1、超声波 超声诊断仪的物理原理 Supersonic wave Physics principle of ultrasonic diagonstic apparatus,简谐运动,机械波,判断方法,运动方程,特征量,振动能量,振动合成,阻尼与共振,波动方程,波的能量,波的干涉,驻波,多普勒效应,惠更斯原理,复 习,声波,超声波,声压,声强级,响度级,特点,作用,产生原理,声阻,声强,诊断原理,发展,知识结构,一、声波的性质 properties of sound wave,超声和次声 声压和声阻 声强 反射和折射,00:51,5,马杜克神像杀人之谜,马杜克神庙遗址大门上的龙,“神的眼睛将注视着所
2、有试图侵入的渎神者，将死亡与灾祸降临到他们头上。”,00:51,6,关于次声 infrasonic wave,人体内脏固有的振动频率和次声频率相近似（0.000120赫），倘若外来的次声频率与人体内脏的振动频率相似或相同，就会引起人体内脏的“共振“，从而使人产生头晕、烦躁、耳鸣、恶心等等一系列症状。,超声和次声 supersonic wave & infrasonic wave,在连续介质中传播的弹性波，若其频率f在202104 Hz之间，则能使人产生声音的感觉，这种波称为声波(sound wave)；,若其频率在10420 Hz之间，则这种波称 为次声波(infrasonic wave)；,
3、若其频率在21045108 Hz之间，则这种 波称为超声波(supersonic wave)。,人能听到声音的频率为20Hz20000Hz，其中最敏感的频率2500Hz3000Hz。老年人的听觉随着年龄而衰退，能听到的频率约为50Hz12000Hz。,听阈,声压sound pressure,在媒质中，有声波传播时的压强与无声波传播时的静压强的差值为声压，以P表示 ：,声压幅,有效声压,声阻acoustic impedance,在同一声压下，质点振动速度v与u成反比。将此式与欧姆定律相比较，声压与电压对应，振动速度与电流对应，则u与电阻对应，称为声阻抗Z,声强sound intensity,定义
4、：是单位时间内通过垂直声波传播方向的单位面积上的能量。,声压、声阻、声强,声压P,电压U,声阻Z,电阻R,声强I,功率P,振动速度v,电流I,有效声压PC,有效电压UC,反射和折射 reflection & transmission,在声波的传播过程中，当遇到两种不同媒质的界面时，要发生发射、折射，他们遵守反射、折射定律。,反射波强度与入射波强度之比，为反射 系数，用air表示。,折射波强度与入射波强度之比，为媒质 的折射系数或透射系数，用ait表示。,incidence-reflection,incidence-transmission,反射和折射 reflection & transmis
5、sion,对于垂直入射的情况，有理论证明：,阻抗差值越大，反射越强；声阻抗相近时，透 射强，反射弱。,人体各部分声阻抗是不同的，导致超声波入射到各组织界面反射时的反射量不同，成为超声诊断的物理基础。,二、人耳的听觉范围 the human ears hearing range,人耳的灵敏度对于每一个频率都有一个最小声强，低于它的声音人耳就听不见了，这个最小声强称为听阈(threshold of hearing)；,同时，还有一个最大声强，高于它的声音 会使人耳感到不适或痛苦，这个最大声强称 为痛阈(threshold of feeling)。,声强与声强级 sound intensity &
6、intensity level,人耳对声音的感觉，近似地与声强的对数成正比，常用声强级L来表示：,声强级L的单位为dB（分贝）。 I0=10-12W/m2，是接近1000 Hz时的听阈。,声强为原来的10倍，声强级增加多少？,声强增加1倍，声强级增加多少？,0-50分贝：舒适，细语声； 50-90分贝：妨碍睡眠、难过、焦虑； 90-130分贝：耳朵发痒、耳朵疼痛； 130分贝以上：耳膜破裂、耳聋。,噪音对人体的危害是很大的，噪音量（分贝）对人体影响：,演示,响度与响度级 loudness & loudness level,声强、声强级是根据声波的能量来确定的，是客观物理量。响度是人耳对声音强弱
7、的主观感受，不仅取决声强，也与声音的频率有关。,为比较声音响度的大小，提出了响度级的概念。 以1000Hz声音的响度为标准，将其他频率声音的 响度与其比较，只要它们响度相同，则有相同的 响度级。响度级的单位是方(phon)。,把频率不同，响度级相同的各点连成的一条线， 就构成了等响曲线。,演示,0,20,40,60,80,100,120,20,100,1000,2000,5000,10000,1012,1010,108,106,104,102,1,0,20,40,60,80,100,120,痛阈,听阈,声强 (W/m2）,声强级 (dB）,Hz,响度级 (方）,关于听阈 threshold o
8、f hearing,同一频率，声强越大，响度越大,同一声强，频率不同，响度不同,人耳对25003000Hz最敏感,20Hz，20000Hz，听阈曲线，痛阈曲线组成人的听觉区域。,1000Hz时，响度级等于声强级,三、超声波的特性 ultrasound features,机械作用、空化作用、热作用。,方向性好。,强度大。,固体、液体贯穿本领强，气体中衰减大,为什么超声探头表面和人体皮肤之间需加石蜡等耦合剂？,超声波的产生 ultrasonic generation,高频信号发生器,压电晶体,探头,发射超声波：逆压电效应，高频电压转化为机械振动 接收超声波：正压电效应，机械振动转化为高频电压。,四
9、、超声波的医学应用 ultrasonic medical applications,1、超声诊断 基本原理 A型超声诊断仪 B型超声诊断仪 M型超声诊断仪 超声多普勒 2、超声成像的发展 3、超声治疗,超声诊断基本原理 the basic principles of ultrasound diagnosis,超声诊断仪应用超声脉冲回波技术，遇到几个反射面就有几个回波信号，显示在显示屏上。 回波的脉冲幅度提供了产生反射的界面种类的信息，各回波脉冲与始波的时间间隔提供了各反射面的深度信息。,脉冲信号,回波信号,t,超声诊断基本原理 the basic principles of ultrasoun
10、d diagnosis,根据显示的方式不同，超声诊断仪分为 A（Amplitude）型 M（Motion）型 B（Brightness）型 已为临床广泛应用。,A型超声诊断仪 amplitude ultrasound diagnosis,一维成像，测量器官长度,B型超声诊断仪 brightness ultrasound diagnosis,二维成像，显示器官断层图像,M型超声诊断仪 motion ultrasound diagnosis,时间,深度,探头,二维成像，显示器官运动轨迹,超声多普勒 Ultrasound Doppler,由多普勒效应可知，利用多普勒效应可检测运动物体。当超声波传入人
11、体某一血液流动区，被红细胞散射返回探头，回波信号的频率将会变化，可求血液的速度。,超声成像的发展,超声成像原理及超声成像仪,Medison SONOACE 9900,Medison SONOACE 8000,肾脏,心脏,30周胎儿的脸,I am angry,唇裂的胎儿,胎儿的手指,胎儿的脊椎,胼胝体动脉,心脏动态血流图,三维动态超声图像,Figure 1. Typical fetuses at 32 weeks gestation.,Reissland N, Francis B, Mason J (2013) Can Healthy Fetuses Show Facial Expression
12、s of “Pain” or “Distress”?. PLoS ONE 8(6): e65530. doi:10.1371/journal.pone.0065530 http:/www.plosone.org/article/info:doi/10.1371/journal.pone.0065530,超声治疗,小剂量超声波能使神经兴奋性降低，传导速度减慢，因而对神经炎、神经痛等疾病具有明显的镇痛作用。 超声药物透入疗法：利用超声波把药物经过完整的皮肤或粘膜，送入人体内的治疗方法。 超声聚焦刀，将体外低能量（1000W）超声波产生瞬态高温效应、空化效应，杀死靶区肿瘤细胞。,超声脉冲免除糖尿病患
13、者每日注射胰岛素的烦恼,Jin Di, Jennifer Price, Xiao Gu, Xiaoning Jiang, Yun Jing and Zhen Gu. Ultrasound-Triggered Regulation of Blood Glucose Levels Using Injectable Nano-Network. Advanced Healthcare Materials, 19 NOV 2013; DOI: 10.1002/adhm.201300490,用声音分离血液中的癌细胞,2015年4月6日美国科学院院刊,声波,超声波,声压,声强级,响度级,特点,作用,产生原理,声阻,声强,诊断原理,发展,相关习题：习题四：4-17, 4-18,
