振动和波振动与波基本理论

1、振动和波振动与波基本理论振动和波振动与波基本理论 振动与波基本理论振动与波基本理论 第一节第一节 振动振动 机械振动机械振动 定义：物体在一定位置附近作往复的运动。定义：物体在一定位置附近作往复的运动。振动和波振动与波基本理论 机械振动的动力学特征：受有回复力和惯机械振动的动力学特征：受有回复力和惯性的交互作用。性的交互作用。振动和波振动与波基本理论一、简谐振动简谐振动结论结论：简谐振动的位移、速度和加速度都简谐振动的位移、速度和加速度都是随时间作周期性变化的。是随时间作周期性变化的。振动和波振动与波基本理论二、简谐振动的图像简谐振动的图像简谐振动的特征量：简谐振动的特征量：1、振幅、振幅 2

2、、周期、周期 3、初相位、初相位振动和波振动与波基本理论三、阻尼振动（减幅振动）三、阻尼振动（减幅振动） 定义：振幅随时间减小的振动。定义：振幅随时间减小的振动。应用应用：在生物医学领域，利用阻尼振动的理论可在生物医学领域，利用阻尼振动的理论可以测量哺乳动物肢体关节中的摩擦力的大小。人以测量哺乳动物肢体关节中的摩擦力的大小。人的关节内于存在液体的润滑，因而摩擦力一般是的关节内于存在液体的润滑，因而摩擦力一般是很小的。当坐着时，使小腿绕膝关节自由摆动，很小的。当坐着时，使小腿绕膝关节自由摆动，通过测量振幅减小的快慢就可以得到有关摩擦力通过测量振幅减小的快慢就可以得到有关摩擦力的信息。的信息。振动

3、和波振动与波基本理论等幅振动：给振动系统供给能量使等幅振动：给振动系统供给能量使系统损失的能量不断地得到补充，系统损失的能量不断地得到补充，这样就可以得到等幅振动这样就可以得到等幅振动 例如：钟摆的振动、人的呼吸、例如：钟摆的振动、人的呼吸、心脏的跳动等都是等幅振动心脏的跳动等都是等幅振动振动和波振动与波基本理论 第二节第二节 机械波机械波1、机械波的产生、机械波的产生 条件：波源条件：波源 弹性媒质弹性媒质振动和波振动与波基本理论定义：机械振动在定义：机械振动在 弹弹 性媒质中的传播。性媒质中的传播。 特点：可以传递能量特点：可以传递能量 可以传递信息可以传递信息振动和波振动与波基本理论注意

4、：注意：1、机械波的传播，每一质点都在自己的平衡位、机械波的传播，每一质点都在自己的平衡位置附近振动，振动质点并不沿着波的传播方向作超出本置附近振动，振动质点并不沿着波的传播方向作超出本身振动范围的移动。身振动范围的移动。 2、振动图像与波形图像含义不同。、振动图像与波形图像含义不同。振动和波振动与波基本理论二、横波与纵波二、横波与纵波1、横波：凡媒质中质点的振动方向和波的传播方向、横波：凡媒质中质点的振动方向和波的传播方向 垂垂 直的直的 波，称为横波。波，称为横波。振动和波振动与波基本理论振动和波振动与波基本理论2、纵波：凡媒质中质点的振动方向和波的传播方向相同、纵波：凡媒质中质点的振动方

5、向和波的传播方向相同的的被，称为纵波。被，称为纵波。振动和波振动与波基本理论振动和波振动与波基本理论振动和波振动与波基本理论 横波和纵波的实验区别：振动和波振动与波基本理论三、波长、频率和波速v=f 或 v=/Tv=f 或或 v=/T振动和波振动与波基本理论 第一节第一节 声波声波 声波是纵机械波。声波是纵机械波。 弹性媒质可以是气体、液体、及固体。弹性媒质可以是气体、液体、及固体。 声波划分为可闻声波、超声波与次声波三种形式。声波划分为可闻声波、超声波与次声波三种形式。一、一、 声波声波 1、声速、声速 声波的传播速度取决于媒质的性质和温度，与声波的传播速度取决于媒质的性质和温度，与声波的频

6、率无关。声波的频率无关。 例如例如：比如在：比如在0C和标准大气压下，空气中的和标准大气压下，空气中的声速为声速为332ms，温度每升高，温度每升高(或降低或降低)lC，声速约增大，声速约增大(或减小或减小)o6ms。 振动和波振动与波基本理论二、声压二、声压 声强声强 声强级声强级 1、声压、声压: 声波在介质中传播时声波在介质中传播时,介质的密度将做周介质的密度将做周期性的变化期性的变化,从而引起该处瞬时压强的变化从而引起该处瞬时压强的变化,我们我们把这时的压强瞬时值与无声波传播时压强值把这时的压强瞬时值与无声波传播时压强值(这这时的大气压时的大气压)之差称为声压之差称为声压. 振动和波振

7、动与波基本理论2 、声强：声波的强度称为声强。即单位时间、声强：声波的强度称为声强。即单位时间内通过垂直于声波传播方向上单位面积的能量。内通过垂直于声波传播方向上单位面积的能量。（用每秒钟通过垂直于声波传播方向的（用每秒钟通过垂直于声波传播方向的1平方平方厘米面积的能量来度量厘米面积的能量来度量,它的单位是焦耳它的单位是焦耳(秒秒平方厘米平方厘米)J/(scm 2 )） 振动和波振动与波基本理论影响声强大小的因素：振幅和频率影响声强大小的因素：振幅和频率声强与声源的振幅有关声强与声源的振幅有关,振幅越大振幅越大,声强也越大声强也越大;振幅越小振幅越小,声强也越小。声强也越小。当声源发出的声波向

8、各个方向传播时当声源发出的声波向各个方向传播时,其声强将随着距离的增大而逐渐减弱。其声强将随着距离的增大而逐渐减弱。基于这一原理基于这一原理,在超声诊断探头发在超声诊断探头发射超声时射超声时,必须考虑波束的聚焦必须考虑波束的聚焦,它可它可以减小声能的分散以减小声能的分散,使声能向一个比较使声能向一个比较集中的方向传播集中的方向传播,因而可以增加诊断探因而可以增加诊断探测的深度。测的深度。 振动和波振动与波基本理论3、声强级、声强级(声压级声压级) 听阈：人耳能感觉到的最小声强叫做听阈。听阈：人耳能感觉到的最小声强叫做听阈。 痛阈：声强过大的声音会引起人耳疼痛，使痛阈：声强过大的声音会引起人耳疼

9、痛，使人耳人耳 疼痛的最小声强称为痛阈。疼痛的最小声强称为痛阈。 人耳最敏感的频率范围：人耳最敏感的频率范围：1000Hz5000Hz。 人们发现：人耳对声音的主观感觉与声强的人们发现：人耳对声音的主观感觉与声强的大小不成正比，而是与其对数大致成正比大小不成正比，而是与其对数大致成正比。所以所以通常采用对数标度表示声强的等级，称为声强级通常采用对数标度表示声强的等级，称为声强级。振动和波振动与波基本理论数字声压计数字声压计振动和波振动与波基本理论声波仪器的探测灵敏度声波仪器的探测灵敏度: 用声强级来表示灵用声强级来表示灵敏度敏度.振动和波振动与波基本理论三、声阻抗三、声阻抗 Z 声阻抗是指介质

10、对声波传递的声阻抗是指介质对声波传递的阻尼和抵抗作用阻尼和抵抗作用, 等于声压与介质等于声压与介质容积位移速度之比容积位移速度之比, Z=P/v 单位是瑞利或声欧姆单位是瑞利或声欧姆(1达因的达因的力使空气产生力使空气产生1m1s的位移其声阻的位移其声阻抗即定义为抗即定义为1声声) 振动和波振动与波基本理论注意：对一定频率的声波来说注意：对一定频率的声波来说,它只它只决定于媒质密度决定于媒质密度和波速和波速c的乘积。的乘积。 Zs= PV= c 理解：声阻抗和电学的阻抗相似理解：声阻抗和电学的阻抗相似,其中其中声压相当于电压声压相当于电压,振速相当于电流强度振速相当于电流强度,声阻抗率相当于电

11、阻。声阻抗率相当于电阻。 和材料有关和材料有关振动和波振动与波基本理论振动和波振动与波基本理论.人体组织可分三类人体组织可分三类: 1. 低声阻的气体或充气组织低声阻的气体或充气组织.如肺泡组如肺泡组织织. 2. 高声阻的矿物组织高声阻的矿物组织.如骨骼如骨骼. 3. 中等声阻的液体和软组织中等声阻的液体和软组织,如肌肉如肌肉. 超声检测主要适用于第三类组织超声检测主要适用于第三类组织振动和波振动与波基本理论第二节第二节超声波在介质中的传播特性超声波在介质中的传播特性振动和波振动与波基本理论一、声波的反射和透射一、声波的反射和透射超声通过声阻抗不同的两种媒质，超声通过声阻抗不同的两种媒质，在其

12、分界面上将产生反射。例如从软在其分界面上将产生反射。例如从软组织到骨骼的分界面上，有组织到骨骼的分界面上，有5070的能量反射回去。除反射外，还有的能量反射回去。除反射外，还有一部分能量从界面上透射通过。一部分能量从界面上透射通过。振动和波振动与波基本理论 声波在传播过程中遇到两种声阻不同介声波在传播过程中遇到两种声阻不同介质的界面时，将发生反射和折射反射声强与入质的界面时，将发生反射和折射反射声强与入射声强之比，叫做声强反射系数：透射声强与入射声强之比，叫做声强反射系数：透射声强与入射声强之比，叫做声强透射系数。射声强之比，叫做声强透射系数。振动和波振动与波基本理论表明：表明：当两种介质的当

13、两种介质的声阻相差声阻相差较大时，反射强较大时，反射强而透射弱；而两种介质的而透射弱；而两种介质的声阻相近声阻相近时，透射强而时，透射强而反射弱反射弱 应用举例：应用举例： 在做超声检查时在探头上涂抹在做超声检查时在探头上涂抹液体石蜡油或甘油的目的就是防止在探头和体表液体石蜡油或甘油的目的就是防止在探头和体表间产生空气层，使有良好透声性，减少声能的损间产生空气层，使有良好透声性，减少声能的损失。耦合剂材料的选择应使其自身的声阻大小介失。耦合剂材料的选择应使其自身的声阻大小介于探头与皮肤声阻的中间值，这样才能增加超声于探头与皮肤声阻的中间值，这样才能增加超声的初始透射率。的初始透射率。 另外，人

14、体各部分组织的声阻是不同的，另外，人体各部分组织的声阻是不同的，因此超声波入射到人体内各组织界面时会产生反因此超声波入射到人体内各组织界面时会产生反射。实验指出，两种组织的声阻相差射。实验指出，两种组织的声阻相差01，就，就能产生出可检测的反射信号。超声脉冲反射诊断能产生出可检测的反射信号。超声脉冲反射诊断法就是依据了超声的这一性质。法就是依据了超声的这一性质。振动和波振动与波基本理论振动和波振动与波基本理论二、全反射二、全反射超声波的折射规律与光波的折射超声波的折射规律与光波的折射定律相同当入射角超过临界角时，定律相同当入射角超过临界角时，相应的折射波消失，出现全反射现象。相应的折射波消失，

15、出现全反射现象。 我们在进行超声检查时，需要尽我们在进行超声检查时，需要尽可能地将声束垂直于界面，避免入射可能地将声束垂直于界面，避免入射角过大，否则将会引起反射体的实际角过大，否则将会引起反射体的实际位置与显示位置发生错位，甚至出现位置与显示位置发生错位，甚至出现全反射，从而导致超声无法检查该界全反射，从而导致超声无法检查该界面以下的组织器官。全反射现象对超面以下的组织器官。全反射现象对超声诊断无意义，应尽量避免声诊断无意义，应尽量避免 振动和波振动与波基本理论三衍射三衍射当障碍物的直径等于或小于当障碍物的直径等于或小于2，超，超声波将绕过该障碍物而继续前进，这种现声波将绕过该障碍物而继续前

16、进，这种现象称为衍射（象称为衍射（Diffraction）故超声波波长越短（即频率越高），故超声波波长越短（即频率越高），能发现障碍物越小，也就是说分辨力越好，能发现障碍物越小，也就是说分辨力越好，超声图象也越清晰，不过对组织的穿透力超声图象也越清晰，不过对组织的穿透力较差。所以临床上高频探头多应用于儿童较差。所以临床上高频探头多应用于儿童和浅表器官的检查。和浅表器官的检查。 振动和波振动与波基本理论和衍射有关的超声现象：和衍射有关的超声现象：（）声影：（）声影：（）太小的病灶：（）太小的病灶：振动和波振动与波基本理论四散射四散射超声波在传播中遇到粗糙面或超声波在传播中遇到粗糙面或极小的障碍物

17、（或一组小障碍物形极小的障碍物（或一组小障碍物形式）时，将有一部分能量被散射式）时，将有一部分能量被散射（Scattering）。红细胞的直径比）。红细胞的直径比超声波要小得多，红细胞是一种散超声波要小得多，红细胞是一种散射体，声束内红细胞数量越多，背射体，声束内红细胞数量越多，背向散射强度就越大。红细胞的背向向散射强度就越大。红细胞的背向散射是多普勒超声诊断的基础。散射是多普勒超声诊断的基础。 振动和波振动与波基本理论散射模型图散射模型图振动和波振动与波基本理论五干涉与驻波五干涉与驻波干涉干涉频率相同的两列波叠加，使某频率相同的两列波叠加，使某些区域的振动加强，某些区域的振些区域的振动加强，

18、某些区域的振动减弱，而且振动加强的区域和振动减弱，而且振动加强的区域和振动减弱的区域相互隔开。这种现象动减弱的区域相互隔开。这种现象叫做波的干涉。叫做波的干涉。振动和波振动与波基本理论注意：在超声诊断上，反向散射注意：在超声诊断上，反向散射波和反射波的存在可以与入射波形波和反射波的存在可以与入射波形成干涉，这将使探头接受到的是它成干涉，这将使探头接受到的是它的干涉声场，造成图像分析的复杂的干涉声场，造成图像分析的复杂化化应用：干涉过程中存在界面的位应用：干涉过程中存在界面的位相信息，如将这一信息提取组图，相信息，如将这一信息提取组图，则为超声相干成像的基础则为超声相干成像的基础振动和波振动与波

19、基本理论驻波（是一种特殊的干涉）驻波（是一种特殊的干涉）频率和振幅均相同、振动方向频率和振幅均相同、振动方向一致、传播方向相反的两列波叠加一致、传播方向相反的两列波叠加后形成的波。波在介质中传播时其后形成的波。波在介质中传播时其波形不断向前推进，故称行波；上波形不断向前推进，故称行波；上述两列波叠加后波形并不向前推进，述两列波叠加后波形并不向前推进，故称驻波。故称驻波。 振动和波振动与波基本理论振幅为零的点称为波节，振幅最振幅为零的点称为波节，振幅最大处称为波腹。波节两侧的振动相位大处称为波腹。波节两侧的振动相位相反。相邻两波节或波腹间的距离都相反。相邻两波节或波腹间的距离都是半个波长。是半个

20、波长。 应用：利用该特点可以提高探头发射应用：利用该特点可以提高探头发射声波的效率声波的效率注意：驻波的主要特点是在驻波区域注意：驻波的主要特点是在驻波区域没有能量的传播，只有质点的振动，没有能量的传播，只有质点的振动，故在超声诊断仪中要采取克服措施故在超声诊断仪中要采取克服措施振动和波振动与波基本理论六声波衰减六声波衰减超声波在介质内的传播过程中，超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渐减少，这一现象称为声波衰减（Acoustic attenuation）。）。衰减的原因：衰减的原因：（）扩散衰减（）扩散衰减:

21、在空间传输中由能量分布的改变在空间传输中由能量分布的改变（）散射衰减（）散射衰减:本质部分声能转化为热能而散失掉本质部分声能转化为热能而散失掉（）吸收衰减（）吸收衰减:本质是声能转变为其它形式能量本质是声能转变为其它形式能量其中吸收是衰减的主要因素。其中吸收是衰减的主要因素。 振动和波振动与波基本理论衰减与超声频率有关衰减与超声频率有关实验结果表明实验结果表明,在在115MHz超超声频率范围内声频率范围内,人体组织对超声波的人体组织对超声波的吸收衰减系数几乎与频率成正比。吸收衰减系数几乎与频率成正比。人体软组织对超声的平均衰减系数人体软组织对超声的平均衰减系数约为约为0.81dBcm 1 MH

22、z 1 ,其其含义是超声波频率每增加含义是超声波频率每增加1MHz或或超声传播距离每增加超声传播距离每增加1cm,则组织对则组织对超声的衰减增加超声的衰减增加0.81dB。振动和波振动与波基本理论振动和波振动与波基本理论注意：说明频率的因素甚为重要。因注意：说明频率的因素甚为重要。因此此,根据探查部位的组织不同和深度不根据探查部位的组织不同和深度不同同,合理选择使用探头的频率合理选择使用探头的频率,对诊断对诊断效果将有较大影响。效果将有较大影响。 振动和波振动与波基本理论七七. 声波通过界面的特性声波通过界面的特性 1. 声波类型的转换声波类型的转换 当纵波以一定角度入射到液体中的当纵波以一定

23、角度入射到液体中的固体表面时固体表面时,透入固体的折射波可分解为横透入固体的折射波可分解为横波和纵波波和纵波. 临床注意临床注意:产生伪影产生伪影. 但是如果声束与界面垂直就不会产但是如果声束与界面垂直就不会产生横波生横波.振动和波振动与波基本理论2.声学谐波基础声学谐波基础 前面讨论的都是线性声学前面讨论的都是线性声学.声速和声声速和声波的强度、频率无关波的强度、频率无关,反射波的频率等于入射反射波的频率等于入射波的频率波的频率.但这些都是近似但这些都是近似. 如果介质不太符合线性关系如果介质不太符合线性关系,或声波强或声波强度很大度很大,或要精细地分析时或要精细地分析时,就必须考虑到非就必

24、须考虑到非线性了线性了. 如果考虑非线性如果考虑非线性,则有则有: (1)波形畸变波形畸变 (2)组织谐波组织谐波 (3)气泡产生的谐波气泡产生的谐波(空化作用空化作用) 可分为可分为:稳态和瞬态稳态和瞬态振动和波振动与波基本理论八八.声束通过介质薄层声束通过介质薄层透射系数为透射系数为:振动和波振动与波基本理论讨论讨论:1当当Z2比比Zl和和Z3小得多时，透小得多时，透射系数近似为零射系数近似为零,则声束不能透射。则声束不能透射。2当簿层厚度当簿层厚度d2/2,2 ,22 ， dn2/4(n 为为不等于零的偶数不等于零的偶数)，或，或d 2 时，时，相当于声束垂直通相当于声束垂直通过过Z、Z

25、3的情况，即相当于介质隙的情况，即相当于介质隙层消失了。层消失了。振动和波振动与波基本理论3当当，且，且d为为2 4的奇的奇数倍时，相当于两个介质界面都不数倍时，相当于两个介质界面都不存在了。存在了。这点是研制耦合剂材料性能的这点是研制耦合剂材料性能的重要依据重要依据振动和波振动与波基本理论第四节第四节压电效应压电效应超声波的发射和接受：超声探头超声波的发射和接受：超声探头目前医学上最常用的是电声转换法中的目前医学上最常用的是电声转换法中的压压电式换能法电式换能法一一压电效应。压电效应。使机械能转变为电能的现象。使机械能转变为电能的现象。应用：超声接收换能器应用：超声接收换能器二电致伸缩效应二

26、电致伸缩效应使电能转变为机械能的现象。使电能转变为机械能的现象。应用：超声发射换能器应用：超声发射换能器振动和波振动与波基本理论三压电材料的性质三压电材料的性质压电效应和温度的关系：压电效应和温度的关系：居里点：居里点：压电材料的选择压电材料的选择(1)压电接收常数个压电接收常数个g 就是压电片单位形变所产生的电位移，就是压电片单位形变所产生的电位移，表示换能器接收性能的好，其单位常用表示换能器接收性能的好，其单位常用vm/N表表示、对于接收型的换能器，应选择接收系数示、对于接收型的换能器，应选择接收系数g大大的压电材料。的压电材料。 (2)压电发射常数压电发射常数dd是在压电材料片上由所加的

27、电场单位场是在压电材料片上由所加的电场单位场强而产生的形。其单位常用强而产生的形。其单位常用m/v表示；对于发射表示；对于发射型换能器，应选择型换能器，应选择d大的压电材料。大的压电材料。振动和波振动与波基本理论第四节第四节超声场超声场探头是超声速断仪中重要的部件，探探头是超声速断仪中重要的部件，探测的灵敏度高低、分辨力优劣都与探头直测的灵敏度高低、分辨力优劣都与探头直接相关。接相关。人们常希望振源能够发出一束均匀的人们常希望振源能够发出一束均匀的超声波，但实际上并非如此，根据理论计超声波，但实际上并非如此，根据理论计算，即使一个己理想的、性能均匀的压电算，即使一个己理想的、性能均匀的压电换能

28、器，其近场和远方区域内的声场分布换能器，其近场和远方区域内的声场分布都是很不均匀的。都是很不均匀的。振动和波振动与波基本理论一圆形单晶片探头作为声源时产一圆形单晶片探头作为声源时产生生的超声场（定量分析）的超声场（定量分析）经过理论计算，圆形活塞声源产生的超声场经过理论计算，圆形活塞声源产生的超声场中心轴上的声比：中心轴上的声比：振动和波振动与波基本理论 讨论讨论:1近场区内的声压分布近场区内的声压分布 (1)声压极小值：声压极小值： 以以D为直径的圆形晶片，当向弹性介质辐为直径的圆形晶片，当向弹性介质辐 射波长为射波长为 的超声波时，则应有的超声波时，则应有 个极小值个极小值。(2)声压极大

29、值声压极大值： 在近场中有包含在近场中有包含0在内的在内的个极大值。个极大值。振动和波振动与波基本理论振动和波振动与波基本理论2远场区内的声压分布远场区内的声压分布可以看出可以看出: 声压随声程距离声压随声程距离X作单值变化作单值变化,在远场区内，声压与距离在远场区内，声压与距离X是按反比例是按反比例减弱的。减弱的。振动和波振动与波基本理论3、超声场的角分布、超声场的角分布振动和波振动与波基本理论特点特点:在中心部分出现一主瓣在在中心部分出现一主瓣在 主瓣主瓣 旁边出现许多旁瓣，这种现象旁边出现许多旁瓣，这种现象叫叫 做换能器的指向性，即声束的做换能器的指向性，即声束的集集 中程度中程度. 这

30、说明声场中的声压不但随距离这说明声场中的声压不但随距离改变，同时还随方向角改变改变，同时还随方向角改变.振动和波振动与波基本理论关于近场和远场总的结论关于近场和远场总的结论: 超声波的频率愈高，晶片的半超声波的频率愈高，晶片的半径愈大，那么近场长度愈大，同时扩径愈大，那么近场长度愈大，同时扩散角愈小。表示超生的成束性好，方散角愈小。表示超生的成束性好，方向性显著向性显著医学诊断上要求被检查部位在近医学诊断上要求被检查部位在近场且在主瓣区域内，这样反射强，失场且在主瓣区域内，这样反射强，失真度小真度小振动和波振动与波基本理论二、声束的聚焦二、声束的聚焦需要聚焦原因：需要聚焦原因：在超声诊断中，探

31、头辐射的在超声诊断中，探头辐射的声束宽度是限制横间分辨力的主要原声束宽度是限制横间分辨力的主要原因。为了减小声束宽度，通常采用的因。为了减小声束宽度，通常采用的方法之一，是使用声聚焦探头方法之一，是使用声聚焦探头在超声治疗中，聚焦声束在超声治疗中，聚焦声束在聚焦区域有最大的强度，这样可以在聚焦区域有最大的强度，这样可以集中治疗肿瘤等组织，而又不至于损集中治疗肿瘤等组织，而又不至于损坏正常组织。坏正常组织。振动和波振动与波基本理论1声聚焦方法声聚焦方法(1)声透镜聚焦：超声束可以像光束一样，用声透镜聚焦：超声束可以像光束一样，用透镜使之聚焦透镜使之聚焦振动和波振动与波基本理论(2)声反射镜聚焦：

32、声反射镜聚焦：振动和波振动与波基本理论(3)曲而换能器：曲而换能器：直接把压电晶片本身制成凹面直接把压电晶片本身制成凹面形。由它辐射出聚焦式超声波，这形。由它辐射出聚焦式超声波，这种探头称自聚焦发射器种探头称自聚焦发射器 聚焦原理和聚焦原理和(1)声透镜相类似声透镜相类似.振动和波振动与波基本理论(4)电子聚焦电子聚焦：相控阵聚焦相控阵聚焦:如果对各晶片依次加上线如果对各晶片依次加上线性递变延迟激励脉冲，使超声束方向偏性递变延迟激励脉冲，使超声束方向偏转某一个角度，不断改变这个角度，就转某一个角度，不断改变这个角度，就可以得到扇形扫描的超声束可以得到扇形扫描的超声束. 应用在应用在B超中超中.

33、 振动和波振动与波基本理论 第八章第八章 超声波成像超声波成像超声成像的历史超声成像的历史: 20世纪初世纪初,郎之万首次研制石英晶体超声发郎之万首次研制石英晶体超声发生器生器 40年代开始超声医学应用的研究年代开始超声医学应用的研究. 1950年年A超被应用于医学诊断超被应用于医学诊断 以后以后B超出现超出现三大重大突破三大重大突破:超声诊断的优点超声诊断的优点: 非电离辐射非电离辐射 对软组织鉴别力对软组织鉴别力高高 仪器使用方便仪器使用方便振动和波振动与波基本理论 第一节第一节 超声回波所携带的信超声回波所携带的信息息超声波诊断技术可分为两大类超声波诊断技术可分为两大类: 基于回波基于回

34、波 基于多普勒效应基于多普勒效应一一.反射和散射回波反射和散射回波 超声回波包括超声回波包括:大界面反射波大界面反射波 小粒小粒子散射波子散射波 大界面反射波大界面反射波-位置位置信息信息 小粒子散射波小粒子散射波-结构结构信息信息振动和波振动与波基本理论 1回波法回波法 (1)在可传播超声的介质中，存在声阻突变在可传播超声的介质中，存在声阻突变的界面的界面(声阻相对变化超过声阻相对变化超过1)时，将产生可探时，将产生可探测到的反射回波测到的反射回波 (2)脉冲反射回波与介质的声阻密切相关，正脉冲反射回波与介质的声阻密切相关，正常组织与病变组织的声阻不同，反射回波的强弱常组织与病变组织的声阻不

35、同，反射回波的强弱和形态也就不同，这就有可能从不同界面的反射和形态也就不同，这就有可能从不同界面的反射回波，提供识别病灶的空间范围及其性质的可能回波，提供识别病灶的空间范围及其性质的可能性性 (3)超声探测仪直接获得的是声压信号超声探测仪直接获得的是声压信号(声振声振幅幅)，超声探头对此信号的灵敏度很高，由此而，超声探头对此信号的灵敏度很高，由此而建立起来的图像的信噪比也很高，这是相对于建立起来的图像的信噪比也很高，这是相对于x射线成像的优点之一射线成像的优点之一振动和波振动与波基本理论超声波对生物组织的影响超声波对生物组织的影响: 上皮组织上皮组织 肌肉组织肌肉组织 神经组织神经组织 结缔组

36、织结缔组织:影响最大影响最大振动和波振动与波基本理论超声成像的基本特征超声成像的基本特征脉冲回波检测技术脉冲回波检测技术:超声波超声波-介质的不均匀界面介质的不均匀界面-反射反射-检测回波信号检测回波信号-放大和信号放大和信号处理处理-显示器上显示。显示器上显示。 超声诊断是超声、电子技术、计算机技超声诊断是超声、电子技术、计算机技术和全息信息术相结合而应用于临床医学的术和全息信息术相结合而应用于临床医学的一种诊断方法，用于医学诊断的超声图像由一种诊断方法，用于医学诊断的超声图像由来自于人体内部结构界面上的反射波形成来自于人体内部结构界面上的反射波形成振动和波振动与波基本理论超声诊断成像的基本

37、原理以三个物超声诊断成像的基本原理以三个物理假定为前提理假定为前提: 1声束在介质中以直线传播。声束在介质中以直线传播。 2在各种介质中声速均匀一致在各种介质中声速均匀一致o 3在各种介质中介质的吸收系在各种介质中介质的吸收系数数 均匀一致。均匀一致。振动和波振动与波基本理论振动和波振动与波基本理论 超声诊断仪有超声诊断仪有:采用连续波的，采用连续波的， 采用脉冲采用脉冲波的。波的。 脉冲检测技术优点脉冲检测技术优点: 1. 除了能对回声界面定位除了能对回声界面定位外，外， 还因为消除了很强的发还因为消除了很强的发射信射信 号号 对反射信号的影响对反射信号的影响. 2. 具有较高的灵敏度具有较

38、高的灵敏度. 所以目前在临床上应用所以目前在临床上应用的超的超 声诊断仪除了普通的多普勒仪声诊断仪除了普通的多普勒仪外外 都是采用脉冲式的都是采用脉冲式的.振动和波振动与波基本理论三三. 时间增益补偿时间增益补偿 在不同深度上的回波脉冲幅度，由于在不同深度上的回波脉冲幅度，由于其声程不同，造成的吸收程度也不同，其声程不同，造成的吸收程度也不同，由于吸收衰减使回波亮度有很大差异，由于吸收衰减使回波亮度有很大差异，给成像造成困难。给成像造成困难。 所以必须对不同深度上的回波进行所以必须对不同深度上的回波进行增益补偿，可以把接收器的增益按衰减增益补偿，可以把接收器的增益按衰减的幅度补偿。的幅度补偿。

39、 特点特点:从较深部位声界面反射的回声从较深部位声界面反射的回声信号的放大倍数较大，而距离换能器较信号的放大倍数较大，而距离换能器较近的反射信号，也就是时间上较早达到近的反射信号，也就是时间上较早达到的回波信号的放大倍数较小。的回波信号的放大倍数较小。振动和波振动与波基本理论振动和波振动与波基本理论四、检波、抑制与视频放大四、检波、抑制与视频放大 1.检波检波 根据终显要求检出所需要的根据终显要求检出所需要的相应信息。相应信息。 有有:幅度检波幅度检波 位相检波位相检波 频率检波频率检波振动和波振动与波基本理论振动和波振动与波基本理论抑制电路抑制电路:主要用来抑制不希望有的干主要用来抑制不希望

40、有的干扰信号和杂波噪声，也就是限定视频扰信号和杂波噪声，也就是限定视频信号的下限电平，对动态范围的下限信号的下限电平，对动态范围的下限进行压缩，去掉小信号及毛草进行压缩，去掉小信号及毛草(噪声噪声)，以便显示有用信号。以便显示有用信号。为使信号轮廓增强，常在视频电路中为使信号轮廓增强，常在视频电路中对信号进行微分处理对信号进行微分处理.振动和波振动与波基本理论 第二节第二节 超声诊断仪器超声诊断仪器1A型超声诊断仪型超声诊断仪波形的幅度表示回波的强弱，它表征反射界面两侧波形的幅度表示回波的强弱，它表征反射界面两侧 声阻差声阻差 的信息；的信息；波形间的距离表示超声在两界面间传播的时间，它反映两

41、波形间的距离表示超声在两界面间传播的时间，它反映两 界面间的距离界面间的距离振动和波振动与波基本理论 A型超声原理振动和波振动与波基本理论 A型超声原理振动和波振动与波基本理论振动和波振动与波基本理论振动和波振动与波基本理论 A型超声原理振动和波振动与波基本理论A超的缺点超的缺点: 由于一维扫描只能依据图形中由于一维扫描只能依据图形中超声波回波幅值的大小和回波的疏密超声波回波幅值的大小和回波的疏密对人体脏器进行诊断，这样一维超声对人体脏器进行诊断，这样一维超声扫描所提供的信息量较少，波形诊断扫描所提供的信息量较少，波形诊断即不形象也不直观即不形象也不直观. 绝对大多数医院已淘汰不用绝对大多数医

42、院已淘汰不用 振动和波振动与波基本理论2M型超声诊断仪型超声诊断仪 M型超声诊断仪主要用于检测体内运动脏器检查型超声诊断仪主要用于检测体内运动脏器检查心脏的心脏的M超通常叫做超声心动图仪，它是在超通常叫做超声心动图仪，它是在A超和超和B超的超的基础上发基础上发展起来的，展起来的，M超与超与B超一样，都是利用探头向体内发射脉超一样，都是利用探头向体内发射脉冲，并接收声阻不同的界面反射回的强弱不同的回波，冲，并接收声阻不同的界面反射回的强弱不同的回波，进行辉度调制进行辉度调制 M超的探头使用，像超的探头使用，像A超一样将探头固定于体表超一样将探头固定于体表某一探测点上，探头并不某一探测点上，探头并

43、不移动，因而荧光屏上得到移动，因而荧光屏上得到的回波信号是一串自上而的回波信号是一串自上而下的光点群。水平方向代下的光点群。水平方向代表时间，故表时间，故M超所探查的超所探查的是体内组织位置随时间变是体内组织位置随时间变化的运动曲线。化的运动曲线。振动和波振动与波基本理论振动和波振动与波基本理论振动和波振动与波基本理论振动和波振动与波基本理论振动和波振动与波基本理论 2B型超声诊断仪型超声诊断仪 B型超声诊断仪的工作原理显像其型超声诊断仪的工作原理显像其原理是采用超声脉冲回波辉度调制的二维原理是采用超声脉冲回波辉度调制的二维灰阶显示，它形象地反映出人体某一断面灰阶显示，它形象地反映出人体某一断

44、面的信息。的信息。 振动和波振动与波基本理论振动和波振动与波基本理论振动和波振动与波基本理论强调的是：强调的是：第一第一 声像团是组织结构某一断面图像，声像团是组织结构某一断面图像，与解剖结构相似但并不相同，如肝脏声像与解剖结构相似但并不相同，如肝脏声像图中黑白灰度不等的点、片、线影像，与图中黑白灰度不等的点、片、线影像，与肝脏结构的被膜、血管、胆管、肝小叶等肝脏结构的被膜、血管、胆管、肝小叶等有关，是其形成的超声反射、散射、衰减有关，是其形成的超声反射、散射、衰减等声像特性的综合反映，而非肝脏某结构等声像特性的综合反映，而非肝脏某结构的解别图像的解别图像。第二，声像图中所显示的脏器大小、距离

45、第二，声像图中所显示的脏器大小、距离与介质传播速度有关，体内各种介质声速与介质传播速度有关，体内各种介质声速不等，故声像图中测量的大小与实际解刮不等，故声像图中测量的大小与实际解刮大小大小有一定差距。有一定差距。振动和波振动与波基本理论第三，声像图是断层体积内组织结构的综第三，声像图是断层体积内组织结构的综合，该体积厚薄与探头发出声束宽度有关。合，该体积厚薄与探头发出声束宽度有关。第四，声像图的断面方位与探头的形态和第四，声像图的断面方位与探头的形态和放置于人体的位置有关，超声探头可取得放置于人体的位置有关，超声探头可取得人体任何部位的任意断面图像，因而声像人体任何部位的任意断面图像，因而声像图中要标明取图的部位和方位。此外，多图中要标明取图的部位和方位。此外，多数声像图是依靠检查者干法获得的，数声像图是依靠检查者干法获得的，CT、MRI图像比较其显示范围小，层面方位精图像比较其显示范围小，层面方位精确度低，这也影响图像的标准化。确度低，这也影响图像的标准化。振动和波振动与波基本理论第五彩色多普勒血流图像中的颜色，是根第五彩色多普勒血流图像中的颜色，是根据血流方向、速度和性质规定的彩色，而不据血流方向、速度和性质规定的彩色，而不代表红细脑的含氧多少。代表红细脑的含氧多少。第六，有些超声仪将黑白灰阶图像用某种颜第六，有些超声仪将黑白