医学超声学基础.ppt

第一章 医学超声学基础 第一节 超声波的定义及特性,波，根据其性质可分为两大类：,弹性介质中质点机械振动状态的传播过程。 其实是机械振动能量的传播过程。 二、声波按频率的分类及医用超声的范围 声波按频率(f)的分类,一、声波的定义,简单的分类:,f16 Hz 称：次声波 16 Hzf20 kHz 称：可听声波 f20 kHz 称：超声波 医学超声仪的频率范围：200 kHz40 MHz 超声诊断仪的频率范围： 1 MHz10 MHz 相应的波长： 1.5mm0.15mm 三、超声波（最突出）的特性 1. 方向性好用于探测、诊断。 2. 能量大 用于清洗、灭菌、手术。,第二节 超声波的产生,超声波产生的基本条件： 振源； 介质。 一、单自由度振动系统的数学描述,1. 位移： Acos(0t-) 式中：A 振幅，即最大位移 0 2f0 角频率 f0 固有频率 初相角 2. 速度： vd/dtA0 sin(0t-) Vm sin(0t-) 式中：Vm A0 最大速度 3. 加速度：adv/dtA02 cos(0t-) B cos(0t-) 式中：B A02 最大加速度 单个质点无阻尼振动：动能、势能转换，能量守恒。,二、机械波产生的过程 连续弹性介质中，某一质点的振动，通过弹性力的作用，传递给与它相邻的质点，后者也振动，并继续传递能量传播，形成机械波。 三、超声波的产生及传播 由超声换能器产生振动，引起接触剂的振动，接触剂的振动又引起人体皮肤、脂肪及内脏的振动，超声波能量就这样进入了人体。,第三节 超声波的分类 一、按质点振动方向和波传播方向的关系分类,1. 横波 质点振动方向垂直于波的传播方向的波。 由介质的切变弹性引起，亦称切变波。 横波仅在固体中传播。 2. 纵波 质点振动方向平行于波的传播方向的波。 由介质的压缩弹性引起，亦称疏密波或压缩波。 纵波能在固体、液体和气体中传播。,由于人体软组织无切变弹性，横波在人体软组织 中不能传播，而只能以纵波的方式传播，所以纵波是 超声诊断和治疗的常用波型。,二、按波阵面的形状分类,1. 波面与波阵面 波 面: 波传播时，某一时刻介质中各同相位 振动点组成的面。波面有无数个。 波阵面：波传播方向上最前面的那个波面。 2. 按波阵面的形状分类 平面波：波阵面为平面的波。 球面波：波阵面为球面的波。 柱面波：波阵面为柱面的波。 3. 约定 为方便，超声在人体内传播，均视为平面波。 遇到小障碍物而散射的超声，均视为球面波。,三、按发射超声的类型分类,脉冲波 采用机种：A型、M型、B型超声诊断仪， 脉冲波多普勒血流仪。 连续波 采用机种：连续波多普勒血流仪。 四、按声波的频率分类（如前述） . 次声波 可听声波 超声波,第四节 波动方程与波参数,一、波动方程 假定：平面声波，沿x方向传播 1. 基本方程 运动方程： 连续方程： 其中：P声压，v质点振动速度 介质密度， t时间，B 体积弹性系数,2. 波动方程,联立以上、式，可得波动方程如下： 它描述了声波传播过程中，每个空间位置上，每个时刻的声压和质点振动速度。 3. 解的形式 p = f1( x-ct ) + f2( x+ct ) ,对于简谐平面波可写为： P = A1e-j (t-kx ) + A2e-j(t+kx ) 或： P = A1cos (t-kx ) + A2cos(t+kx ) 式中：k = /c = 2/波数 = 2f角频率 f 频率 波长 4. 讨论 、式中，第一项x同向波，第二项x反向波， 如无反向波（反射波），则A2=0 P = P0cos(t-kx ) = P0cos( t-x/c ) 该式表明：在离声源x处的振动，要在声源振动 的一个时延x/c后才发生。,1. 声速c 声波在单位时间内传播的距离称声速，用c表示。声速c与质点振动速度v是不同的。c与以下因素有关： （1）c与波类型有关。横波c纵波c。 （2）在流体与气体介质中（平面纵波）： B介质的体积弹性系数 介质的密度 （3）c与温度有关因B与温度有关。 如：空气中一定温度内每升高1，声速约增加 0.6m/S。 （4）c与频率无关，即无频散（色散）现象。,二、波参数,与超声诊断有关的各种介质的声速,重要声速参数, 人体软组织中： c1540 m/S 在人体各种软组织中,声速都很接近，可按此估算。 人体骨组织中： c4000 m/S 空气(22)中： c 345 m/S,2.波长、周期和频率,（1） 波长 声波中两个相邻同相位点之间的距离称波长，用表示。 纵波：指两个相邻密集点(或稀疏点)之间的距离。 横波：指两个相邻波峰(或波谷)之间的距离。 (或：在一个波周期时间内，波所传播的距离称波长。),（2）周期T,声波传播一个波长距离所需的时间称周期，用T表示。等于声波中质点在平衡位置往返振动一次所需的时间。 （3）频率f 任一点在单位时间内通过的波数称频率，用f表示。等于介质中的质点在单位时间内振动的次数。 （4）波长、周期、频率与声速之间的关系 c/fT T1/f （5）单位 声速的单位为：m/S 医学超声中常用：mm/S 波长的单位为：m 医学超声中常用：mm 频率的单位为：Hz 医学超声中常用：MHz,（6）频率、波长对超声成像的影响,波长：决定了成像的极限分辨率 频率：决定了成像的组织深度,3.声压和声强,(1)声压 P 定义 单位面积上介质受到的声波压力称声压，用P表示。是由声波引起的介质中压强，是介质静压强的一个增量。随着声波在介质中的传播，该压强随时间和位置而变化。 平面波声压瞬时值 Pcv 式中：介质密度，c声速，v质点振动速度 声压最大值（即振幅） PmcVmc0 A 声压有效值 PPm/,（2）声强I, 定义 单位时间内通过垂直于传播方向上单位面积的超声能量称为超声强度。简称声强，用I表示。 平面波声强计算式 IP2/cPm2/2cPmVm/2 cVm2 /2c02A2/2 即声强与该点声压、振速或振动位移的最大值有关。 声强的单位 瓦/厘米2 1瓦1焦耳/秒,4.声压级和声强级,（1）声强级LI LI = 10lg(I/I0) 分贝(dB) 称LI为：I相对于I0的声强级，I0为I的参考值。 （2）声压级LP 由IP2/c , I0P02/c可得： LI = 10lg(I/I0) = 10lg(P2/P02) = 20lg(P/P0) 定义： LP = 20lg(P/P0) 分贝(dB) 称LP为：P相对于P0的声压级，P0为P的参考值。,（3）说明 对同一声波量，相对于同一参考声波量，恒有LI = LP 超声诊断仪回波信号动态范围LD =10lg(Imax/Imin)100dB, 即：Imax/Imin=1010(100亿)倍，或Pmax/Pmin=105(10万)倍。 如未指明参考声强，默认值I01016 W/cm2, 这是当f1kHz时，人耳能听觉的最小声强，国际通用。,5. 声阻抗率Z,（1）定义 声场中某点的声压与该质点振动速度之比称声阻抗率 ZP/v 对于平面波，可求得： ZP/vc 在水和空气中,还可得：ZP/vc(B)1/2 式中：介质密度，c 声速，B体积弹性系数 （2）说明 Z只与介质本身声学特性有关，又称特性阻抗； Z的单位是瑞利，1瑞利1g/cm2S； 声阻抗率越大，超声纵波速度越快。,（3）人体组织按声阻抗率大致可分成三类, 体液及软组织： Z1.5105 瑞利 气体及充气的肺组织：Z0.0004-0.26105 瑞利 骨及钙化了的组织： Z5.57-8.3105 瑞利 （4）关于声阻抗名称 声阻抗是“机-电类比”中，与电阻抗相类比而称的。 “机-电类比”是用电学的理论、手段研究声学问题的方法。因为许多声学系统与相应的电学系统有相同的微分方程 声学：ZP/v， 电学：RU/I， 类比：ZR，PU，VI,超声成像只能用于那些有液体和软组织的、且声波传播通路上没有气体或骨骼阻挡的那些区域。 在液体和软组织中，声速和声阻抗变化不大，使得声反射量适中，既保证了界面回波的显像观察，亦保证了声波可穿透足够的深度。此外，接收回波的时延与目标深度成近似的正比关系，这是B超诊断图像成功应用必要的物理基础。,第五节 超声波的传播特性,超声波的传播特性有：波的反射、折射、透射、衍射和散射等。两波相遇时遵循叠加原理。 一、反射和折射 条件及约定： 声波类型：平面波 界面条件：光滑平面，且足够大（相对于波长） 字母、下标的意义 P声压，I声强，c声速，Z声阻抗，夹角 1介质，2介质, i入射，r反射，t折射 如：Pi入射声压，Z1介质1的声阻抗, 反射定律: ir 与光学定律同， 折射定律： 因声、光同为波,1.传播的几何特性,i,r,t,Ii，Pi,Ir，Pr,It，Pt,入射波,反射波,折射波,介质，c1，Z1,介质，c，Z,界面,t, 发生全反射的条件,在c1c2的情况下 当icsin-1(c1/c2)时，即sinic1/c2 tsin-1(c2/c1)sini) sin-1(c2/c1)(c1/c2) 90 折射波沿界面传播 当ic 时，可得：sint1 t非实角，故没有折射波，而发生全反射 csin-1(c1/c2) 称为全反射角。,2.传播的力学特性,上述的折射波也称透射波。反射波、透射波关于 入射波的相对强弱由反射系数和透射系数来反应。 （1） 定义 声压反射系数： 声压透射系数： 声强反射系数： 声强透射系数：,（2）求解思路,根据界面平衡条件： 在界面上两边的总压力应该相等； 界面上两边质点的速度应该连续。得 （1） （2） 又根据声阻抗率定义， ，即 （2）式变为 （3） 联解（1）、（3）两式，可求得,（3）超声波垂直入射界面时的力学特性,其中：,，,显然有： 原因是： ，即： ，即： 体现界面处输入输出 体现界面两边的力平衡 能量守恒 由IP2/c，可推得 注意：,（4）讨论, 则 有反射，有透射； 则 无反射，全透射； 则 几乎全反射，无透射； 则 几乎全反射，无透射。 反射超声能量的大小取决于两种介质的声阻抗率差 超声垂直入射时： 在空气软组织交界面上，声强反射系数为0.9989； 在软组织颅骨交界面上，声强反射系数为0.32。即在这两种界面上，有99.9和32的超声能量被反射回来。这就是为什么超声诊断仪不能检查含气体的脏器及对头颅检查困难的原因。 超声诊断仪检查时声波通路上必须避开骨和空气。,二、透过薄层的波,在超声换能器中，超声要通过几层特性阻抗不同的介质进行传播。 这里只讨论最简单的情况，即假设平面超声波垂直入射，通过三层介质。如图：,可以求得： 式中：I1 第一层介质中的入射波能量 I3 第三层介质中的透射波能量 介质2中的波数 L2 中间层厚度 （1）当 ，n=1,2, （L2为半波长的整数倍)时 或 ，且非Z2Z1, Z2Z3（L2薄,且Z2非疏)时 可得： （或） 即此时声波透过中间层传播的能量仅与Z1, Z3有关,而与中间层材料的特性Z2无关。,因此，在超声诊断中耦合层的厚度应尽可能薄，只要把探头与皮肤间的气泡排除即可。超声换能器辐射面上的保护膜厚度也要按这个关系选用。,（2）当 ，n =1,2,，且 时 可得： 可见，当中间层厚度等于穿过其中的超声波波长的 四分之一的奇数倍，且特性阻抗等于其它两种介质特性 阻抗的几何平均值时，声波在三种不同介质中能完全透 射，而无反射。此时，称为匹配。这个中间层称为匹配层。,这一结论对制造超声换能器特别有用。晶体如直接与皮肤接触，由于两者声阻抗率相差较大，超声能量将有相当一部分反射回来，进入人体的只是一部分。为此，在晶体表面增加一层匹配层，其厚度为 ，声阻抗等于晶体和皮肤声阻抗的几何平均，则超声能量就能全部透过匹配层进入人体。,三、散射和绕射,前面讨论的反射和折射，有一个重要条件，即反射 界面对于超声波波长来说是无限大的：d。 当d与可比，则发生绕射。例如胆结石。 当d，则发生散射。例如红细胞。,1. 散射, 条件：d； 现象：小障碍物变成新的波源，并向四周发射超声波； 回波：散射信号的回波大小与入射角无明显关系； 应用：运动的红细胞散射超声多普勒血流仪； 脏器内小结构散射B超脏器结构性质显像。 2. 绕射 条件：d与接近； 现象：障碍物边缘超声波绕过障碍物继续前进； 应用：胆结石边缘发生绕射，在其后方形成声影， 以此判别是否胆结石。,四、超声波的叠加原理,1. 叠加原理 超声波在传播过程中相遇时： 相遇前后，波的特性不变独立性。 相遇之处，质点振动各波矢量合成叠加性。 （波的特性：频率、初相、振动方向、传播方向等） 2. 叠加特例 两列波，频率、振动方向相同，相位差恒定： 2K： 振动同相，合成相加，振幅最大 (2K+1)：振动反相，合成相减，振幅最小 如图1-9,第六节 超声在生物组织中的衰减,一、超声衰减的定义 超声强度随传播距离增加而减弱的现象，称超声衰减。 二、超声衰减的原因 扩散 声束扩散，使声波原方向声强减弱。 散射 介质散射，也使声波原方向声强减弱。 吸收 介质的吸收将声能转化为热能，超声能量减少。 () 粘滞吸收：介质质点运动时相互摩擦； () 弛豫吸收：介质的传导造成热能辐射。,三、 超声衰减规律,（1）平面波在均匀生物组织中传播时，有指数型关系 式中，I0,P0 x=0处的声强、声压有效值 介质的声压衰减系数 （2）声压衰减系数 与扩散、散射、吸收等因素有关。一般 在人体软组织，并诊断用超声频率范围内 式中，介质的超声衰减常数。可查表得。 单位： (mm)-1, s/mm, fMHz.,(3) 超声传播衰减声压级,式中：P(x) x处声压，P0 x=0处声压。 根据前述有： LI(x) = LP(x) = -8.7fx 称为超声相对于初始位置的传播衰减声压级。 例：肝的0.010s/mm,超声传播衰减声压级为： f =1MHz,x=10mm： LP-8.7fx-0.87dB f =3MHz,x=150mm：LP-8.7fx-39dB 可见，随着f,x的增加，衰减迅速增加。,(4)人体软组织超声衰减估算式,上式中，8.7称为超声衰减系数，它反映了 组织中超声衰减的速度，人体软组织大致有： 8.7= 0.070.13 (dB/MHzmm) = 0.71.3 (dB/MHzcm) 超声诊断仪设计上，作为估算常取平均为： 8.7= 1(dB/MHzcm) 即 LI(x) = LP(x) = -8.7fx 上式为人体软组织中超声传播衰减估算式。 单位： LI(x)=LP(x)- dB, f- MHz, x- cm,第七节 超声的生物效应,超声波是一种依靠介质来传播的声波，它具有机械 能。因此传播过程中将不可避免地与介质相互作用，产 生各种效应。 一、机械效应 声波能量作用于介质，会引起质点高速细微的振动， 产生速度、加速度、声压、声强等力学量的变化，从而 引起机械效应。 利用：引起细胞的摩擦，能促进新陈代谢。 注意：必须控制适当的强度。,二、温热效应,由于生物组织对超声有吸收作用，一部分声能转化 为热能，使生物组织产生温升。 利用： 能使局部血管扩张，加快血液循环，促进病理产物的吸收消散。 局部加热至43oC，配合放射化疗治疗癌症。 注意：强度适当。 三、空化效应 因超声波作用而在软组织和液体中形成的空泡，会 随着材料各处压力的变化而改变其大小，在一定超声压 力情况下，气泡会破裂而产生冲击，引起材料的破碎或 位移，这就是空化效应。空化有很大的破坏作用。 利用：可制成超声手术刀。 注意：避免强超声照射眼睛、怀孕子宫,四、化学效应,因局部压力和温度的升高，发生常温常压下不可能发生的化学反应，这是超声的化学效应。 五、安全剂量 以上几种超声效应在一定剂量上，都不同程度地对 人体组织有伤害作用，因此必须重视安全剂量。 安全阈值：100mW/cm2。与照射时间密切相关。 一般认为：在诊断的安全剂量内，不产生可检出的 生物效应，对人体是安全无损的, 也无 剂量积累。 在超声生物效应这个领域，目前还有很多问题尚未弄清。,习 题,一、是非题（如错，请改正） 1. 超声波是声速超过可听声的声波。 2. 超声波传播时声压瞬时值随传播距离按指数规律下降。 3. 介质的声阻抗率越大，其中的声速越低。 4. 在两层介质之间加一匹配层，其厚度与超声频率无关。 5. 超声波是介质中质点振动能量的传播过程。 6. 横波由介质的压缩弹性引起。,7. 纵波是一种疏密波。 8. 在人