波回声的接收方式。这些控制包括增益、时间深度增益控制（TGC）、动态范围和图像处理。相对于输出来说，重要的是在增加输出之前应先对接收器控制进行优化。例如，在增加输出之前对增益进行优化，可提高图像的质量。
对患者的肾脏进行超声扫描，首先选择适当的探头频率，之后就应对输出功率进行调节，从而保证以尽可能低的设置采集图像。在采集图像之后，调整探头的聚焦，并增大接收器增益，以保证探头在继续对其他组织进行扫描时能够获得相同的图像质量。如果单纯增大增益就足以保证图像的质量，那么就应将输出功率调低。
在获取肾脏的二维图像之后，可采用彩色模式对肾脏进行血流成像，与二维图像显示相类似，在增大输出之前，必须对增益和图像处理控制进行优化。
完成了对肾脏的彩色血流成像后，应用多普勒控制取样容积在血管中的位置。在增大输出之前，调整速度范围或标尺及多普勒增益，以获得最佳的多普勒频谱。
总之，应用最低的有效辐射量，首先选择合适的探头频率和应用类型；从低的输出能量等级开始；通过调节聚焦、接收器增益和其他成像控制，使图像达到最优；如果此时还不能得到具有诊断价值的图像，才考虑增大输出功率。
超声诊断仪的声能输出显示包括两个基本指数，机械指数（MI）和热指数（TI）。热指数又由下列指数组成：软组织热指数（TIS）、骨热指数（TIB）、头盖骨颅内热指数（TIC）。三个热指数中的一个指数会显示出来，至于显示哪一个，由超声诊断仪的预设或使用者的选择而定。MI在0.0～1.9，以0.1的增量连续显示。三个热指数根据探头和应用类型，以0.1的增量，在0.0到最大输出的范围内连续显示TIS、TIB、TIC。TIS用于对软组织进行成像，TIB用于骨骼或骨骼附近聚焦，TIC用于颅内或近皮肤的头盖骨成像。
（1）机械指数：用于评估潜在的机械生物效应。定义为超声波峰值（膨胀）压力MPa[按组织衰减系数0.3 dB/（MHz·cm）降低后]除以探头中心频率MHz平方根。
MI值越高，发生机械生物效应的潜在可能性就越大。并不是在某一个特定的MI值时就会发生机械生物效应。
（2）热指数：用于向使用者在某些特定假设状况下可能导致身体表面、身体组织内部或超声波束在骨骼上的聚焦点发生温度的上升，定义为总声能输出能量与组织温度升高1℃所需声能之比。
1）TIS评估软组织或相似组织内的温度上升状况。
2）TIB评估超声束穿过软组织或液体聚焦于较深体内处骨头或邻近骨头部位的温度上升状况，如在4～6个月胎儿的骨头或其周围的温度上升的可能性。
3）TIC评估颅内或近体表头骨等处的温度上升状况。
类似于MI、TI为组织温度上升的相对参数，TI高代表着升高的温度，但只是作为一种可能性，并不作为温度已经升高的指示。
在对超声诊断仪的各种控制进行调整之后，MI和TI值可能会发生改变，尤其对输出功率控制进行调整后，指数的变化尤为明显。
（1）输出功率：输出功率控制诊断仪的超声输出。屏幕上显示出MI和TI值，并随超声诊断仪对输出功率的调整做出相应的变化。在三同步组合模式中，每个模式都对总的TI施加影响，其中会有一个模式成为影响总指数的主要因素。所显示的MI取决于峰值压力最高的那个模式。
（2）二维控制。
1）扇区宽度：减小扇角可使帧频提高，将使TI值增大。采用软件控制可以自动将脉冲发生器电压下调，使TI值低于仪器的最大值。脉冲发生器电压的降低将导致MI值降低。
2）局部缩放：提高局部放大倍数可提高帧频，将使TI值增大，聚焦的数量也将自动增加，以提高分辨力。峰值强度可能在不同的深度出现，可能会使MI值发生改变。
3）聚焦数量及聚焦深度：较多的聚焦可能会自动改变帧频或聚焦深度，从而使TI和MI值均改变。降低帧频会使TI值降低。所显示的MI值将与具有最大峰值强度的区域相对应。通常情况下，当聚焦深度接近探头的自然焦点时，MI值将升高。
（3）彩色模式控制。
1）彩色扇区宽度：较小的彩色扇区宽度将提高彩色帧频和TI值。仪器将自动降低脉冲发生器电压，导致MI值降低。如果同时启用了脉冲多普勒，其将成为主导模式，TI值的变化将很小。
2）彩色扇区深度：扩大彩色扇区深度将自动降低彩色帧频。一般而言，TI值将随彩色扇区深度的增加而减小。MI值将与主导的脉冲类型（彩色脉冲的峰值强度）相对应。
3）彩色标尺：用标尺控制来增大彩色速度范围可能会使TI值增大。超声诊断仪将自动调整脉冲发生器电压，其电压降低也将使MI值减小。
（4）M模式和多普勒控制。
1）多同步模式：几种模式组合使用将通过不同脉冲类型的合成对MI和TI产生影响。在同步模式下，TI是相加的，在两种图像显示时，将显示主导脉冲类型的TI值，MI取决于峰值压力最高的那个模式。
2）取样容积深度：当多普勒取样容积深度增加时，多普勒的脉冲重频率（PRF）将自动减少。PRF的增加将导致TI值的增加。超声诊断仪将自动降低脉冲发生器电压，其电压降低导致MI降低。
（1）声场强度的计算：在决定超声波束对人体组织可能会造成的有效作用时，必须计算人体组织上所遭受的强度。因为人体上超声波束的衰减及组织上的超声波强度可能是10～100倍少于在水中同样位置上的测值。根据临床经验，当超声波束通过人体组织时，衰减的量是由以下三个因素决定：①超声波束路径通过的组织类型。②超声波的频率。③超声波束所传播的距离。
（2）空间平均峰值时间强度：凡在脉冲平均强度为最大时，Ispta是整个时间周期上声场点上的超声强度。单位为W/cm2。
（3）空间平均峰值脉冲强度（Ispta）：凡在脉冲平均强度为最大时，Ispta是整个脉冲传送时间上声场点上的超声强度。单位为W/cm2。
（4）最大超声强度（Imax）：Imax是脉冲期间在最高振幅时半周期内的时间平均声强。单位为W/cm2。
（5）真实声束声强（I0b）。
（6）峰值膨胀压力：是在规定点上振幅的暂存的峰值膨胀压力，单位为MPa。
（7）脉冲强度积分：是任何一个规定点的任何规定的脉冲的瞬间速率时间积分，规定脉冲中声频压力包络或水下音频信号包络在非零区域内。每个脉冲等于能量密度焦耳。
如果医学超声诊断仪超出了这些限制值，必须公布其声输出的实际值。超声强度超出规定，可能造成若干生物效应，如女性早熟排卵、胚胎发育不全、胎儿体重减轻、儿童发育迟缓等。值得注意的是，当使用彩色多普勒血流成像、组织多普勒成像、谐波成像等超声检测时，Ispta可上升至500～800 mW/cm2，此时必须将Ispta调低，以获得超声波安全。
（8）超声波辐射时间及波的类型：通常采用脉冲超声波的短波脉冲宽度，其平均峰值超声强度较低，与连续波超声相比，脉冲超声波较安全。
超声波辐射时间过长对生物组织可能产生一定的影响，超声波在临床诊断中一次应＜10分钟，脉冲波声源可以辐射的时间在10分钟合适；对于特定部位的观察，以＜1分钟较为合适，对于早孕的检测，以＜2分钟合适。对于妊娠全过程期间超声检查次数应＜5次。
（张小丽）