醫(yī)學超聲學基礎

1、波類型波類型傳播條件傳播條件傳播能量傳播能量傳播速度傳播速度波實例波實例 電磁波電磁波 真空、介質真空、介質電磁能電磁能約約3108ms無線電波、光波、無線電波、光波、x、射線射線機械波機械波介質介質機械能機械能幾百至幾千幾百至幾千ms水波、地震波、水波、地震波、聲波聲波波，根據其性質可分為兩大類：波，根據其性質可分為兩大類： 彈性介質中質點機械振動狀態(tài)的傳播過程。彈性介質中質點機械振動狀態(tài)的傳播過程。 其實是機械振動能量的傳播過程。其實是機械振動能量的傳播過程。二、聲波按頻率的分類及醫(yī)用超聲的范圍二、聲波按頻率的分類及醫(yī)用超聲的范圍1.1.聲波按頻率聲波按頻率(f)(f)的分類的分類一、聲波

2、的定義一、聲波的定義簡單的分類簡單的分類: : f f16 hz 16 hz 稱：稱：次聲波次聲波 16 hzf20 khz 16 hzf20 khz 稱：稱：可聽聲波可聽聲波 f f20 khz 20 khz 稱：稱：超聲波超聲波2.2.醫(yī)學超聲儀的頻率范圍：醫(yī)學超聲儀的頻率范圍：200 khz200 khz40 mhz40 mhz3.3.超聲診斷儀的頻率范圍：超聲診斷儀的頻率范圍： 1 mhz1 mhz10 mhz10 mhz 相應的波長：相應的波長： 1.5mm1.5mm0.15mm0.15mm三、超聲波（最突出）的特性三、超聲波（最突出）的特性1. 1. 方向性好方向性好用于探測、診斷

3、。用于探測、診斷。2. 2. 能量大能量大 用于清洗、滅菌、手術。用于清洗、滅菌、手術。超聲波產生的基本條件：超聲波產生的基本條件： 振源；振源； 介質。介質。一、單自由度振動系統(tǒng)的數學描述一、單自由度振動系統(tǒng)的數學描述1. 位移位移： acos(acos(0 0t-)t-) 式中：式中：a a 振幅，即最大位移振幅，即最大位移 0 0 2f2f0 0 角頻率角頻率 f f0 0 固有頻率固有頻率 初相角初相角2. 速度速度： v vd/dtd/dtaa0 0 sin( sin(0 0t-)t-) vmvm sin(sin(0 0t-)t-) 式中：式中：vmvm aa0 0 最大速度最大速度

4、3. 加速度加速度：a adv/dtdv/dtaa0 02 2 cos( cos(0 0t-)t-) b cos(b cos(0 0t-)t-) 式中：式中：b b aa0 02 2 最大加速度最大加速度單個質點無阻尼振動：動能、勢能轉換，能量守恒。單個質點無阻尼振動：動能、勢能轉換，能量守恒。二、機械波產生的過程二、機械波產生的過程 連續(xù)彈性介質中，某一質點的振動，通過彈連續(xù)彈性介質中，某一質點的振動，通過彈性力的作用，傳遞給與它相鄰的質點，后者也振性力的作用，傳遞給與它相鄰的質點，后者也振動，并繼續(xù)傳遞動，并繼續(xù)傳遞能量傳播，形成機械波。能量傳播，形成機械波。三、超聲波的產生及傳播三、超聲

5、波的產生及傳播 由超聲換能器產生振動，引起接觸劑的振動，由超聲換能器產生振動，引起接觸劑的振動，接觸劑的振動又引起人體皮膚、脂肪及內臟的振接觸劑的振動又引起人體皮膚、脂肪及內臟的振動，超聲波能量就這樣進入了人體。動，超聲波能量就這樣進入了人體。一、按質點振動方向和波傳播方向的關系分類一、按質點振動方向和波傳播方向的關系分類1. 橫波橫波質點振動方向質點振動方向垂直于垂直于波的傳播方向的波。波的傳播方向的波。由介質的切變彈性引起，亦稱切變波。由介質的切變彈性引起，亦稱切變波。橫波僅在橫波僅在固體固體中傳播。中傳播。2. 縱波縱波質點振動方向質點振動方向平行于平行于波的傳播方向的波。波的傳播方向的

6、波。由介質的壓縮彈性引起，亦稱疏密波或壓縮波。由介質的壓縮彈性引起，亦稱疏密波或壓縮波?？v波能在縱波能在固體固體、液體液體和和氣體氣體中傳播。中傳播。 由于人體軟組織無切變彈性，橫波在人體軟組織由于人體軟組織無切變彈性，橫波在人體軟組織中不能傳播，而只能以縱波的方式傳播，所以縱波是中不能傳播，而只能以縱波的方式傳播，所以縱波是超聲診斷和治療的常用波型。超聲診斷和治療的常用波型。二、按波陣面的形狀分類二、按波陣面的形狀分類1. 波面與波陣面波面與波陣面波波 面面: : 波傳播時，某一時刻介質中各同相位波傳播時，某一時刻介質中各同相位 振動點組成的面。波面有無數個。振動點組成的面。波面有無數個。波

7、陣面：波傳播方向上最前面的那個波面。波陣面：波傳播方向上最前面的那個波面。2. 按波陣面的形狀分類按波陣面的形狀分類1)1) 平面波：波平面波：波陣陣面為平面的波。面為平面的波。2)2) 球面波：波球面波：波陣陣面為球面的波。面為球面的波。3)3) 柱面波：波柱面波：波陣陣面為柱面的波。面為柱面的波。3. 約定約定為方便，超聲在人體內傳播，均視為平面波。為方便，超聲在人體內傳播，均視為平面波。遇到小障礙物而散射的超聲，均視為球面波。遇到小障礙物而散射的超聲，均視為球面波。三、按發(fā)射超聲的類型分類三、按發(fā)射超聲的類型分類脈沖波脈沖波 采用機種：采用機種：a a型、型、m m型、型、b b型超聲診

8、斷儀，型超聲診斷儀， 脈沖波多普勒血流儀。脈沖波多普勒血流儀。連續(xù)波連續(xù)波 采用機種：連續(xù)波多普勒血流儀。采用機種：連續(xù)波多普勒血流儀。四、按聲波的頻率分類（如前述）四、按聲波的頻率分類（如前述）. . 次聲波次聲波可聽聲波可聽聲波 超聲波超聲波一、波動方程一、波動方程假定：平面聲波，沿假定：平面聲波，沿x方向傳播方向傳播1. 基本方程基本方程運動方程：運動方程： 連續(xù)方程：連續(xù)方程： 其中：其中：p聲壓，聲壓，v質點振動速度質點振動速度 介質密度，介質密度， t時間，時間，b 體積彈性系數體積彈性系數pvbtx vptx 2. 波動方程波動方程聯(lián)立以上聯(lián)立以上、式，可得波動方程如下：式，可得

9、波動方程如下：它描述了聲波傳播過程中，每個空間位置上，每它描述了聲波傳播過程中，每個空間位置上，每個時刻的聲壓和質點振動速度。個時刻的聲壓和質點振動速度。3. 解的形式解的形式 p = f1( x-ct ) + f2( x+ct ) 0122222tpcxp0122222tvcxv 對于簡諧平面波可寫為：對于簡諧平面波可寫為：p = a1e-j (t-kx ) + a2e-j(t+kx ) 或：或：p = a1cos (t-kx ) + a2cos(t+kx ) 式中：式中：k = /c = 2/波數波數 = 2f角頻率角頻率 f 頻率頻率 波長波長 4. 討論討論 、式中，第一項式中，第一項

10、x同向波，第二項同向波，第二項x反向波，反向波，如無反向波（反射波），則如無反向波（反射波），則a2=0 p = p0cos(t-kx ) = p0cos( t-x/c )該式表明：在離聲源該式表明：在離聲源x x處的振動，要在聲源振動處的振動，要在聲源振動的一個時延的一個時延x/cx/c后才發(fā)生。后才發(fā)生。 1. 1. 聲速聲速c c 聲波在單位時間內傳播的距離稱聲速，用聲波在單位時間內傳播的距離稱聲速，用c c表示。表示。聲速聲速c c與質點振動速度與質點振動速度v v是不同的。是不同的。c c與以下因素有關：與以下因素有關： （1 1）c c與與波類型波類型有關。橫波有關。橫波c c縱波

11、縱波c c。 （2 2）在流體與氣體介質中（平面縱波）：）在流體與氣體介質中（平面縱波）： b b介質的體積彈性系數介質的體積彈性系數 介質的密度介質的密度 （3 3）c c與與溫度溫度有關有關因因b b與溫度有關。與溫度有關。 如：空氣中一定溫度內每升高如：空氣中一定溫度內每升高11，聲速約增加，聲速約增加 0.6m/s0.6m/s。 （4 4）c c與頻率無關，即無頻散（色散）現(xiàn)象。與頻率無關，即無頻散（色散）現(xiàn)象。二、波參數二、波參數/bc 與超聲診斷有關的各種介質的聲速與超聲診斷有關的各種介質的聲速 重要聲速參數重要聲速參數 人體軟組織中：人體軟組織中： c1540 m/sc1540

12、m/s 在人體各種軟組織中在人體各種軟組織中, ,聲速都很接近，可按此估算。聲速都很接近，可按此估算。 人體骨組織中：人體骨組織中： c4000 m/sc4000 m/s 空氣空氣(22)(22)中：中： c c 345 m/s 345 m/s2.2.波長、周期和頻率波長、周期和頻率（1 1） 波長波長 聲波中兩個相鄰同相位點之間的距離稱波長，用聲波中兩個相鄰同相位點之間的距離稱波長，用表示。表示。 縱波：指兩個相鄰密集點縱波：指兩個相鄰密集點( (或稀疏點或稀疏點) )之間的距離。之間的距離。 橫波：指兩個相鄰波峰橫波：指兩個相鄰波峰( (或波谷或波谷) )之間的距離。之間的距離。 ( (或

13、：在一個波周期時間內，波所傳播的距離稱波長?；颍涸谝粋€波周期時間內，波所傳播的距離稱波長。) )（2 2）周期）周期t t 聲波傳播一個波長距離所需的時間稱周期，用聲波傳播一個波長距離所需的時間稱周期，用t t表示。表示。等于聲波中質點在平衡位置往返振動一次所需的時間。等于聲波中質點在平衡位置往返振動一次所需的時間。（3 3）頻率）頻率f f 任一點在單位時間內通過的波數稱頻率，用任一點在單位時間內通過的波數稱頻率，用f f表示。等表示。等于介質中的質點在單位時間內振動的次數。于介質中的質點在單位時間內振動的次數。 （4 4）波長、周期、頻率與聲速之間的關系）波長、周期、頻率與聲速之間的關系c

14、/fc/ft tt t1/f1/f（5 5）單位）單位聲速的單位為：聲速的單位為：m/sm/s醫(yī)學超聲中常用：醫(yī)學超聲中常用：mm/smm/s波長波長的單位為：的單位為：m m 醫(yī)學超聲中常用：醫(yī)學超聲中常用：mm mm 頻率的單位為：頻率的單位為：hz hz 醫(yī)學超聲中常用：醫(yī)學超聲中常用：mhzmhz（6 6）頻率、波長對超聲成像的影響）頻率、波長對超聲成像的影響 波長：決定了成像的極限分辨率波長：決定了成像的極限分辨率 頻率：決定了成像的組織深度頻率：決定了成像的組織深度3.3.聲壓和聲強聲壓和聲強(1)(1)聲壓聲壓 p p 定義定義 單位面積上介質受到的聲波壓力稱聲壓，用單位面積上介

15、質受到的聲波壓力稱聲壓，用p p表示。表示。是由聲波引起的介質中壓強，是介質靜壓強的一個增量。是由聲波引起的介質中壓強，是介質靜壓強的一個增量。隨著聲波在介質中的傳播，該壓強隨時間和位置而變化。隨著聲波在介質中的傳播，該壓強隨時間和位置而變化。 平面波聲壓瞬時值平面波聲壓瞬時值 p pcvcv 式中：式中：介質密度，介質密度，c c聲速，聲速，v v質點振動速度質點振動速度 聲壓最大值（即振幅）聲壓最大值（即振幅） p pm mcvcvm mcc0 0 a a 聲壓有效值聲壓有效值 p pp pm m/ /2（2 2）聲強）聲強i i 定義定義 單位時間內通過垂直于傳播方向上單位面積的超單位時

16、間內通過垂直于傳播方向上單位面積的超聲能量稱為超聲強度。簡稱聲強，用聲能量稱為超聲強度。簡稱聲強，用i i表示。表示。 平面波聲強計算式平面波聲強計算式 i ip p2 2/c/cp pm m2 2/2c/2cp pm mv vm m/2/2 cvcvm m2 2 /2/2cc0 02 2a a2 2/2/2 即聲強與該點聲壓、振速或振動位移的最大值有關。即聲強與該點聲壓、振速或振動位移的最大值有關。 聲強的單位聲強的單位 瓦瓦/ /厘米厘米2 2 1 1瓦瓦1 1焦耳焦耳/ /秒秒4.4.聲壓級和聲強級聲壓級和聲強級（1 1）聲強級）聲強級l li i （2 2）聲壓級）聲壓級l lp p

17、（3 3）說明）說明 對同一聲波量，相對于同一參考聲波量，恒有對同一聲波量，相對于同一參考聲波量，恒有l(wèi) li i = l= lp p 超聲診斷儀回波信號動態(tài)范圍超聲診斷儀回波信號動態(tài)范圍l ld d =10lg(i=10lg(imaxmax/i/iminmin)100db,)100db, 即：即：i imaxmax/i/iminmin=10=101010(100(100億億) )倍，或倍，或p pmaxmax/p/pminmin=10=105 5(10(10萬萬) )倍。倍。 如未指明參考聲強，默認值如未指明參考聲強，默認值i i0 010101616 w/cm w/cm2 2, , 這是當

18、這是當f f1khz1khz時，人耳能聽覺的最小聲強，國際通用。時，人耳能聽覺的最小聲強，國際通用。5. 5. 聲阻抗率聲阻抗率z z（1 1）定義）定義 聲場中某點的聲壓與該質點振動速度之比稱聲阻抗率聲場中某點的聲壓與該質點振動速度之比稱聲阻抗率z zp/vp/v 對于平面波，可求得：對于平面波，可求得： z zp/vp/vcc 在水和空氣中在水和空氣中, ,還可得：還可得：z zp/vp/vcc(b)(b)1/21/2 式中：式中：介質密度，介質密度，c c 聲速，聲速，b b體積彈性系數體積彈性系數 （2 2）說明）說明 z z只與介質本身聲學特性有關，又稱特性阻抗；只與介質本身聲學特性

19、有關，又稱特性阻抗； z z的單位是瑞利，的單位是瑞利，1 1瑞利瑞利1g/cm1g/cm2 2s s； 聲阻抗率越大，超聲縱波速度越快。聲阻抗率越大，超聲縱波速度越快。（3 3）人體組織按聲阻抗率大致可分成三類）人體組織按聲阻抗率大致可分成三類 體液及軟組織：體液及軟組織： z1.5z1.510105 5 瑞利瑞利 氣體及充氣的肺組織：氣體及充氣的肺組織：z0.0004-0.26z0.0004-0.2610105 5 瑞利瑞利 骨及鈣化了的組織：骨及鈣化了的組織： z5.57-8.3z5.57-8.310105 5 瑞利瑞利（4 4）關于聲阻抗名稱）關于聲阻抗名稱 聲阻抗是聲阻抗是“機機-

20、-電類比電類比”中，與電阻抗相類比而稱的。中，與電阻抗相類比而稱的。 “ “機機- -電類比電類比”是用電學的理論、手段研究聲學問題的方是用電學的理論、手段研究聲學問題的方法。因為許多聲學系統(tǒng)與相應的電學系統(tǒng)有相同的微分法。因為許多聲學系統(tǒng)與相應的電學系統(tǒng)有相同的微分方程方程 聲學：聲學：z zp/vp/v， 電學：電學：r ru/iu/i， 類比：類比：z zr r，p pu u，v vi i 超聲成像只能用于那些有液體和軟組織的、超聲成像只能用于那些有液體和軟組織的、且聲波傳播通路上沒有氣體或骨骼阻擋的那些且聲波傳播通路上沒有氣體或骨骼阻擋的那些區(qū)域。區(qū)域。 在液體和軟組織中，聲速和聲阻抗

21、變化不在液體和軟組織中，聲速和聲阻抗變化不大，使得聲反射量適中，既保證了界面回波的大，使得聲反射量適中，既保證了界面回波的顯像觀察，亦保證了聲波可穿透足夠的深度。顯像觀察，亦保證了聲波可穿透足夠的深度。此外，接收回波的時延與目標深度成近似的正此外，接收回波的時延與目標深度成近似的正比關系，這是比關系，這是b超診斷圖像成功應用必要的物超診斷圖像成功應用必要的物理基礎。理基礎。 超聲波的傳播特性有：波的超聲波的傳播特性有：波的反射、折射、透射、衍射反射、折射、透射、衍射和和散射散射等。兩波相遇時遵循疊加原理。等。兩波相遇時遵循疊加原理。 一、反射和折射一、反射和折射 條件及約定：條件及約定： 聲波

22、類型：平面波聲波類型：平面波 界面條件：光滑平面，且足夠大（相對于波長）界面條件：光滑平面，且足夠大（相對于波長） 字母、下標的意義字母、下標的意義 p p聲壓，聲壓，i i聲強，聲強，c c聲速，聲速，z z聲阻抗，聲阻抗，夾角夾角 1 1介質，介質，2 2介質介質, i, i入射，入射，r r反射，反射，t t折射折射 如：如：p pi i入射聲壓，入射聲壓，z z1 1介質介質1 1的聲阻抗的聲阻抗 反射定律反射定律: : i ir r 與光學定律同，與光學定律同， 折射定律：折射定律： 因聲、光同為波因聲、光同為波21sinsinccri1.1.傳播的幾何特性傳播的幾何特性i ir r

23、t ti ii i，p pi ii ir r，p pr ri it t，p pt t入射波入射波反射波反射波折射波折射波介質，介質，c c1 1，z z1 1介質，介質，c c，z z界面界面t t 發(fā)生全反射的條件發(fā)生全反射的條件 在在c c1 1c c2 2的情況下的情況下 當當i ic csinsin-1-1(c(c1 1/c/c2 2) )時，即時，即sinsini ic c1 1/c/c2 2t tsinsin-1-1(c(c2 2/c/c1 1)sin)sini i) ) sinsin-1-1(c(c2 2/c/c1 1) )(c(c1 1/c/c2 2) ) 9090 折射波沿界

24、面?zhèn)鞑フ凵洳ㄑ亟缑鎮(zhèn)鞑?當當i ic c 時，可得：時，可得：sinsint t1 1 t t非實角，故沒有折射波，而發(fā)生全反射非實角，故沒有折射波，而發(fā)生全反射 c csinsin-1-1(c(c1 1/c/c2 2) ) 稱為全反射角。稱為全反射角。2.2.傳播的力學特性傳播的力學特性 上述的折射波也稱透射波。反射波、透射波關于上述的折射波也稱透射波。反射波、透射波關于入射波的相對強弱由反射系數和透射系數來反應。入射波的相對強弱由反射系數和透射系數來反應。 （1 1） 定義定義 聲壓反射系數：聲壓反射系數：聲壓透射系數：聲壓透射系數：聲強反射系數：聲強反射系數：聲強透射系數：聲強透射系數：

25、irppparitpppatiriiiaritiiiat注意：注意： 這里這里均為在均為在界面上界面上的波參的波參數之比數之比（2 2）求解思路）求解思路 根據界面平衡條件：根據界面平衡條件： 在界面上兩邊的總壓力應該相等；在界面上兩邊的總壓力應該相等； 界面上兩邊質點的速度應該連續(xù)。得界面上兩邊質點的速度應該連續(xù)。得 （1 1） （2 2） 又根據聲阻抗率定義，又根據聲阻抗率定義， ，即，即 （2 2）式變?yōu)椋┦阶優(yōu)?（3 3） 聯(lián)解（聯(lián)解（1 1）、（）、（3 3）兩式，可求得）兩式，可求得 tripppttrriivvvcoscoscosvpz zpv ttrriizpzpzpcosco

26、scos211trtriippaaaa,21pr21coscoscoscositriitzzpapzz222121coscoscoscositrririiitzzipaipzz2212coscoscostiptiitpzapzz2221122214coscoscosttiitiiitipz zzaipzzz （3 3）超聲波垂直入射界面時的力學特性）超聲波垂直入射界面時的力學特性 221r21izzazz介質介質1介質介質2透射波透射波反射波反射波入射波入射波界面界面pt, itpi, iipr, ir0tri21pr21zzazz2212ptzazz 其中：其中：11 1zc222zc ，2

27、12214itz zazz 顯然有：顯然有： 原因是：原因是： ，即：，即： ，即：，即： 體現(xiàn)界面處輸入輸出體現(xiàn)界面處輸入輸出 體現(xiàn)界面兩邊的力平衡體現(xiàn)界面兩邊的力平衡 能量守恒能量守恒 由由i ip p2 2/c/c，可推得，可推得 注意：注意：1rtppaaritirtiritpppppppppp11riiaatirtiritiiiiiii12ttpiaa211rrrtrtpiiippaaaaaa2rrpiaa（4 4）討論）討論 則則 有反射，有透射；有反射，有透射； 則則 無反射，全透射；無反射，全透射； 則則 幾乎全反射，無透射；幾乎全反射，無透射； 則則 幾乎全反射，無透射。幾乎

28、全反射，無透射。 反射超聲能量的大小取決于兩種介質的聲阻抗率差反射超聲能量的大小取決于兩種介質的聲阻抗率差 超聲垂直入射時：超聲垂直入射時： 在空氣軟組織交界面上，聲強反射系數為在空氣軟組織交界面上，聲強反射系數為0.99890.9989；在軟組織顱骨交界面上，聲強反射系數為在軟組織顱骨交界面上，聲強反射系數為0.320.32。即在這。即在這兩種界面上，有兩種界面上，有99.999.9和和3232的超聲能量被反射回來。的超聲能量被反射回來。這就是為什么超聲診斷儀不能檢查含氣體的臟器及對頭這就是為什么超聲診斷儀不能檢查含氣體的臟器及對頭顱檢查困難的原因。顱檢查困難的原因。 超聲診斷儀檢查時聲波通

29、路上必須避開骨和空氣。超聲診斷儀檢查時聲波通路上必須避開骨和空氣。12zz12zz12zz12zz, 0, 0triiaa, 1, 0triiaa, 0, 1tiriaa, 0, 1tiriaa二、透過薄層的波二、透過薄層的波 在超聲換能器中，超聲要通過幾層特性阻抗不同在超聲換能器中，超聲要通過幾層特性阻抗不同的介質進行傳播。的介質進行傳播。 這里只討論最簡單的情況，即假設平面超聲波垂這里只討論最簡單的情況，即假設平面超聲波垂直入射，通過三層介質。如圖：直入射，通過三層介質。如圖： 可以求得：可以求得：式中：式中：i i1 1 第一層介質中的入射波能量第一層介質中的入射波能量i i3 3 第三

30、層介質中的透射波能量第三層介質中的透射波能量 介質介質2 2中的波數中的波數l l2 2 中間層厚度中間層厚度 （1 1）當）當 ，n=1,2,n=1,2, （l l2 2為半波長的整數倍為半波長的整數倍) )時時 或或 ，且非，且非z z2 2zz1 1, z, z2 2zd。 當當d d與與可比，則發(fā)生繞射。例如膽結石?？杀龋瑒t發(fā)生繞射。例如膽結石。 當當dd，則發(fā)生散射。例如紅細胞。，則發(fā)生散射。例如紅細胞。1. 1. 散射散射 條件：條件：dd； 現(xiàn)象：小障礙物變成新的波源，并向四周發(fā)射超聲波；現(xiàn)象：小障礙物變成新的波源，并向四周發(fā)射超聲波； 回波：散射信號的回波大小與入射角無明顯關系

31、；回波：散射信號的回波大小與入射角無明顯關系； 應用：運動的紅細胞散射應用：運動的紅細胞散射超聲多普勒血流儀；超聲多普勒血流儀； 臟器內小結構散射臟器內小結構散射b b超臟器結構性質顯像。超臟器結構性質顯像。 2. 2. 繞射繞射 條件：條件：d d與與接近；接近； 現(xiàn)象：障礙物邊緣超聲波繞過障礙物繼續(xù)前進；現(xiàn)象：障礙物邊緣超聲波繞過障礙物繼續(xù)前進； 應用：膽結石邊緣發(fā)生繞射，在其后方形成聲影，應用：膽結石邊緣發(fā)生繞射，在其后方形成聲影， 以此判別是否膽結石。以此判別是否膽結石。四、超聲波的疊加原理四、超聲波的疊加原理1. 1. 疊加原理疊加原理 超聲波在傳播過程中相遇時：超聲波在傳播過程中相

32、遇時： 相遇前后，波的特性不變相遇前后，波的特性不變獨立性獨立性。 相遇之處，質點振動各波矢量合成相遇之處，質點振動各波矢量合成疊加性疊加性。（波的特性：頻率、初相、振動方向、傳播方向等）（波的特性：頻率、初相、振動方向、傳播方向等） 2. 2. 疊加特例疊加特例 兩列波，頻率、振動方向相同，相位差兩列波，頻率、振動方向相同，相位差恒定：恒定： 2k： 振動同相，合成相加，振幅最大振動同相，合成相加，振幅最大 (2k+1)(2k+1)：振動反相，合成相減，振幅最小：振動反相，合成相減，振幅最小 如圖如圖1-91-9 一、一、超聲衰減的定義超聲衰減的定義 超聲強度隨傳播距離增加而減弱的現(xiàn)象，稱超

33、聲衰減。超聲強度隨傳播距離增加而減弱的現(xiàn)象，稱超聲衰減。 二、二、超聲衰減的原因超聲衰減的原因 擴散聲束擴散，使聲波原方向聲強減弱。擴散聲束擴散，使聲波原方向聲強減弱。 散射介質散射，也使聲波原方向聲強減弱。散射介質散射，也使聲波原方向聲強減弱。 吸收介質的吸收將聲能轉化為熱能，超聲能量減少。吸收介質的吸收將聲能轉化為熱能，超聲能量減少。 ( () ) 粘滯吸收：介質質點運動時相互摩擦；粘滯吸收：介質質點運動時相互摩擦； ( () ) 弛豫吸收：介質的傳導造成熱能輻射。弛豫吸收：介質的傳導造成熱能輻射。 三、三、 超聲衰減規(guī)律超聲衰減規(guī)律（1 1）平面波在均勻生物組織中傳播時，有指數型關系）平

34、面波在均勻生物組織中傳播時，有指數型關系 式中，式中，i i0 0,p,p0 0 x=0 x=0處的聲強、聲壓有效值處的聲強、聲壓有效值 介質的聲壓衰減系數介質的聲壓衰減系數 （2 2）聲壓衰減系數）聲壓衰減系數 與擴散、散射、吸收等因素有關。一般與擴散、散射、吸收等因素有關。一般 在人體軟組織，并診斷用超聲頻率范圍內在人體軟組織，并診斷用超聲頻率范圍內式中，式中，介質的超聲衰減常數?？刹楸淼谩＝橘|的超聲衰減常數?？刹楸淼?。 單位：單位： (mm)(mm)-1-1, ,s/mm,s/mm,f fmhz.mhz. xeixi20 xepxp0 fff(3) (3) 超聲傳播衰減聲壓級超聲傳播衰減

35、聲壓級 式中：式中：p(x)p(x) x x處聲壓，處聲壓，p p0 0 x=0 x=0處聲壓。處聲壓。根據前述有：根據前述有： l li i(x(x) = l) = lp p(x) = -8.7fx(x) = -8.7fx稱為超聲相對于初始位置的傳播衰減聲壓級。稱為超聲相對于初始位置的傳播衰減聲壓級。 例：肝的例：肝的0.010s/mm,0.010s/mm,超聲傳播衰減聲壓級為：超聲傳播衰減聲壓級為： f =1mhz,x=10mm f =1mhz,x=10mm： l lp p-8.7fx-8.7fx-0.87db-0.87db f =3mhz,x=150mm f =3mhz,x=150mm：

36、l lp p-8.7fx-8.7fx-39db-39db 可見，隨著可見，隨著f,xf,x的增加，衰減迅速增加。的增加，衰減迅速增加。 fxxpepeppxpxllg20lg20lg20000 fxxlp7.8(4)(4)人體軟組織超聲衰減估算式人體軟組織超聲衰減估算式上式中，上式中，8.78.7稱為超聲衰減系數，它反映了稱為超聲衰減系數，它反映了 組織中超聲衰減的速度，人體軟組織大致有：組織中超聲衰減的速度，人體軟組織大致有： 8.7= 0.078.7= 0.070.13 (db/mhz0.13 (db/mhzmmmm) ) = 0.7 = 0.71.3 (db/mhz1.3 (db/mhz

37、cmcm) ) 超聲診斷儀設計上，作為估算常取平均為：超聲診斷儀設計上，作為估算常取平均為： 8.7= 1(db/mhz8.7= 1(db/mhzcm)cm) 即即 l li i(x(x) = l) = lp p(x) = -(x) = -8.78.7fxfx 上式為人體軟組織中超聲傳播衰減估算式。上式為人體軟組織中超聲傳播衰減估算式。 單位：單位： l li i(x)=l(x)=lp p(x)- db, f- mhz, x- (x)- db, f- mhz, x- cm cm 超聲波是一種依靠介質來傳播的聲波，它具有機械超聲波是一種依靠介質來傳播的聲波，它具有機械能。因此傳播過程中將不可避免

38、地與介質相互作用，產能。因此傳播過程中將不可避免地與介質相互作用，產生各種效應。生各種效應。 一、機械效應一、機械效應聲波能量作用于介質，會引起質點高速細微的振動，聲波能量作用于介質，會引起質點高速細微的振動，產生速度、加速度、聲壓、聲強等力學量的變化，從而產生速度、加速度、聲壓、聲強等力學量的變化，從而引起機械效應。引起機械效應。 利用利用：引起細胞的摩擦，能促進新陳代謝。：引起細胞的摩擦，能促進新陳代謝。 注意注意：必須控制適當的強度。：必須控制適當的強度。二、溫熱效應二、溫熱效應由于生物組織對超聲有吸收作用，一部分聲能轉化由于生物組織對超聲有吸收作用，一部分聲能轉化為熱能，使生物組織產生

39、溫升。為熱能，使生物組織產生溫升。 利用利用： 能使局部血管擴張，加快血液循環(huán)，促進病能使局部血管擴張，加快血液循環(huán)，促進病理產物的吸收消散。理產物的吸收消散。 局部加熱至局部加熱至4343o oc c，配合放射化療治療癌癥。，配合放射化療治療癌癥。 注意注意：強度適當。：強度適當。 三、空化效應三、空化效應因超聲波作用而在軟組織和液體中形成的空泡，會因超聲波作用而在軟組織和液體中形成的空泡，會隨著材料各處壓力的變化而改變其大小，在一定超聲壓隨著材料各處壓力的變化而改變其大小，在一定超聲壓力情況下，氣泡會破裂而產生沖擊，引起材料的破碎或力情況下，氣泡會破裂而產生沖擊，引起材料的破碎或位移，這就

40、是空化效應。空化有很大的破壞作用位移，這就是空化效應。空化有很大的破壞作用。 利用利用：可制成超聲手術刀。：可制成超聲手術刀。 注意注意：避免強超聲照射眼睛、懷孕子宮：避免強超聲照射眼睛、懷孕子宮四、化學效應四、化學效應因局部壓力和溫度的升高，發(fā)生常溫常壓下不可能因局部壓力和溫度的升高，發(fā)生常溫常壓下不可能發(fā)生的化學反應，這是超聲的化學效應。發(fā)生的化學反應，這是超聲的化學效應。 五、安全劑量五、安全劑量以上幾種超聲效應在一定劑量上，都不同程度地對以上幾種超聲效應在一定劑量上，都不同程度地對人體組織有傷害作用，因此必須重視安全劑量。人體組織有傷害作用，因此必須重視安全劑量。 安全閾值安全閾值：1

41、00mw/cm100mw/cm2 2。與照射時間密切相關。與照射時間密切相關。 一般認為：在診斷的安全劑量內，不產生可檢出的一般認為：在診斷的安全劑量內，不產生可檢出的 生物效應，對人體是安全無損的生物效應，對人體是安全無損的, , 也無也無 劑量積累。劑量積累。 在超聲生物效應這個領域，目前還有很多問題尚未弄清。在超聲生物效應這個領域，目前還有很多問題尚未弄清。一、是非題（如錯，請改正）一、是非題（如錯，請改正） 1. 超聲波是聲速超過可聽聲的聲波。超聲波是聲速超過可聽聲的聲波。 2. 超聲波傳播時聲壓瞬時值隨傳播距離按指數規(guī)超聲波傳播時聲壓瞬時值隨傳播距離按指數規(guī)律下降。律下降。 3. 介質的聲阻抗率越大，其中的聲速越低。介質的聲阻抗率越大，其中的聲速越低。 4. 在兩層介質之間加一匹配層，其厚度與超聲頻在兩層介質之間加一匹配層，其厚度與超聲頻率無關。率無關。 5. 超聲波是介質中質點振動能量的傳播過程。超聲波是介質中質點振動能量的傳播過程。 6. 橫波由介質