超声波物理课件.pptx

1、超声波物理第一节 超声波物理基本性质第二节 超声场第三节 声波在介质中的传播特性第四节 多普勒效应第五节 血流动力学效应内容第一节 超声波的基本性质一、超声波的分类二、超声波的产生机制三、声速、声压、声强与声阻抗一、超声波的分类1.按振动形式分纵波横波气体、液体、固体固体2.按频率分(临床用)低频超声12.75MHz中频（常规）超声310MHz高频超声1220MHz超高频超声 20MHz3.按发射方式分类连续波脉冲波脉冲波一、超声波的分类RUWe2连续波正弦等幅波超声频率与振幅稳定不变输出电功率Ue有效电压电压峰值的0.707倍R声源负载阻抗10左右电功率转变成声功率一、超声波的分类振动持续时

2、间 1.55S两个相邻脉冲前沿相隔时间 脉冲宽度T 脉冲重复周期(PRP)脉冲波特征量一、超声波的分类脉冲宽度 T脉冲重复周期Tr间歇期 （静止期）脉冲波特征量每秒内脉冲重复出现的次数Tr + =Tf 脉冲重复频率(PRF)f =1/T 502000 HzTr 间歇期 (静止期) 相邻脉冲的间歇时间一、超声波的分类脉冲宽度 T脉冲重复周期Tr间歇期 （静止期）脉冲波特征量脉冲发射期间最大输出功率 单位时间输出的功率S= / Tr 0.00751S 占空因子脉冲宽度与静止期之比W峰 峰值功率平均功率一、超声波的分类脉冲宽度 T脉冲重复周期Tr间歇期 （静止期）W=SW峰超声探头应用压电式换能法发

3、射和接收超声波压电式换能法 电磁能量 机械振动发射超声接收超声二、超声波的产生机制弹性介质产生超声波必备条件声源1.压电效应机械能转变成电能超声接收换能器 机械力引起材料内部正负电荷重心相对位移,产生符号相反的表面电荷而产生电场。二、超声波的产生机制2.电致伸缩效应 电场引起材料内部正负电荷重心相对位移,内部产生应力导致宏观上的几何形变。电能转变成机械能压电陶瓷超声发射换能器二、超声波的产生机制3.压电材料的选择压电效应主要性能参数Tc居里点电畴结构完全解体压电效应消失的温度临界值二、超声波的产生机制压电接收常数 g压电片单位形变产生的电位移单位 VmN-1接收型换能器选择 g大的压电材料压电

4、发射常数d电场单位场强而产生的形变发射型换能器选择d大的压电材料二、超声波的产生机制4.压电效应的主要新能参数三、声速、声压、声强与声阻抗Yc 固体中传播纵波 Gc Y杨氏模量 G切变模量 介质平均密度 横波1. 声速(c)单位ms-1超声单位时间传播的距离Bc B 体积弹性模量流体和气体只能传播纵波声速与介质性质有关与频率基本无关声速与温度成正比关系20空气中 343 ms-1水 中 1450 ms-1骨骼中比软组织中快3倍以上临床应用时超声速度在软组织中近似取1500ms-1 介质密度三、声速、声压、声强与声阻抗1. 声速(c)0 20 40 60 80 100 T () c (ms-1)

5、 1550 1450 1400 1500蒸馏水在标准大气压下声速与温度变化曲线三、声速、声压、声强与声阻抗2.声压(p)压强瞬时值P与无超声传播时压强值 P0 之差超声介质中传播介质密度周期性变化瞬时压强P变化声压周期性变化三、声速、声压、声强与声阻抗2.声压(p)(coscxtAy2)(cos)(sinmcxtcxtAtyvv质点振动速度连续超声波运动方程质点位移速度幅值 vm =A三、声速、声压、声强与声阻抗2.声压(p)2)(coscxtcAp2)(cosmcxtppcApm2mppe声压数学表达式仪器显示有效声压 pepm 声压幅值A 声振动幅值 介质密度c 波速 声波圆频率三、声速、

6、声压、声强与声阻抗3.声强(I)cAI2221cpcpIem222与声压关系单位时间内通过单位横截面积的周期平均能量声波传播过程是声源能量以声速传播出去的过程三、声速、声压、声强与声阻抗4.声阻抗(Z)cZ声压与声振动速度之比当声压与振动速度同位相时单位 瑞利(Rayleigh)(10-1kgm-2s-1)声阻抗与温度有关三、声速、声压、声强与声阻抗血液 1.055 1570 1.656血浆 1.027 _ _大脑 1.038 1540 1.599小脑 1.030 1470 1.514脂肪 0.955 1476 1.410 软组织（平均值） 1.016 1500 1.542肌肉（平均值） 1.

7、074 1568 1.684肝 1.050 1570 1.648 肾 _ 1560 _脑积液 1.000 1522 1.522 颅骨 1.658 3860 5.571甲状腺 _ _ 1.620-1.660介质名称 密度（103kgm-3） 速度（ms-1） 声阻抗(106 Nsm-3 ) 三、声速、声压、声强与声阻抗胎体 1.023 1505 1.540羊水 1.013 1474 1.493胎盘 _ 1541 _角膜 _ 1550 _水晶体 1.136 1650 1.874前房水 0.992-1.012 1495 1.486-1.513玻璃体 0.992-1.010 1495 1.483-1.

8、510巩膜 _ 1630 _空气（22） 0.00118 334.8 0.000407三、声速、声压、声强与声阻抗低声阻的气体或充气组织 如肺部组织中等声阻的液体和软组织 如肌肉高声阻的矿物组织 如骨骼人体组织分成三大类 三类组织声阻相差甚大，彼此不能传播声波超声检测主要适用第二类组织三、声速、声压、声强与声阻抗 第二类组织中，声阻抗相差不大，声速大致相等，又可利用不同类组织间的声阻抗造成的反射、散射识别不同软组织与器官的形态和性质。这是超声成像及读片的基本物理依据。超声通过声阻抗差达到1的介质,可在其交界面上产生发射三、声速、声压、声强与声阻抗)dB(lg100IILI声强级单位5.声强级(

9、LI)与声压级(LP) 定义声强级的生理学及物理学依据l人耳感觉声音强弱与声强对数成正比l人耳对声音感觉的强度范围甚大比较相差甚大的两信号声强比的对数I0 基准声强 10-12Wm-2贝尔（ Bel、 B） 分贝（dB） 1B=10dB声强级(LI)三、声速、声压、声强与声阻抗5.声强级(LI)与声压级(LP)0lg20ppLppILppZpZpIIL02020lg20/lg10lg10 声压级声强正比于声压的平方声压级与声强级数值上一样表现形式不同三、声速、声压、声强与声阻抗5.声强级(LI)与声压级(LP)21lg10IIH SwI112122212121lg20lg10lg10/lg10

10、UUUUwwSwSwH21lg20AAH I1 始波强度I2 仪器可探测最小强度临床用声强级表示仪器的探测灵敏度w 回波功率S 探头面积U1、U2 输入、输出电压A1、A2 声压信号幅值(增益)三、声速、声压、声强与声阻抗第二节 超 声 场一、圆形单晶片声源的超声场二、声束的聚焦dSkrtrpdpps)cos(10一、圆形单晶片声源的超声场超声能量空间分布状态用声压分布或声强分布描述换能器可看成许多微小面积声源的叠加每个微小声源的超声场形状用惠更斯原理计算超声场r 任意点至点源距离dS 点源面积k 波数 角频率p0 点源初始声压对点源积分可得换能器在空间任意点的超声场)sin()4(sin22

11、20DtxxDpp)4(sin2220 xxDppm声压幅值分布圆形晶片换能器沿中心法线上声压1.超声场轴线上的声压分布p0 晶片表面声压幅值 超声波长D 晶片直径一、圆形单晶片声源的超声场1.超声场轴线上的声压分布近场区内声压分布)4(sin2220 xxDppm声场中心轴上声压幅值随声程x变化而变化，范围是02 p0求出声场中心轴上声压最大及最小值观察近场区内声压分布一、圆形单晶片声源的超声场近场区内声压分布1.超声场轴线上的声压分布l声压极小值nxxDsin)4(sin22pm=0)4(sin2220 xxDppmnnDxx8)2(22min此时X位置即声压极小值位置nxxD)4(22一

12、、圆形单晶片声源的超声场Dn2物理意义直径为D圆形晶片，向弹性介质辐射波长超声波，应有个 极小值x不能为负晶片表面声压幅值不能为零0)2(22nDD2n 取小于的正整数Dn2nnDxx8)2(22min近场区内声压分布1.超声场轴线上的声压分布l声压极小值一、圆形单晶片声源的超声场l声压极大值)212sin()4(sin22mxxD)212()4(22mxxD) 12(4) 12(222maxmmDxxpm=2po此时x值位置为声压极大值位置近场区内声压分布1.超声场轴线上的声压分布一、圆形单晶片声源的超声场0) 12(222mD2Dm2D物理意义直径为D圆形活塞声源向弹性介质辐射波长 超声波

13、，近场有包含0在内的 个极大值x不能为负且不能为零m=0 公式仍有意义m 取包含0在内小于 正整数l声压极大值近场区内声压分布1.超声场轴线上的声压分布2Dm一、圆形单晶片声源的超声场直径D愈大愈短 频率愈高n和m 取值愈多,近场内声压起伏愈大,声压分布愈不均匀。一、圆形单晶片声源的超声场直径D愈大愈短 频率愈高n和m 取值愈多,近场内声压起伏愈大,声压分布愈不均匀。一、圆形单晶片声源的超声场4)0(22maxDxLaDx22max4)0(2aL 22D近场区长度用m=0处声压极大值的位置来表示L 近场长度半径a愈大，超声频率愈高，近场长度L愈长声学上称L以内的近场区为菲涅尔(Fresnel)

14、区一、圆形单晶片声源的超声场)41(sin2220 xxDxppm1422xDxAxxDx12)41(22x 较大)12sin(20 xAppmA为圆形晶片面积泰勒(Taylor)级数运算得远场区内声压分布声程x大于近场长度L区域内声压呈单值变化一、圆形单晶片声源的超声场一般远场满足三角函数性质(很小 sin)一、圆形单晶片声源的超声场xApxApxAppm1122)12sin(2000声压P与距离x按反比例减弱P与x反比关系在x5L时才明显表现一般远场满足三角函数性质(很小 sin)声压P与距离x按反比例减弱P与x反比关系在x5L时才明显表现一、圆形单晶片声源的超声场xApxApxAppm1

15、122)12sin(2000主瓣 副瓣 20 10 0 10 202.超声场的角分布换能器指向性即描述声束集中程度声压不但随距离而变=0 声压最大在中心轴及其以外的声压不均匀分布中心部出现一主瓣，主瓣旁出现许多副瓣。还随方向角而变表现为主瓣称主声束一、圆形单晶片声源的超声场单晶片的指向性2.超声场的角分布sin)sin(210kakaJrApp 声压空间角分布表示rAprAppm112200r 圆片中心到场点距离 r与轴线间的夹角J1 第一类贝塞尔函数一、圆形单晶片声源的超声场主瓣 副瓣 单晶片的指向性20 10 0 10 20sin)sin(2)0 ,(),(1kakaJrprpDcDc 指

16、向性因数距晶片中心距离为r并与声场中轴线成角处的声压与中心轴线上同样距离r处的声压之比2cD超声强度角分布的相对值当kasin=3.83，7.02，10.17等时J1等于零Dc等于零数值相应的角方向上没有辐射波一、圆形单晶片声源的超声场aaka61. 0sin)2(83. 3sin83. 3sin1111D22. 1sin1 半扩散角Dc=0的第一点即kasin=3.83时相应的角度D 圆形晶片直径主瓣指向角的Franhofer公式 越小D 越大L越大、越小超声成束性越好d1sind 方形晶片边长一、圆形单晶片声源的超声场 近场内超声束平行度最高，反射界面与晶片垂直性最好，反射声强较高，失真度

17、小，但在近场近晶片端，由于发射干扰可存在盲区远场有声束扩散，声束不平行反射声强较弱，失真度高医学诊断要求超声束扩散角 在3.5以下超声束截面积太大可使超声横向分辨力降低一、圆形单晶片声源的超声场)1 ()1 (2sin20fxfxxfBppfaB2B为常数二、声束的聚焦1.超声聚焦原理声束宽度限制横向分辨力使用声聚焦探头减小声束宽度集中治疗肿瘤不损坏正常组织声程x及焦距f大于晶片半径a(xa，fa)聚焦声束轴上声压幅值焦点上声压增加到 倍Bpp02aL fLB 表示声压在焦点处上升程度B愈短，p上升幅度越高，聚焦效果愈好但焦距 f 不能比近场长度L小得太多否则焦点后面声束迅速扩散，无法探测信息

18、( 一般 f 在L附近 )。faB2fx f值表达式二、声束的聚焦焦点处超声强度不得超过安全值为获得细长声束，须综合考虑半径a、波长和焦距 fd 的大小影响超声诊断的横向分辨力实际应用希望焦点直径d小，焦距f大，但这是矛盾的afd2 . 1a 探头晶片半径理想球面透镜焦点直径 d 与波长 和焦距 f 的关系超声功率小于200 Wm-2对人体无害二、声束的聚焦2.声聚焦方法声透镜聚焦凹透镜曲面换能器聚焦晶片型探头电子聚焦多晶片电子聚焦换能器两边延迟时间最小并对称中央延迟线延迟时间最大由两边向中间依次振动形成圆形波阵面 圆心即聚焦点二、声束的聚焦电子聚焦二、声束的聚焦2.声聚焦方法 改变晶片间相对

19、延迟时间，能改变声束的方向。对各晶片依次加上线性递变延迟激励脉冲，超声束方向偏转一个角度，不断改变这个角度，可得到扇形扫描超声束，即相控扇形扫描。为提高横向分辨力，常采用相控阵聚焦方法，用不同超声换能器实现线性扫描成像、扇形扫描成像及各种复合扫描成像。电子聚焦换能器是B超诊断仪采用的一种换能器。二、声束的聚焦一、反射与透射二、衍射与散射三、声波在介质中的衰减规律四、声波的波形转换和声学谐波五、声波通过介质薄层的特征第三节 声波在介质中的传播特性 声学中介质是以声阻抗划分，声波介质界面就是声阻抗不同的介质分界面。在声学介质中，两物质物理性质不同，或由不同的原子、分子组成，如果其声阻抗相同，则认为

20、它们是声学的同种均匀介质，其间不存在界面。一、反射与透射超声波传播遵循几何声学原则反射或透射的条件介质声阻抗界面处突变 “不连续”界面线度远大于声波波长及声束直径直线传播遇到界面发生反射和透射临床上反射回声带来体内脏器及大界面信息一、反射与透射tppprittrriicoscoscosvvv研究声波传播特性基本依据声压连续法向速度连续能量守恒界面两侧声压相等质点振动速度在垂直界面的分量相等一、反射与透射tripppttrriicoscoscosvvv1. 反射系数Z2Z1c1c2 rvrpr tvtpt反射声压pr和入射声压pi之比pt 透射声压质点振动速度与声传播方向相同如图 向下方向定为正

21、两个连续 ivipi一、反射与透射声压反射系数)coscos()coscos(2t1rr2t1iiZZpZZpt12t1i2rpcoscoscoscos)(riZZZZppr结合速度、声压与声阻抗关系联立导出一、反射与透射1. 反射系数1212irpZZZZppr声波垂直入射Z2Z1rplZ1Z2半波损失全反射且反射波与入射波位相突变Z1=Z2rp= 0Z1Z2rp0rp-1全反射无透射全透射反射波与入射波反相一、反射与透射1. 反射系数表7-2在生物介质不同界面超声垂直入射时的声压反射系数一、反射与透射1. 反射系数 水 0.350 0.570 0.007 0.035 0.007 0.029

22、 0.020 0.047 0 脂肪 0.390 0.610 0.047 0.049 0.054 0.076 0.067 肌肉 0.330 0.560 0.020 0.015 0.013 0.009 皮肤 0.320 0.560 0.029 0.006 0.022 脑 0.340 0.570 0.0 0.028 肝 0.320 0.550 0.028 血液 0.350 0.570 颅骨 0.290 名称 荧光树脂 颅骨 血液 肝 脑 皮肤 肌肉 脂肪 水查表 声波由水入脑的 r0.007计算分贝dBLI43007. 0lg201. 反射系数2p2ir12i12rirI)(2/2/rPPZPZPI

23、Irp2priIlg20)1lg(10lg10rrIIL分贝(dB)表示反射声强与入射声强之比一、反射与透射声强反射系数2. 全反射21tisinsincc21o90sinsinccb)(sin211ccb 超声波透射定律 rZ2 i tZ1c1c2vivrvt t ib如图clZ2 tP0 超声强烈反射无透射Z1Z2 tP1 超声全部透射 Z2 Z1 tP2 驻波现象 反射强烈 一、反射与透射声压透射系数3. 透射系数2p2112i22titI)(/tZZZpZpIIt2r2t1i212I)coscos(cos4ZZZZt22112I)(4ZZZZt声波垂直入射 超声在界面反射和透射只有垂直

24、入射声强才能守恒一、反射与透射二、衍射与散射1.衍射 超声波长与物体尺寸可以比拟甚至更大时，会发生衍射和散射现象 界面或障碍物线度与超波长相近，超声绕过障碍物传播声影 声波不能完全绕过线度较大障碍物其后存 在声波不能达到的空间图像表现为暗区，是探测不到的盲区1.衍射与波长相仿的病灶探测不到 声波完全绕过与其波长相仿的病灶不形成反射回波 不形成病灶轮廊图像可存在反向散射 可判定病灶性质二、衍射与散射2.散射界面或障碍物线度小于且接近超声波波长，传播方向连续改变。悬浮粒子成为子波源（散射中心）向空间各方向发射散射波（子波）形成干涉空间（散射波场）干扰入射波（入射波与子波相干涉）超声入射悬浮粒子(尘

25、埃、烟雾、杂质、气泡等)二、衍射与散射2.散射)(2imIW 散射截面定量描述散射程度W 总散射功率Ii 入射声强二、衍射与散射3.结论ddZ2 如Z2为软组织间的空气薄层声束不能透射五、声束通过介质薄层的特征1)2(cos22d0)2(sin22d23131I)(4ZZZZt相当于声束垂直通过Z1、Z3 介质薄层消失 2. d =2/2，2，3/22，n2/4 (n 不等于零的偶数)，或d v2v0，I 、r90f0、c、i、r一定，fd与血流速度 v有关测得fd可求得相应血流速度v若 i=r=f与fo存在差频，即多普勒频移 fd二、多普勒效应的数学表示r22roricos)cos)(cos

26、(coscos2vvvvvcccfccf)c(f)cf(iorcos1cos1vv)(1)(1iiorrkfkfvv2.矢量公式及物理意义 f2 kc2k多普勒频移与入射角和反射角大小密切相关引入矢量表示更为直观v 速度矢量k波矢量方向沿声波传播方向二、多普勒效应的数学表示2.矢量公式及物理意义 )iiirrrk(f)k(fovv)(21)(21iirrkkvv)(irirdkkv多普勒频移矢量表示式超声多普勒技术理论的最基本数学模型分析超声仪器对速度矢量的检测灵敏度二、多普勒效应的数学表示二、多普勒效应的数学表示irkk方向与成1800d负值irkk方向水平轴向流动灵敏度高横向流检测不灵敏v

27、发射和接受换能器处于血管两侧无法避免有碍声波传播的骨骼、气腔等缺点(a)二、多普勒效应的数学表示irkk方向与成1800d负值irkk方向水平轴向流动灵敏度高横向流检测不灵敏v发射和接受换能器处于血管两侧无法避免有碍声波传播的骨骼、气腔等缺点(a)(b)0irkkd =0任何方向流速都不灵敏二、多普勒效应的数学表示0irkk(b)二、多普勒效应的数学表示d =0任何方向流速都不灵敏(c)轴向流不灵敏垂向流高灵敏度irkkv垂直d =0二、多普勒效应的数学表示(c)二、多普勒效应的数学表示轴向流不灵敏垂向流高灵敏度irkkv垂直d =0irkk(d)倾斜既能测定水平流速，也能测定垂直流速发送器、

28、接收器处于同一侧且比较接近，可固定在一个换能器中最实用二、多普勒效应的数学表示(d)二、多普勒效应的数学表示irkk倾斜既能测定水平流速，也能测定垂直流速发送器、接收器处于同一侧且比较接近，可固定在一个换能器中最实用三、频移信号的采集1.血流方向的判定odcos2fcfv血流朝向超声探头为v的正方向，相反为负方向v值代入公式，得出fd值 (正值或负值)超声多普勒根据fd正负值判别血流方向血管v三、频移信号的采集2.最大频移信号的取得进行超声多普勒检查时，为了获得最大的频移信号，超声束和血流方向尽可能的平行i=r=0。但这样增加了衰减损耗，实际应用取i=r=45。)(irirdkkvfd与超声束

29、和血流方向夹角余弦成正比, 声束与血流方向平行时，多普勒频移为最大正值，随两者夹角的增大，fd逐渐减小 三、频移信号的采集3.测量高速血流测量高速血流尽可能选用低频探头odcos2fcfvfd大小与发射频率f0成正比，与声速c成反比fd一定，f0越小，测量流速v越大4. K值（探头定标系数） 实际检查fo 选定不变，c在人体中为定值。fo 和c可视为常数，用K表示cos2 fcfdvcos.Kdfv声束平行血流方向 v =Kfd v 取决于fdf0为2MHz，K=0.39m.s-1f0为4MHz，K=0.20ms-1f0为8MHz，K=0.10m.s-1新型仪器 f0自动转换为血流速度三、频移

30、信号的采集第五节 血流动力学效应一、实际液体的流动三、感应 四、涡漩发生距离五、掩盖六、减速的不稳定性二、连续效应一、实际液体的流动层流(片流) 湍流(紊流)粘性液体基本流动状态1.层流分层流动不混杂速度分布窄方向一致 无声2.湍流 相互混杂3.涡流 湍流基础上旋转运动 Re2000 湍流Re2000 层流4.雷诺数(Re)速度梯度大 有声音判断流体流动状态 河流中可见发生于水中某处的旋涡，可以从一处移动到相当远的另外一处。液流中一旦出现湍流，它会一直维持下去直到某些流变学因素引起层流重建为止连续效应（series effect）湍流可在一个液流连续区域内从一处传到另一处二、连续效应连续效应（

31、series effect）二、连续效应三、感应感应（induction） 身体一个部位的湍流可以传布到与之并无液流连续性，而有物理连续性的另一部位 与连续效应不同，感应指的是湍流透过非液流连续区。如透过血管壁或其他组织，传布到另一液流区域的现象感应（induction）三、感应 多普勒超声心动图检查时如未发现射流区，湍流的发现则仅能证明有病变存在，这时必须确定引起湍流的狭窄部位。四、涡漩发生距离旋涡发放距离从狭窄口到最早出现湍流部位的长度 二尖瓣反流由于涡流发放距离较长，不能在左房发现湍流，而在右房首先发现。旋涡发放距离四、涡漩发生距离五、掩盖一个狭窄部位引起湍流掩盖另一狭窄病变漏掉对第二个狭窄诊断，如主动脉瓣下隔膜伴主动脉瓣狭窄隔膜狭窄掩盖主动脉瓣狭窄掩盖（masking）五、掩盖掩盖（masking）六、减速的不稳定性减速不稳定性血流在加速末期出现紊乱特征历时很短极少会有高振幅出现