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这可能么?产检一胎结果生出双胞胎!

 
撰文 | 吴进远(美国费米国家加速器实验室)
责编 | 陈晓雪
 
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前几天,读了一篇谈双胞胎的微信科普文章,谈到:两个男孩相差五分钟,一前一后来到这个世界,全家人目瞪口呆,因为(产前检查)照B超时,两人影子完全重合,连医生都以为是一个孩子。
 
应该说,这个情节或桥段写得生动有趣,写作技巧很值得我们科普作者学习。不过,这个故事可能有些失真,有必要对有些技术细节仔细抠一抠,讨论一下超声医学成像技术。
 
“回声你啊在哪里”?
 
空谷回声可以说是所有超声探测与成像技术的起点。多年前听过一首歌,里面一句歌词是“回声你啊在哪里”?其实回声本身就在你耳边,我们真正想问在哪里的,是将声音反射回来造成回声的物体。
 
您对着山谷对面的大山激情地高喊一声,过一会就能听到反射回来的声音。如果对面不只一座山,您还可能听到多个回声。我们可以想象,如果是在黑夜里,您甚至可能根据这些回声,大致判断出这些山的位置(前提是不把狼招来)。
 
而用超声波探测人体内的器官,几乎是完全相同的方式,只不过我们是用超声换能器激情高喊,所发出机械波的频率在1到18 兆赫,远超过人耳可以听到的频率。超声波在人体器官边界产生的回波,也是由换能器转换回电信号,然后显示在屏幕上。
 
为什么叫B超?难道有“A超”吗?
 
空谷回声是机械波,但利用回波原理较早开发出来的探测技术却不是使用机械波,而是使用电磁波的雷达技术。因此超声探测技术中有不少从雷达技术中借用的术语,比如探测与显示模式中的A、B、C模式等,此外,还有M、多普勒、脉冲反向、谐波等模式,有兴趣的读者可以上网查阅相关资料。不过,在医院中最常用的还是A和B这两种。习惯上大家多使用B超这个词来与使用A模式的超声检查方法相区别,而很少听到使用 “A超” 这个词。
 
超声探测方法中的A模式,可以用下图来说明:
 
首先,超声换能器对着被探测物体发出一个短脉冲,如上图2(a)所示,这就像我们对着山大吼一声。在物体的边界处,一部分声波反射回来,如图2(b)所示。在不同性质的边界,比如从声阻抗比较高的介质进入声阻抗比较低的介质,或反过来,从声阻抗比较低的介质进入声阻抗比较高的介质,反射声波的强弱和极性可能是不同的。如图2(c)所示例子中,在物体后壁反射的声波,其极性与前壁反射波的极性是相反的。反射波被换能器转换为电信号,电信号通过示波器显示出来,人们就可以根据示波器上回波的大小、波形等信息,推测在声束传播的这条直线上是否存在物体的边界,以及边界前后物质的性质。
 
医学超声检查的适用范围
 
医学检查用的超声波大约在1到18 兆赫,这种频率的超声波在水中或高度含水的器官中传播效果最好,传播速度也相对比较一致,大约在1500 米/秒左右,这是超声检查得以在产科成功应用的主要原因。另外,还有不少科室的超声检查需要患者检查前充盈膀胱(即憋尿),目的也是为了获得更好的成像效果。
 
普通的声波可以在空气中传播,然而医用频率范围内的超声波在空气中衰减得很快,因而无法用于检查肺部。去做检查时,医生会在您的皮肤上涂一些膏状的粘稠胶体,这是为了防止探头和皮肤之间存有空气,探头与皮肤之间如果有空气会使超声波强烈衰减,并且带来强烈的反射波,影响检查的效果。
 
机械波在流体中只有一种波动模式,即压缩波或纵波,如果遇到固体,则会产生横波。如果固体是各向异性的,甚至会出现两个不同偏振方向的横波。也就是说,在各向异性固体中会出现三种不同振动方向,不同速度的波。因此,医学超声检查也不能用在检测固体,比如骨骼,否则会产生许多复杂、令人眼花缭乱的回波。据笔者所知,医学超声检查用于固体的一个例外是探测各种结石。
 
总之,机械波存在于“海陆空”即液体、固体和气体之中,而超声医学检查基本上都是“水兵”。
 
什么是B超?
 
如果说,A超是“枪扎一条线”,B超就是“棍扫一大片”。超声探测方法中的B模式,可以用下图来说明:
 
超声换能器不停地发射超声脉冲,器官的边界将声脉冲反射回换能器,这一点,B超与A超完全相同。不过,B超的声束是不停地往返横向扫描的,如图3(a)所示。声束的扫描早期是靠探头机械转动来实现的,近些年出现了用相控阵技术生成扫描声束,避免了在探头中使用复杂的机械运动部件。
 
B超的显示方法也与A超不同,在A超中,示波器的横坐标是时间,纵坐标是信号幅度。而在B超中,由于要显示二维画面,就需要开辟新的维度,于是,信号强度就用光点或像素的亮度来表示,如图3(b)所示。有回波的地方在屏幕上显示为一个亮点,这些亮点的集合就组成了图像。
 
为了让读者更直观地理解B超显示的图像,这里为大家晒晒笔者的心脏检查结果。
 
在图中,我们可以看到一个扇形的区域,这个区域是声束扫描形成的,沿着每一条扫描线,换能器收到的回波按照到达时间展开,到达时间越晚在图中越靠下。这张图实际上是器官在扇面上的剖面图,几块黑色的区域是心脏的心房和心室,而亮的地方是心肌。肌肉内部不是完全均匀的,声波在传播过程中会有部分反射回来,因此是亮的。而心房和心室内也并不是空的,其中充满了血液,血液相对比较均匀,回波幅度很小,因此看上去是黑的。
 
下面的视频尽管分辨率不是很好,但通过动态的B超图,即使不是学医的读者,也可以分辨出心脏的各个“部件”。
 
影像重合?B超还是X光片?
 
回到双胞胎两人影子完全重合这个问题,根据前面介绍的B超原理,我们很难想象两个胎儿会在一个扇形剖面上重合。
 
如果两个胎儿影子重合这件事真正发生过,则相应的检查应该不是B超,在常见的医学成像技术中,似乎只有拍摄X光片存在很小的可能性,会将两个胎儿的影像重合在一起。拍摄X光片的原理如下图所示。
 
X光管接通高压后发出X光,X光束的截面很大,透过人体后投影到一个平面上。由于人体不同器官和骨骼对于X光的吸收率不同,因而在投影中形成明暗不同的影像。这个平面上的影像过去是用胶片记录下来的,现在多用电子器件,通过逐行逐列的扫描,将像素获取的光强信息储存在电脑当中。在这种投影成像技术中,只有当两个相同形状的物体正好前后处在与光线平行的位置,两个物体才会被拍摄成一个。如同我们把左右手前后摆在与太阳光平行的位置,我们可以使两只手的影子完全重合。
 
我也与几位学医学的朋友讨论,大家都认为双胞胎的母亲产前检查时,拍摄X光片是匪夷所思的。尽管没有证据表明通常X光检查的辐射会对胎儿造成损害,但不论是医生还是患者,通常都不会随意做X光检查。
 
其实更匪夷所思的是整个故事:产前检查没有查出是双胞胎。毕竟在B超问世很多年以前,医生就已经可以通过听胎儿心音等方法判断单双了。如果是真的既拍了X光片,又没有查出双胞胎,应该说是一种相当少见的双重乌龙。
 
因此存在另一种可能,就是整个故事是大人编出来逗孩子玩儿的,完全没有必要认真。但笔者还是希望认真地向读者介绍一下医学超声检查的原理,这样如果您或您的家人去做超声检查,至少您可以知道检查中看到的是哪些剖面的哪些信息,千万不要疑神疑鬼地认为超声检查连双胞胎都看不出来。
 
彩超:
 
医院里还有一种“超”叫“彩超”,别看只改了一个字,说来却是话长。请允许笔者另外作文介绍。
 
彩蛋:声波反射探测方法的简单实验
 
为了更好地解释超声探测方法,这里向大家介绍笔者在家做过的一个简单实验,实验装置如下图:
 
将一个高压电蚊虫拍绑在一个软包椅子上,使用软椅子是为了减少椅子的声反射,椅子和被测物体(如墙面)之间的距离可以任意调整。在一个退役智能手机上下载安装了一个示波器APP,整个实验装置的细节如下图所示:
 
实验的时候,将高压电蚊虫拍充满电,按下高压生成按钮,使得金属内外网之间存在一个高压。用绝缘把的改锥将金属内外网短路,打一个强烈的电火花。这里提醒读者绝对不可以用手碰触任何金属部分,以免发生触电事故。在任何情况下,绝对不可以独自进行任何有人身危险的实验。
 
电火花产生一个响亮而短促的声音,这个声音一部分直接到达手机示波器,另一部分传播出去,遇到墙或其它物体反射回来,在较晚的时刻到达示波器。这样一来,我们就能在示波器上看到发射波和回波,根据两者的时间差,我们就能算出反射体到高压电蚊虫拍之间的距离。
 
当我们将椅子挪到离墙比较近时,高压电蚊虫拍到墙的间隔为68 cm左右。空气中的声速大约340 m/s,这样发射波与第一个回波之间的时间差约为4 ms,示波器上的显示如下图所示:
 
当高压电蚊虫拍到墙的间隔为102 cm左右,这时发射波与第一个回波之间的时间差约为6 ms,示波器上的显示如下图所示:
 
当高压电蚊虫拍到墙的间隔为136 cm左右,这时发射波与第一个回波之间的时间差约为8 ms,示波器上的显示如下图所示:
 
A模式超声探测的方法与这个实验几乎完全相同。
 
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