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超声波（ultrasonic wave）是指频率超过人耳感知频率上限（20 kHz）的声波。超声波作为声波的一种，本质上也是机械波，和人耳能够听到的声波具有共同的物理特性。超声波必须经过介质进行传播。超声波在不同介质中具有不同的传播速度。在医学应用中，超声波最常见的传播方式为纵波，即质点振动的方向与声波传播方向一致。超声波作用于人体介质后，同样会发生反射、散射、折射、衰减等效应。本节着重介绍与超声成像、伪像形成、超声生物效应等与医学超声有关的物理原理。
振幅（ A ）：在介质中传播时，质点离开平衡位置的最大距离，单位为牛顿每平方米（N/m 2 ）。
波长（ λ ）：超声波在介质中传播时，具有同样位移的相邻两点完成一个周期的距离，其标准单位是米（m）。
频率（ f ）：1秒内形成完整波质点振动的次数，单位为赫兹（Hz）。频率的倒数为周期。
周期（ T ）：介质质点完成一次全振动，形成一个波长所需的时间，单位为秒（s）。
声速（ c ）：超声波在介质中传播的速度，单位为米每秒（m/s）。声速与波长、频率之间的关系为 c ＝ λf ，在声速一定时，频率越高，波长越短。对超声波而言，声速取决于介质的密度（ ρ ）和弹性模量（ K ），而不受频率和波长的影响。密度指单位体积内所包含的物质质量；弹性模量指产生单位应变所需要的应力；应力指物体单位面积上所受的力。不同介质中声波传播声速不尽相同（表3-1-1）。通常超声在较硬的介质中传播速度较快，于人体组织中则以在骨骼中的传播速度最快，约为4 080 m/s，而在空气中的传播速度仅为330 m/s，在软组织中平均声速为1 540 m/s。介质中声速的一般规律为：固体中声速＞液体中声速＞气体中声速。由于人体肺内气体较多，所以超声波在肺内的传播速度较慢。
表3-1-1 不同介质中的声速和声阻抗
当超声波经过多层介质传播时，声波与各种组织间的相互作用都会遵循声波的传播特性，如反射、折射、散射和吸收等。超声设备根据声波返回所需时间进行深度定位和处理，不同深度和不同组织的超声信息就会转化成不同的图像信号，这就是超声成像的基本原理。
1．声阻抗（acoustic impedance） 声阻抗是介质的一种声学特性，表示声波从一种介质传播到另一种介质时的能量损耗，其单位为瑞利（Rayl）。声阻抗等于介质的密度与声速的乘积，即： Z = ρc 。不同介质的声阻抗不同（表3-1-1）。不同介质的接触面构成声学界面，当构成声学界面的两种介质的声阻抗差＞0.1%时，即可对发射的超声波产生反射。当声学界面的线度大于声波的波长时，称为大界面；当声学界面的线度小于声波的波长时，称为小界面。在界面上，反射的声波能量的比例取决于形成界面的两侧介质的声阻抗差异性。声阻抗差异性越大，反射信号越强，若两侧介质的声阻抗相同，则界面不会产生回声（图3-1-1）。
图3-1-1 不同声阻抗介质界面透射信号和反射信号强度的关系
垂直入射时，两介质的声阻抗无差异，则不会发生反射；声阻抗的差异越大，反射回声源的超声波越多。界面的距离可以根据超声波到达界面和返回声源的时间（延迟时间）计算得出。在软组织中，可以这样计算：到界面的距离（mm）=传播时间（μs）×0.77（mm/μs）。
2．反射、折射和散射 超声探头向人体软组织发射超声波后，当声波遇到两种不同介质的界面时，一部分超声波能量从界面处改变传播方向返回原介质，称为反射，所形成的反射波称为回声；另一部分超声波能量则向另一介质继续传播，声波方向发生改变，称为折射。散射是指当声波遇到小界面而向多个方向反射的现象。在散射波中，与入射声波反方向的散射称为背向散射。
3．衰减 声波在介质中传播时，由于反射、散射、吸收等原因，将会有一部分能量转化成热能或被介质吸收，从而造成声波强度不断减弱，这种现象称为衰减。用于标量介质衰减特征的物理量称为衰减系数（ α ），衰减量等于衰减系数与传播距离和频率的乘积，即衰减量（ dB ）= αdf ， d =传播距离， f =频率。
声波的衰减取决于声波的频率与介质的特性。高频率的声波衰减明显增大，穿透力减小。可见，声波衰减的特性对临床实践中探头频率的选择具有理论指导意义。由于声波衰减的存在，相同反射系数的声反射界面会因深度的不同，导致换能器接收到的回波信号不同，不能真实地反映所检测组织的回声。为了克服这一缺陷，临床中常根据超声入射组织部位时间长短的不同来调节分段补偿，以达到衰减信号补偿的目的，这称为时间增益补偿（time gain compensation，TGC）。在临床工作中，为了获得均匀清晰的图像，往往会调节机器的TGC曲线。
4．多普勒效应 在声场中，由于声速与接收器相对运动而使频率发生改变的现象称为多普勒效应（Doppler effect）。频率发生变化的大小称为频移，频移的大小与相对运动的速度成正比，这就是超声诊断中的多普勒原理。在超声诊断中，探头方向保持不变，并向人体内发射超声波，声波遇到血液中的红细胞等运动组织而发生反射、散射等，就会产生频移。通过仪器监测组织的频移及大小，就可获得彩色多普勒信号及运动速度。观察目标的运动、声源和介质等都会影响多普勒效应的具体表现。在超声诊断中，由于新生儿呼吸频率较快，所以要采用相对较高的壁滤波和速度标尺，以减少呼吸运动对彩色多普勒信号的干扰。
超声探头向人体组织发射脉冲超声束后，浅层组织的回声信号先到达探头，转换为电信号，最深部组织的回声最后反射回探头。常分为以下3种类型：
A型：即幅度调制式，又叫一维超声，显示单声束界面回声幅度，主要用于眼科器官径线的测量，以判定其大小。此模式是将回声的强与弱以脉冲波形的幅度显示。
B型：即亮度模式，扫描一个解剖平面并显示二维回声图像。在这一模式中，超声探头在一个切面的各个方向上依次发出和接收超声信号，并将每个方向上的回声信号的强弱映射为亮度显示在屏幕上，并排列起来。
M型：即运动模式，记录朝探头方向来回运动的结构图像，常用于显示心脏各层次的运动。超声探头仅在一个方向上发出和接收超声信号，并将回声信号的强与弱用亮度表示，如此反复进行，将测量结果按时间排列起来，可以得到一幅位移-时间动态曲线。在横膈及肺超声诊断中，可以应用M型超声检测横膈的运动幅度以及观察胸膜随呼吸运动的曲线特征。
多普勒超声技术的原理是超声波的多普勒效应，即散射源面向探头移动时，回波频率会增高，背向探头移动则频率会降低。根据频移的大小计算运动体的速度和方向及其随时间的变化，其曲线称为多普勒频谱。超声波遇到流动的血液时发生反射，反射波被探头接收，经过处理转换成图像输出。多普勒超声分为频谱多普勒和彩色多普勒血流成像（color Doppler flow imaging，CDFI），频谱多普勒又分为脉冲多普勒和连续多普勒。脉冲多普勒由同一组晶片发射脉冲超声波并接收红细胞反射波，由于脉冲波采用距离选通技术，可进行定点血流测定，但其测量的最大血流速度为其脉冲重复频率的一半，因此不能检测高速血流。连续多普勒采用两组晶片，其中一组连续发射超声波，另一组连续接收回波，具有很高速度分辨率，可以检测高速血流，但缺乏距离选通能力，不能进行定位测量。CDFI是在频谱多普勒基础上利用多普勒效应对血流进行显像的技术，把多普勒信号经相位检测、自相关处理、彩色灰阶编码转变为不同色彩，通常朝向探头的血流为红色，背离探头的血流为蓝色，血流速度越快，颜色越鲜亮。能量多普勒是利用红细胞散射能量形成的信号，以彩色编码显示，但是与多普勒效应无关，只与观测到的红细胞浓度相关，可观测到低速血流，但无法分辨血流方向。
当超声声波穿过人体时，由于超声成像的物理特性，会产生诸多伪像。伪像是声像图上所显示的、但在人体上并不真实存在的组织结构特征。伪像是超声系统固有的、内在的一部分。由于胸部的解剖特点，超声伪像使得胸部超声成像及评估变得尤为困难。一方面，伪像可以扭曲客观存在结构的大小、位置、形态以及回声，导致无法正确或完整地对这些结构成像；同时伪像也可以“无中生有”，显示某些并不存在的结构。另一方面，伪像对于某些疾病的诊断非常重要，不可或缺。当某些位于肺表面或骨性胸廓的特定伪像一旦缺失（如气体的混响伪像、骨组织的声影），即能够帮助检查者诊断特定的疾病（如肺部病变及肋骨的病变）。当伪像出现在某些非常规的部位时，也可以作为诊断标准，如胸膜腔内出现气体的混响伪像即可做气胸的诊断。
1．声束伪像
（1）混响伪像（多重反射伪像） 超声波遇到体内平滑大界面时，部分声能量返回探头表面之后，又从探头的平滑面再次反射，第二次进入体内。超声波在组织与气体边界处几乎发生全反射，从而形成混响伪像。二者间的边界成为强反射界面，该界面将声波反射回探头表面，然后在探头表面再次被反射，传播至组织与气体的边界，如此反复，形成多重反射伪像。根据声波传播至界面的时间不同，组织与气体边界处的多次反射回波信号会沿声波传播方向在图像的深方显示，位于深方的回声强度减弱。在一般实质脏器成像时，由于第二次反射进入体内的声波强度明显减弱，其微弱二次图形叠加在一次图形中，不被察觉；但如大界面下方为较大液性暗区时，此微弱二次图形可在液区的前壁下方隐约显示。
（2）镜面伪像 镜面伪像是强反射界面处入射角依赖性声波反射现象，必须在大而光滑的界面上产生，常见于横膈附近，声束入射到横膈表面偏转反射至组织内，在组织内遇到反射体发生反射，背向返回横膈并再次被反射回到超声探头。此时在声像图上所显示者，为镜面深部与此靶标距离相等、形态相似的声像图。连同声束整体扫查时会与该靶标的实际图形一并显示。一个实质性肿瘤或液性暗区可在横膈的两侧同时显示。较横膈浅的一处为实影；深者为虚影或镜像。形成图像显示的结构总是位于超声声束的轴向位置，显示在实际反射体轴向位置的远端。
（3）边缘声影/侧壁回声失落 入射角较大时，界面处出现折射或衍射，反射声束转向其他方向不回到探头，则产生回声失落现象。当声束平面或声束角度改变，这种伪像会消失。这种伪像出现在声束倾斜入射至反射体表面，是强反射界面处所致的声波折射和衍射。当囊肿或肿瘤外周包以光滑的纤维薄包膜时，超声常可清晰地显示其细薄的前、后壁，但侧壁不能显示，这是由于声束在侧壁的入射角过大而致使侧壁回声失落。
2．由回声强度改变所致的伪像
（1）后壁增强效应 声束在传播过程中必然随深度的增加而不断衰减，为使声像图显示深浅均匀，故仪器采用了深度增益补偿（depth gain compensation，DGC）调节系统。后壁增强效应是指在常规调节的DGC条件下产生的图像，而不是声能量在后壁被其他任何物理能量所增强的效应。DGC调节与软组织衰减的损失一致时，获“正补偿”图。而在整体图形正补偿，但其中某一小区的声衰减特别小时，如液区，则回声在此区的补偿过大，成“过补偿区”，其后壁亦因补偿过高而较同等深度的周围组织明亮得多，这种即为后壁增强效应。此效应常出现在囊肿、脓肿及其他液区的后壁。有些小肿瘤如小肝癌、血管瘤的后壁，亦可略见增强。
（2）声影 指在常规DGC正补偿调节后，在组织或病灶后方所显示的回声低弱甚或接近无回声的平直条状区，这是声波在传播过程中遇到较强衰减体时所造成的。如前所述，衰减由多种因素形成。高反射系数物体（如气体）后方与高吸收系数物体（如骨骼、结石、瘢痕）下方均会产生声影；兼具高反射及高吸收系数者声影更明显。上述情形会妨碍深方结构的显示。
3．切面厚度伪像
切面厚度伪像又称部分容积效应，是指病灶尺寸小于声束束宽，或虽然大于束宽，但部分处于声束内时，病灶回声与周围正常组织回声重叠所形成的伪像。这种现象多见于小型液性病灶，如小型肝囊肿因部分容积效应，其内部常可显示细小回声（是周围肝组织回声重叠效应），而难以与实质性肿块鉴别。当超声声束倾斜地入射到两个声阻抗差较大的强反射界面时，形成的边界层回声会明显增厚，甚至部分模糊并且扭曲。这种现象会造成胸膜、横膈增厚或存在病变的假象，也会造成血管内血栓或沉积物的假象。
4．其他伪像
（1）彗星尾征 彗星尾征也称多次内部混响，是超声波在器官组织的异物（如节育器、胆固醇结晶）内来回反射直至完全衰减时所形成的伪像，表现在声像图上为特征性的“彗星尾”，即节段性的逐渐衰减的强回声带，一个小节段就是一次反射。
（2）振铃效应 振铃效应又名声尾，是声束在传播过程中，遇到一层甚薄的液体层，且液体下方有极强的声反射界面时所产生的效应，多见于胃肠道及肺部。当气体与软组织或液体间的声反射系数在99.9％以上时，绝大部分的入射声束会返回，在经过薄层液体前壁时，声束会再被反射，如此来回多次反射。这种多次反射发生在一个薄层小区内，每往复一次，其声能都会略有降低。随着反射次数的增加，声能降低亦渐显著。声像图上常见到长条状、多层重复纹路分布的亮带，振铃效应的亮带常超越声像全长，抵达更远处。
1．整体增益，背景噪声，脉冲重复频率，壁滤波 整体彩色增益不足或设置不当会导致实际上存在的血流不能被显示（增益过低）或出现大量彩色编码信号所致的“染色过度”，实际不代表血流信号而仅仅是背景噪声（信噪比过低）。
对于管径细小、低流速的血管，应选择较低的脉冲重复频率（pulse repetition frequency，PRF），以防止微弱的血流信号被忽略。当要观察大动脉的时候，可能需要提高PRF或降低整体增益。对于频谱多普勒的调节也是如此。同样，壁滤波的选择也需调节，以防止低速或微弱的血流信号被“滤过”。
2．方向伪像 方向伪像严格来说并不是真正的伪像，只是彩色多普勒血流方向编码的一种具体表现。如果同一根血管同时具有朝向探头和背离探头的血流流向（如血管走行弯曲），红色和蓝色的血流信号就会出现在同一根血管内。血流方向的变化点位于两种颜色交界处，这个交界处区域为黑色，是因为该处没有血流信号填充。
3．混叠伪像 当局部血流速度高于所选择的PRF值时，即出现混叠伪像。这种现象显示为两种颜色血流间移行区的“马赛克”样彩色血流，在频谱多普勒，高于最高流速标尺的频谱部分会被“截掉”，并显示在相反的方向。混叠伪像往往提示血管高度狭窄，局部血液湍流。通过提高CDFI及频谱多普勒的PRF值，将有助于减少混叠伪像。
4．运动伪像 相对超声探头的组织运动会造成明显的“频移”，也会产生彩色多普勒信号。运动伪像的持续叠加会干扰血流显示，特别是靠近心脏和血管的区域尤为显著。
因为存在强反射结构（骨骼、充气的肺组织），胸部超声的伪像会较腹部超声多。在骨组织中，超声波的能量几乎被完全吸收。因此，远场的超声波完全消失，形成声影。胸部超声检查时，超过99%的声波在胸膜与肺内气体形成的第一个界面即被反射，因此，通过超声并不能观察深在的肺组织。只有当表面的肺组织出现改变并形成特定的物理变化时，才可能通过超声观察肺组织。
经腹部超声可以观察到大部分的横膈（右侧通过肝脏作为声窗，左侧通过脾脏作为声窗）。由于声阻抗差比较大以及存在散射现象，声像图显示的横膈厚度大于实际解剖厚度。因为无法获得满意的声束入射角，所以超声无法通过肋间扫查清晰地显示横膈的中央位置。此外，侧方声影也限制了横膈的扫查，会出现回声的连续性中断，因此需要通过其他切面进行补充扫查。
一方面，由于胸部特定的解剖特点，超声成像系统产生的伪像使得胸部超声扫查及评估存在困难；另一方面，骨性胸廓或肺表面特定伪像的缺失，使得应用超声评估肺实质或骨组织有可能作为某些肺及胸部疾病诊断的方法。伪像也可作为诊断标准，如胸膜腔出现气体伴多重反射伪像即可诊断气胸。