這可能么？產檢一胎結果生出雙胞胎！

X光機，圖片來自Pixabay

撰文 | 吳進遠（美國費米國家加速器實驗室）

責編 | 陳曉雪

前幾天，讀了一篇談雙胞胎的微信科普文章，談到：兩個男孩相差五分鐘，一前一後來到這個世界，全家人目瞪口呆，因為（產前檢查）照B超時，兩人影子完全重合，連醫生都以為是一個孩子。

應該說，這個情節或橋段寫得生動有趣，寫作技巧很值得我們科普作者學習。不過，這個故事可能有些失真，有必要對有些技術細節仔細摳一摳，討論一下超聲醫學成像技術。

「回聲你啊在哪裡」？

空谷回聲可以說是所有超聲探測與成像技術的起點。多年前聽過一首歌，裡面一句歌詞是「回聲你啊在哪裡」？其實回聲本身就在你耳邊，我們真正想問在哪裡的，是將聲音反射回來造成回聲的物體。

圖1：會產生回聲的遠山

您對著山谷對面的大山激情地高喊一聲，過一會就能聽到反射回來的聲音。如果對面不只一座山，您還可能聽到多個回聲。我們可以想像，如果是在黑夜裡，您甚至可能根據這些回聲，大致判斷出這些山的位置（前提是不把狼招來）。

而用超聲波探測人體內的器官，幾乎是完全相同的方式，只不過我們是用超聲換能器激情高喊，所發出機械波的頻率在1到18 兆赫，遠超過人耳可以聽到的頻率。超聲波在人體器官邊界產生的回波，也是由換能器轉換回電信號，然後顯示在屏幕上。

為什麼叫B超？難道有「A超」嗎？

空谷回聲是機械波，但利用回波原理較早開發出來的探測技術卻不是使用機械波，而是使用電磁波的雷達技術。因此超聲探測技術中有不少從雷達技術中借用的術語，比如探測與顯示模式中的A、B、C模式等，此外，還有M、多普勒、脈衝反向、諧波等模式，有興趣的讀者可以上網查閱相關資料。不過，在醫院中最常用的還是A和B這兩種。習慣上大家多使用B超這個詞來與使用A模式的超聲檢查方法相區別，而很少聽到使用 「A超」 這個詞。

超聲探測方法中的A模式，可以用下圖來說明：

圖2：超聲探測方法中的A模式

首先，超聲換能器對著被探測物體發出一個短脈衝，如上圖2（a）所示，這就像我們對著山大吼一聲。在物體的邊界處，一部分聲波反射回來，如圖2（b）所示。在不同性質的邊界，比如從聲阻抗比較高的介質進入聲阻抗比較低的介質，或反過來，從聲阻抗比較低的介質進入聲阻抗比較高的介質，反射聲波的強弱和極性可能是不同的。如圖2（c）所示例子中，在物體後壁反射的聲波，其極性與前壁反射波的極性是相反的。反射波被換能器轉換為電信號，電信號通過示波器顯示出來，人們就可以根據示波器上回波的大小、波形等信息，推測在聲束傳播的這條直線上是否存在物體的邊界，以及邊界前後物質的性質。

醫學超聲檢查的適用範圍

醫學檢查用的超聲波大約在1到18 兆赫，這種頻率的超聲波在水中或高度含水的器官中傳播效果最好，傳播速度也相對比較一致，大約在1500 米/秒左右，這是超聲檢查得以在產科成功應用的主要原因。另外，還有不少科室的超聲檢查需要患者檢查前充盈膀胱（即憋尿），目的也是為了獲得更好的成像效果。

普通的聲波可以在空氣中傳播，然而醫用頻率範圍內的超聲波在空氣中衰減得很快，因而無法用於檢查肺部。去做檢查時，醫生會在您的皮膚上塗一些膏狀的粘稠膠體，這是為了防止探頭和皮膚之間存有空氣，探頭與皮膚之間如果有空氣會使超聲波強烈衰減，並且帶來強烈的反射波，影響檢查的效果。

機械波在流體中只有一種波動模式，即壓縮波或縱波，如果遇到固體，則會產生橫波。如果固體是各向異性的，甚至會出現兩個不同偏振方向的橫波。也就是說，在各向異性固體中會出現三種不同振動方向，不同速度的波。因此，醫學超聲檢查也不能用在檢測固體，比如骨骼，否則會產生許多複雜、令人眼花繚亂的回波。據筆者所知，醫學超聲檢查用於固體的一個例外是探測各種結石。

總之，機械波存在於「海陸空」即液體、固體和氣體之中，而超聲醫學檢查基本上都是「水兵」。

什麼是B超？

如果說，A超是「槍扎一條線」，B超就是「棍掃一大片」。超聲探測方法中的B模式，可以用下圖來說明：

圖3：超聲探測方法中的B模式

超聲換能器不停地發射超聲脈衝，器官的邊界將聲脈衝反射回換能器，這一點，B超與A超完全相同。不過，B超的聲束是不停地往返橫向掃描的，如圖3（a）所示。聲束的掃描早期是靠探頭機械轉動來實現的，近些年出現了用相控陣技術生成掃描聲束，避免了在探頭中使用複雜的機械運動部件。

B超的顯示方法也與A超不同，在A超中，示波器的橫坐標是時間，縱坐標是信號幅度。而在B超中，由於要顯示二維畫面，就需要開闢新的維度，於是，信號強度就用光點或像素的亮度來表示，如圖3（b）所示。有回波的地方在屏幕上顯示為一個亮點，這些亮點的集合就組成了圖像。

為了讓讀者更直觀地理解B超顯示的圖像，這裡為大家晒晒筆者的心臟檢查結果。

圖4：心臟的B超顯示

在圖中，我們可以看到一個扇形的區域，這個區域是聲束掃描形成的，沿著每一條掃描線，換能器收到的回波按照到達時間展開，到達時間越晚在圖中越靠下。這張圖實際上是器官在扇面上的剖面圖，幾塊黑色的區域是心臟的心房和心室，而亮的地方是心肌。肌肉內部不是完全均勻的，聲波在傳播過程中會有部分反射回來，因此是亮的。而心房和心室內也並不是空的，其中充滿了血液，血液相對比較均勻，回波幅度很小，因此看上去是黑的。

下面的視頻儘管解析度不是很好，但通過動態的B超圖，即使不是學醫的讀者，也可以分辨出心臟的各個「部件」。

影像重合？B超還是X光片？

回到雙胞胎兩人影子完全重合這個問題，根據前面介紹的B超原理，我們很難想像兩個胎兒會在一個扇形剖面上重合。

如果兩個胎兒影子重合這件事真正發生過，則相應的檢查應該不是B超，在常見的醫學成像技術中，似乎只有拍攝X光片存在很小的可能性，會將兩個胎兒的影像重合在一起。拍攝X光片的原理如下圖所示。

圖5：X光成像技術原理

X光管接通高壓後發出X光，X光束的截面很大，透過人體後投影到一個平面上。由於人體不同器官和骨骼對於X光的吸收率不同，因而在投影中形成明暗不同的影像。這個平面上的影像過去是用膠片記錄下來的，現在多用電子器件，通過逐行逐列的掃描，將像素獲取的光強信息儲存在電腦當中。在這種投影成像技術中，只有當兩個相同形狀的物體正好前後處在與光線平行的位置，兩個物體才會被拍攝成一個。如同我們把左右手前後擺在與太陽光平行的位置，我們可以使兩隻手的影子完全重合。

我也與幾位學醫學的朋友討論，大家都認為雙胞胎的母親產前檢查時，拍攝X光片是匪夷所思的。儘管沒有證據表明通常X光檢查的輻射會對胎兒造成損害，但不論是醫生還是患者，通常都不會隨意做X光檢查。

其實更匪夷所思的是整個故事：產前檢查沒有查出是雙胞胎。畢竟在B超問世很多年以前，醫生就已經可以通過聽胎兒心音等方法判斷單雙了。如果是真的既拍了X光片，又沒有查出雙胞胎，應該說是一種相當少見的雙重烏龍。

因此存在另一種可能，就是整個故事是大人編出來逗孩子玩兒的，完全沒有必要認真。但筆者還是希望認真地向讀者介紹一下醫學超聲檢查的原理，這樣如果您或您的家人去做超聲檢查，至少您可以知道檢查中看到的是哪些剖面的哪些信息，千萬不要疑神疑鬼地認為超聲檢查連雙胞胎都看不出來。

彩超:

醫院裡還有一種「超」叫「彩超」，別看只改了一個字，說來卻是話長。請允許筆者另外作文介紹。

彩蛋：聲波反射探測方法的簡單實驗

為了更好地解釋超聲探測方法，這裡向大家介紹筆者在家做過的一個簡單實驗，實驗裝置如下圖：

圖6：反射聲波探測實驗裝置

將一個高壓電蚊蟲拍綁在一個軟包椅子上，使用軟椅子是為了減少椅子的聲反射，椅子和被測物體（如牆面）之間的距離可以任意調整。在一個退役智能手機上下載安裝了一個示波器APP，整個實驗裝置的細節如下圖所示：

圖7：反射聲波探測實驗裝置細節

實驗的時候，將高壓電蚊蟲拍充滿電，按下高壓生成按鈕，使得金屬內外網之間存在一個高壓。用絕緣把的改錐將金屬內外網短路，打一個強烈的電火花。這裡提醒讀者絕對不可以用手碰觸任何金屬部分，以免發生觸電事故。在任何情況下，絕對不可以獨自進行任何有人身危險的實驗。

電火花產生一個響亮而短促的聲音，這個聲音一部分直接到達手機示波器，另一部分傳播出去，遇到牆或其它物體反射回來，在較晚的時刻到達示波器。這樣一來，我們就能在示波器上看到發射波和回波，根據兩者的時間差，我們就能算出反射體到高壓電蚊蟲拍之間的距離。

當我們將椅子挪到離牆比較近時，高壓電蚊蟲拍到牆的間隔為68 cm左右。空氣中的聲速大約340 m/s，這樣發射波與第一個回波之間的時間差約為4 ms，示波器上的顯示如下圖所示：

圖8：手機示波器上在（4 ms）處的回波

當高壓電蚊蟲拍到牆的間隔為102 cm左右，這時發射波與第一個回波之間的時間差約為6 ms，示波器上的顯示如下圖所示：

圖9：手機示波器上在（6 ms）處的回波

當高壓電蚊蟲拍到牆的間隔為136 cm左右，這時發射波與第一個回波之間的時間差約為8 ms，示波器上的顯示如下圖所示：

圖10：手機示波器上在（8 ms）處的回波

A模式超聲探測的方法與這個實驗幾乎完全相同。

製版編輯：李赫丨

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