明明做了“彩超”，医生怎么给我黑白照片？
2022/9/6 7:00:00 科学大院
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想象一下这样一个场景：你去医院体检，走进了彩超室，医生拿着个神秘仪器在你肚子上摆弄了半天，接着出了一份诊断报告。你拿着报告单，却分明看到报告单上的影像部分印着这样一幅图像：
图片来源：文献1
你看着报告单百思不解，向医生问道：“为什么我做的是‘彩色超声’，结果报告影像却是黑白的？“
医生瞅了一眼报告单，说：“没错，这就是彩超报告”，随后就招呼下一个病人去了。
你满脸狐疑，心想彩超到底是个什么玩意，为什么“彩”超居然可以不是彩色的？于是回到家之后，你试着上网搜索“什么是彩超”，得到了这样的答案：
“
彩超即彩色多普勒血流显像，英文缩写CDFI。彩超将所获得的多普勒信息进行处理，通过彩色灰阶编码，以不同的颜色和亮度分别标识血流的方向和速度的大小，并叠加于B型超声声像图上。”
面对这串好像每个字都看得懂，但是连在一起就不知道是什么意思的描述，你似乎更加搞不懂为什么彩超报告是黑白的了。
为了能直观理解什么是彩超，为什么要做彩超，以及“为什么彩超可以是黑白的”这个问题，我们还需要从医学超声检测的历史讲起。
最早的超声形式——A超
一个人站在山峰上向着对面的山崖大喊，声波碰到对面的崖壁就会反射产生回声。如果你懂一些物理，还可以通过测量从喊话到听见回声的时间差，来计算你和对面崖壁的距离。
图片来源：askiitians
医学超声检查的原理与它相似。超声最早出现在医学检查领域时，医生使用的并不是我们今天常见的扁长的超声探头，而是更像圆柱体的探头。这种探头能产生一条细长的超声波束。
图片来源：作者拍摄
当细细的超声波束在人体内传播时，如果碰到了不同组织，或者组织和器官的边界，由于人体不同组织间的物理性质存在着微小的差异，一部分的超声波就会发生反射。
图片来源：作者制作
我们使用探头记录这些反射回波，并且将回波以时间-幅度的形式显示在示波器上。
由于超声在人体内的传播速度大约是1540m/s，我们可以很容易地将超声探头记录的回波时间与人体组织边界到探头的距离对应起来。
这就是最早的超声医学检查形式：幅度(Amplitude)型超声检查，简称A超。
图片来源：作者制作
A超检查的作用相当于在不伤害人体的情况下，使用超声探头在人体内开了一个虚拟的小“窗口”，医生能够透过这个窗口知道在人体的某个部分(例如上图的心脏)什么深度上人体组织出现了变化，并结合已有的医学知识做出一些诊断。
超声相对于其它医学检查手段有非常多的优势，它无创伤、无辐射、检查仪器小巧便携又操作简单。
但是人体组织结构非常复杂，通过看示波器波形来推测组织结构变化，这种管中窥豹的检查方式显然非常不直观、还容易出错。
向着B超迈进
为了解决上述问题，科学家们在A超的基础上，对超声检查又做了一系列改进。
首先，科学家对超声探头进行了巧妙的改进，使得探头可以通过机械旋转，或者是电子聚焦的方式向多个方向和目标发射超声波束，其中后者被称为波束形成。在最常见的超声系统中，这些波束根据需要会组合成一个虚拟的扇形或者是矩形的平面。
图片来源：文献2
图片来源：文献3
其次，科学家基于雷达的经验改进了超声回波的显示方式。单根波束产生的回波中，对应着不同深度上有无目标的回波高度，被转换成了一根扫描线上不同深度的亮度信息。
图片来源：作者制作
结合上面提到的波束形成技术，就可以获得人体内多个方向和位置上的许多根扫描线。将这些扫描线拼合在一起，得到的就是一个反映了人体内某一位置横截面结构的超声影像。
图片来源：作者制作
由于这种超声检查技术中，人体结构信息是通过不同位置处亮度不同的亮斑显示的，故被称为亮度(Brightness)型超声检查，也就是B超。
彩超终于来啦!
那么什么是彩超呢？简单来说，科学家们发现，随着技术的进步，不但能够从超声回波中提取出人体的结构位置信息，而且还能提取出多普勒运动信息。
大家都应该亲身或者在镜头里见过这样的场景：一辆赛车拉着尖锐的轰鸣声向你驶来，并且在驶过你的位置之后声音变得低沉。这就是1842年奥地利物理学家多普勒发现的多普勒效应。
当一个运动的物体朝着观测者而来时，它发出的声波会因为二者间的相对运动被压缩，从而频率升高，听起来更尖锐。相反，当一个物体远离观测者而去时，声波会被伸展，频率下降，听起来更低沉。
图片来源：文献4
科学家认识到，在上文提到的B超的基础上，还可以进一步通过判断某一位置对应的回波是被压缩、拉伸还是保持原样，来判断这一区域是否存在运动的人体组织，例如是否存在血液流动。
图片来源：作者拍摄
例如，当医生以上图这样的姿势对患者的颈部进行检查，就能看到一幅清晰的颈部组织横截面图像。
图片来源：作者拍摄
在此基础上，打开彩超功能可以看到，由于颈动脉中的血液是从心脏向着大脑，也就是朝向超声探头方向流动，所以在图像中颈动脉的区域就会显示为红色，这表示运动方向为正的信息。而颈静脉中的血液背着超声探头方向流动，运动方向为负，显示为蓝色。
其他诸如血管、肌肉等组织没有发生和探头的相对运动，也就没有多普勒频移，在屏幕上不显示。
从上面的讲解我们就能看到，彩超图像中的彩色，仅仅是为了让组织运动信息能更明显地区别于组织结构信息而做的人为规定，并不是彩超和普通B超之间的本质区别。
根据彩超成像的原理和目的不难想到，在很多的彩超应用场景下(例如检查某个区域中的血流运动是否顺畅等)，我们只需要知道是否存在组织运动，而对组织运动的方向信息并没有需求。
这种时候，完全可以使用黑白图像，将超声系统检测到的运动信息表示出来就可以了。
图中成像区域内的白色斑块和运动速度示意，就对应了超声系统检测到的血流产生的多普勒运动信息
图片来源：文献1
也就是说，比起普通B超，彩超的区别并不是有没有增加显示的颜色，而是能不能从图像中获得人体组织的运动信息，也就是上图中的内容。
所以，到这里也就破案啦，彩超确实可以呈现不同颜色，只是并不是每张成像图都需要显示颜色而已。
P.S：给熊猫拍的彩色照片，还能叫彩照吗？
参考文献：
[1] 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
[2] Kurjak, A. Arenas, J., Donald School Textbook of Transvaginal Sonography. 2018.
[3] 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
[4] Maulik, D., Doppler Ultrasound in Obstetrics and Gynecology. 2005.
[5] 万明习, 生物医学超声学(上、下册). 2010.
[6] 施克仁, 郭寓, 相控阵超声成像检测. 2010.
[7] Amsterdam, T.L.S., DIAGNOSTIC ULTRASOUND IMAGING: INSIDE OUT. 2004.
[8] 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.
编辑：王婷婷
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