10超声波超声诊断仪的物理原理

1、超声波 超声诊断仪的物理原理supersonic wavephysics principle of ultrasonic diagonstic apparatus 简谐运动简谐运动机械波机械波判断方法判断方法运动方程运动方程特征量特征量振动能量振动能量振动合成振动合成阻尼与共振阻尼与共振波动方程波动方程波的能量波的能量波的干涉波的干涉驻波驻波多普勒效应多普勒效应惠更斯原理惠更斯原理复复 习习声波声波超声波超声波声压声压声强级声强级响度级响度级特点特点作用作用产生原理产生原理声阻声阻声强声强诊断原理诊断原理最新进展最新进展知识结构知识结构超声成像仪ultrasonic imaging devic

2、e 三维动态超声图像超声波超声波 超声诊断仪的物理原理超声诊断仪的物理原理一、一、声波的性质声波的性质二、二、人的听觉范围人的听觉范围三、三、超声波的性质超声波的性质四、四、超声波在医学上的应用超声波在医学上的应用五、五、总结总结一、声波的性质一、声波的性质properties of sound wave 超声和次声超声和次声 声压和声阻声压和声阻 声强声强 反射和折射反射和折射 18901890年，年， 一艘名叫一艘名叫“马尔波罗号马尔波罗号”帆船在从帆船在从新西兰驶往英国的途中，突然神秘地失踪了。新西兰驶往英国的途中，突然神秘地失踪了。 19481948年初，一艘荷兰货船在通过马六甲海峡时

3、，年初，一艘荷兰货船在通过马六甲海峡时，一场风暴过后，全船海员莫明其妙地死光；上述一场风暴过后，全船海员莫明其妙地死光；上述惨案，引起了科学家们的普遍关注，其中不少人惨案，引起了科学家们的普遍关注，其中不少人还对船员的遇难原因进行了长期的研究。还对船员的遇难原因进行了长期的研究。关于次声关于次声infrasonic wave 经过反复调查，终于弄清了制造上述惨案的经过反复调查，终于弄清了制造上述惨案的“凶手凶手”，是一种为人们所不很了解的次声的声波。，是一种为人们所不很了解的次声的声波。 人体内脏固有的振动频率和次声频率相近似（人体内脏固有的振动频率和次声频率相近似（0.00010.00012

4、020赫），倘若外来的次声频率与人体内脏赫），倘若外来的次声频率与人体内脏的振动频率相似或相同，就会引起人体内脏的的振动频率相似或相同，就会引起人体内脏的 共共振振 ，从而使人产生上面提到的头晕、烦躁、耳鸣，从而使人产生上面提到的头晕、烦躁、耳鸣、恶心等等一系列症状。、恶心等等一系列症状。超声和次声超声和次声supersonic wave & infrasonic wave 在连续介质中传播的弹性波，若其频率在连续介质中传播的弹性波，若其频率f在在20 2 104 hz之间，则能使人产生声音之间，则能使人产生声音的感觉，这种波称为的感觉，这种波称为声波声波(sound wave)； 若

5、其频率在若其频率在10 4 20 hz之间，则这种波称之间，则这种波称 为为次声波次声波(infrasonic wave)； 若其频率在若其频率在2 104 5 108 hz之间，则这种之间，则这种 波称为波称为超声波超声波(supersonic wave)。 人能听到声音的频率为人能听到声音的频率为20hz20hz20000hz20000hz，其中最敏感的频率其中最敏感的频率2000hz2000hz3000hz3000hz。老年。老年人的听觉随着年龄而衰退，能听到的频率人的听觉随着年龄而衰退，能听到的频率约为约为50hz50hz12000hz12000hz。听阈声压声压sound press

6、uresound pressure 在媒质中，有声波传播时的压在媒质中，有声波传播时的压强与无声波传播时的静压强的强与无声波传播时的静压强的差值为差值为声压声压，以，以p p表示表示 ：)(coscxtascvcxtacp)2)(cos(mmcvacp2mcpp 声压幅声压幅有效声压有效声压声阻声阻acoustic impedance 在同一声压下，质点振动速度在同一声压下，质点振动速度v与与c成反比。成反比。将此式与欧姆定律相比较，将此式与欧姆定律相比较，声压与电压声压与电压对对应，应，振动速度与电流振动速度与电流对应，则对应，则cc与电阻与电阻对对应，称为应，称为声阻抗声阻抗zmmvpvp

7、czcvcxtacp)2)(cos(声强声强sound intensity 定义：定义：是是单位时间单位时间内通过垂直声波传播方内通过垂直声波传播方向的向的单位面积单位面积上的能量。上的能量。 zpzpzvcaicmm22222212121rururipcmm2222121声压、声阻、声强声压、声阻、声强zpzpzvicmm2222121rururipcmm2222121声压声压p电压电压u声阻声阻z电阻电阻r声强声强i功率功率p振动速度振动速度v电流电流i有效声压有效声压pc有效电压有效电压uc反射和折射反射和折射reflection & transmission 在声波的传播过程中

8、，当遇到两种不同在声波的传播过程中，当遇到两种不同媒质的界面时，要发生发射、折射，他媒质的界面时，要发生发射、折射，他们遵守们遵守反射、折射定律反射、折射定律。 反射波强度与入射波强度之比，为反射波强度与入射波强度之比，为反射反射 系数系数，用，用air表示。表示。 折射波强度与入射波强度之比，为媒质折射波强度与入射波强度之比，为媒质 的的折射系数或透射系数折射系数或透射系数，用，用ait表示。表示。incidence-reflectionincidence-transmission反射和折射反射和折射 reflection & transmission 对于对于垂直入射垂直入射的情况

9、，有理论证明：的情况，有理论证明： 21212zzzziiairir21221)(4zzzziiaitit 阻抗阻抗差值越大，反射越强差值越大，反射越强；声阻抗相近时，透；声阻抗相近时，透 射强，反射弱。射强，反射弱。 人体各部分声阻抗是不同的人体各部分声阻抗是不同的，导致超声波入，导致超声波入射到各组织界面反射时的反射量不同，成为超射到各组织界面反射时的反射量不同，成为超声诊断的物理基础。声诊断的物理基础。二、人耳的听觉范围二、人耳的听觉范围the human ears hearing range 人耳的灵敏度对于每人耳的灵敏度对于每一个频率一个频率都有一个最小都有一个最小声强，低于它的声音

10、人耳就听不见了，这个声强，低于它的声音人耳就听不见了，这个最小声强称为最小声强称为听阈听阈(threshold of hearing)； 同时，还有一个最大声强，高于它的声音同时，还有一个最大声强，高于它的声音 会使人耳感到不适或痛苦，这个最大声强称会使人耳感到不适或痛苦，这个最大声强称 为为痛阈痛阈(threshold of feeling)。声强与声强级声强与声强级sound intensity & intensity level 人耳对声音的感觉，近似地与声强的对人耳对声音的感觉，近似地与声强的对数成正比，常用数成正比，常用声强级声强级l l来表示：来表示：00lg20lg10p

11、piil 声强级声强级l的单位为的单位为db（分贝）。（分贝）。 i0=10-12w/m2，是接近，是接近1000 hz时的听阈。时的听阈。 zpcai222210lg10iil 声强增加声强增加1010倍，声强级增加多少？倍，声强级增加多少？声强增加声强增加1 1倍，声强级增加多少？倍，声强级增加多少？lniininillg10lg10lg10lg1000 0-500-50分贝：舒适，细语声；分贝：舒适，细语声； 50-9050-90分贝：妨碍睡眠、难过、焦虑；分贝：妨碍睡眠、难过、焦虑； 90-13090-130分贝：耳朵发痒、耳朵疼痛；分贝：耳朵发痒、耳朵疼痛； 130130分贝以上：耳

12、膜破裂、耳聋。分贝以上：耳膜破裂、耳聋。 噪音对人体的危害是很大的，噪音量（分噪音对人体的危害是很大的，噪音量（分贝）对人体影响：贝）对人体影响：演示响度与响度级响度与响度级 loudness & loudness level 声强、声强级是根据声波的能量来确定的，是客声强、声强级是根据声波的能量来确定的，是客观物理量。观物理量。响度响度是人耳对声音强弱的主观感受，是人耳对声音强弱的主观感受，不仅取决不仅取决声强声强，也与声音的，也与声音的频率频率有关。有关。 为比较声音响度的大小，提出了为比较声音响度的大小，提出了响度级响度级的概念。的概念。 以以1000hz1000hz声音的响度声

13、音的响度为标准，将其他频率声音的为标准，将其他频率声音的 响度与其比较，只要它们响度相同，则有相同的响度与其比较，只要它们响度相同，则有相同的 响度级。响度级的单位是方响度级。响度级的单位是方(phon)。 把频率不同，响度级相同的各点连成的一条线，把频率不同，响度级相同的各点连成的一条线， 就构成了就构成了等响曲线等响曲线。演示020406080100120201001000 2000 5000 1000010 1210 1010 810 610 410 21020406080100120痛阈痛阈听阈听阈声强声强 (w/m(w/m2 2）声强级声强级 (db(db）hz响度级响度级 ( (方

14、）方）关于听阈关于听阈threshold of hearing 同一频率，声强越大，响度越大同一频率，声强越大，响度越大 同一声强，频率不同，响度不同同一声强，频率不同，响度不同 人耳对人耳对25003000hz最敏感最敏感 20hz，20000hz，听阈曲线，痛阈曲线，听阈曲线，痛阈曲线组成人的听觉区域。组成人的听觉区域。 1000hz时，响度级等于声强级时，响度级等于声强级三、超声波的特性三、超声波的特性ultrasound features 机械作用、空化作用、热作用。机械作用、空化作用、热作用。 方向性好。方向性好。 强度大。强度大。 固体、液体贯穿本领强，气体中衰减大固体、液体贯穿本

15、领强，气体中衰减大为什么超声探头表面和人体皮为什么超声探头表面和人体皮肤之间需加石蜡等耦合剂？肤之间需加石蜡等耦合剂？超声波的产生超声波的产生ultrasonic generation高频信号发生器高频信号发生器压电晶体压电晶体探头探头发射超声波：发射超声波：逆压电效应，逆压电效应，高频电压转化为机械振动高频电压转化为机械振动接收超声波：接收超声波：正压电效应，正压电效应，机械振动转化为高频电压。机械振动转化为高频电压。四、超声波的医学应用四、超声波的医学应用ultrasonic medical applications1 1、超声诊断、超声诊断 基本原理基本原理 a a型超声诊断仪型超声诊断

16、仪 b b型超声诊断仪型超声诊断仪 m m型超声诊断仪型超声诊断仪 超声多普勒超声多普勒2 2、超声成像最新进展超声成像最新进展3 3、超声治疗超声治疗超声诊断基本原理超声诊断基本原理 the basic principles of ultrasound diagnosis 超声诊断仪应用超声诊断仪应用超声脉冲回波技术超声脉冲回波技术，遇到几个反射面，遇到几个反射面就有几个回波信号，显示在显示屏上。就有几个回波信号，显示在显示屏上。 回波的脉冲幅度回波的脉冲幅度提供了产生反射的界面种类的信息，提供了产生反射的界面种类的信息，各回波脉冲与始波的各回波脉冲与始波的时间间隔时间间隔提供了各反射面的深

17、度提供了各反射面的深度信息。信息。脉冲脉冲信号信号回波回波信号信号t超声诊断基本原理超声诊断基本原理 the basic principles of ultrasound diagnosis 根据显示的方式不同，超声诊断仪分为根据显示的方式不同，超声诊断仪分为 a（amplitude）型）型 m（motion）型）型 b（brightness）型）型 已为临床广泛应用。已为临床广泛应用。 a a型超声诊断仪型超声诊断仪amplitude ultrasound diagnosis回波强度回波强度探头探头深度（时间）深度（时间）一维成像，测量器官长度一维成像，测量器官长度b b型超声诊断仪型超声诊

18、断仪 brightness ultrasound diagnosis探探头头时间时间深深度度二维成像，显示器官断层图像二维成像，显示器官断层图像m m型超声诊断仪型超声诊断仪 motion ultrasound diagnosis时间时间深度深度探头探头二维成像，显示器官运动轨迹二维成像，显示器官运动轨迹超声多普勒超声多普勒ultrasound doppler 由多普勒效应可知，利用由多普勒效应可知，利用多普勒效应多普勒效应可检测运动物体。当超声波传入人体某可检测运动物体。当超声波传入人体某一血液流动区，被红细胞散射返回探头，一血液流动区，被红细胞散射返回探头，回波信号的频率将会变化，可求回波信号的频率将会变化，可求血液的血液的速度速度。超声成像具有实时性好、无损伤、无痛苦，超声成像具有实时性好、无损伤、无痛苦，以及低成本等独特优点以及低成本等独特优点近年来，超声成像在近年来，超声成像在彩色血流测量技术彩色血流测量技术、三三维超声维超声等方面的发展特别引人注目等方面的发展特别引人注目彩色多普勒血流成像系统（通常称为彩超）彩色多普勒血流成像系统（通常称为彩超）是一种能同时显示是一种能同时显示b b型图像和多普勒血流数据型图像和多普勒血流数据（血流方向、流速