1、 超声成像的物理原理超声成像的物理原理学习目标学习目标1.掌握超声的定义及超声传播中频率、掌握超声的定义及超声传播中频率、声速、波声速、波长三者之间的关系。长三者之间的关系。2.熟悉人体组织对入射声束的作用熟悉人体组织对入射声束的作用;入射超声对人入射超声对人体组织的作用。体组织的作用。3.了解超声诊断的安全性及注意事项。了解超声诊断的安全性及注意事项。第一节第一节 超声成像的物理基础超声成像的物理基础一、超声波的定义一、超声波的定义 声源振动频率声源振动频率2000020000HzHz的机械波为超声波。的机械波为超声波。超声诊断使用的频率范围超声诊断使用的频率范围:0.5-60MHz，常用，
2、常用 2-14MHz。次声波次声波 20Hz 20Hz 20000Hz 20000Hz 超声波超声波 （声波）（声波）二、超声波的特性二、超声波的特性 超声在弹性介质中以纵波形式传播，遵守声超声在弹性介质中以纵波形式传播，遵守声波的物理特性，即束射、反射、折射、绕射、散波的物理特性，即束射、反射、折射、绕射、散射、吸收、衰减和多普勒效应等特性。射、吸收、衰减和多普勒效应等特性。三、超声波的发生三、超声波的发生正压电效应：由外力作用引起材料表面产生电荷，形正压电效应：由外力作用引起材料表面产生电荷，形成电场，称为正压电效应；成电场，称为正压电效应；逆压电效应：在材料两端施加一个电压时，晶体将逆压
3、电效应：在材料两端施加一个电压时，晶体将产生几何变形，称为逆压电效应。产生几何变形，称为逆压电效应。变形变形 电场电场电场电场 变形变形三、超声波的发生三、超声波的发生 在临床工作中，利用逆压电效应形成超声在临床工作中，利用逆压电效应形成超声发生器；利用正压电效应形成回声接收器。发生器；利用正压电效应形成回声接收器。常用的超声探头与临床应用：常用的超声探头与临床应用：1 1、凸阵探头：主要用于腹部、妇产科；、凸阵探头：主要用于腹部、妇产科；2 2、线阵探头：主要用于外周血管、小器官；、线阵探头：主要用于外周血管、小器官；3 3、机械扇形扫描探头：主要用于心脏检查；、机械扇形扫描探头：主要用于心
4、脏检查；4 4、环阵扇形探头：主要用于腔内检查。、环阵扇形探头：主要用于腔内检查。四、超声波的传播四、超声波的传播超声波的三个基本物理量超声波的三个基本物理量 1 1、波长、波长()()：在波的传播方向上，质点完成一次振动的距离，：在波的传播方向上，质点完成一次振动的距离，单位：单位：mmmm；2 2、频率、频率(f)(f)：单位时间内质点完成一个振动过程的次数，：单位时间内质点完成一个振动过程的次数，单位：单位：HzHz；3 3、声速、声速(c)(c)：单位时间内声波在介质中的传播距离：单位时间内声波在介质中的传播距离,单位：单位：m/sm/s。目前医用超声仪一般将软组织声速的平均值定为。目
5、前医用超声仪一般将软组织声速的平均值定为1540m/s1540m/s。三者的关系：三者的关系：=c/f 超声波在固体中传播速度最快，在气体中最慢：骨超声波在固体中传播速度最快，在气体中最慢：骨与软骨中声速约为与软骨中声速约为4500m/s；软组织；软组织(肝、胆、胰等肝、胆、胰等)平均平均声速约为声速约为1540m/s；肺、胃肠道等含气脏器中声速为；肺、胃肠道等含气脏器中声速为350m/s。近场近场远场远场D 1/2 1/2D D声源直径声源直径 扩散角扩散角4 4、声场、声场5 5、分辨力：、分辨力：超声能够发现最小障碍物的能力，称为分辨力，超声能够发现最小障碍物的能力，称为分辨力，包括：包
6、括：（1）空间分辨力）空间分辨力：能够辨别两个细小目标空间位置：能够辨别两个细小目标空间位置的能力，分为轴向分辨力、横向分辨力和侧向分辨力；的能力，分为轴向分辨力、横向分辨力和侧向分辨力；（2）对比分辨力）对比分辨力：在灰阶或亮度上分辨不同目标的：在灰阶或亮度上分辨不同目标的能力能力。空间分辨力空间分辨力第二节第二节 人体组织对超声的作用人体组织对超声的作用一、声阻抗与界面一、声阻抗与界面1 1、声阻抗、声阻抗：系密度与声速的乘积，单位为瑞利；：系密度与声速的乘积，单位为瑞利；2 2、界面、界面：两种声阻抗不同物体接触在一起时，形成：两种声阻抗不同物体接触在一起时，形成一个界面，尺寸小于波长时
7、称小界面，反之称为大一个界面，尺寸小于波长时称小界面，反之称为大界面。界面。二、反射与折射二、反射与折射 1、反射：、反射：在超声的传播过程中，如果声束遇到大界面，在超声的传播过程中，如果声束遇到大界面，则一部分超声能量会返回到原来的介质中，形成反射。则一部分超声能量会返回到原来的介质中，形成反射。2、折射：、折射：在超声的传播过程中，当分界面两边的声速不在超声的传播过程中，当分界面两边的声速不同时，超声波透入第二种介质后，其传播方向将发生改变同时，超声波透入第二种介质后，其传播方向将发生改变，产生折射。，产生折射。反射与折射反射与折射 三、散射三、散射 超声波在传播中遇到粗糙面或极小的障碍物
8、时，将有超声波在传播中遇到粗糙面或极小的障碍物时，将有一部分能量被散射，向各个空间方向分散辐射。散射来自一部分能量被散射，向各个空间方向分散辐射。散射来自脏器内的细小结构，红细胞的背向散射是多普勒超声诊断脏器内的细小结构，红细胞的背向散射是多普勒超声诊断的基础。的基础。散射散射 四、绕射四、绕射 当入射声束遇到同超声波长大小接近的界面时；当入射声束遇到同超声波长大小接近的界面时；或者当入射声束经过界面的边缘，并且声束边缘与界或者当入射声束经过界面的边缘，并且声束边缘与界面边缘的距离小于面边缘的距离小于1 12 2个超声波长时，声束就会在界个超声波长时，声束就会在界面边缘处发生弯曲，绕过该障碍物
9、而继续前进，反射面边缘处发生弯曲，绕过该障碍物而继续前进，反射很少，这种现象称为绕射，亦称衍射。很少，这种现象称为绕射，亦称衍射。绕射绕射 五、衰减五、衰减 超声波在介质内的传播过程中，随着传播距离的增大，声超声波在介质内的传播过程中，随着传播距离的增大，声波能量逐渐减少的现象，称为衰减。波能量逐渐减少的现象，称为衰减。造成衰减的主要原因：反射、散射、吸收、声束发散。造成衰减的主要原因：反射、散射、吸收、声束发散。衰减衰减 第三节第三节 超声对人体组织的作用超声对人体组织的作用 一、超声的生物效应一、超声的生物效应 超声波是带有一定能量的机械波，当一定剂量的超声波是带有一定能量的机械波，当一定
10、剂量的超声波在生物体内传播时，通过超声与生物组织的相超声波在生物体内传播时，通过超声与生物组织的相互作用，可以引起生物体的功能、结构或状态的变化互作用，可以引起生物体的功能、结构或状态的变化，这就是超声生物效应。，这就是超声生物效应。一、超声的生物效应一、超声的生物效应 产生超声生物效应的主要机制有：热效应、机械效应、产生超声生物效应的主要机制有：热效应、机械效应、空化效应、化学作用。当超声剂量超出规定，将造成若干生空化效应、化学作用。当超声剂量超出规定，将造成若干生物效应。物效应。二、超声诊断的安全性二、超声诊断的安全性诊断用超声剂量（声强）的限定值：诊断用超声剂量（声强）的限定值：Ispt
11、a100mW/cmIspta100mW/cm2 2，一次超声照射时间，一次超声照射时间10-2010-20分钟。分钟。1、超声波是声源振动频率大于、超声波是声源振动频率大于20000Hz的机械波，可以通的机械波，可以通过换能器的正、逆压电效应产生和接收，医用超声诊过换能器的正、逆压电效应产生和接收，医用超声诊断频率最常选用在断频率最常选用在2-14MHz频率范围内；频率范围内；2、不同组织的超声速度和声特性阻抗不同，超声探测是利、不同组织的超声速度和声特性阻抗不同，超声探测是利用声束的反射、折射、散射、绕射、衰减等传播特性用声束的反射、折射、散射、绕射、衰减等传播特性，通过与生物组织的相互作用
12、进行临床分析和诊断。，通过与生物组织的相互作用进行临床分析和诊断。3、超声对生物组织具有热效应、机械效应和空化效应，在、超声对生物组织具有热效应、机械效应和空化效应，在进行超声探测时须控制安全剂量并遵循检查、操作规进行超声探测时须控制安全剂量并遵循检查、操作规程。程。课后小结课后小结 思考题思考题1、超声波的概念是什么？、超声波的概念是什么？2、临床使用的二维超声主要是利用超声波什么物、临床使用的二维超声主要是利用超声波什么物 理原理？理原理？3、生物组织对入射超声有哪些主要作用？、生物组织对入射超声有哪些主要作用？4、超声对生物组织有什么作用？、超声对生物组织有什么作用？5、超声探测应遵循的原则和注意事项是什么？、超声探测应遵循的原则和注意事项是什么？
