黑白色的彩超，還能叫彩超嗎？

出品：科普中國

作者：曾邱毓晨（超聲學實驗室）

監(jiān)制：中國科普博覽

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

圖片來源：文獻1

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

醫(yī)生瞅了一眼報告單，說：“沒錯，這就是彩超報告”，隨后就招呼下一個病人去了。

你滿臉狐疑，心想彩超到底是個什么玩意，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CDFI。彩超將所獲得的多普勒信息進行處理，通過彩色灰階編碼，以不同的顏色和亮度分別標識血流的方向和速度的大小，并疊加于B型超聲聲像圖上。

面對這串好像每個字都看得懂，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”這個問題，我們還需要從醫(yī)學超聲檢測的歷史講起。

最早的超聲形式——A超

當一個人站在山峰上向著對面的山崖大喊時，聲波碰到對面的崖壁就會反射產(chǎn)生回聲。如果你懂一些物理，還可以通過測量從喊話到聽見回聲的時間差，來計算你和對面崖壁的距離。

圖片來源：askiitians

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

圖片來源：作者拍攝

當細細的超聲波束在人體內(nèi)傳播時，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發(fā)生反射。

圖片來源：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間與人體組織邊界到探頭的距離對應起來。

這就是最早的超聲醫(yī)學檢查形式：幅度(Amplitude)型超聲檢查，簡稱A超。

圖片來源：作者制作

A超檢查的作用相當于在不傷害人體的情況下，使用超聲探頭在人體內(nèi)開了一個虛擬的小“窗口”，醫(yī)生能夠透過這個窗口知道在人體的某個部分，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)學知識做出一些診斷。

超聲相對于其它醫(yī)學檢查手段有非常多的優(yōu)勢，它無創(chuàng)傷、無輻射、檢查儀器小巧便攜又操作簡單。

但是人體組織結(jié)構(gòu)非常復雜，通過看示波器波形來推測組織結(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。

向著B超邁進

為了解決上述問題，科學家們在A超的基礎(chǔ)上，對超聲檢查又做了一系列改進。

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

圖片來源：文獻2

圖片來源：文獻3

其次，科學家基于雷達的經(jīng)驗改進了超聲回波的顯示方式。單根波束產(chǎn)生的回波中，對應著不同深度上有無目標的回波高度，被轉(zhuǎn)換成了一根掃描線上不同深度的亮度信息。

圖片來源：作者制作

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，得到的就是一個反映了人體內(nèi)某一位置橫截面結(jié)構(gòu)的超聲影像。

圖片來源：作者制作

由于這種超聲檢查技術(shù)中，人體結(jié)構(gòu)信息是通過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。

彩超終于來啦！

那么什么是彩超呢？簡單來說，科學家們發(fā)現(xiàn)，隨著技術(shù)的進步，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動信息。

大家都應該親身或者在鏡頭里見過這樣的場景：一輛賽車拉著尖銳的轟鳴聲向你駛來，并且在駛過你的位置之后聲音變得低沉。這就是1842年奧地利物理學家多普勒發(fā)現(xiàn)的多普勒效應。

當一個運動的物體朝著觀測者而來時，它發(fā)出的聲波會因為二者間的相對運動被壓縮，從而頻率升高，聽起來更尖銳。相反，當一個物體遠離觀測者而去時，聲波會被伸展，頻率下降，聽起來更低沉。

圖片來源：文獻4

科學家認識到，在上文提到的B超的基礎(chǔ)上，還可以進一步通過判斷某一位置對應的回波是被壓縮、拉伸還是保持原樣，來判斷這一區(qū)域是否存在運動的人體組織，例如是否存在血液流動。

圖片來源：作者拍攝

例如，當醫(yī)生以上圖這樣的姿勢對患者的頸部進行檢查，就能看到一幅清晰的頸部組織橫截面圖像。

圖片來源：作者拍攝

在此基礎(chǔ)上，打開彩超功能可以看到，由于頸動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，所以在圖像中頸動脈的區(qū)域就會顯示為紅色，這表示運動方向為正的信息。而頸靜脈中的血液背著超聲探頭方向流動，運動方向為負，顯示為藍色。

其他諸如血管、肌肉等組織沒有發(fā)生和探頭的相對運動，也就沒有多普勒頻移，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動信息能更明顯地區(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，對于很多的彩超應用場景，例如檢查某個區(qū)域中的血流運動是否順暢等，我們只需要知道是否存在組織運動，而對組織運動的方向信息并沒有需求。

這種時候，完全可以使用黑白圖像，將超聲系統(tǒng)檢測到的運動信息表示出來就可以了。

圖中成像區(qū)域內(nèi)的白色斑塊和運動速度示意，就對應了超聲系統(tǒng)檢測到的血流產(chǎn)生的多普勒運動信息 圖片來源：文獻1

也就是說，比起普通B超，彩超的區(qū)別并不是有沒有增加顯示的顏色，而是能不能從圖像中獲得人體組織的運動信息，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

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