超聲波基礎(chǔ)知識(shí)

超聲基礎(chǔ)知識(shí)第一頁，共二十七頁。一、超聲波的產(chǎn)生和特性

超聲波的產(chǎn)生物體的機(jī)械振動(dòng)是產(chǎn)生波的源泉,波的頻率取決于物體的振動(dòng)頻率?？梢?，整個(gè)聲波頻譜是比較寬的，其中只有可聽聲波才能為人耳所聽到，而次聲、超聲雖然屬于聲波卻不能為人耳所察覺。

在自然界存在著多種多樣的超聲波,如某些昆蟲和哺乳動(dòng)物就能發(fā)出超聲波,又如風(fēng)聲、海浪聲、噴氣飛機(jī)的噪聲中都含有超聲波成分。在醫(yī)學(xué)診斷上所使用的超聲波是由壓電晶體一類的材料制成的超聲探頭產(chǎn)生的。眼科方面所使用的超聲頻率在5～15MHz范圍內(nèi),心和腹部所使用的超聲頻率在2～10MHz范圍內(nèi)。第二頁，共二十七頁。超聲波和可聽聲波一樣,也是一種機(jī)械波,它是由介質(zhì)中的質(zhì)點(diǎn)受到機(jī)械力的作用而發(fā)生周期性振動(dòng)產(chǎn)生的。依據(jù)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與波的傳播方向的關(guān)系,超聲波亦有縱波和橫波之分?？v波是質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向相同的波。例如音叉在空氣介質(zhì)中振動(dòng)所產(chǎn)生的聲波,空氣介質(zhì)中的質(zhì)點(diǎn)沿水平方向振動(dòng),振動(dòng)的方向與聲波的傳播方向一致,傳播時(shí)介質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)發(fā)生疏密的變化?？v波可以在固體、液體、氣體介質(zhì)中傳播。

第三頁，共二十七頁。橫波是質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與波的傳播方向垂直的波。一個(gè)典型的例子便是軟繩上的波,我們不妨把軟繩看成密集質(zhì)點(diǎn)的集合,如果不斷地?cái)[動(dòng)軟繩的一頭,則一系列的橫向振動(dòng)的波就由繩子的左端向右端移去,而繩上各質(zhì)點(diǎn)并不隨波的傳播方向移去,只是在各自的平衡位置附近作橫向(剪切形式)的振動(dòng)。橫波不能在液體及氣體介質(zhì)中傳播,這是因?yàn)橐后w和氣體無切變彈性。

由超聲診斷儀所發(fā)射的超聲波,在人體組織中是以縱波的方式傳播的。就是因?yàn)槿梭w軟組織基本無切變彈性,橫波在人體組織中不能傳播。第四頁，共二十七頁。與普通聲波(可聞波)相比,超聲波具有許多特性。

其中最突出的有:①由于超聲波的頻率高,因而波長(zhǎng)很短,它可以像光線那樣沿直線傳播,使我們有可能只向某一確定的方向發(fā)射超聲波;②由超聲波所引起的媒質(zhì)微粒的振動(dòng),即使振幅很小,加速度也非常大,因此可以產(chǎn)生很大的力量。超聲波的這些特性,使它在近代科學(xué)研究、工業(yè)生產(chǎn)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域等方面得到日益廣泛的應(yīng)用。例如,我們可以利用超聲波來測(cè)量海底的深度和探索魚群、暗礁、潛水艇等。在工業(yè)上,則可以用超聲波來檢驗(yàn)金屬內(nèi)部的氣泡、傷痕、裂隙等缺陷。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域則可以用超聲波來滅菌、清洗,更重要的用途是做成各種超聲波治療和診斷儀器。第五頁，共二十七頁。二、超聲波的物理量

1.聲速

聲波在介質(zhì)中單位時(shí)間內(nèi)傳播的距離,稱為聲速。用符號(hào)c表示,單位為m／s(米／秒)。聲波的傳播過程實(shí)質(zhì)上是能量的傳遞過程,它不僅需要一定時(shí)間,而且其傳遞速度的快慢還與介質(zhì)的密度及彈性、介質(zhì)的特性以及波動(dòng)的類型有關(guān)。

第六頁，共二十七頁。在有關(guān)介質(zhì)中的超聲速度第七頁，共二十七頁。2.周期和頻率

質(zhì)中的質(zhì)點(diǎn)在平衡位置往返振動(dòng)1次所需要的時(shí)間叫周期,用T表示，單位是秒（s）；在1s的時(shí)間內(nèi)完成振動(dòng)的次數(shù)稱為頻率,用f表示,單位為周/s，又稱作Hz(Hz)。周期與頻率成互為倒數(shù)關(guān)系,以下式表示：f=1／T

超聲診斷常用的頻率范圍在0.8～15MHz之間,而最常用的為2.5～10（MHz）。

第八頁，共二十七頁。3.波長(zhǎng)

在一個(gè)周期內(nèi),聲波所傳播的距離就是一個(gè)波長(zhǎng),用λ表示。對(duì)于縱波,等于兩相鄰密集點(diǎn)(或稀疏點(diǎn))間的距離,

對(duì)于橫波,則是從一個(gè)波峰(或波谷)到相鄰波峰(波谷)的距離

λ＝c/f

頻率和波長(zhǎng)在超聲成像中是2個(gè)極為重要的參數(shù),波長(zhǎng)決定了成像的極限分辨率,而頻率則決定了可成像的組織深度。下表給出了醫(yī)學(xué)超聲診斷常用的幾種超聲波頻率與其波長(zhǎng)、周期和極限分辨力的關(guān)系。

第九頁，共二十七頁。波長(zhǎng)、周期與極限分辨力之間的關(guān)系

注：取超聲波在人體中傳播的平均聲速c=1540mm/s作為換算標(biāo)準(zhǔn)第十頁，共二十七頁。4.聲壓

縱波在彈性媒質(zhì)內(nèi)傳播過程中,媒質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的壓強(qiáng)是隨時(shí)間變化的,媒質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的密度時(shí)疏時(shí)密,從而使平衡區(qū)的壓力時(shí)強(qiáng)時(shí)弱,結(jié)果導(dǎo)致有波動(dòng)時(shí)壓強(qiáng)(PW)與無波動(dòng)時(shí)壓強(qiáng)(PO)之間有一定額壓強(qiáng)差(PW－PO),這一波動(dòng)壓強(qiáng)稱為聲壓。對(duì)于一無吸收媒質(zhì)的平面波,有波動(dòng)時(shí)壓強(qiáng)的最大值與沒有波動(dòng)作用時(shí)各點(diǎn)壓強(qiáng)的差值稱為壓強(qiáng)振幅(Pm),它可由下式確定：

Pm=ρcVm

即：聲壓振幅Pm與媒質(zhì)密度ρ、質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度的最大值Vm及波速c成正比。

：

第十一頁，共二十七頁。5.聲強(qiáng)

聲強(qiáng)是表示聲的客觀強(qiáng)弱的物理量,它用每秒鐘通過垂直于聲波傳播方向的1平方厘米面積的能量來度量,它的單位是焦耳／(秒·平方厘米)［J/(s·cm2)］。聲強(qiáng)與聲源的振幅有關(guān),振幅越大,聲強(qiáng)也越大;振幅越小,聲強(qiáng)也越小。當(dāng)聲源發(fā)出的聲波向各個(gè)方向傳播時(shí),其聲強(qiáng)將隨著距離的增大而逐漸減弱。這是由于聲源在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)出的能量是一定的,離開聲源的距離越遠(yuǎn),能量的分布面也越大,因此通過單位面積的能量就越小?；谶@一原理,在超聲診斷探頭發(fā)射超聲時(shí),必須考慮波束的聚焦,它可以減小聲能的分散,使聲能向一個(gè)比較集中的方向傳播,因而可以增加診斷探測(cè)的深度。

第十二頁，共二十七頁。6.聲阻抗率

聲阻抗率是描述聲波傳播彈性媒質(zhì)的一個(gè)重要物理量。對(duì)于各向同性的均勻媒質(zhì)中無衰減的平面自由行波來說,媒質(zhì)中某點(diǎn)有效聲壓P與振動(dòng)質(zhì)點(diǎn)速度有效值V之比稱為聲阻抗率,它用Zs表示：

Zs=P／V=ρc

實(shí)際上,聲壓與質(zhì)點(diǎn)振速不一定同相位,所以聲阻抗率是2個(gè)同頻率、但不同相的余弦量的比值,并不是一個(gè)恒量。對(duì)于無衰減的平面行波,聲壓和振速可視為同相,媒質(zhì)各點(diǎn)的聲阻抗率是同一個(gè)恒量ρc,對(duì)一定頻率的聲波來說,它只決定于媒質(zhì)密度ρ和波速c的乘積。

聲阻抗率和電學(xué)中一個(gè)無限長(zhǎng)、無損耗傳輸線的特性阻抗相似,其中聲壓相當(dāng)于電壓,振速相當(dāng)于電流強(qiáng)度,聲阻抗率相當(dāng)于電阻。通常聲阻抗率是一個(gè)復(fù)數(shù),其實(shí)部稱為聲阻率,虛部稱為聲抗率。人體正常組織的聲阻抗率的平均值約為1.5×106牛頓·秒/米3(N·s／m3),而與超聲測(cè)量有關(guān)材料的密度和。

第十三頁，共二十七頁。幾種物質(zhì)及人體組織的聲阻抗率

第十四頁，共二十七頁。三、生物組織與超聲波之間的相互影響

1.生物組織對(duì)超聲的衰減

當(dāng)超聲波在生物組織中傳播時(shí),作為傳播介質(zhì)的生物組織對(duì)超聲的衰減機(jī)制是十分復(fù)雜的。除組織對(duì)超聲波的反射、散射等引起的能量的分散之外,組織對(duì)超聲能量的吸收而造成的衰減亦不可忽視。在生物組織中,造成吸收衰減的內(nèi)在原因主要有介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的粘滯性、導(dǎo)熱系數(shù)和溫度等因素,而這些因素造成對(duì)超聲衰減的大小又與超聲的頻率有關(guān),超聲衰減在人體中與傳播距離成正比。超聲傳播到其強(qiáng)度減弱一半的距離叫半價(jià)層,因此,可以用半價(jià)層來表明生物組織吸收的大小。人體組織、器官的超聲半價(jià)層如下表所示。

第十五頁，共二十七頁。人體組織、器官的超聲半價(jià)值

第十六頁，共二十七頁?？梢?，血液的半價(jià)層最大,這說明血液對(duì)超聲的衰減最小。在人體中,不同的組織由于具有不同的介質(zhì)密度和性質(zhì),也往往表現(xiàn)出對(duì)超聲不同的衰減系數(shù)。實(shí)測(cè)結(jié)果表明,人體中血液和眼球玻璃體液吸收聲能最小,肌肉組織吸收稍強(qiáng),纖維組織及軟骨吸收聲能較大,而骨骼對(duì)超聲的吸收最大。下表出了人體主要組織成分對(duì)不同頻率超聲的衰減系數(shù)。

第十七頁，共二十七頁。人體主要組織成分對(duì)不同頻率超聲的衰減系數(shù)第十八頁，共二十七頁。由于超聲在人體中的衰減與超聲頻率有關(guān),因此,研究超聲衰減與頻率的關(guān)系,對(duì)超聲儀器的設(shè)計(jì)和使用都頗具意義。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在1～15MHz超聲頻率范圍內(nèi),人體組織對(duì)超聲波的吸收衰減系數(shù)幾乎與頻率成正比。人體軟組織對(duì)超聲的平均衰減系數(shù)約為0.81dB/cm/MHz,其含義是超聲波頻率每增加1MHz或超聲傳播距離每增加1cm,則組織對(duì)超聲的衰減增加0.81dB。因此,對(duì)一個(gè)3MHz聲束,當(dāng)其在人體軟組織中傳播10cm時(shí),則聲強(qiáng)衰減可達(dá):0.81dB/cm/MHz×3MHz×10cm=24.3dB

而當(dāng)頻率升高到10MHz時(shí),傳播相同的距離所導(dǎo)致的聲強(qiáng)衰減將達(dá):

0.81dB/cm/MHz×10MHz×10cm=81dB

這就說明頻率的因素甚為重要。因此,根據(jù)探查部位的組織不同和深度不同,合理選擇使用探頭的頻率,對(duì)診斷效果將有較大影響。

第十九頁，共二十七頁。2.超聲波的反射、折射與透射

超聲波在人體組織內(nèi)傳播不僅有衰減,同時(shí)還存在著反射、折射與透射現(xiàn)象。在人體均質(zhì)性組織內(nèi)傳播時(shí),超聲波只沿其傳播方向前進(jìn),此時(shí)不存在反射、折射問題。如果超聲波在非均質(zhì)性組織內(nèi)傳播或從一種組織傳播到另一種組織,由于兩種組織聲阻抗的不同,在聲阻抗改變的分界面上便會(huì)產(chǎn)生反射、折射與透射

第二十頁，共二十七頁。3.超聲波的生物效應(yīng)

超聲波是一種依靠介質(zhì)來傳播的聲波，它具有機(jī)械能，因此，在傳播的過程中將不可避免地和介質(zhì)相互作用，產(chǎn)生各種效應(yīng)。比如聲波能量作用于介質(zhì)，會(huì)引起質(zhì)點(diǎn)高頻振動(dòng)，產(chǎn)生速度、加速度、聲壓和聲強(qiáng)等力學(xué)量的改變，從而引起機(jī)械效應(yīng);由于介質(zhì)對(duì)超聲能量的吸收，將使介質(zhì)溫度升高，從而引起熱效應(yīng);當(dāng)超聲波作用于液體時(shí)，會(huì)使液體內(nèi)部壓力發(fā)生變化，產(chǎn)生壓力或拉力，當(dāng)拉力達(dá)到一定強(qiáng)度，可以使液體分子斷裂，產(chǎn)生近于真空的空穴，引起所謂空穴效應(yīng)（也稱空化效應(yīng)）等。當(dāng)超聲作用于生物組織時(shí)，以上提到的各種物理效應(yīng)同樣存在，因而會(huì)對(duì)生物組織產(chǎn)生某些生物效應(yīng)。比如，由于生物組織的粘滯性而造成的吸收，將使一部分聲能轉(zhuǎn)化為熱能，使生物組織產(chǎn)生溫升，當(dāng)超聲能量達(dá)到一定強(qiáng)度的時(shí)候，除產(chǎn)生熱效應(yīng)外,空化效應(yīng)的結(jié)果還可能使組織細(xì)胞產(chǎn)生破壞性形變。因此，雖然目前普遍地認(rèn)為超聲對(duì)人體的危害甚微，但診斷用超聲劑量并不被認(rèn)為是越大越好。一般接受的劑量應(yīng)小于安全劑量50焦耳／平方厘米(J／cm2)，并且最大照射強(qiáng)度低于100mW／cm2。然而,超聲能終歸是一種機(jī)械能，它不同于各種有損射線，所以，利用超聲波所實(shí)現(xiàn)的各種檢查治療手段，應(yīng)該說是比較安全的。第二十一頁，共二十七頁。四、B超原理B超屬于超聲診斷學(xué)，在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)影像學(xué)中超聲診斷學(xué)與CT、X線，核醫(yī)學(xué)，磁共振并駕齊驅(qū)，B超經(jīng)過了3個(gè)發(fā)展階段，普通B超，彩色B超，三維B超。第二十二頁，共二十七頁。五、工作原理基本原理：在超聲診斷儀中探頭是一種聲電換能器，同時(shí)兼有超聲波發(fā)射器及接收器的功能，超聲探頭以逆電裝置（以電脈沖轉(zhuǎn)變成為聲脈沖）發(fā)射超聲波，通過與人體組織復(fù)合的阻抗作用產(chǎn)生回波；由正壓電裝置（脈沖轉(zhuǎn)為電脈沖）接收回波，形成圖像。簡(jiǎn)單的說B超就是向人體發(fā)射超聲波，同時(shí)接收體內(nèi)臟器的反射波，將所攜帶信息反映在屏幕上第二十三頁，共二十七頁。六、B超的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：

無創(chuàng)性檢查。能夠?qū)崟r(shí)顯示體內(nèi)結(jié)構(gòu)。（軟組織優(yōu)于CT，區(qū)別囊實(shí)性優(yōu)于CT）及時(shí)判斷。復(fù)查便捷。設(shè)備投資相對(duì)較少。對(duì)工作環(huán)境要求相對(duì)較低。第二十四頁，共二十七頁。缺點(diǎn)：

對(duì)含氣臟器和骨質(zhì)結(jié)構(gòu)難以傳到至深部成像，成像效果不如CT及MRI重復(fù)性不好圖象易受氣體和皮下脂肪的干擾偽像干