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完全非侵入性的影像檢查利器:超音波檢查

臺北榮民總醫院放射線部前超音波暨乳房影像科 周宜宏主任

醫用超音波檢查簡介
超音波檢查,在大陸稱為超聲,是一種使用超音波做診斷的技術,但是近年來隨著超音波的快速發展,已經不限於診斷性的醫用超音波,雖然基本上醫學超音波最常用於診斷,屬於“醫學影像學”的一個技術或工具。究竟稱呼為超音波或超聲波,何者較能表達其特性,並無定論。原則上音波或聲波是相同的意義,但是在華人口語上的使用,習慣上“聲”常表達人耳易於分辨出的頻率,例如聲響、人聲鼎沸,狗吠聲等等。而所謂的“音”則涵蓋的範圍較廣,而習慣上較屬於物理學上的頻率,如音叉,噪音,尤常用於音樂,例如音響、音域、擴音器、男高音、女高音等等。常看武俠小說的人都會有印象,武功高強的人或許會“傳音入密”,表示“音”具有特殊的物理學意義。

超音波的頻率一般指超過“人耳聽域上限”(20,000 Hertz)以上的頻率,但是在醫學影像學或使用於治療性超音波時,則常為百萬赫(MHz)以上的音波。雖然人類研究音波的特性由來已久,例如希臘神話中就有Echo (愛姑)的故事,代表著人類對於回聲或回音的瞭解,但是診斷性超音波的歷史則在二十世紀才開始被實際應用。超音波被拿來使用於影像學主要在1940年代以後,藉由第二次世界大戰中關於RADAR (雷達)及SONAR (聲納)這兩種技術的開發,醫用超音波的研究才正式邁入新紀元。而真正變為一個有利而具有診斷性的工具則是在1970年代開始之後。

現代的醫用超音波已經是一般的放射線攝影之後最常被應用的影像醫學工具。在人類體內的應用中,超音波用於掃描而獲得影像的能力被認為比其他造影方式更無或幾無傷害性,且極為有效的方法。目前在醫學界,所有的醫學單位皆無法脫離超音波的應用,尤其用於懷孕、心臟、腹部及一般表淺器官的使用,已儼然成為一個不可或缺的工具。

醫用超音波簡史
超音波最早被開發於醫學的應用上,主要為A模式及B模式,在1960年代末到1970年代之間,B模式演發為二維(2D)影像技術,並於1970年代中進入了即時性(real-time)二維影像,即時性影像可由機械式(mechanical)或電子相位式(electronic array)設計,尤其在1970年代末期漸趨發達,帶領近代超音波的進步,隨後在1980、1990年代,隨著電子科技的進展,即時性影像可以獲得更高的frame rates及更佳的解像力,而都卜勒的影像藉由傅立葉形變(Fourier transformation)提供了血流動力學的資訊,而後有所謂複合都卜勒超音波(duplex ultrasound);1980年代初(1982)則由日本的Aloka公司首先發展出彩色都卜勒超音波。而進入了triplex超音波的時代(灰階、頻譜及彩色都卜勒)。1990年代的超音波則由二維進入三維(3D)影像能力,而1990年代末期則開發出快速的三維影像擷取,而迅速的進入四維(4D)。

要產生即時性的三維影像(real-time 3D or 4D)有賴快速的電腦技術,使得二維的影像擷取快速,且在極短的時間內重組(reconstruction),才能獲得近即時性的3D影像,這樣的技術常用於心臟科、胎兒的活動影像,或用於腹部或其他表淺器官(如乳房)影像的辨識。近二、三十年來的影像技術進步,除了包括即時性三維超音波,彩色或能量都卜勒超音波,尚有組織硬度(彈性)量測及超音波對比劑等新的方式以瞭解人體組織病變的生物學或生理、病理特性。

比起目前其他重要的醫學影像學工具,超音波具有下列數個優點:影像的獲得是即時性的,機器可以很容易攜帶到應用的現場或病床旁,具有實質上的廉價效果,音波本身並不具放射性(ionizing radiation)。超音波當然也有某些缺陷,包括病人的合作程度及掃描的技術與經驗,音波本身對於骨頭及空氣的顯著障礙,另外在未使用合適的超音波對比劑時,某些病變的回音特性與正常組織頗為接近,因此可能導致病灶分辨力的限制。

超音波圖的形成
診斷性超音波基本上是應用音波傳遞進入人體之後獲得反射或散(背)射,從而收集這些反射或散射的回音,登入其強度及位置,而製成一個回音圖,這些傳遞出去的音波需要藉由一個重要的設計(device)稱為探頭(transducer),同時由人體反射回來的回音也由探頭接收,改變成電訊號再傳遞回超音波儀的主機,而迅速將圖像組成一個回音強度平面圖。

由音波產生圖像的過程主要分為三個步驟:1. 產生音波,2. 接收回音,3. 將回音轉變為圖像。

典型的醫用超音波由所謂的探頭發出一定頻率範圍的音波,探頭是由一個塑膠殼組成的構造,其中包含電流傳送的設計,壓電晶體所形成的換能器,及換能器表面所披覆的阻力匹配(impedance matching)表皮層(surface layer,也叫表面物質,通常為橡皮或塑膠所製成)。壓電晶體受到強而短暫的電子脈衝所激發,而產生合適的振動頻率,通常為1-18 MHz。早期的技術要將這些放出的音波束(beam)聚焦時,通常用一個音波晶片(acoustic lens),而新的探頭若使用所謂的相位式(phased array)技術時,則單純使用的電流激發時間不同而達到聚焦(也可為多重聚焦,或動態性聚焦)的方式,使得音束的寬度能夠一致的狹窄而得到好的側解像力,這種利用電子脈衝而使得音束得以被適當聚焦的設計及過程稱為音束形成器(beam former或beam forming),聚焦是依賴壓電晶體表面發射出一個弧形(arc-shaped)的音波前趨(wavefront,波前)而形成。

此外,音波由壓電晶體放出經過匹配物質(matching material)要達到人體之前若有空氣阻隔即會被強力反射而無法穿入人體,因此需要有一種水性凝膠(gel)或油性的介質媒介。音波的波束經由皮膚或其他表層結構(例如胃壁、腸壁)穿入人體,有一部份的能量發生反射或散射而形成不同強度的回音反彈回到探頭,而被探頭所偵測到。

反彈回來的回音到達探頭,激動探頭中的壓電晶體,使得晶體震盪而造成電子脈衝,這些脈衝再由相似的過程轉變為數位性的訊號而由儀器重組獲得影像。

每一個反彈回到探頭的回音由超音波儀決定其發射出到反射回探頭所花費的時間決定其距離,另外,也要決定其回音的強度,並決定究竟是由何一晶體(多晶體探頭)所放出及接收到回音。超音波主機需由這些資訊決定圖像中何一像素(pixel)應該顯示出,其強度如何,回音的強度用亮度來表現,回音的位置用矩陣來表示而座落於不同的像素位置。

超音波圖像的判讀
超音波圖像的判讀基本上有賴於完整的人體解剖學概念,一般而言,固體的結構顯示為中度的回音強度,液體的結構呈示為無回音的區域,而人體不同的組成也有不同的強度,例如肺臟含有大量的空氣,而空氣的音波阻力與軟組織的差距甚大,因此音波會被強力反射,因此肺臟的表面(含有很多肺泡)呈極強的回音,人體的骨骼與軟組織也是有大的音波阻力差距,因此骨骼也是呈強回音,這二種人體內最強的回音性構造都會導致後方有強的音影(acoustic shadows),而固體組織中若有固體腫瘤,則其回音強度則依腫瘤所含的成份而呈不同的亮度(即回音強度),例如含有脂肪及纖維性的腫瘤,其回音即較強或很強,在圖像中呈高回音(較亮的)區域,而含有均質的細胞所組成的腫瘤(例如淋巴瘤),故則因缺乏顯著的反射或放射介面呈低回音。含有液體的囊性病變或囊腫則因其中的水分並不反射回音,因此呈(均勻的)無回音區。這些判讀有賴對於病理學的瞭解。至於正常構造中也有很多含有水分的器官,例如膽囊、膀胱,因含有膽汁或尿液,而呈無回音區,女性的卵巢如有濾泡,也呈圓形(無回音)的囊狀構造。產科所使用的超音波常用來偵測懷孕中在羊水所包覆的胎兒的變化,對於胎兒的體內構造或體表的輪廓也可清楚呈示。對於心臟則有肌肉(心肌)及心房、心室(含血液的空腔)等構造,故心房、心室,呈無回音區,而心房、心室之間的瓣膜運動則可清晰觀察。

至於彩色都卜勒則常用來作血流的量測,除了可觀察定性或半定量的血流有無,或血流可能的速度範圍,也可利用脈性都卜勒(pulsed Doppler)作血流速度的監測而得到定量的評估。

結論
醫用超音波可以使用的範圍極廣,除了人體中少數器官因為空氣或骨骼的干擾而有呈示的困難之外,對人體的正常解剖及異常病灶的偵測,都能提供極為重要的診斷訊息,目前不論健康檢查或疾病診斷超音波已成為不可或缺的影像學檢查工具,這種方法幾乎完全不對人體造成傷害,也可作為介入性影像學導引治療的監測工具。



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