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。