超声物理学的现象.刘明姬..

1、超声的物理学现象与成像超声的物理学现象与成像的原理详解的原理详解中山大学附一黄埔院区麻醉科 刘明姬内 容n超声波物理学概念n超声探头原理-超声波的产生及传播n优化超声图像需要超声物理知识q选择合适探头q增益设置q深度设置q组织回声超声特性q超声伪像n成像模式超声波的相关概念超声波的相关概念- -定义定义超声波超声波是指声波振动频率超过人类听觉可辨别范围（大于20000Hz）的声波，简称超声。超声波的相关概念超声波的相关概念- -单位单位l MHz 兆赫 l KHz 千赫 l Hz 赫兹 换算是以1000为换算原理 例：1MHz=1000KHz l 常用医学超声检查频率为2-10MHzl 声波和

2、超声的行为原则却是相似的物理量定义物理量定义频率频率(frequency): 一秒内出现振动波 的次数为频率(f)，其单位为赫 兹(Hz)。波长波长(wavelength)：两个相邻密部 或疏部之间的距离为波长()。声速声速(wave velocity): 每秒声波传播 的距离为波速(C)， C=f超声学的相关概念超声学的相关概念- -主要物理参数主要物理参数纵波：空气、液体中传播横波、纵波：固体中传播 声声 速速 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1540m/s t 组织厚度= 2可通

3、过声速测量软组织的厚度 声声阻抗阻抗定义：介质中某点的声压(P)与质点振动速度(V)之比 为该点的声阻抗（Z）。l 声阻抗是“机-电类比”中与电阻 抗相类比而称的。l 意义：表示介质传播超声波能力的 重要物理量。l 声阻声阻:为介质的密度() 和声速(C) 的乘积(Z)， Z=CZ =C 单位为（ Kgm2）s超声探头原理超声探头原理- -压电式转换器原理压电式转换器原理l一些晶体类物质，如石英或电气石等，可呈现一种被称为压电效应的特性。 -即当施加给它们一定的电压时，它们会改变形状；相反当用力挤压使其变形时，则会产生电压。l当这种物质接收电脉冲时，会不停的变形从而产生震荡，将电能转化为机械能

4、。l这种震荡在晶体的共振频率重复发生，且频率的高低与晶体的厚度成反比。l现代超声探头使用的是比石英具有更大压电性能的物质，如锆钛酸铝等。n探头的压电晶体将电流转换成机械性压力波然后将返回的机械性压力信号转换成电信号。 探头（换能器）原理探头（换能器）原理p电压引起晶体振动产生声波p产生声波在组织中传播p声波在不同机构中产生反射p回波到达晶体p声能转换成电信号p信号加工处理p显示图像声波产生声波产生保护层 保护探头表面匹配层 帮助声波的传导压电晶体 传输/接受声波背衬层 衰减声波背向辐射能量匹配层背衬层压电晶体保护层探头的构成探头的构成换能器背向吸收材料手柄匹配层电缆n匹配层匹配层 用于减少由于

5、皮肤与探头之间声组抗的差别所造成的多重反射。n换能器换能器 将能量从一种形式转换成另一种形式。n背向吸收材料背向吸收材料 减轻来自晶片的振动，缩短波长并提高轴向分辨率。n探头探头 将以上所有部件组合在一起。不同类型探头l晶体呈线阵排列 l晶体按一定顺序施加脉冲激励l线阵探头常用于血管或表浅组织成像接触面线阵探头线阵探头凸阵探头主要是接触面为凸状的线阵排列的探头 在近场和远场有较大的视野一般应用于腹部和产科检查 凸阵探头凸阵探头l晶体受到定向激励形成扇形图像接触面小用于肋骨之间较小的解剖声窗相控阵探头多用于心脏、小儿科以及腹部检查相控阵探头相控阵探头探头识别 格式 接触面 频率 凸阵 C 60

6、5-2线阵 H 38 13-5 相控阵 P 21 5-1 超声波束超声波束波束 大约厚1mm波束断层扫描形成二维图像1 mm刻痕凹槽每个探头都有它自己的方向标识超声波的传播n声波在空气中的传播速度约为330m/s,而其在水中的传播速度是在空气中传播的5倍左右。介质 速度水 1480 m/sec空气 330 m/sec肝脏 1550 m/sec骨骼 4080 m/sec脂肪 1440 m/sec钢 6000 m/sec平均 = 1540 m/s探头在接触皮肤时需使用具有传导力的凝胶- 耦合剂n连接体n超声不是在空气中传播的n耦合剂作为声波在身体传播的媒介，消除气体形成的缝隙p 超声经过组织时，可

7、以发生透过、反射、折射、散射，甚至转化成另一种能量（比如热能）。 p 超声波入射到比波长大的界面且有一定声阻差时，就会产生反射。如遇两声速不同的介质时可引起传播方向的改变，即为折射。界面：两个介质的分界面声阻差：两个介质声阻抗 的差值入射角：声波入射到界面 的角度散射散射与绕射与绕射散射：遇界面远小于波长的微小粒子，超声波将产生散射，人体内的散射源为红细胞和脏器内的细微结构。绕射：声波在传播过程中，如遇到直径小于超声半个波长的障碍时，其声波会绕过障碍物而继续传播为绕射 反射反射 Reflection 返回探头 散射散射 Scatter 各个方向的反射 折射折射 Refraction 方向改变后

8、部分到达探头 吸收吸收 Absorption 转换成热量声能衰减定义：是指声能随着传播距离而减弱的现象定义：是指声能随着传播距离而减弱的现象 衰减量衰减量 = = 频率频率深度深度衰衰 减减声能随着距离增加而减少声能随着距离增加而减少原因：反射、散射和吸收 声波发生散射，折射和吸收产生衰减 衰减减弱信号的强度 深度越深，信号越弱衰减 & 增益n可以通过调节增益来补偿衰减n时间增益补偿调整回波信号n取决于深度 近场 / 远场 时间增益补偿使用近场或远场增益来平衡图像超声增益 增益设置 近场增益太低近场增益太低平衡平衡远场增益太低远场增益太低 增益设置 太暗太暗平衡平衡太亮太亮图像特征图像特征横向

9、分辨力: 是区分处于与声束轴线垂直平面两个物体的能力，与声束的宽度有关分辨力分辨力( (分辨率分辨率) )超声仪的分辨力是指探头区分不同来源的信号。能够分辨有一定间距界面的能力。 纵向分辨力： 为区别声束轴线上两个物体的距离，与超声的频率有关。 n时间分辨率与时间相关，在超声上表现的时间就是帧频。高帧频能够准确地表现运动结构的解剖细节。时间分辨率时间分辨率灰阶是将声信号的幅度调制光点亮度，以一定的灰阶来表示探测结果的显示方式。256灰阶灰阶灰阶( (对比分辨率对比分辨率) )超声切面(1)纵断面扫查 (2)横断面扫查(3)斜断面扫查 (4)冠状面扫查常用扫查切面常用扫查切面 即扫查面与人体的长

10、轴平行。纵向扫查纵向扫查 即扫查面与人体的长轴相垂直。横向扫查横向扫查 即扫查面与人体的长轴成一定角度。斜向扫查斜向扫查 即扫查面与人体的额状面平行。冠状面扫查冠状面扫查上腹部纵轴扫查，中心部上腹部纵轴扫查，中心部下腹部纵轴扫查，中心部下腹部纵轴扫查，中心部上腹部纵轴扫查，右侧上腹部纵轴扫查，右侧 上腹部纵轴扫查，左侧上腹部纵轴扫查，左侧 无回声 液性无回声： 生理：胆汁 病理：胸腹水 衰减性无回声： 生理：骨骼 病理：纤维化 均质性无回声： 生理：淋巴结 病理：淋巴瘤 等回声 生理：肝脏 低回声 生理：心肌 病理：甲减 高回声 生理：包膜 病理：葡萄胎 强回声 生理：气体 病理：结石人体组织

11、反射类型 超声的临床基础 人体组织反射类型 l 含液体脏器如胆囊、膀胱、血管、心脏等，壁与周围脏器及内部液 体间为界面、液体为均匀的无回声区 l 实质性软组织脏器如肝、脾、肾等脏器均有包膜，周围有间隙，内 部各有一定结构，如肝可以显示脏器轮廓、均匀的肝实质与肝内管 道结构 l 含气脏器如肺、由于肺泡内空气与软组织间声阻差异极大，在其交 界面上产生全反射（几乎100），并形成多次反射，即超声不能 进入正常肺泡。胀气的胃肠亦如此 l 正常骨骼与周围软组织的差异大，在软组织与骨皮质交界处产生强 反射，进入骨骼的超声由于骨松质组织吸收极多而不能穿透（除颅 骨外）。其后方形成无回声区称声影 回 声液性无

12、回声液性无回声回声消失(后方回声增强） 等回声等回声与附近组织回声相等液性无回声衰减性无回声均质性无回声低回声 回声 低回声低回声 比附近组织回声低 高回声高回声比附近组织回声高（后方无衰减）（后方无衰减）肿瘤肿瘤高回声后方无衰减强回声（后方有衰减）强回声（后方有衰减）多发性胆结石胆结石超声伪像超声伪像声像图伪像（伪差，artifact）是指超声显示的断层图像与其相应解剖断面图像之间存在的差异。这种差异表现为声像图中回声信息特殊的增添、减少或失真。 避开肋骨，胸骨等. 避免扫查到肺或肠肠腔气体肋骨形成声影伪像正常胆囊胆囊结石超声伪像当声波进入低衰减组织时（液体），后方回声增强可以作为“声窗”定

13、位解剖结构。优化超声波图像-探头选择l什么是感兴趣的区域？表浅 或深部l扫查声窗的大小?l病人的胖瘦?探头选择 频率 vs 分辨率p 频率越高 波长越短- 分辨力越好/穿透力越差p 频率越低 波长越长- 分辨力越差/穿透力越好n凸阵探头与线阵探头q坐骨神经q臀大肌q股方肌q股骨n深部组织凸阵探头 表浅组织-线阵探头l深度调节：p肝脏、心脏等以看见其下缘边界为准p尽量让目标结构位于成像区域中间 在声源与观察者作相对运动时，声波密集，频率增高；在背向运动时声波疏散，频率减低，这种引起声波频率变化的现象为多普勒效应。多普勒效应多普勒效应 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、

14、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。多普勒效应的临床应用多普勒效应的临床应用l具体到超声检查过程中，血流朝向探头运动时，回声频率高于发射频率，称为正频移。l血流背离探头时，回声频率低于发射频率，称为负频移。l故使用多普勒仪器时，要注意探头的位置，控制声速与血流方向的夹角尽可能小，一般小于60度。多普勒效应的临床应用多普勒效应的临床应用彩色多普勒效应的临床应用彩色多普勒效应的临床应用彩色多普勒正频移为红色负频移为蓝色频谱多普勒正频移为正向波负频移为负向波彩色多普勒n角度依赖性n角度垂直彩色不显示成像模式成像模式一维一维 A A 超超 = = 以幅度标示回波的强度 即辉度调制型。此法以不同辉度光点表示界面反射信号的强弱