超声医学的物理基础医学课件

2019/4/5,1,第一章,超声医学的物理基础,2019/4/5,2,第一节,声波的定义,2019/4/5,3,一、定义,定义：物体的机械性振动在具有质点和弹性的媒介中 的传播现象称为波动，而能引起听觉器官有声 音感觉的波动则称为声波。,振源 ：声带、音叉、鼓面 介质：空气、人体组织 接收：鼓膜、换能器 分类：纵波、横波,2019/4/5,4,二、纵波,定义：即介质中质点沿传播方向运动的波。,介质发生周期性疏密 变化，为胀缩波。 存在于理想流体（气 体和液体)中。 除骨路、肺外人体组 均以纵波传播。 诊断与治疗的超声主 要是纵波传播。,2019/4/5,5,三、横波,定义：是指介质中的质点都垂直于传播方向运动的波,只能使介质形变，不 能体变，为畸变波 存在于高粘滞液体或 固体。 人体骨骼不但传播纵 波，还传播横波。,2019/4/5,6,第二节,声波的物理参数,2019/4/5,7,一、频率与周期,定义：介质在每秒钟内振动的次数为频率（f）,单位 为Hz，而在平衡位置来回振动一次的时间则称 为周期（T）。,20000Hz：超声波 医用常为：210MHz,2019/4/5,8,二、声速,定义：指声波在传播介质中的运行速度，用c表示。,在不同的介质中声速有所差别，它取决于介质的弹性（k）和密度（）。通常，弹性（）密度（）比大的物体声波传播的速度高，反之则低，即：, ,2019/4/5,9,二、声速,从声波传播速度考虑，人体组织可分类：,软组织：约1541m/s 气 体：约350m/s 骨 骼：约3852m/s 医 用：以软组织的 平均声速,t 组织厚度= 2 可通过声速测量软组织的厚度,2019/4/5,10,三、波长,定义：声波在完成一次完全振动的时间内所传播的距 离称为波长，以表示。,超声在同一介质中传播时，由于声速已确定不变，频率与波长间的关系为：频率愈高则波长愈短；频率愈低则波长愈长，两者间呈反比。,2019/4/5,11,综上所述,频率、声速与波长间的关系如下：,c = 或 c=f f,周期(T)为频率的倒数，即： , 故： 或 ,2019/4/5,12,四、声阻抗,定义：介质中某点的声压P与质点振动速度V之间比为 该点的声阻抗（Z）。,意义：表示介质传播超 声波能力的重要 物理量。 数值：决定与介质密度 与该介质中的 声速C。,Z=C 单位为Kgm2s,2019/4/5,13,第三节,超声波的特性,2019/4/5,14,一、声反射,定义：声波传播到两种阻抗不同的介质界面上， 如界面尺寸远大于波长时，便会引起部 分或全部声能的返回。,反射波的声压与入射波的声压成正比，并与两种介质的声特性阻抗、声速和入射角等因素有关。,2019/4/5,15,一、声反射,反射定律：入射角i的正弦与反射角r的正弦之比，等于入射波在第一介质中的声速Cl与反射波在同一介质中的声速C1之比。,Sini Cl Sinr C1,2019/4/5,16,一、声反射,两种介质的声特性阻抗相差越悬殊，声反射就越强烈；反之，声反射就弱，其强弱可用反射系数Kp来表示。,Kp与界面两边介质的声阻抗Z1和Z2的关系公式如左：,Z1Z2 Kp cos Z1Z2,2019/4/5,17,一、声反射,当超声波垂直入射界面时，即ir0 时，则反射系数Kp为：,Z1Z2 Kp Z1Z2,2019/4/5,18,一、声反射,当Z1Z2时， p0 ， 无反射 当Z1Z2或Z1Z2时， 有反射 如Z1Z2或Z1Z2时， 全反射 利用反射，提取信息，进行诊断 皮肤与空气声阻差大，用耦合剂 不适肺、肠、骨等组织器官检查,结论：超声波在界面上反射的大小取决于 界面两边介质的声阻差。,2019/4/5,19,二、折射,定义：因介质中声速的空间分布而引起的声传 播方向改变的过程。,折射定律：入射角i的正弦与折射角t的正弦之比，等于入射波在第一介质中的声速cl与折射波在第二介质中的声速c2之比，即：,Sini Cl Sint C2,2019/4/5,20,二、折射,使折射角为90时的入射角称为临界角，当入射角超过临界角时，相应的折射波消失，出现全反射。,侧方声影误诊； 错位影响穿刺； 全反射无法检查。,作超声检查时，需尽可能将声束垂直于界面，否则将会引起：,2019/4/5,21,二、折射,当声波从一种小声速介质向大声速固体介质入射时，声波经过这两种介质的分界面后出现折射波，而且其折射角大于入射角，反之亦然。,2019/4/5,22,三、绕射,超声波在介质中传播过程中，遇到尺寸相当于声波波长的声阻抗界面时，声波将绕过此界面，继续向前传播，致使超声波无法检测到该障碍物，这种现象称为声波的绕射。,2019/4/5,23,四、散射,定义：超声波在介质中传播过程中，如遇到尺寸远小于 声波波长的声阻抗界面时，则声波将使其成为新 的声源，使得声波能量向四面八方发射，这种现 象称为声波的散射。,超声仪收到的声波是背向 散射。 血流中的红细胞是多普勒 超声检测血流的基础。 各种软组织从微观的角度 看都非均匀组织，均可产 生超声波的散射。,2019/4/5,24,四、散射,散射的强弱不仅取决于界面的声阻差，而且还与障碍物的大小和数量有关，此外还与声波的频率有着密切的关系，通常散射强度与声波频率呈正比。,散射发生在人体内软组织内的微小界面； 反射产生与体内大器官的界面； 散射与反射均为声波能量衰减的重要因素； 反射与散射均是回波型超声仪的物理基础。,2019/4/5,25,五、衰减,定义：声波在介质内的传播过程中，随着传播距 离的增大，声波的能量逐渐减少，这一现 象称为声波衰减。,影响因素： 吸收：组织特性使声能转换为热能； 反射：声波的反射使得能量减弱； 散射：声波的散射使得能量减弱； 频率：超声衰减与超声频率呈正比； 声束扩散：单位面积内的能量减少。,2019/4/5,26,六、惠更斯原理,定义：声介质中波动传到的各点都可看作是发射 子波的波源，这些子波的包迹就决定了新 的波阵面。,平面波,球面波,2019/4/5,27,六、惠更斯原理,临床应用： 通过相位控制，使发射波束左右偏转，获得扇形图像；亦可使声束聚焦，以提高横向分辨力。,2019/4/5,28,七、多普勒效应,定义：声源与接收器在连续介质中存在着相对运 动时声波频率将发生改变。,当声源与接收器作相对运动时，接收器接收到的声波频率高于声源所发出频率，如两者作相反运动时，则低于发出频率，两者的频率差（频移）与相对运动速度成正比。,2019/4/5,29,七、多普勒效应,在超声医学诊断中，超声多普勒技术可用于检测心血管内的血流方向、流速和湍流程度、横膈的活动以及胎儿的呼吸等。,探头工作时，换能器发出超声波，由运动着的红细胞发出散射回波，再由接收换能器接收此回波。因收换能器所收到的超声回波的频率经两次多普勒效应，多普勒频移的表达式为：,2vcos fd ：声波波长，v：血流速度 ：声波方向与血流方向夹角,2019/4/5,30,七、多普勒效应,由此可见：当血流流向换能器时，fd为正值(接收频率高于发射频率)；当血流流离换能器时，fd为负值。当角为2时，fd0。,频谱多普勒超声仪上通常将正频移设为正向波，负频移为负向波。而彩色多普勒则将正频移设为红色，负频移为蓝色。,2019/4/5,31,第四节,超声波的发生与接收,2019/4/5,32,一、压电效应,定义：对某些非对称结晶材料进行一定方向的加压或拉伸时，其表面将会出现符号相反的电荷，这种现象称为压电效应。,具有此性质的材料称为压电材料，分为压电晶体、极化陶瓷、高分子聚合物和复合材料等。,2019/4/5,33,1、正压电效应,定义：由外力作用引起的电介质表面荷电效应， 称为正压电效应。,结晶受到特定反向的加压或拉伸而发生形变时，在其两个受力界面上引起内部正负电荷中心相对位移，在两个界面产生等量异号电荷，其电荷密度与所施加的外力成正比。,2019/4/5,34,2、逆压电效应,定义：由在外场作用下，晶体将产生几何变形， 称为正压电效应(亦称电致伸缩效应)。,沿一定方向在晶体表面施加一电场，则在电场力的作用下，引起电介质内部正负电荷中心发生位移，这一极化位移导致了晶体的几何应变，这是一种相反的压电效应。,2019/4/5,35,3、超声换能器,定义：利用逆压电效应将电能转换成超声能发射 超声，利用正压电效应将超声能量转换成 电能接收超声。,将压电晶片置于交变电场内，该晶片即进入振动状态，振动频率与激励交变电场频率相同。当频率大于20kHz时，便成了超声源。同样，该压电晶体片亦可接收超声波，它通过压电效应把超声波转变为电信号，以供分析检测。,2019/4/5,36,二、声场,定义：超声场是介质中有声波能量存在的空间范 围。其强弱是用声压和声强来表示。,不同的超声源和传播条件将形成不同的声波能量的空间分布。 在接近声源的一段距离称为近场，离声源距离较远的声场称为远场。,2019/4/5,37,1、声压,定义：声压(P)是有声波时介质中的压力与静压 的差值，单位为Pa。,声压与介质的密度(),介质质点的振动速度(v)，以及超声波在该介质中的传播速度(c)呈正比，即：,Pvc,2019/4/5,38,2、声强,定义：声强(I)是在单位时间内，通过与声波传 播方向垂直的单位面积上的平均能量，单 位是W/m2。,声强和声压的平方呈正比，与介质密度和声速之和反比，即：,P2 I 2c,2019/4/5,39,3、功率,定义：超声功率指在单位时间内通过介质的能量。 单位是瓦(W)或毫瓦(mW)。,超声仪发射的超声能量用超声功率表示，仪器的发射功率高，仪器的灵敏度也高，但安全性却降低了。,安全剂量 10W/cm2,2019/4/5,40,4、近场,定义：对于一个圆形的超声换能器(声源)，在接近声源的一段距离(称为近场)，声束的直径略小于换能器的直径，呈圆柱形。,近场区内声压、声强起伏变化很大，是超声诊断中的死区。 近场的长度与声源的尺寸、频率和介质声速有关，即：,r2 L(近场) ,2019/4/5,41,5、远场,定义：离声源距离较远的声场，声束则会产生扩 散而呈喇叭形，此时的声场称为远场。,远场的瞬时声压与瞬时质点速度同相，故其声压分布是随距离增加而单调地下降，较平稳。 声束在远场的扩散由扩散角所决定，扩散角的大小亦与呈正比，与呈反比，即：, Sin0.61 r,2019/4/5,42,6、指向性,定义：声源在远场形成波束的这种方向特性称为 指向性。,同一换能器在不同频率下工作，其指向 性将随频率的提高而趋明显。 指向性差的声束不仅横向分辨力差，且 灵敏度低和易引入伪像。 常采用聚焦法改善声束的特性。,2019/4/5,43,7、指向性图案,指向性通常用指向性图案表示。中间离声束轴线最近的两极小方向间的声束部分称主瓣。在两相邻的极小方向间存有一较主瓣小的声束，称为旁瓣。,主瓣内聚集了大部分能量，故主瓣的立体角小，能量较集中。 旁瓣的高度越高，所占立体角越大，故主瓣以外能量多，能量较分散，它是产生伪像的原因之一。,2019/4/5,44,三、分辨力,定义：仪器或肉眼及其它感官对两个非常靠近 的物点或量值刚能加以识别的限度。,超声仪的分辨力是指能够分辨有一定间距的个界面的能力，通常用可分辨的两个界面间的最小距离来表示。也可用在单位距离内可分辩的点数来表示，后者是前者的倒数，称为“分辨率”。,分类： 轴向分辨力 横向分辨力 厚度分辨力,2019/4/5,45,1、轴向分辨力,定义：又称“纵向分辨力”。指沿声束轴方向不 同深度超声仪可区分