1、2023-4-251第一章第一章 超声医学的物理基础 2023-4-252第一节第一节 声波的定义2023-4-253一、定义一、定义 定义:定义:物体的机械性振动在具有质点和弹性的媒介中 的传播现象称为波动,而能引起听觉器官有声 音感觉的波动则称为声波。振源:声带、音叉、鼓面介质:空气、人体组织接收:鼓膜、换能器分类:纵波、横波2023-4-254二、纵波二、纵波定义:即介质中质点沿传播方向运动的波。介质发生周期性疏密 变化,为胀缩波。存在于理想流体(气体和液体)中。除骨路、肺外人体组 均以纵波传播。诊断与治疗的超声主 要是纵波传播。2023-4-255三、横波三、横波定义:是指介质中的质点
2、都垂直于传播方向运动的波 只能使介质形变,不 能体变,为畸变波 存在于高粘滞液体或 固体。人体骨骼不但传播纵 波,还传播横波。2023-4-256第二节第二节 声波的物理参数2023-4-257一、频率与周期一、频率与周期定义:介质在每秒钟内振动的次数为频率(f),单位 为Hz,而在平衡位置来回振动一次的时间则称 为周期(T)。20000Hz:超声波 医用常为:210MHz2023-4-258二、声速二、声速 定义:指声波在传播介质中的运行速度,用c表示。在不同的介质中声速有所差别,它取决于介质的弹性(k)和密度()。通常,弹性()密度()比大的物体声波传播的速度高,反之则低,即:2023-4
3、-259二、声速二、声速 从声波传播速度考虑,人体组织可分类:软组织:约1541m/s 气 体:约350m/s 骨 骼:约3852m/s 医 用:以软组织的 平均声速 t 组织厚度=2 可通过声速测量软组织的厚度2023-4-2510三、波长三、波长 定义:声波在完成一次完全振动的时间内所传播的距 离称为波长,以表示。超声在同一介质中传播时,由于声速已确定不变,频率与波长间的关系为:频率愈高则波长愈短;频率愈低则波长愈长,两者间呈反比。2023-4-2511综上所述综上所述 频率、声速与波长间的关系如下:c =或 c=f f 周期(T)为频率的倒数,即:故:或 2023-4-2512四、声阻抗
4、四、声阻抗定义:介质中某点的声压P与质点振动速度V之间比为 该点的声阻抗(Z)。意义:表示介质传播超 声波能力的重要 物理量。数值:决定与介质密度 与该介质中的 声速C。Z=C 单位为Kgm2s2023-4-2513第三节第三节 超声波的特性2023-4-2514一、声反射一、声反射 定义:声波传播到两种阻抗不同的介质界面上,如界面尺寸远大于波长时,便会引起部 分或全部声能的返回。反射波的声压与入射波的声压成正比,并与两种介质的声特性阻抗、声速和入射角等因素有关。2023-4-2515一、声反射一、声反射 反射定律:入射角i的正弦与反射角r的正弦之比,等于入射波在第一介质中的声速Cl与反射波在
5、同一介质中的声速C1之比。Sini Cl Sinr C1 2023-4-2516一、声反射一、声反射 两种介质的声特性阻抗相差越悬殊,声反射就越强烈;反之,声反射就弱,其强弱可用反射系数Kp来表示。Kp与界面两边介质的声阻抗Z1和Z2的关系公式如左:Z1Z2Kp cos Z1Z22023-4-2517一、声反射一、声反射 当超声波垂直入射界面时,即ir0 时,则反射系数Kp为:Z1Z2 Kp Z1Z22023-4-2518一、声反射一、声反射 当Z1Z2时,p0,无反射 当Z1Z2或Z1Z2时,有反射 如Z1Z2或Z1Z2时,全反射 利用反射,提取信息,进行诊断 皮肤与空气声阻差大,用耦合剂
6、不适肺、肠、骨等组织器官检查结论:结论:超声波在界面上反射的大小取决于 界面两边介质的声阻差。2023-4-2519二、折射二、折射 定义:因介质中声速的空间分布而引起的声传 播方向改变的过程。折射定律:入射角i的正弦与折射角t的正弦之比,等于入射波在第一介质中的声速cl与折射波在第二介质中的声速c2之比,即:Sini Cl Sint C2 2023-4-2520二、折射二、折射 使折射角为90时的入射角称为临界角,当入射角超过临界角时,相应的折射波消失,出现全反射。侧方声影误诊;错位影响穿刺;全反射无法检查。作超声检查时,需尽可能将声束垂直于界面,否则将会引起:2023-4-2521二、折射
7、二、折射 当声波从一种小声速介质向大声速固体介质入射时,声波经过这两种介质的分界面后出现折射波,而且其折射角大于入射角,反之亦然。2023-4-2522三、绕射三、绕射 超声波在介质中传播过程中,遇到尺寸相当于声波波长的声阻抗界面时,声波将绕过此界面,继续向前传播,致使超声波无法检测到该障碍物,这种现象称为声波的绕射。2023-4-2523四、散射四、散射 定义:超声波在介质中传播过程中,如遇到尺寸远小于 声波波长的声阻抗界面时,则声波将使其成为新 的声源,使得声波能量向四面八方发射,这种现 象称为声波的散射。超声仪收到的声波是背向 散射。血流中的红细胞是多普勒 超声检测血流的基础。各种软组织
8、从微观的角度 看都非均匀组织,均可产 生超声波的散射。2023-4-2524四、散射四、散射 散射的强弱不仅取决于界面的声阻差,而且还与障碍物的大小和数量有关,此外还与声波的频率有着密切的关系,通常散射强度与声波频率呈正比。散射发生在人体内软组织内的微小界面;反射产生与体内大器官的界面;散射与反射均为声波能量衰减的重要因素;反射与散射均是回波型超声仪的物理基础。2023-4-2525五、衰减五、衰减 定义:声波在介质内的传播过程中,随着传播距 离的增大,声波的能量逐渐减少,这一现 象称为声波衰减。影响因素:吸收:组织特性使声能转换为热能;反射:声波的反射使得能量减弱;散射:声波的散射使得能量减
9、弱;频率:超声衰减与超声频率呈正比;声束扩散:单位面积内的能量减少。2023-4-2526六、惠更斯原理六、惠更斯原理 定义:声介质中波动传到的各点都可看作是发射 子波的波源,这些子波的包迹就决定了新 的波阵面。平面波球面波2023-4-2527六、惠更斯原理六、惠更斯原理 临床应用:通过相位控制,使发射波束左右偏转,获得扇形图像;亦可使声束聚焦,以提高横向分辨力。2023-4-2528七、多普勒效应七、多普勒效应 定义:声源与接收器在连续介质中存在着相对运 动时声波频率将发生改变。当声源与接收器作相对运动时,接收器接收到的声波频率高于声源所发出频率,如两者作相反运动时,则低于发出频率,两者的
10、频率差(频移)与相对运动速度成正比。2023-4-2529七、多普勒效应七、多普勒效应 在超声医学诊断中,超声多普勒技术可用于检测心血管内的血流方向、流速和湍流程度、横膈的活动以及胎儿的呼吸等。探头工作时,换能器发出超声波,由运动着的红细胞发出散射回波,再由接收换能器接收此回波。因收换能器所收到的超声回波的频率经两次多普勒效应,多普勒频移的表达式为:2vcos fd :声波波长,v:血流速度:声波方向与血流方向夹角2023-4-2530七、多普勒效应七、多普勒效应 由此可见:当血流流向换能器时,fd为正值(接收频率高于发射频率);当血流流离换能器时,fd为负值。当角为2时,fd0。频谱多普勒超
11、声仪上通常将正频移设为正向波,负频移为负向波。而彩色多普勒则将正频移设为红色,负频移为蓝色。2023-4-2531第四节第四节 超声波的发生与接收2023-4-2532一、压电效应一、压电效应 定义:对某些非对称结晶材料进行一定方向的加压或拉伸时,其表面将会出现符号相反的电荷,这种现象称为压电效应。具有此性质的材料称为压电材料,分为压电晶体、极化陶瓷、高分子聚合物和复合材料等。2023-4-25331、正压电效应、正压电效应 定义:由外力作用引起的电介质表面荷电效应,称为正压电效应。结晶受到特定反向的加压或拉伸而发生形变时,在其两个受力界面上引起内部正负电荷中心相对位移,在两个界面产生等量异号
12、电荷,其电荷密度与所施加的外力成正比。2023-4-25342、逆压电效应、逆压电效应 定义:由在外场作用下,晶体将产生几何变形,称为正压电效应(亦称电致伸缩效应)。沿一定方向在晶体表面施加一电场,则在电场力的作用下,引起电介质内部正负电荷中心发生位移,这一极化位移导致了晶体的几何应变,这是一种相反的压电效应。2023-4-25353、超声换能器、超声换能器 定义:利用逆压电效应将电能转换成超声能发射 超声,利用正压电效应将超声能量转换成 电能接收超声。将压电晶片置于交变电场内,该晶片即进入振动状态,振动频率与激励交变电场频率相同。当频率大于20kHz时,便成了超声源。同样,该压电晶体片亦可接
13、收超声波,它通过压电效应把超声波转变为电信号,以供分析检测。2023-4-2536二、声场二、声场 定义:超声场是介质中有声波能量存在的空间范 围。其强弱是用声压和声强来表示。不同的超声源和传播条件将形成不同的声波能量的空间分布。在接近声源的一段距离称为近场,离声源距离较远的声场称为远场。2023-4-25371、声压、声压 定义:声压(P)是有声波时介质中的压力与静压 的差值,单位为Pa。声压与介质的密度(),介质质点的振动速度(v),以及超声波在该介质中的传播速度(c)呈正比,即:Pvc2023-4-25382、声强、声强 定义:声强(I)是在单位时间内,通过与声波传 播方向垂直的单位面积
14、上的平均能量,单 位是W/m2。声强和声压的平方呈正比,与介质密度和声速之和反比,即:P2 I 2c 2023-4-25393、功率、功率 定义:超声功率指在单位时间内通过介质的能量。单位是瓦(W)或毫瓦(mW)。超声仪发射的超声能量用超声功率表示,仪器的发射功率高,仪器的灵敏度也高,但安全性却降低了。安全剂量安全剂量 10W/cm2 2023-4-25404、近场、近场 定义:对于一个圆形的超声换能器(声源),在接近声源的一段距离(称为近场),声束的直径略小于换能器的直径,呈圆柱形。近场区内声压、声强起伏变化很大,是超声诊断中的死区。近场的长度与声源的尺寸、频率和介质声速有关,即:r2 L(
15、近场近场)2023-4-25415、远场、远场 定义:离声源距离较远的声场,声束则会产生扩 散而呈喇叭形,此时的声场称为远场。远场的瞬时声压与瞬时质点速度同相,故其声压分布是随距离增加而单调地下降,较平稳。声束在远场的扩散由扩散角所决定,扩散角的大小亦与呈正比,与呈反比,即:Sin0.61 r 2023-4-25426、指向性、指向性 定义:声源在远场形成波束的这种方向特性称为 指向性。同一换能器在不同频率下工作,其指向性将随频率的提高而趋明显。指向性差的声束不仅横向分辨力差,且灵敏度低和易引入伪像。常采用聚焦法改善声束的特性。2023-4-25437、指向性图案、指向性图案 指向性通常用指向
16、性图案表示。中间离声束轴线最近的两极小方向间的声束部分称主瓣。在两相邻的极小方向间存有一较主瓣小的声束,称为旁瓣。主瓣内聚集了大部分能量,故主瓣的立体角小,能量较集中。旁瓣的高度越高,所占立体角越大,故主瓣以外能量多,能量较分散,它是产生伪像的原因之一。2023-4-2544三、分辨力三、分辨力 定义:仪器或肉眼及其它感官对两个非常靠近 的物点或量值刚能加以识别的限度。超声仪的分辨力是指能够分辨有一定间距的个界面的能力,通常用可分辨的两个界面间的最小距离来表示。也可用在单位距离内可分辩的点数来表示,后者是前者的倒数,称为“分辨率”。分类:轴向分辨力 横向分辨力 厚度分辨力2023-4-25451、轴向分辨力、轴向分辨力 定义:又称“纵向分辨力”。指沿声束轴方向不 同深度超声仪可区分的两个点目标的最 小距离。取决于 超声频率、脉冲长度高分辨力 超声频率高、脉冲窄高频探头 小儿、浅表器官2023-4-25462、横向分辨力、横向分辨力 定义:是指在垂直于超声波束轴的平面上可区 分两个点目标的最小距离。取决于声束的宽度 声束越窄,分辨力越高 聚焦提高横向分辨力2023-4-25473、厚度分辨力、厚度分辨力 定义:厚度分辨力就是区分探头在厚度方向的 横向分辨力。探头有一定厚度,故图像 为断层信息的叠加。它与探头的曲面聚焦及距 换能器的距离有关。厚度分辨力越好,组织的 切面情况越真实。