第1章 眼超声生物显微镜的基本原理和检查技术
第一节 声波的产生和物理特性
一、声波的产生
声波的产生来自发声体的振动。所有发声的物体一定都在振动。一旦物体振动停止，声音的产生也会随之停止。但不是所有物体的振动都会产生声音。发声物体停止振动，声音不一定停止。这些现象与声音的传播有关。
1.声音的传播 声音的传播需要传播介质，传播介质需要具有弹性和惯性。声音需要介质向四周传播。传播介质可以为气体、液体和固体。
声波在真空中是无法传播的。因此在真空中振动的物体是不会产生声音的。如果振动物体停止振动，则声音的产生停止，但是在介质中传播的声音还会传播下去。
2.声音的接收 任何接收声波的生物体所接收的声波频率是有限定范围的。人类可以听到的声波，称为可听波，频率范围为20Hz至2×104Hz。
二、声波物理特性
声波的频率、波长和速度是决定声波特性的基本物理量。
声波的频率f是指声波阵列中质点在单位时间（1s）内振动的次数。单位为赫兹（Hertz，Hz）。
波长λ指位于相同相位度的两个相邻质点之间距离，也指声波在一个时间周期内传播的距离。
速度v是声波在单位时间内传播的距离。
三者之间的关系如下。
波长与频率和传播速度呈线性相关。波长是决定图像分辨率的重要因素。
第二节 超声波定义和医学应用
一、超声波的定义
人类听觉能察觉的波动，称作声音。这种声波称为可听波。人类可以听到的*小频率的声波频率为20Hz，*大频率的声波频率为2×104Hz。频率＜20Hz的声波称为次声波。频率＞2×104Hz的声波称为超声波。次声波和超声波是人类不能听到的声波。某些动物，比如犬，犬耳能听到的声波频率范围为15Hz到5×104Hz，超过人耳能听到的声波范围，所以可以听到人听不到的声音。
二、超声波在医学中的应用
超声生物显微镜（ultrasound biomicroscope，UBM）使用的超声频率在35～100MHz。眼用超声的频率在8～80MHz，其他部位的检查超声频率在2～6MHz。高频声波的使用可以提高分辨率，对于观察细微眼部组织至关重要。眼部组织具有位置表浅，水分含量高，声波吸收消耗少等特点使高频声波在眼部检查中成为可能。
医学应用的超声波由压电材料产生，比如压电陶瓷、压电晶体等。压电材料的特点是在某一个特定方向施加压力，材料两端产生电极化，这一过程称为压电效应，压力越大电极化越大。此外，如果在压电材料上外加电场，压电材料可以在某一特定方向产生机械应变，从而产生声波，这一过程称为逆压电反应，外加电场强度越大，机械应变越大。
在压电材料两端施加强度变化的电场，材料会产生周期性的应变，这种应变推动周边的介质，产生机械波。医学应用的电场强度变化频率在超声频率范围内，就产生了超声波。这种产生超声波的器件称为换能器。由换能器产生的超声波与换能器的几何形状有关，超声波声束的宽度与成像的横向分辨率有关。声束越细，横向分辨率越高。
压电材料可以感知目标反射回来的超声波，产生与振动相对应的电信号。
超声波医学成像与以下几个因素有关。
声脉冲回波测距系统：主要包括产生超声波的转换器、处理回声的接收器和显示屏幕。可以发射并接收声波信息，同时显示在显示屏幕上。
声阻抗：是指声波传导时传播介质位移所需要克服的阻力。声阻抗的大小决定声波在不同传播介质中传播的速度大小。
回声：声波传播至两种拥有不同声阻抗的物质交界的界面时产生回声。交界面声阻抗差异越大，反射回声强度越强。
发生角度：关注区域与声波的角度。声波的垂直角度越大，反射越强。
分辨率：是指声波区别两个相邻目标的能力，分为水平分辨率和垂直分辨率。
第三节 超声生物显微镜原理
一、超声生物显微镜的组成
超声生物显微镜（UBM）主要由四部分组成，分别是脉冲发射仪、转换器、接收器和显示屏。超声脉冲发生器发射大量短电脉冲至转换器，转换器中的压电晶体把电脉冲转换成机械振动，单元件聚焦传感器机械扫描产生高频声波，即纵向超声波。超声波穿透组织后与转换器和探头联系。超声波遇到每一个交界面，都会有部分声波被反射回转换器，提示不同组织的密度变化。回声被转换器中的压电晶体转化成电脉冲，接收器接收电脉冲后处理并同时显示在显示屏上。
二、与超声生物显微镜成像相关的因素
UBM成像相关因素包括衰减、反射、声速和分辨率。
（一）声波的衰减
衰减包括任何一种声束能量减弱的作用。一般情况下，衰减分为两种形式：吸收和反射。吸收是指声能被物质吸收转化成热能。反射改变声波传播方向，从而造成原传播方向上声波的衰减。镜面反射和散射均属于反射。
声波在大一些的组织交界面发生镜面反射。镜面反射信号的强弱与组织形成界面的声学特性及界面与转换器的角度密切相关。在小组织结构中，超声波发生广角散射。散射超声波的能量与声阻抗大小和散射结构的密度相关。
声波在眼部组织中的衰减：巩膜和角膜的结构不同导致声波衰减不同。巩膜组织由多层排列的宽板层胶原构成。这些胶原束的密度不均匀使巩膜具有一定的强度。角膜也由胶原纤维组成，但是细胞外基质密度低，含有高比例的硫酸盐复合物。因此，声波在巩膜内传导衰减强于角膜组织。
睫状体主要由平滑肌构成。
睫状体和虹膜衰减介于角膜和巩膜之间。
（二）声波的反射
在反射的声波中，只有很少一部分*终被接收器探测到并转换为图像信息。为了根据回声的强度准确地探测组织结构，声束必须垂直于检查界面。如果声束与检查界面成斜角入射，那么部分声波会反射，使得探头接收的声波减弱。
声波交界面的形状和大小也可以导致声波的散射。当声波遇到粗糙、不规则的界面时，由于发生不同方向的反射使声波回声减弱。
（三）声速
UBM应用声速把时间转化成距离来计算超声影像中组织的大小。声速与组织的密度成正比。因为人体软组织由大量的水构成，所以软组织的声速与水接近。在37℃时，软组织的声速是1540m/s，水的声速是1524m/s，巩膜的声速是1622m/s，睫状肌的声速是1554m/s，虹膜的声速是1542m/s。
（四）声波分辨率
声波分辨率是指声波分辨两个相邻细小目标的能力。高频声波的使用可以提高分辨率，对于观察细微眼部组织至关重要。
声波分辨率分为轴向分辨率和横向分辨率。
轴向分辨率是将传播轴线方向上位置相近的两个独立目标区分开的能力，与发射脉冲的频率有关。声波发射脉冲越短，声波的轴向分辨率越高。理论上轴向分辨力的极限是1/2波长。由于轴向分辨率与声波频率、压电晶体大小和与晶体相连的隔音材料有关，实际分辨率只能到达波长的3～4倍。此外，声波频率越高，声波的轴向分辨率越高。例如，10MHz的声波检测眼球后节的分辨率为100μm，50MHz的声波检测眼球前节的轴向分辨率为37μm。眼部应用的超声波频率高于身体其他部位检查超声波，因为需要分辨细小的组织。眼科超声检查应用的压电晶体可以转化高频声波，后边的隔音材料可以有效减少脉冲能量的分散。这些条件有效地提高了轴向分辨率。
横向分辨率是识别处于与声束轴向垂直位置两个相邻间隔物体的能力。横向分辨率取决于声波的宽度。为提高横向分辨率，通常在换能器前加声透镜对声束聚焦，使声束收窄，改善横向分辨率。
晶体的双凹设计可以会聚声波在一个特定的集合区域。会聚声波可以同时提高声波的轴向分辨率和横向分辨率。
三、超声生物显微镜的检查
超声生物显微镜（UBM）的扫描宽度分为宽景和窄景两种，窄景的扫描宽度在5～6mm，可以观察房角、睫状体、虹膜、角巩膜缘等部位的详细结构，宽景的扫描宽度在12mm以上，不仅可以观察扫描侧的房角结构，同时还可以观察扫描对侧的房角结构。
UBM采用的换能器是具有固定焦点的原型换能器，焦距一般在5～13mm。
UBM的增益可以调节声波的接收灵敏度。增益越高，灵敏度越高。增益对于强信号会造成回波宽度增宽，从而降低轴向分辨率。UBM仪器的可调增益范围为60～90dB，根据不同观察部分可选择不同的增益。一般结构观察，增益可调节为80dB，对于异物、肿瘤、巩膜等高回声组织病变的观察，可以降低增益60dB左右，这样可以去除周围组织对于病变回声的干扰，有效分辨病灶边缘及内部回声。
UBM的焦平面设置在电脑屏幕的中心，所观察的病变位于屏幕中心时，分辨率*高。同时声波与入射平面垂直时，反射的回声*强，接收器可以接收到*强的反射波，图像也*清新。因此，需要患者转动眼位使探头与检查组织平面垂直，用以获得*佳图像效果。
根据超声接收部件的参数和设计，处理放大、补偿、加强、调节并排除声波信号。尽管仪器已经预置好放大曲线，检查者仍可手动调节。
第四节 超声生物显微镜检查技术
一、检查前准备
超声生物显微镜（UBM）是一种安全且无创的眼科检查。由于耦合剂和超声能量的刺激，检查后患者会有结膜充血的症状。检查时需要患者眼球转向不同方位，需要患者的配合。因此检查前需向患者交代检查过程，疏解患者的紧张情绪，指导患者配合检查。
检查前需要使用表面麻醉剂，包括丁卡因、盐酸奥布卡因等，进行表面麻醉，避免检查给患者带来不适。耦合剂，可以选用眼部护理液、无菌蒸馏水等，排除空气，避免声衰减。眼杯，用于撑开眼睑并容纳耦合剂，探头在眼杯内进行操作。检查后使用抗生素眼膏或眼药水预防感染。协助检查的辅助工具有无菌棉签、纸巾等。
二、检查方法
水浴法：患者需要仰卧位。检查者坐在患者的头顶端或头部右侧。幼儿等不能自主配合者可以采用镇静剂灌肠后再进行检查。检查者用左手扶眼杯，右手持探头进行检查操作。全景图扫描范围在6～12mm，可在正中切面观察全部虹膜及房角，但放大率小，分辨率低。
UBM的扫描方式分为不同切面扫描（表1-1）。
表1-1 UBM常用扫描切面
注：第一眼位是指检查眼水平注视其正前方的眼位；第二眼位是指检查眼分别向上、下、鼻、颞注视的眼位；第三眼位是指检查眼分别向鼻上、鼻下、颞上、颞下注视的眼位
三、UBM的禁忌证
眼球破裂伤、角膜穿孔、内眼手术后1～2周，由于眼球壁屏障功能受损，UBM检查易造成医源性感染，为UBM检查的禁忌。
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