10超聲波超聲診斷儀的物理原理

1、超聲波 超聲診斷儀的物理原理supersonic wavephysics principle of ultrasonic diagonstic apparatus 簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)機(jī)械波機(jī)械波判斷方法判斷方法運(yùn)動(dòng)方程運(yùn)動(dòng)方程特征量特征量振動(dòng)能量振動(dòng)能量振動(dòng)合成振動(dòng)合成阻尼與共振阻尼與共振波動(dòng)方程波動(dòng)方程波的能量波的能量波的干涉波的干涉駐波駐波多普勒效應(yīng)多普勒效應(yīng)惠更斯原理惠更斯原理復(fù)復(fù) 習(xí)習(xí)聲波聲波超聲波超聲波聲壓聲壓聲強(qiáng)級(jí)聲強(qiáng)級(jí)響度級(jí)響度級(jí)特點(diǎn)特點(diǎn)作用作用產(chǎn)生原理產(chǎn)生原理聲阻聲阻聲強(qiáng)聲強(qiáng)診斷原理診斷原理最新進(jìn)展最新進(jìn)展知識(shí)結(jié)構(gòu)知識(shí)結(jié)構(gòu)超聲成像儀ultrasonic imaging devic

2、e 三維動(dòng)態(tài)超聲圖像超聲波超聲波 超聲診斷儀的物理原理超聲診斷儀的物理原理一、一、聲波的性質(zhì)聲波的性質(zhì)二、二、人的聽覺范圍人的聽覺范圍三、三、超聲波的性質(zhì)超聲波的性質(zhì)四、四、超聲波在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用超聲波在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用五、五、總結(jié)總結(jié)一、聲波的性質(zhì)一、聲波的性質(zhì)properties of sound wave 超聲和次聲超聲和次聲 聲壓和聲阻聲壓和聲阻 聲強(qiáng)聲強(qiáng) 反射和折射反射和折射 18901890年，年， 一艘名叫一艘名叫“馬爾波羅號(hào)馬爾波羅號(hào)”帆船在從帆船在從新西蘭駛往英國(guó)的途中，突然神秘地失蹤了。新西蘭駛往英國(guó)的途中，突然神秘地失蹤了。 19481948年初，一艘荷蘭貨船在通過馬六甲海峽時(shí)

3、，年初，一艘荷蘭貨船在通過馬六甲海峽時(shí)，一場(chǎng)風(fēng)暴過后，全船海員莫明其妙地死光；上述一場(chǎng)風(fēng)暴過后，全船海員莫明其妙地死光；上述慘案，引起了科學(xué)家們的普遍關(guān)注，其中不少人慘案，引起了科學(xué)家們的普遍關(guān)注，其中不少人還對(duì)船員的遇難原因進(jìn)行了長(zhǎng)期的研究。還對(duì)船員的遇難原因進(jìn)行了長(zhǎng)期的研究。關(guān)于次聲關(guān)于次聲infrasonic wave 經(jīng)過反復(fù)調(diào)查，終于弄清了制造上述慘案的經(jīng)過反復(fù)調(diào)查，終于弄清了制造上述慘案的“兇手兇手”，是一種為人們所不很了解的次聲的聲波。，是一種為人們所不很了解的次聲的聲波。 人體內(nèi)臟固有的振動(dòng)頻率和次聲頻率相近似（人體內(nèi)臟固有的振動(dòng)頻率和次聲頻率相近似（0.00010.00012

4、020赫），倘若外來的次聲頻率與人體內(nèi)臟赫），倘若外來的次聲頻率與人體內(nèi)臟的振動(dòng)頻率相似或相同，就會(huì)引起人體內(nèi)臟的的振動(dòng)頻率相似或相同，就會(huì)引起人體內(nèi)臟的 共共振振 ，從而使人產(chǎn)生上面提到的頭暈、煩躁、耳鳴，從而使人產(chǎn)生上面提到的頭暈、煩躁、耳鳴、惡心等等一系列癥狀。、惡心等等一系列癥狀。超聲和次聲超聲和次聲supersonic wave & infrasonic wave 在連續(xù)介質(zhì)中傳播的彈性波，若其頻率在連續(xù)介質(zhì)中傳播的彈性波，若其頻率f在在20 2 104 hz之間，則能使人產(chǎn)生聲音之間，則能使人產(chǎn)生聲音的感覺，這種波稱為的感覺，這種波稱為聲波聲波(sound wave)； 若

5、其頻率在若其頻率在10 4 20 hz之間，則這種波稱之間，則這種波稱 為為次聲波次聲波(infrasonic wave)； 若其頻率在若其頻率在2 104 5 108 hz之間，則這種之間，則這種 波稱為波稱為超聲波超聲波(supersonic wave)。 人能聽到聲音的頻率為人能聽到聲音的頻率為20hz20hz20000hz20000hz，其中最敏感的頻率其中最敏感的頻率2000hz2000hz3000hz3000hz。老年。老年人的聽覺隨著年齡而衰退，能聽到的頻率人的聽覺隨著年齡而衰退，能聽到的頻率約為約為50hz50hz12000hz12000hz。聽閾聲壓聲壓sound press

6、uresound pressure 在媒質(zhì)中，有聲波傳播時(shí)的壓在媒質(zhì)中，有聲波傳播時(shí)的壓強(qiáng)與無聲波傳播時(shí)的靜壓強(qiáng)的強(qiáng)與無聲波傳播時(shí)的靜壓強(qiáng)的差值為差值為聲壓聲壓，以，以p p表示表示 ：)(coscxtascvcxtacp)2)(cos(mmcvacp2mcpp 聲壓幅聲壓幅有效聲壓有效聲壓聲阻聲阻acoustic impedance 在同一聲壓下，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度在同一聲壓下，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度v與與c成反比。成反比。將此式與歐姆定律相比較，將此式與歐姆定律相比較，聲壓與電壓聲壓與電壓對(duì)對(duì)應(yīng)，應(yīng)，振動(dòng)速度與電流振動(dòng)速度與電流對(duì)應(yīng)，則對(duì)應(yīng)，則cc與電阻與電阻對(duì)對(duì)應(yīng)，稱為應(yīng)，稱為聲阻抗聲阻抗zmmvpvp

7、czcvcxtacp)2)(cos(聲強(qiáng)聲強(qiáng)sound intensity 定義：定義：是是單位時(shí)間單位時(shí)間內(nèi)通過垂直聲波傳播方內(nèi)通過垂直聲波傳播方向的向的單位面積單位面積上的能量。上的能量。 zpzpzvcaicmm22222212121rururipcmm2222121聲壓、聲阻、聲強(qiáng)聲壓、聲阻、聲強(qiáng)zpzpzvicmm2222121rururipcmm2222121聲壓聲壓p電壓電壓u聲阻聲阻z電阻電阻r聲強(qiáng)聲強(qiáng)i功率功率p振動(dòng)速度振動(dòng)速度v電流電流i有效聲壓有效聲壓pc有效電壓有效電壓uc反射和折射反射和折射reflection & transmission 在聲波的傳播過程中

8、，當(dāng)遇到兩種不同在聲波的傳播過程中，當(dāng)遇到兩種不同媒質(zhì)的界面時(shí)，要發(fā)生發(fā)射、折射，他媒質(zhì)的界面時(shí)，要發(fā)生發(fā)射、折射，他們遵守們遵守反射、折射定律反射、折射定律。 反射波強(qiáng)度與入射波強(qiáng)度之比，為反射波強(qiáng)度與入射波強(qiáng)度之比，為反射反射 系數(shù)系數(shù)，用，用air表示。表示。 折射波強(qiáng)度與入射波強(qiáng)度之比，為媒質(zhì)折射波強(qiáng)度與入射波強(qiáng)度之比，為媒質(zhì) 的的折射系數(shù)或透射系數(shù)折射系數(shù)或透射系數(shù)，用，用ait表示。表示。incidence-reflectionincidence-transmission反射和折射反射和折射 reflection & transmission 對(duì)于對(duì)于垂直入射垂直入射的情況

9、，有理論證明：的情況，有理論證明： 21212zzzziiairir21221)(4zzzziiaitit 阻抗阻抗差值越大，反射越強(qiáng)差值越大，反射越強(qiáng)；聲阻抗相近時(shí)，透；聲阻抗相近時(shí)，透 射強(qiáng)，反射弱。射強(qiáng)，反射弱。 人體各部分聲阻抗是不同的人體各部分聲阻抗是不同的，導(dǎo)致超聲波入，導(dǎo)致超聲波入射到各組織界面反射時(shí)的反射量不同，成為超射到各組織界面反射時(shí)的反射量不同，成為超聲診斷的物理基礎(chǔ)。聲診斷的物理基礎(chǔ)。二、人耳的聽覺范圍二、人耳的聽覺范圍the human ears hearing range 人耳的靈敏度對(duì)于每人耳的靈敏度對(duì)于每一個(gè)頻率一個(gè)頻率都有一個(gè)最小都有一個(gè)最小聲強(qiáng)，低于它的聲音

10、人耳就聽不見了，這個(gè)聲強(qiáng)，低于它的聲音人耳就聽不見了，這個(gè)最小聲強(qiáng)稱為最小聲強(qiáng)稱為聽閾聽閾(threshold of hearing)； 同時(shí)，還有一個(gè)最大聲強(qiáng)，高于它的聲音同時(shí)，還有一個(gè)最大聲強(qiáng)，高于它的聲音 會(huì)使人耳感到不適或痛苦，這個(gè)最大聲強(qiáng)稱會(huì)使人耳感到不適或痛苦，這個(gè)最大聲強(qiáng)稱 為為痛閾痛閾(threshold of feeling)。聲強(qiáng)與聲強(qiáng)級(jí)聲強(qiáng)與聲強(qiáng)級(jí)sound intensity & intensity level 人耳對(duì)聲音的感覺，近似地與聲強(qiáng)的對(duì)人耳對(duì)聲音的感覺，近似地與聲強(qiáng)的對(duì)數(shù)成正比，常用數(shù)成正比，常用聲強(qiáng)級(jí)聲強(qiáng)級(jí)l l來表示：來表示：00lg20lg10p

11、piil 聲強(qiáng)級(jí)聲強(qiáng)級(jí)l的單位為的單位為db（分貝）。（分貝）。 i0=10-12w/m2，是接近，是接近1000 hz時(shí)的聽閾。時(shí)的聽閾。 zpcai222210lg10iil 聲強(qiáng)增加聲強(qiáng)增加1010倍，聲強(qiáng)級(jí)增加多少？倍，聲強(qiáng)級(jí)增加多少？聲強(qiáng)增加聲強(qiáng)增加1 1倍，聲強(qiáng)級(jí)增加多少？倍，聲強(qiáng)級(jí)增加多少？lniininillg10lg10lg10lg1000 0-500-50分貝：舒適，細(xì)語聲；分貝：舒適，細(xì)語聲； 50-9050-90分貝：妨礙睡眠、難過、焦慮；分貝：妨礙睡眠、難過、焦慮； 90-13090-130分貝：耳朵發(fā)癢、耳朵疼痛；分貝：耳朵發(fā)癢、耳朵疼痛； 130130分貝以上：耳

12、膜破裂、耳聾。分貝以上：耳膜破裂、耳聾。 噪音對(duì)人體的危害是很大的，噪音量（分噪音對(duì)人體的危害是很大的，噪音量（分貝）對(duì)人體影響：貝）對(duì)人體影響：演示響度與響度級(jí)響度與響度級(jí) loudness & loudness level 聲強(qiáng)、聲強(qiáng)級(jí)是根據(jù)聲波的能量來確定的，是客聲強(qiáng)、聲強(qiáng)級(jí)是根據(jù)聲波的能量來確定的，是客觀物理量。觀物理量。響度響度是人耳對(duì)聲音強(qiáng)弱的主觀感受，是人耳對(duì)聲音強(qiáng)弱的主觀感受，不僅取決不僅取決聲強(qiáng)聲強(qiáng)，也與聲音的，也與聲音的頻率頻率有關(guān)。有關(guān)。 為比較聲音響度的大小，提出了為比較聲音響度的大小，提出了響度級(jí)響度級(jí)的概念。的概念。 以以1000hz1000hz聲音的響度聲

13、音的響度為標(biāo)準(zhǔn)，將其他頻率聲音的為標(biāo)準(zhǔn)，將其他頻率聲音的 響度與其比較，只要它們響度相同，則有相同的響度與其比較，只要它們響度相同，則有相同的 響度級(jí)。響度級(jí)的單位是方響度級(jí)。響度級(jí)的單位是方(phon)。 把頻率不同，響度級(jí)相同的各點(diǎn)連成的一條線，把頻率不同，響度級(jí)相同的各點(diǎn)連成的一條線， 就構(gòu)成了就構(gòu)成了等響曲線等響曲線。演示020406080100120201001000 2000 5000 1000010 1210 1010 810 610 410 21020406080100120痛閾痛閾聽閾聽閾聲強(qiáng)聲強(qiáng) (w/m(w/m2 2）聲強(qiáng)級(jí)聲強(qiáng)級(jí) (db(db）hz響度級(jí)響度級(jí) ( (方

14、）方）關(guān)于聽閾關(guān)于聽閾threshold of hearing 同一頻率，聲強(qiáng)越大，響度越大同一頻率，聲強(qiáng)越大，響度越大 同一聲強(qiáng)，頻率不同，響度不同同一聲強(qiáng)，頻率不同，響度不同 人耳對(duì)人耳對(duì)25003000hz最敏感最敏感 20hz，20000hz，聽閾曲線，痛閾曲線，聽閾曲線，痛閾曲線組成人的聽覺區(qū)域。組成人的聽覺區(qū)域。 1000hz時(shí)，響度級(jí)等于聲強(qiáng)級(jí)時(shí)，響度級(jí)等于聲強(qiáng)級(jí)三、超聲波的特性三、超聲波的特性u(píng)ltrasound features 機(jī)械作用、空化作用、熱作用。機(jī)械作用、空化作用、熱作用。 方向性好。方向性好。 強(qiáng)度大。強(qiáng)度大。 固體、液體貫穿本領(lǐng)強(qiáng)，氣體中衰減大固體、液體貫穿本

15、領(lǐng)強(qiáng)，氣體中衰減大為什么超聲探頭表面和人體皮為什么超聲探頭表面和人體皮膚之間需加石蠟等耦合劑？膚之間需加石蠟等耦合劑？超聲波的產(chǎn)生超聲波的產(chǎn)生ultrasonic generation高頻信號(hào)發(fā)生器高頻信號(hào)發(fā)生器壓電晶體壓電晶體探頭探頭發(fā)射超聲波：發(fā)射超聲波：逆壓電效應(yīng)，逆壓電效應(yīng)，高頻電壓轉(zhuǎn)化為機(jī)械振動(dòng)高頻電壓轉(zhuǎn)化為機(jī)械振動(dòng)接收超聲波：接收超聲波：正壓電效應(yīng)，正壓電效應(yīng)，機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)化為高頻電壓。機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)化為高頻電壓。四、超聲波的醫(yī)學(xué)應(yīng)用四、超聲波的醫(yī)學(xué)應(yīng)用ultrasonic medical applications1 1、超聲診斷、超聲診斷 基本原理基本原理 a a型超聲診斷儀型超聲診斷

16、儀 b b型超聲診斷儀型超聲診斷儀 m m型超聲診斷儀型超聲診斷儀 超聲多普勒超聲多普勒2 2、超聲成像最新進(jìn)展超聲成像最新進(jìn)展3 3、超聲治療超聲治療超聲診斷基本原理超聲診斷基本原理 the basic principles of ultrasound diagnosis 超聲診斷儀應(yīng)用超聲診斷儀應(yīng)用超聲脈沖回波技術(shù)超聲脈沖回波技術(shù)，遇到幾個(gè)反射面，遇到幾個(gè)反射面就有幾個(gè)回波信號(hào)，顯示在顯示屏上。就有幾個(gè)回波信號(hào)，顯示在顯示屏上。 回波的脈沖幅度回波的脈沖幅度提供了產(chǎn)生反射的界面種類的信息，提供了產(chǎn)生反射的界面種類的信息，各回波脈沖與始波的各回波脈沖與始波的時(shí)間間隔時(shí)間間隔提供了各反射面的深

17、度提供了各反射面的深度信息。信息。脈沖脈沖信號(hào)信號(hào)回波回波信號(hào)信號(hào)t超聲診斷基本原理超聲診斷基本原理 the basic principles of ultrasound diagnosis 根據(jù)顯示的方式不同，超聲診斷儀分為根據(jù)顯示的方式不同，超聲診斷儀分為 a（amplitude）型）型 m（motion）型）型 b（brightness）型）型 已為臨床廣泛應(yīng)用。已為臨床廣泛應(yīng)用。 a a型超聲診斷儀型超聲診斷儀amplitude ultrasound diagnosis回波強(qiáng)度回波強(qiáng)度探頭探頭深度（時(shí)間）深度（時(shí)間）一維成像，測(cè)量器官長(zhǎng)度一維成像，測(cè)量器官長(zhǎng)度b b型超聲診斷儀型超聲診

18、斷儀 brightness ultrasound diagnosis探探頭頭時(shí)間時(shí)間深深度度二維成像，顯示器官斷層圖像二維成像，顯示器官斷層圖像m m型超聲診斷儀型超聲診斷儀 motion ultrasound diagnosis時(shí)間時(shí)間深度深度探頭探頭二維成像，顯示器官運(yùn)動(dòng)軌跡二維成像，顯示器官運(yùn)動(dòng)軌跡超聲多普勒超聲多普勒ultrasound doppler 由多普勒效應(yīng)可知，利用由多普勒效應(yīng)可知，利用多普勒效應(yīng)多普勒效應(yīng)可檢測(cè)運(yùn)動(dòng)物體。當(dāng)超聲波傳入人體某可檢測(cè)運(yùn)動(dòng)物體。當(dāng)超聲波傳入人體某一血液流動(dòng)區(qū)，被紅細(xì)胞散射返回探頭，一血液流動(dòng)區(qū)，被紅細(xì)胞散射返回探頭，回波信號(hào)的頻率將會(huì)變化，可求回波信號(hào)的頻率將會(huì)變化，可求血液的血液的速度速度。超聲成像具有實(shí)時(shí)性好、無損傷、無痛苦，超聲成像具有實(shí)時(shí)性好、無損傷、無痛苦，以及低成本等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)以及低成本等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)近年來，超聲成像在近年來，超聲成像在彩色血流測(cè)量技術(shù)彩色血流測(cè)量技術(shù)、三三維超聲維超聲等方面的發(fā)展特別引人注目等方面的發(fā)展特別引人注目彩色多普勒血流成像系統(tǒng)（通常稱為彩超）彩色多普勒血流成像系統(tǒng)（通常稱為彩超）是一種能同時(shí)顯示是一種能同時(shí)顯示b b型圖像和多普勒血流數(shù)據(jù)型圖像和多普勒血流數(shù)據(jù)（血流方向、流速