超聲波基礎知識教案資料

超聲基礎知識一、超聲波的產(chǎn)生和特性

超聲波的產(chǎn)生物體的機械振動是產(chǎn)生波的源泉,波的頻率取決于物體的振動頻率。可見，整個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物就能發(fā)出超聲波,又如風聲、海浪聲、噴氣飛機的噪聲中都含有超聲波成分。在醫(yī)學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,心和腹部所使用的超聲頻率在2～10MHz范圍內。橫波是質點振動方向與波的傳播方向垂直的波。一個典型的例子便是軟繩上的波,我們不妨把軟繩看成密集質點的集合,如果不斷地擺動軟繩的一頭,則一系列的橫向振動的波就由繩子的左端向右端移去,而繩上各質點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。橫波不能在液體及氣體介質中傳播,這是因為液體和氣體無切變彈性。

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。就是因為人體軟組織基本無切變彈性,橫波在人體組織中不能傳播。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微粒的振動,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,使它在近代科學研究、工業(yè)生產(chǎn)和醫(yī)學領域等方面得到日益廣泛的應用。例如,我們可以利用超聲波來測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金屬內部的氣泡、傷痕、裂隙等缺陷。在醫(yī)學領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。二、超聲波的物理量

1.聲速

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

在有關介質中的超聲速度

2.周期和頻率

質中的質點在平衡位置往返振動1次所需要的時間叫周期,用T表示，單位是秒（s）；在1s的時間內完成振動的次數(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）。

3.波長

在一個周期內,聲波所傳播的距離就是一個波長,用λ表示。對于縱波,等于兩相鄰密集點(或稀疏點)間的距離,

對于橫波,則是從一個波峰(或波谷)到相鄰波峰(波谷)的距離

λ＝c/f

頻率和波長在超聲成像中是2個極為重要的參數(shù),波長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)學超聲診斷常用的幾種超聲波頻率與其波長、周期和極限分辨力的關系。

波長、周期與極限分辨力之間的關系

注：取超聲波在人體中傳播的平均聲速c=1540mm/s作為換算標準4.聲壓

縱波在彈性媒質內傳播過程中,媒質質點的壓強是隨時間變化的,媒質質點的密度時疏時密,從而使平衡區(qū)的壓力時強時弱,結果導致有波動時壓強(PW)與無波動時壓強(PO)之間有一定額壓強差(PW－PO),這一波動壓強稱為聲壓。對于一無吸收媒質的平面波,有波動時壓強的最大值與沒有波動作用時各點壓強的差值稱為壓強振幅(Pm),它可由下式確定：

Pm=ρcVm

即：聲壓振幅Pm與媒質密度ρ、質點運動速度的最大值Vm及波速c成正比。

：

5.聲強

聲強是表示聲的客觀強弱的物理量,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)］。聲強與聲源的振幅有關,振幅越大,聲強也越大;振幅越小,聲強也越小。當聲源發(fā)出的聲波向各個方向傳播時,其聲強將隨著距離的增大而逐漸減弱。這是由于聲源在單位時間內發(fā)出的能量是一定的,離開聲源的距離越遠,能量的分布面也越大,因此通過單位面積的能量就越小。基于這一原理,在超聲診斷探頭發(fā)射超聲時,必須考慮波束的聚焦,它可以減小聲能的分散,使聲能向一個比較集中的方向傳播,因而可以增加診斷探測的深度。

6.聲阻抗率

聲阻抗率是描述聲波傳播彈性媒質的一個重要物理量。對于各向同性的均勻媒質中無衰減的平面自由行波來說,媒質中某點有效聲壓P與振動質點速度有效值V之比稱為聲阻抗率,它用Zs表示：

Zs=P／V=ρc

實際上,聲壓與質點振速不一定同相位,所以聲阻抗率是2個同頻率、但不同相的余弦量的比值,并不是一個恒量。對于無衰減的平面行波,聲壓和振速可視為同相,媒質各點的聲阻抗率是同一個恒量ρc,對一定頻率的聲波來說,它只決定于媒質密度ρ和波速c的乘積。

聲阻抗率和電學中一個無限長、無損耗傳輸線的特性阻抗相似,其中聲壓相當于電壓,振速相當于電流強度,聲阻抗率相當于電阻。通常聲阻抗率是一個復數(shù),其實部稱為聲阻率,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),而與超聲測量有關材料的密度和。

幾種物質及人體組織的聲阻抗率

三、生物組織與超聲波之間的相互影響

1.生物組織對超聲的衰減

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

人體組織、器官的超聲半價值

可見，血液的半價層最大,這說明血液對超聲的衰減最小。在人體中,不同的組織由于具有不同的介質密度和性質,也往往表現(xiàn)出對超聲不同的衰減系數(shù)。實測結果表明,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,纖維組織及軟骨吸收聲能較大,而骨骼對超聲的吸收最大。下表出了人體主要組織成分對不同頻率超聲的衰減系數(shù)。

人體主要組織成分對不同頻率超聲的衰減系數(shù)由于超聲在人體中的衰減與超聲頻率有關,因此,研究超聲衰減與頻率的關系,對超聲儀器的設計和使用都頗具意義。實驗結果表明,在1～15MHz超聲頻率范圍內,人體組織對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,則組織對超聲的衰減增加0.81dB。因此,對一個3MHz聲束,當其在人體軟組織中傳播10cm時,則聲強衰減可達:0.81dB/cm/MHz×3MHz×10cm=24.3dB

而當頻率升高到10MHz時,傳播相同的距離所導致的聲強衰減將達:

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,對診斷效果將有較大影響。

2.超聲波的反射、折射與透射

超聲波在人體組織內傳播不僅有衰減,同時還存在著反射、折射與透射現(xiàn)象。在人體均質性組織內傳播時,超聲波只沿其傳播方向前進,此時不存在反射、折射問題。如果超聲波在非均質性組織內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產(chǎn)生反射、折射與透射

3.超聲波的生物效應

超聲波是一種依靠介質來傳播的聲波，它具有機械能，因此，在傳播的過程中將不可避免地和介質相互作用，產(chǎn)生各種效應。比如聲波能量作用于介質，會引起質點高頻振動，產(chǎn)生速度、加速度、聲壓和聲強等力學量的改變，從而引起機械效應;由于介質對超聲能量的吸收，將使介質溫度升高，從而引起熱效應;當超聲波作用于液體時，會使液體內部壓力發(fā)生變化，產(chǎn)生壓力或拉力，當拉力達到一定強度，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（也稱空化效應）等。當超聲作用于生物組織時，以上提到的各種物理效應同樣存在，因而會對生物組織產(chǎn)生某些生物效應。比如，由于生物組織的粘滯性而造成的吸收，將使一部分聲能轉化為熱能，使生物組織產(chǎn)生溫升，當超聲能量達到一定強度的時候，除產(chǎn)生熱效應外,空化效應的結果還可能使組織細胞產(chǎn)生破壞性形變。因此，雖然目前普遍地認為超聲對人體的危害甚微，但診斷用超聲劑量并不被認為是越大越好。一般接受的劑量應小于安全劑量50焦耳／平方厘米(J／cm2)，并且最大照射強度低于100mW／cm2。然而,超聲能終歸是一種機械能，它不同于各種有損射線，所以，利用超聲波所實現(xiàn)的各種檢查治療手段，應該說是比較安全的。四、B超原理B超屬于超聲診斷學，在現(xiàn)代醫(yī)學影像學中超聲診斷學與CT、X線，核醫(yī)學，磁共振并駕齊驅，B超經(jīng)過了3個發(fā)展階段，普通B超，彩色B超，三維B超。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（以電脈沖轉變成為聲脈沖）發(fā)射超聲波，通過與人體組織復合的阻抗作用產(chǎn)生回波；由正壓電裝置（脈沖轉為電脈沖）接收回波，形成圖像。簡單的說B超就是向人體發(fā)射超聲波，