黑白色的彩超，還能叫彩超嗎？

出品：科普中國(guó)

作者：曾邱毓晨（超聲學(xué)實(shí)驗(yàn)室）

監(jiān)制：中國(guó)科普博覽

想象一下這樣一個(gè)場(chǎng)景：你去醫(yī)院體檢，走進(jìn)了彩超室，醫(yī)生拿著個(gè)神秘儀器在你肚子上擺弄了半天，接著出了一份診斷報(bào)告。你拿著報(bào)告單，卻分明看到報(bào)告單上的影像部分印著這樣一幅圖像：

圖片來(lái)源：文獻(xiàn)1

你看著報(bào)告單百思不解，向醫(yī)生問(wèn)到：為什么我做的是“彩色超聲”，結(jié)果報(bào)告影像卻是黑白的？

醫(yī)生瞅了一眼報(bào)告單，說(shuō)：“沒(méi)錯(cuò)，這就是彩超報(bào)告”，隨后就招呼下一個(gè)病人去了。

你滿臉狐疑，心想彩超到底是個(gè)什么玩意，為什么“彩”超居然可以不是彩色的？于是回到家之后，你試著上網(wǎng)搜索“什么是彩超”，得到了這樣的答案：

彩超即彩色多普勒血流顯像，英文縮寫(xiě)CDFI。彩超將所獲得的多普勒信息進(jìn)行處理，通過(guò)彩色灰階編碼，以不同的顏色和亮度分別標(biāo)識(shí)血流的方向和速度的大小，并疊加于B型超聲聲像圖上。

面對(duì)這串好像每個(gè)字都看得懂，但是連在一起就不知道是什么意思的描述，你似乎更加搞不懂為什么彩超報(bào)告是黑白的了。

為了能直觀理解什么是彩超，為什么要做彩超，以及“為什么彩超可以是黑白的”這個(gè)問(wèn)題，我們還需要從醫(yī)學(xué)超聲檢測(cè)的歷史講起。

最早的超聲形式——A超

當(dāng)一個(gè)人站在山峰上向著對(duì)面的山崖大喊時(shí)，聲波碰到對(duì)面的崖壁就會(huì)反射產(chǎn)生回聲。如果你懂一些物理，還可以通過(guò)測(cè)量從喊話到聽(tīng)見(jiàn)回聲的時(shí)間差，來(lái)計(jì)算你和對(duì)面崖壁的距離。

圖片來(lái)源：askiitians

醫(yī)學(xué)超聲檢查的原理與它相似。超聲最早出現(xiàn)在醫(yī)學(xué)檢查領(lǐng)域時(shí)，醫(yī)生使用的并不是我們今天常見(jiàn)的扁長(zhǎng)的超聲探頭，而是更像圓柱體的探頭。這種探頭能產(chǎn)生一條細(xì)長(zhǎng)的超聲波束。

圖片來(lái)源：作者拍攝

當(dāng)細(xì)細(xì)的超聲波束在人體內(nèi)傳播時(shí)，如果碰到了不同組織，或者組織和器官的邊界，由于人體不同組織間的物理性質(zhì)存在著微小的差異，一部分的超聲波就會(huì)發(fā)生反射。

圖片來(lái)源：作者制作

我們使用探頭記錄這些反射回波，并且將回波以時(shí)間-幅度的形式顯示在示波器上。

由于超聲在人體內(nèi)的傳播速度大約是1540m/s，我們可以很容易地將超聲探頭記錄的回波時(shí)間與人體組織邊界到探頭的距離對(duì)應(yīng)起來(lái)。

這就是最早的超聲醫(yī)學(xué)檢查形式：幅度(Amplitude)型超聲檢查，簡(jiǎn)稱A超。

圖片來(lái)源：作者制作

A超檢查的作用相當(dāng)于在不傷害人體的情況下，使用超聲探頭在人體內(nèi)開(kāi)了一個(gè)虛擬的小“窗口”，醫(yī)生能夠透過(guò)這個(gè)窗口知道在人體的某個(gè)部分，例如上圖的心臟處什么深度上人體組織出現(xiàn)了變化，并結(jié)合已有的醫(yī)學(xué)知識(shí)做出一些診斷。

超聲相對(duì)于其它醫(yī)學(xué)檢查手段有非常多的優(yōu)勢(shì)，它無(wú)創(chuàng)傷、無(wú)輻射、檢查儀器小巧便攜又操作簡(jiǎn)單。

但是人體組織結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，通過(guò)看示波器波形來(lái)推測(cè)組織結(jié)構(gòu)變化，這種管中窺豹的檢查方式顯然非常不直觀、還容易出錯(cuò)。

向著B(niǎo)超邁進(jìn)

為了解決上述問(wèn)題，科學(xué)家們?cè)贏超的基礎(chǔ)上，對(duì)超聲檢查又做了一系列改進(jìn)。

首先，科學(xué)家對(duì)超聲探頭進(jìn)行了巧妙的改進(jìn)，使得探頭可以通過(guò)機(jī)械旋轉(zhuǎn)，或者是電子聚焦的方式向多個(gè)方向和目標(biāo)發(fā)射超聲波束，其中后者被稱為波束形成。在最常見(jiàn)的超聲系統(tǒng)中，這些波束根據(jù)需要會(huì)組合成一個(gè)虛擬的扇形或者是矩形的平面。

圖片來(lái)源：文獻(xiàn)2

圖片來(lái)源：文獻(xiàn)3

其次，科學(xué)家基于雷達(dá)的經(jīng)驗(yàn)改進(jìn)了超聲回波的顯示方式。單根波束產(chǎn)生的回波中，對(duì)應(yīng)著不同深度上有無(wú)目標(biāo)的回波高度，被轉(zhuǎn)換成了一根掃描線上不同深度的亮度信息。

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結(jié)合上面提到的波束形成技術(shù)，就可以獲得人體內(nèi)多個(gè)方向和位置上的許多根掃描線。將這些掃描線拼合在一起，得到的就是一個(gè)反映了人體內(nèi)某一位置橫截面結(jié)構(gòu)的超聲影像。

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由于這種超聲檢查技術(shù)中，人體結(jié)構(gòu)信息是通過(guò)不同位置處亮度不同的亮斑顯示的，故被稱為亮度（Brightness）型超聲檢查，也就是B超。

彩超終于來(lái)啦！

那么什么是彩超呢？簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，隨著技術(shù)的進(jìn)步，不但能夠從超聲回波中提取出人體的結(jié)構(gòu)位置信息，而且還能提取出多普勒運(yùn)動(dòng)信息。

大家都應(yīng)該親身或者在鏡頭里見(jiàn)過(guò)這樣的場(chǎng)景：一輛賽車?yán)怃J的轟鳴聲向你駛來(lái)，并且在駛過(guò)你的位置之后聲音變得低沉。這就是1842年奧地利物理學(xué)家多普勒發(fā)現(xiàn)的多普勒效應(yīng)。

當(dāng)一個(gè)運(yùn)動(dòng)的物體朝著觀測(cè)者而來(lái)時(shí)，它發(fā)出的聲波會(huì)因?yàn)槎唛g的相對(duì)運(yùn)動(dòng)被壓縮，從而頻率升高，聽(tīng)起來(lái)更尖銳。相反，當(dāng)一個(gè)物體遠(yuǎn)離觀測(cè)者而去時(shí)，聲波會(huì)被伸展，頻率下降，聽(tīng)起來(lái)更低沉。

圖片來(lái)源：文獻(xiàn)4

科學(xué)家認(rèn)識(shí)到，在上文提到的B超的基礎(chǔ)上，還可以進(jìn)一步通過(guò)判斷某一位置對(duì)應(yīng)的回波是被壓縮、拉伸還是保持原樣，來(lái)判斷這一區(qū)域是否存在運(yùn)動(dòng)的人體組織，例如是否存在血液流動(dòng)。

圖片來(lái)源：作者拍攝

例如，當(dāng)醫(yī)生以上圖這樣的姿勢(shì)對(duì)患者的頸部進(jìn)行檢查，就能看到一幅清晰的頸部組織橫截面圖像。

圖片來(lái)源：作者拍攝

在此基礎(chǔ)上，打開(kāi)彩超功能可以看到，由于頸動(dòng)脈中的血液是從心臟向著大腦，也就是朝向超聲探頭方向流動(dòng)，所以在圖像中頸動(dòng)脈的區(qū)域就會(huì)顯示為紅色，這表示運(yùn)動(dòng)方向?yàn)檎男畔?。而頸靜脈中的血液背著超聲探頭方向流動(dòng)，運(yùn)動(dòng)方向?yàn)樨?fù)，顯示為藍(lán)色。

其他諸如血管、肌肉等組織沒(méi)有發(fā)生和探頭的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，也就沒(méi)有多普勒頻移，在屏幕上不顯示。

從上面的講解我們就能看到，彩超圖像中的彩色，僅僅是為了讓組織運(yùn)動(dòng)信息能更明顯地區(qū)別于組織結(jié)構(gòu)信息而做的人為規(guī)定，并不是彩超和普通B超之間的本質(zhì)區(qū)別。

根據(jù)彩超成像的原理和目的不難想到，對(duì)于很多的彩超應(yīng)用場(chǎng)景，例如檢查某個(gè)區(qū)域中的血流運(yùn)動(dòng)是否順暢等，我們只需要知道是否存在組織運(yùn)動(dòng)，而對(duì)組織運(yùn)動(dòng)的方向信息并沒(méi)有需求。

這種時(shí)候，完全可以使用黑白圖像，將超聲系統(tǒng)檢測(cè)到的運(yùn)動(dòng)信息表示出來(lái)就可以了。

圖中成像區(qū)域內(nèi)的白色斑塊和運(yùn)動(dòng)速度示意，就對(duì)應(yīng)了超聲系統(tǒng)檢測(cè)到的血流產(chǎn)生的多普勒運(yùn)動(dòng)信息 圖片來(lái)源：文獻(xiàn)1

也就是說(shuō)，比起普通B超，彩超的區(qū)別并不是有沒(méi)有增加顯示的顏色，而是能不能從圖像中獲得人體組織的運(yùn)動(dòng)信息，也就是上圖中的內(nèi)容。

所以，到這里也就破案啦，彩超確實(shí)可以呈現(xiàn)不同顏色，只是并不是每張成像圖都需要顯示顏色而已。

編輯｜王婷婷

參考文獻(xiàn)

Cantisani, V., et al., Color-Doppler ultrasound with Superb Microvascular Imaging (SMI) compared to Contrast Enhanced Ultrasound (CEUS) and CT angiography to identify and classify endoleaks in patients undergoing EVAR. 2016

Kurjak, A. Arenas, J., Donald School Textbook of Transvaginal Sonography. 2018.

Jensen, J., Linear description of ultrasound imaging systems: Notes for the international summer school on advanced ultrasound imaging at the technical university of denmark. 1999

Maulik, D., Doppler Ultrasound in Obstetrics and Gynecology. 2005.

萬(wàn)明習(xí), 生物醫(yī)學(xué)超聲學(xué)（上、下冊(cè)）. 2010.

施克仁, 郭寓, 相控陣超聲成像檢測(cè). 2010.

Amsterdam, T.L.S., DIAGNOSTIC ULTRASOUND IMAGING: INSIDE OUT. 2004.

Woo, J., A short history of the development of ultrasound in obstetrics and gynecology. History of Ultrasound in Obstetrics and Gynecology, 2002. 3: p. 1-25.