[临床医学]71超声波

1、利用某种待测的非声量与某些描述媒质声利用某种待测的非声量与某些描述媒质声学特性的超声量之间存在着的直接或间接的关系。学特性的超声量之间存在着的直接或间接的关系。密度、流量、液位、厚度、缺陷等密度、流量、液位、厚度、缺陷等基于反射原理的示意图基于反射原理的示意图一、概述一、概述7.1 超声波传感器超声波传感器v波（动）：振动在弹性介质内的传播称为波动。波（动）：振动在弹性介质内的传播称为波动。 频率：次声波、声波、超声波、微波频率：次声波、声波、超声波、微波次声波：次声波：低于低于16 hz的机械波；的机械波；声波：声波：其频率在其频率在162104 hz之间，能为人耳所闻的机械波；之间，能为人

2、耳所闻的机械波；超声波：超声波：高于高于2104 hz的机械波；的机械波；微波：微波：频率在频率在310831011 hz之间的波；之间的波；v纵波：纵波：质点的振动方向质点的振动方向与波的传播方向一致。与波的传播方向一致。（固、液、气）（固、液、气）v横波：横波：质点的振动方向质点的振动方向垂直于波的传播方向。垂直于波的传播方向。（固）（固） v表面波：表面波：质点的振动质点的振动介于纵波和横波之间，介于纵波和横波之间，沿着表面传播，振幅随沿着表面传播，振幅随深度增加而迅速衰减。深度增加而迅速衰减。（固体表面）（固体表面）l 1界面界面介质介质1介质介质2 2l1l2s1s2l入射纵波；入射

3、纵波； l1 反射纵波；反射纵波； l2 折射纵波折射纵波 s1 反射横波；反射横波； s2折射横波。折射横波。超声波的传播速度超声波的传播速度取决于介质的弹性常数及介质的密度，与自身频率无关。取决于介质的弹性常数及介质的密度，与自身频率无关。密度弹性率声速在固体介质中，纵波、横波、表面波三者的声速分别为在固体介质中，纵波、横波、表面波三者的声速分别为横表面横纵cgcgecec9 . 09 . 0)1 (21)21)(1 (1e 杨氏模量；杨氏模量； 泊松比；泊松比；g 剪切弹性模量。剪切弹性模量。3、超声波的反射和折射、超声波的反射和折射当波速一致时当波速一致时入射波入射波 界面界面介质介质

4、1介质介质2反射波反射波折射波折射波（2）折射定律）折射定律21sinsinccc1入射声波速；入射声波速； c2折射声波速折射声波速（1）反射定律）反射定律4、声波的衰减、声波的衰减 超声波在一种介质中传播时，随着距离的增加，能超声波在一种介质中传播时，随着距离的增加，能量逐渐衰减。其声压和声强的衰减规律为量逐渐衰减。其声压和声强的衰减规律为xxeiiepp200p p0 0、i i0 0 声波在声波在x x=0=0处的声压和声强；处的声压和声强；p p、i i 声波在声波在x x处的声压和声强；处的声压和声强； 衰减系数。衰减系数。v应用：工件的厚度、球墨铸铁的球化程度、泥浆应用：工件的厚

5、度、球墨铸铁的球化程度、泥浆 的浓度等。的浓度等。超声波的衰减程度与介质及超声波的频率超声波的衰减程度与介质及超声波的频率有关。有关。v与介质有关与介质有关 气体对超声波吸收最强而衰减最大，液体次之，固体气体对超声波吸收最强而衰减最大，液体次之，固体吸收最小而衰减最小。吸收最小而衰减最小。v与超声波的频率有关与超声波的频率有关 频率越高，衰减越大，因此超声波比其他声波在传播频率越高，衰减越大，因此超声波比其他声波在传播时的衰减更明显。时的衰减更明显。二、超声波传感器二、超声波传感器1、定义：、定义： 能够完成产生超声波和接收超声波功能的装置就是超能够完成产生超声波和接收超声波功能的装置就是超声

6、波传感器，也称为超声波换能器或超声波探头。声波传感器，也称为超声波换能器或超声波探头。v应用：应用：超声波传播时间传感器、目标探测、流量测量、超声波传播时间传感器、目标探测、流量测量、液位测量、超声清洗、超声医疗等。液位测量、超声清洗、超声医疗等。v特点：特点：精度高，被测物体不受影响。精度高，被测物体不受影响。2、分类、分类v结构：直探头、斜探头、双探头和液浸探头结构：直探头、斜探头、双探头和液浸探头v工作原理：工作原理：压电式压电式、磁致伸缩式、电磁式、磁致伸缩式、电磁式3、压电式传感器、压电式传感器v超声波传感器大多数利用压电材料制成，超声波传感器大多数利用压电材料制成，逆压电逆压电效应

7、效应将电振动转换成机械振动产生超声波，作为将电振动转换成机械振动产生超声波，作为发射探头发射探头；正压电效应正压电效应将超声波转换成电信号，将超声波转换成电信号，作为作为接收探头接收探头。v压电探头主要通过压电探头主要通过压电晶片压电晶片将超声振动转换为电将超声振动转换为电信号信号三、超声波传感器的应用三、超声波传感器的应用1、超声波测厚、超声波测厚 脉冲回波法：脉冲回波法：续：超声波测厚续：超声波测厚主控制器主控制器脉冲发送电路脉冲发送电路接收电路接收电路探头探头标准振荡电路标准振荡电路计数电路计数电路2、液位测量、液位测量通过测量发射和接收信号之间的时间差测距离。通过测量发射和接收信号之间

8、的时间差测距离。液位计液位计3、超声波探伤、超声波探伤 v穿透法探伤：穿透法探伤： 穿透法探伤是根据超声波穿透工件后能量穿透法探伤是根据超声波穿透工件后能量的变化情况来判断工件内部质量。的变化情况来判断工件内部质量。 v反射法探伤反射法探伤： 反射法探伤是根据超声波在工件中反射情反射法探伤是根据超声波在工件中反射情况的不同来探测工件内部是否有缺陷。它又分况的不同来探测工件内部是否有缺陷。它又分为为一次脉冲反射法一次脉冲反射法和和多次脉冲反射法多次脉冲反射法两种。两种。（1）穿透法探伤）穿透法探伤 v优点：指示简单，优点：指示简单，适用于自动探伤；适用于自动探伤；可避免盲区，适宜可避免盲区，适宜

9、探测薄板。探测薄板。v缺点：探测灵敏度缺点：探测灵敏度较低，不能发现小较低，不能发现小缺陷；根据能量的缺陷；根据能量的变化可判断有无缺变化可判断有无缺陷，但不能定位；陷，但不能定位；对两探头的相对位对两探头的相对位置要求较高。置要求较高。 穿透法探伤原理穿透法探伤原理 （2 2）一次脉冲反射法）一次脉冲反射法 一次脉冲反射法探伤原理一次脉冲反射法探伤原理 （3 3）多次脉冲反射法）多次脉冲反射法 多次脉冲反射法探伤原理多次脉冲反射法探伤原理 4、超声流量计、超声流量计v理论基础：理论基础：超声波在流体中的传播速度与流体超声波在流体中的传播速度与流体的流动速度有关。的流动速度有关。v特点：特点：

10、超声非接触测量；无压力损失；适合于大超声非接触测量；无压力损失；适合于大型管道等。型管道等。v测量方法：测量方法：时差法、相位差法；频率差法等。时差法、相位差法；频率差法等。在被测管道上下游的一定距离上，分别安装两对超声波发射和在被测管道上下游的一定距离上，分别安装两对超声波发射和接收探头（接收探头（f1f1，t1t1）、（）、（f2f2，t2t2）。其中（）。其中（f1f1，t1t1）的超声波）的超声波是顺流传播的，而（是顺流传播的，而（f2f2，t2t2）的超声波是逆流传播的。根据这）的超声波是逆流传播的。根据这两束超声波在液体中传播速度的不同，采用测量两接收探头上两束超声波在液体中传播速

11、度的不同，采用测量两接收探头上超声波传播的时间差超声波传播的时间差 t t、相位差、相位差 或频率差或频率差 f f等方法，可测等方法，可测量出流体的平均速度及流量。量出流体的平均速度及流量。 超声波流量传感器工作原理超声波流量传感器工作原理时差法时差法超声波传感器安装位置超声波传感器安装位置c 超声在流体中的速度；超声在流体中的速度；v 流体的平均流速。流体的平均流速。传感器传感器1 1传感器传感器2 2vd l（1）时差法测流量）时差法测流量 （3）频率差法测流量）频率差法测流量 （2）相位差法测流量）相位差法测流量b型超声波型超声波诊断仪诊断仪zzxb超的电子扇形扫描超的电子扇形扫描手动

12、移动扫描位置手动移动扫描位置 超声波诊断仪超声波诊断仪 超声波诊断仪是通过向人体内发射超声波超声波诊断仪是通过向人体内发射超声波( (主要采用纵波主要采用纵波) )，然后接，然后接收经人体各组织反射回来的超声波信号并加以处理和显示，根据超声波收经人体各组织反射回来的超声波信号并加以处理和显示，根据超声波在人体不同组织中传播特性的差异进行诊断的。超声波诊断仪最常用的在人体不同组织中传播特性的差异进行诊断的。超声波诊断仪最常用的有有a a型超声波诊断仪、型超声波诊断仪、m m型超声波心电图仪和型超声波心电图仪和b b型超声波断层显像仪等。型超声波断层显像仪等。 a a型超声波诊断仪（脑中线测量、眼

13、科）型超声波诊断仪（脑中线测量、眼科） a a型超声波诊断仪又称为振幅型超声波诊断仪又称为振幅(amplitude)(amplitude)型诊断仪，其原理类似示型诊断仪，其原理类似示波器，所不同的是在波器，所不同的是在垂直通道垂直通道中增加了检波器，以便把正负交变的脉冲中增加了检波器，以便把正负交变的脉冲调制信号变成单向的视频脉冲信号。调制信号变成单向的视频脉冲信号。 同步电路产生同步电路产生50hz50hz20khz20khz的同步脉冲，该脉冲触发扫描电路产生的同步脉冲，该脉冲触发扫描电路产生锯齿波电压信号，齿波电压信号的频率与超声波的频率相同，而且与视锯齿波电压信号，齿波电压信号的频率与超

14、声波的频率相同，而且与视频信号同步。频信号同步。 发射电路在同步脉冲发射电路在同步脉冲作用下，产生一高频调幅作用下，产生一高频调幅振荡，即产生幅度调制波振荡，即产生幅度调制波( (正弦填充脉冲正弦填充脉冲) )。 发射电路一方面将调幅波送入高频放大器放大，使发射电路一方面将调幅波送入高频放大器放大，使荧光屏上显示发射脉冲荧光屏上显示发射脉冲( (如荧光屏上的第一个脉冲如荧光屏上的第一个脉冲) )，另，另一方面将调幅波送到超声波探头激励探头产生一次超声一方面将调幅波送到超声波探头激励探头产生一次超声振荡，超声波进入人体后的反射波由探头接收并转换成振荡，超声波进入人体后的反射波由探头接收并转换成电

15、压信号，该电压信号经高频放大器放大、检波、功率电压信号，该电压信号经高频放大器放大、检波、功率放大，在荧光屏上将显示出一系列的回波，它们代表着放大，在荧光屏上将显示出一系列的回波，它们代表着各组织的特性和状况。各组织的特性和状况。 m m型超声波诊断仪型超声波诊断仪 m m型超声波诊断仪主要用于运动型超声波诊断仪主要用于运动(motion)(motion)器官的诊断，常用于心脏疾器官的诊断，常用于心脏疾病的诊断，故又称为超声波心电图仪。它是在病的诊断，故又称为超声波心电图仪。它是在a a型超声波诊断仪的基础上型超声波诊断仪的基础上发展起来的一种发展起来的一种辉度调制式仪器辉度调制式仪器。它与。

16、它与a a型超声波诊断仪的不同点是型超声波诊断仪的不同点是m m型型的发射波和回波信号不是加到示波管的垂直偏转板上，而是加到示波管的发射波和回波信号不是加到示波管的垂直偏转板上，而是加到示波管的栅极或阴极上来控制到达示波管的电子束的强度。脉冲信号幅度高，的栅极或阴极上来控制到达示波管的电子束的强度。脉冲信号幅度高，荧光屏的光点亮；反之，光点暗。光点的纵坐标代表与回波信号相对应荧光屏的光点亮；反之，光点暗。光点的纵坐标代表与回波信号相对应的点到体表的距离，横坐标则表示不同时刻。这种显示方式最适用于观的点到体表的距离，横坐标则表示不同时刻。这种显示方式最适用于观察运动器官的动作情况。察运动器官的动

17、作情况。 各层组织与探头的距离不同，各层组织与探头的距离不同，在荧光屏上会呈现随心脏搏在荧光屏上会呈现随心脏搏动而上下摆动的一系列光点，动而上下摆动的一系列光点，当代表时间的扫描线沿水平当代表时间的扫描线沿水平方向从左至右等速移动时，方向从左至右等速移动时，上下摆动的光点便横向展开，上下摆动的光点便横向展开，得到心动周期、心脏各层组得到心动周期、心脏各层组织结构随时间变化的活动曲织结构随时间变化的活动曲线，这就是超声心电图。线，这就是超声心电图。 实际操作时，将探头固定在某一部位，如心脏部位。由于心脏搏动，实际操作时，将探头固定在某一部位，如心脏部位。由于心脏搏动， 由由m m型显示得到的位移

18、曲线，对时间微分可以得到速度曲线和型显示得到的位移曲线，对时间微分可以得到速度曲线和加速度曲线，如下图所示。利用这些成套曲线，比较容易判断某些加速度曲线，如下图所示。利用这些成套曲线，比较容易判断某些运动器有疾病。运动器有疾病。 b b型超声波诊断仪型超声波诊断仪 b b型超声波诊断仪型超声波诊断仪( (简称为简称为b b超，其成像超，其成像方式称为方式称为b b型成像方式型成像方式) )是在是在m m型诊断仪的基型诊断仪的基础上发展起来的础上发展起来的辉度调制辉度调制(brightness (brightness modulation)modulation)式诊断仪。式诊断仪。b b型成像方

19、式所得型成像方式所得到的是与声束传播方向垂直的物体断面的到的是与声束传播方向垂直的物体断面的图像，声束沿图像，声束沿z z方向传播，沿方向传播，沿x x方向扫描，方向扫描，逐次照射物体的不同区域，并接收声束所逐次照射物体的不同区域，并接收声束所zzxb超的电子扇形扫描超的电子扇形扫描手动移动扫描位置手动移动扫描位置达区域内物体的散射声信号，将声信号幅度调制成荧光屏上相应位置的达区域内物体的散射声信号，将声信号幅度调制成荧光屏上相应位置的光点亮度，从而获得声束扫描断面内与声散射信号幅度光点亮度，从而获得声束扫描断面内与声散射信号幅度 对应的图像。扫描方式主要有线扫描和扇形扫描两种。对应的图像。扫

20、描方式主要有线扫描和扇形扫描两种。 b b超所使用的换能器多为线阵聚焦超所使用的换能器多为线阵聚焦/ /扫描型，典型阵元数为扫描型，典型阵元数为256256，外形，外形如右下图所示。如右下图所示。 b超换能器外形图超换能器外形图肾脏的肾脏的b超图像超图像左下图是肾脏的左下图是肾脏的b b超图像超图像 虽然虽然b b型和型和m m型诊断同属辉度调制式仪器，但是存在两个显著的不型诊断同属辉度调制式仪器，但是存在两个显著的不同点：同点： (1) (1) 当当m m型超声波诊断仪工作时，探头固定在某一点，超声波定型超声波诊断仪工作时，探头固定在某一点，超声波定向发射；而向发射；而b b型超声波诊断仪工作时，探头是连续移动，或者探头不型超声波诊断仪工作时，探头是连续移动，或者探头不动而发射的超声波束不断地变动传播方向。探头由人手移动的称之为动而发射的超声波束不断地变动传播方向。探头由人手移动的称之为手动扫描，用机械移动的称之为机械