第二章超聲成像的物理原理

1、第二章第二章 超聲成像的物理原理超聲成像的物理原理 教學(xué)目標(biāo)教學(xué)目標(biāo)1. 掌握超聲的定義、特性及產(chǎn)生機(jī)制2. 掌握超聲傳播中頻率、聲速、波長三者之間的關(guān)系3. 熟悉生物組織對入射聲束的作用 4. 熟悉入射超聲對生物組織的作用 5.了解超聲診斷的安全性及注意事項(xiàng) 第一節(jié) 超聲成像的物理基礎(chǔ)一、定義一、定義 1.1.超聲超聲 是一種機(jī)械波，其頻率在20千赫茲以上。 2 2.醫(yī)學(xué)診斷用超聲醫(yī)學(xué)診斷用超聲 頻率在2.510兆赫茲范圍的超聲。 3.3.超聲的特性超聲的特性 超聲波可在氣體、液體、固體等介質(zhì)中傳播 超聲波可以傳遞很強(qiáng)的能量 超聲波在傳播過程中會產(chǎn)生反射、折射、散射、繞射、干涉等現(xiàn)象 超聲波

2、在液體介質(zhì)中傳播時(shí)，會在界面產(chǎn)生沖擊和空化現(xiàn)象 次聲波次聲波 20Hz 20Hz 20000Hz 20000Hz 超聲波超聲波 （聲波）（聲波）第一節(jié) 超聲成像的物理基礎(chǔ)二、超聲的產(chǎn)生與接收二、超聲的產(chǎn)生與接收 1.1.壓電效應(yīng)壓電效應(yīng) 是電能與聲能相互轉(zhuǎn)換的過程。 2.超聲的產(chǎn)生超聲的產(chǎn)生 電場作用到特定的材料兩端引起振動，在周圍介質(zhì)中傳播形成超聲，是逆壓電效應(yīng)過程。 3.超聲的接收超聲的接收 聲場作用到特定的材料兩端產(chǎn)生電位差，通過接收器轉(zhuǎn)換成電信號，是正壓電效應(yīng)過程。 第一節(jié) 超聲成像的物理基礎(chǔ) 4.4.壓電材料壓電材料 能夠產(chǎn)生壓電效應(yīng)的材料。 無機(jī)材料 主要包括鈦酸鋇、鈦酸鉛、鋯鈦酸

3、鉛等。 有機(jī)材料 主要由聚偏氟乙烯（PVDF）構(gòu)成，材料聲阻抗與人體接近。 混合材料 由壓電陶瓷和有機(jī)壓電材料混合構(gòu)成，機(jī)電耦合系數(shù)大，適宜制作寬帶換能器。第一節(jié) 超聲成像的物理基礎(chǔ) 5.5.換能器換能器 （探頭） 結(jié)構(gòu) 面材、壓電材料、背材 ，核心是壓電材料。 種類 體表檢查用探頭； 手術(shù)用探頭； 體腔檢查用探頭。 v各種探頭第一節(jié) 超聲成像的物理基礎(chǔ)三、超聲的傳播三、超聲的傳播 1. 1.傳播速度傳播速度 （c）：單位時(shí)間內(nèi)聲波在介質(zhì)中的傳播單位時(shí)間內(nèi)聲波在介質(zhì)中的傳播距離距離, , 單位：單位：m/sm/s。 由傳播介質(zhì)決定，不同人體組織器官的聲速不同，平均聲速為1540米/秒，其中空氣

4、最小（350米/秒），骨骼最大（3850米/秒）。 2.超聲頻率超聲頻率 （f）：單位時(shí)間內(nèi)質(zhì)點(diǎn)完成一個振動過單位時(shí)間內(nèi)質(zhì)點(diǎn)完成一個振動過程的次數(shù)，單位：程的次數(shù)，單位：HzHz； 由探頭中壓電材料決定，在2.510兆赫茲范圍。 3.超聲波長超聲波長 （）：在波的傳播方向上，質(zhì)點(diǎn)完成一在波的傳播方向上，質(zhì)點(diǎn)完成一次振動的距離，單位：次振動的距離，單位：mmmm； 超聲波長與聲速和頻率滿足關(guān)系式：fc第一節(jié) 超聲成像的物理基礎(chǔ)四、超聲聲束的空間分布四、超聲聲束的空間分布 1.1.聲束聲束 在一個有限的立體角內(nèi)傳播的超聲 。 2.聲軸聲軸 聲束的中心線。 3.近程區(qū)近程區(qū) 靠近探頭區(qū)域，聲束等寬

5、4.遠(yuǎn)程區(qū)遠(yuǎn)程區(qū) 遠(yuǎn)離探頭區(qū)域，聲束發(fā)散第一節(jié) 超聲成像的物理基礎(chǔ)v 超聲聲束空間分布示意圖近場近場遠(yuǎn)場遠(yuǎn)場D 1/2 1/2D D聲源直徑聲源直徑 擴(kuò)散角擴(kuò)散角5 5、分辨力：、分辨力： 超聲能夠發(fā)現(xiàn)最小障礙物的能力，稱為分辨力，超聲能夠發(fā)現(xiàn)最小障礙物的能力，稱為分辨力，包括：包括：（1）空間分辨力）空間分辨力：能夠辨別兩個細(xì)小目標(biāo)空間位置：能夠辨別兩個細(xì)小目標(biāo)空間位置的能力，分為軸向分辨力、橫向分辨力和側(cè)向分辨力；的能力，分為軸向分辨力、橫向分辨力和側(cè)向分辨力；（2）對比分辨力）對比分辨力：在灰階或亮度上分辨不同目標(biāo)的：在灰階或亮度上分辨不同目標(biāo)的能力能力 。 空間分辨力空間分辨力第二節(jié)

6、超聲與生物組織間的相互作用一、生物組織對入射超聲的作用一、生物組織對入射超聲的作用 （一）兩個基本概念（一）兩個基本概念 聲特性阻抗 介質(zhì)的密度()與聲速(c)的乘積，不同組織的聲特性阻抗不一樣。 界面 兩種具有不同聲阻抗的介質(zhì)的接觸面。 大界面：界面尺寸大于超聲波長 小界面：界面尺寸小于超聲波長第二節(jié) 超聲與生物組織間的相互作用 （二）反射與折射（二）反射與折射 入射聲束與大界面的作用入射聲束與大界面的作用 三個條件 方向、截面、角度 全反射 兩種介質(zhì)的聲速關(guān)系 入射角度 界面的反射信號是聲像圖的主要組成部 分反射與折射反射與折射第二節(jié) 超聲與生物組織間的相互作用 （三）散射（三）散射 入射

7、聲束與小界面的作用入射聲束與小界面的作用 散射回聲強(qiáng)度低 （四）繞射（四）繞射 入射聲束與界面（界面尺寸與超聲波長大入射聲束與界面（界面尺寸與超聲波長大小相當(dāng)）的作用小相當(dāng)）的作用 繞射使入射聲束發(fā)生方向偏轉(zhuǎn) 散射散射 繞射繞射第二節(jié) 超聲與生物組織間的相互作用 （五）衰減（五）衰減 由于組織對超聲的吸收造成聲能的減小。由于組織對超聲的吸收造成聲能的減小。 不同組織，吸收系數(shù)不同，衰減程度不同； 相同組織，入射深度越大，衰減越大； 相同組織，入射超聲頻率越高，衰減越大。 xfxeAA)(0 xfxeAA)(0 衰減衰減第二節(jié) 超聲與生物組織間的相互作用二、入射超聲對生物組織的作用二、入射超聲對

8、生物組織的作用 1.1.超聲的生物效應(yīng)超聲的生物效應(yīng) 當(dāng)一定劑量的超聲波在生物體內(nèi)傳播時(shí)，通當(dāng)一定劑量的超聲波在生物體內(nèi)傳播時(shí)，通過超聲與生物組織的相互作用，可以引起生過超聲與生物組織的相互作用，可以引起生物體的功能、結(jié)構(gòu)或狀態(tài)的變化物體的功能、結(jié)構(gòu)或狀態(tài)的變化 2.2.熱機(jī)制熱機(jī)制 超聲聲能轉(zhuǎn)換成生物組織的熱能超聲聲能轉(zhuǎn)換成生物組織的熱能第二節(jié) 超聲與生物組織間的相互作用 3.3.機(jī)械機(jī)制機(jī)械機(jī)制 超聲聲能轉(zhuǎn)換成生物組織的機(jī)械能超聲聲能轉(zhuǎn)換成生物組織的機(jī)械能 4.4.空化機(jī)制空化機(jī)制 超聲聲能使生物組織中的氣泡活性改變超聲聲能使生物組織中的氣泡活性改變 低聲強(qiáng)長時(shí)間作用以熱機(jī)制為主低聲強(qiáng)長時(shí)

9、間作用以熱機(jī)制為主 高聲強(qiáng)短時(shí)間作用以空化機(jī)制為主高聲強(qiáng)短時(shí)間作用以空化機(jī)制為主第二節(jié) 超聲與生物組織間的相互作用三、超聲診斷的安全性及注意事項(xiàng)三、超聲診斷的安全性及注意事項(xiàng) 1.1.超聲強(qiáng)度的計(jì)算方式超聲強(qiáng)度的計(jì)算方式 空間平均時(shí)間平均；空間平均時(shí)間平均； 空間峰值時(shí)間平均；空間峰值時(shí)間平均； 為多個國家和組織采用為多個國家和組織采用 空間平均時(shí)間峰值；空間平均時(shí)間峰值； 空間峰值時(shí)間峰值。空間峰值時(shí)間峰值。 2. 2.安全聲強(qiáng)（美國安全聲強(qiáng)（美國FDAFDA，我國超聲標(biāo)準(zhǔn)化委員會推，我國超聲標(biāo)準(zhǔn)化委員會推薦）薦） 空間峰值時(shí)間平均聲強(qiáng)：小于空間峰值時(shí)間平均聲強(qiáng)：小于100毫瓦毫瓦/平方厘米

10、平方厘米第二節(jié) 超聲與生物組織間的相互作用 3.3.超聲探測的安全性（世界衛(wèi)生組織建議）超聲探測的安全性（世界衛(wèi)生組織建議） (1) (1) 只有在醫(yī)學(xué)上具有明確理由時(shí)，才對人體只有在醫(yī)學(xué)上具有明確理由時(shí)，才對人體使用診斷超聲；使用診斷超聲； (2) (2) 以商業(yè)顯示和獲得實(shí)驗(yàn)圖像為目的時(shí)，不以商業(yè)顯示和獲得實(shí)驗(yàn)圖像為目的時(shí)，不應(yīng)把超聲用于輻照人體，特別是輻照孕婦；應(yīng)把超聲用于輻照人體，特別是輻照孕婦； (3) (3) 在保證獲得良好圖像質(zhì)量和取得必要的診在保證獲得良好圖像質(zhì)量和取得必要的診斷信息前提下，應(yīng)使超聲診斷設(shè)備的輸出強(qiáng)度盡斷信息前提下，應(yīng)使超聲診斷設(shè)備的輸出強(qiáng)度盡可能小?？赡苄?。

11、第二節(jié) 超聲與生物組織間的相互作用 4.4.超聲探測應(yīng)遵循的原則超聲探測應(yīng)遵循的原則v 在明確診斷目的的情況下，應(yīng)積極使用超聲診斷在明確診斷目的的情況下，應(yīng)積極使用超聲診斷技術(shù)。技術(shù)。v 在超聲診斷過程中，必須堅(jiān)持最小劑量原則。即在超聲診斷過程中，必須堅(jiān)持最小劑量原則。即在保證獲得必要診斷信息的前提下，應(yīng)采用最小在保證獲得必要診斷信息的前提下，應(yīng)采用最小超聲強(qiáng)度和最短輻照時(shí)間。超聲強(qiáng)度和最短輻照時(shí)間。v 拒絕一切與診斷無關(guān)的胎兒超聲顯像。拒絕一切與診斷無關(guān)的胎兒超聲顯像。v 對早孕胚胎不做或少做超聲探測，對對早孕胚胎不做或少做超聲探測，對3 3個月以上個月以上的胎兒定期超聲探測時(shí)，應(yīng)控制在的胎

12、兒定期超聲探測時(shí)，應(yīng)控制在3 35 5分鐘之內(nèi)分鐘之內(nèi)完成。完成。第二節(jié) 超聲與生物組織間的相互作用 5.5.超聲探測的注意事項(xiàng)超聲探測的注意事項(xiàng)v 成人超聲探測成人超聲探測 顱腦檢查時(shí)顱腦檢查時(shí) 每一固定切面持續(xù)檢查時(shí)間控制在每一固定切面持續(xù)檢查時(shí)間控制在2 2分鐘以內(nèi)；分鐘以內(nèi)； 眼球檢查時(shí)眼球檢查時(shí) 每一固定切面持續(xù)檢查時(shí)間不應(yīng)超過半分鐘；每一固定切面持續(xù)檢查時(shí)間不應(yīng)超過半分鐘； 卵巢、睪丸檢查時(shí)卵巢、睪丸檢查時(shí) 每一固定切面持續(xù)檢查時(shí)間不應(yīng)超過每一固定切面持續(xù)檢查時(shí)間不應(yīng)超過1 1分鐘。分鐘。第二節(jié) 超聲與生物組織間的相互作用v 產(chǎn)科超聲探測產(chǎn)科超聲探測 對不足對不足3 3個月的早孕孕

13、婦個月的早孕孕婦 盡量不用超聲進(jìn)行常規(guī)檢查；盡量不用超聲進(jìn)行常規(guī)檢查； 對于有習(xí)慣性流產(chǎn)或已有先兆流產(chǎn)癥狀者對于有習(xí)慣性流產(chǎn)或已有先兆流產(chǎn)癥狀者 3 3個月內(nèi)不建議做超聲探測。必須要進(jìn)行超聲個月內(nèi)不建議做超聲探測。必須要進(jìn)行超聲探測時(shí)，應(yīng)控制每一固定切面檢查持續(xù)時(shí)間在探測時(shí)，應(yīng)控制每一固定切面檢查持續(xù)時(shí)間在1 1分鐘以內(nèi)；分鐘以內(nèi)； 對對3 3個月以上胎兒個月以上胎兒 在腦、心、眼、脊髓等臟器檢查時(shí)，每一固定在腦、心、眼、脊髓等臟器檢查時(shí)，每一固定切面持續(xù)時(shí)間不應(yīng)超過切面持續(xù)時(shí)間不應(yīng)超過2 2分鐘，其他臟器可適當(dāng)分鐘，其他臟器可適當(dāng)延長檢查時(shí)間。檢查時(shí)應(yīng)不斷移動探頭。延長檢查時(shí)間。檢查時(shí)應(yīng)不斷移動探頭。第二節(jié) 超聲與生物組織間的相互作用v 新生兒超聲探