超声基础-物理基础

1、物理基础一、超声诊断物理 基础1.超声波的基本概念(1)超声波的基本概念声波的性质可听声与超声的频率范围诊断常用的超声频率范围(2)声学基本物理量(3)介质中声的传播方式(纵波、横波、表向波)声速(4)声场概念特性声束的组成近场、远场 超声波指向性优劣的指标聚焦声束2.超声物理特性(1)束射特性(方向性)大界囿与界囿反射小界面与后散射(2)衰减特性衰减的概念衰减的原因不同介质声衰减的显著差别(肺、骨骼、肝、 脾、体液)衰减与距离、频率的关系衰减系数(dB/cm? MH)人体最减吸收的重要因素(3)超声分辨力空间分辨力 对比分辨力、细微分辨力、时间分辨力影响分辨力的诸多因素(4)超声多普勒效应(

2、5)生物学效应超声能量物理参数超声的生物学作用及其机制诊断用超声的安全原则和规定第一节声波的定义及分类一、定义物体的机械性振动在具有质点和弹性的媒介中的传播现象称为波动，而引起听觉器官有声音感觉的波动则称为声波。根据声波的传导方向与介质的的振动方向的关系， 声波有纵波和横波之分。二、横波 所谓横波是指介质中的质点都垂直于传播方向运动的波。人体的骨骼中，不但传播纵波，还传播横波。三、纵波 即介质中质点沿传播方向运动的波。在纵波通过的区域内， 介质各点发生周期性的疏密变化，因此纵波是胀缩波。理想流体（气体和液体）中声振动传播方向与质点振动方向是平行的，只存在于纵波。人体中含水7080%,故除骨路、

3、肺部以外软组织中的声速和密度均接近于水。目前医用超声的研究和应用主要是纵波传播方式。第二节超声显像物理基础一、超声波基本物理量1、超声波是声源振动的频率大于20000 Hz的声波。2、超声波有三个基本物理量，即频率（f）,波长（入），声速（c）,它们的关系是：c=f 入或入=c/f,传播超声波的媒介物质叫做介质，不同频率的超声波在相同介质中传播时，声速 基本相同。3、相同频率的超声波在不同介质中传播，声速不相同，人体软组织中超声波速度总体 差异约为5%。因此目前医用超声仪一般将软组织声速的平均值定为1541m/so通过该声速可测量软组织的厚度，由于目前超声仪所采用的是脉冲回声法，故该回声测距的

4、公式是：t组织厚度=C2利用超声方法进行测距的误差也是5 %左右。4、声阻抗 是用来表示介质传播超声波能力的一个重要的物理量，其数值的大小由介 质密度P与声波在该介质中的传播速度c的乘积所决定，即：Z= p - c单位为Kg/m2 s。5.临床常用的超声频率在 210 MHz之间。二、超声波的物理性能1、超声波在介质中传播时，遇到不同声阻的分界面且界面厚度远大于波长，会产生反 射，反射的能量由反射系数Ri=（Z2-Z1） / （Z2+Z1）2决定。Z1、Z2为两种介质的特性声阻抗，Z= p c （密度声速）当Zi=Z2,为均匀介质，则 RI=0,无反射。当Z1VVZ2 （如水和气）则 Ri很大

5、，产生强反射。当Z1WZ2, RiW0,则反射存在。由此可见，超声波在界面上反射的大小与界面两边介质的声阻差及超声波的入射角有 关。人体软组织声阻抗差异很小，只要有1%。的声阻抗差，便可产生反射，故超声波对软组织分辨力很高。脉冲反射式超声诊断仪就是利用人体组织对超声波的反射作用，从声反射波中提取医学诊断信息的。2、当分界面两边的声速不同时，超声波透入第二种介质后，其传播方向将发生改变即 产生折射。声波从一种小声速介质向大声速介质入射时，声波经过这两种介质的分界面后出现折射波的折射角大于入射角。当入射角超过临界角（90。）时，相应的折射波消失，出现全反射。3、当障碍物的直径等于或小于入/2,超声

6、波将绕过该障碍物而继续前进，反射很少，这种现象称为衍射，故超声波波长越短，能发现障碍物越小。这种发现最小障碍物的能力， 称为显现力。4、超声波在传播中遇到粗糙面或极小的障碍物（或一组小障碍物形式）时，将有一部 分能量被散射，散射声波可进行组合，等频同相波迭加后能量（幅度）加强，等频反相迭加 后能量减弱。红细胞的直径比超声波要小得多，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。5、.超声波在介质内的传播过程中， 随着传播距离的增大，声波的能量逐渐减少， 这一 现象称为声波衰减。 声波衰减与介质对声波的吸收、 散射以及声束扩散等原因有关

7、， 其中吸 收是衰减的主要因素。为了使深度回声信息清楚，在诊断中要使用 STC或TGC调节，补偿 声能的衰减。吸收是声波在传播或反射过程中，体内组织使声能转换为热能的现象。散射衰减是超声波在非均匀介质中传播，因散射而使得声波能量减弱。声束扩散是因为声波在单位面积内的 能量减少所致。超声衰减还与超声频率有关，它与超声频率呈正比，频率越高，声波衰减越大。第三节多普勒超声基础一、超声多普勒效应声源与接收器在连续介质中存在着相对运动而导致声波频率发生了改变。当声源与接收器作相对运动时，接收器所接收到的声波频率高于声源所发出的频率，如两者的运动方向相反时，则接收频率低于声源所发出的频率，两者的频率差（频

8、移）与它们之间的相对运动速度成正比。超声多普勒仪器的超声源和接收器均安装在探头（换能器）中，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。因此接收换能器所收到的超声回波的频率经过了两次多普勒效应过程，所以收发超声频率之差与血流相对于换能器运动速度的两倍成正比，多普勒频移的表达式为：士 2Vcos 0 f0f d= fR-f0=C1、式中fd为多普勒频移，f0为入射频率，fR为反射频率，V为反射物体运动速度，C为 声速，0为运动方向与人射波间的夹角。2、当 fo=3MHz fR= 3.005MHz 贝U fd= fR-fo= 5 kHz所以fd 一般都在音

9、频范围内。检出fd后，以声音发出响声来监听，并通过 FFT对fd进行频谱分析，所以多普勒频移属于声波范畴。二、多普勒基本概念1、多普勒超声血流检测技术主要用于测量血流速度，确定血流方向，确定血流种类： 如，层流、射流等；获得速度、时间积分，压差等有关血流的参数。2、多普勒方式表达血流速度的公式如下C （ fd）V =2cos 0 f0式中c为声速（ 1540 m/s） f。为发射频率（已知）cos 0是血流与声束夹角的余弦函数，当相对固定时，则fd与流速成正比，fd即影响流速值V。（2）当多普勒人射角（。）恒定时，频移fd仅决定于发射频率f0o对于某一定的fd, f0越小，则可测白血流速度V就

10、越大。欲测高速血流，fd就应选择低频率的探头。（3）当血流速度保持恒定时，如：100cm/s （以及，f1定的fd和c）,那影响fd的参数只有cos。，即频移的数值依赖于入射角的变化，而速度的数值与入射角无关。0角改变的一般规律（a）当0。90。时，cos。为正值，即血流迎超声探头而来，频率增加，fd为正向频移。（b）当90。180。时，cos。为负值，即血流背离超声探头而去，频率减低，fd为负向频移。（c）当时0 = 0或。=180时，cosQ = 1,即血流与声束在同一线上相向或背向运 动，这时fd最大。（d）当时。=90 , cos。= 0时即血流方向与声束垂直，此时fd=0,检不出多普

11、勒频移。诊断基础第一节超声声像图诊断基础一、超声显像的一般规律1、回声来源 来自大界面的反射和散射体的散射。2、界面反射与声束角度界面与声束角度对图像影响较大，球形病灶常仅有前后壁回声，侧壁回声常常消失一一形成侧声影。3、衰减对成像的影响物体衰减特征主要表现在后方的回声。4、囊性物体的声像图特征内部为无回声区；前壁和后壁回声增强；侧壁回声消失；后方有回声增强和侧声影。5、多重反射 超声遇强反射界面， 在界面后出现一系列的间隔均匀的依次减弱的影像， 称为多重反射，这是声束在探头与界面之间往返多次而形成。二、人体不同组织和体液回声强度（一）分级高回声（高水平回声）、中等水平回声、低回声（低水平回声

12、）、无回声。至少可分高、中、低、无四级。实际上，在高回声之前还应增加一级，称强回声。强回声常伴声影，见于：含气肺（胸膜一肺界面）、胆结石、骨骼表面（软组织.骨界面）；中等水平回声见于肝、脾实质；典型的低回声见于皮下脂肪；典型的无回声见于胆汁、尿液和胸腹水（漏出液）。高回声与强回声不同，不伴有声影。见于肝脾包膜，血管瘤及其 边界等。需要说明，有些强回声结构如小结石、前列腺内小钙化灶等，由于超声聚焦和超声频率等条件，不一定有声影。（二）一般规律1、均质性液体（介质）如胆汁、尿液为无回声。应当注意：有些均质的固体如透明软骨、小儿肾锥体，可以出现无回声或接近无回声。所以，少数固体呈无回声，但必须是均

13、质性的。2、非均质性液体（介质）如尿液中混有血液和沉淀，囊肿合并出血或感染时，液体内回声增加。软骨等均质性组织如果纤维化、钙化（非均质性改变），则由原来无回声（或接近无回声）变成有回声。所以，认为“液体均是无回声的.固体均是有回声的”.这种看法是不正确的。3、引起回声增强的常见原因举例：均质性的液体（如血液、脓液）中混有许多微气泡；血液常是无回声的，但是新鲜的出血、新鲜的血肿、静脉内血栓形成时回声增多、增强（凝血块内有大量纤维蛋白）；纤维化、钙化等非均质性改变等。4、人体不同组织回声强度顺序肾中央区（肾窦）胰腺肝、脾实质肾皮质肾髓质（肾锥体）血液胆汁和尿 液。正常肺（胸膜-肺）、软组织-骨骼界

14、面的回声最强； 软骨回声很低，甚至接近于无回声。病理组织中，结石、钙化最强；纤维化、纤维平滑肌脂肪瘤次之；典型的淋巴瘤回声最 低，甚至接近无回声。三、不同器官或组织成分的显像特点1、皮肤呈线状强回声。2、脂肪 回声强弱不同，层状分布的脂肪呈低回声。肿瘤组织中脂肪与其他组织成分 混杂分布时，常呈现强回声反射。3、纤维组织 纤维组织与其他成分交错分布，其反射回声强，排列均匀的纤维瘤回声 则较弱。一般纤维组织的衰减程度较明显。4、肌肉组织 回声较脂肪组织强，且较粗糙。5、血管 形成无回声的管状结构，动脉常显示明显的搏动，有时能看到红细胞散射点 状回声。6、骨组织、钙化或结石 形成很强的回声，其后方留

15、有声影。7、实质脏器 形成均匀的低回声。以肝脏为标准：脾脏回声较肝脏低而均细肾脏实质较肝脏实质回声低胰腺回声较肝脏高而粗糙8、空腔脏器 其形状、大小和回声特征因脏器的功能状态改变而有不同，充满液体时 可表现为无回声区；充满含有气体的肠内容物可形成杂乱的强回声反射、气体反射，常曳有多重反射的斑纹状强回声，称为彗星尾征四、不同组织的声衰减程度的一般规律（一）组织内含水分愈多.声衰减愈低血液是人体中含水分最多的组织，比脂肪、肝、肾、肌肉等软组织更少衰减。但是，血 液比尿液、胆汁、囊液等衰减程度高，后方回声增强程度远不及尿液、胆汁、囊液显著。（二）液体中含蛋白成分愈多.声衰减愈高由于血液蛋白含量比胆汁

16、、囊液、尿液高得多，故声衰减较高，后方回声增强不显著。声像图上血液和囊液、胆汁后方回声增强的显著区别，具有鉴别诊断意义。（三）组织中含胶原蛋白和钙质愈多，声衰减愈高例如，瘢痕组织、钙化、和结石、骨组织均可有显著的声衰减，而且常伴有声影。从表 5-1中可以看出，人体组织中以骨骼和含气肺衰减程度最高，而且均伴有声影（注：骨骼 或结石后方声影边界清晰；含气肺的混响后方声影的边界模糊不清）。（四）人体不同组织和体液声衰减的比较在人体组织中衰减程度一般规律是：骨组织肝组织血液。若进一步细分：骨（或者钙化） 肌腱（或软骨） 肝脏脂肪血液尿液 （或胆汁） 组织中含胶原蛋白和钙质越多，声衰减越大液体内含蛋白成

17、分的声衰减大。五、腹部超声扫查与超声图像方位标识方法(一)、被检查者体位仰卧位、俯卧位、左侧卧位、半卧位。其他：坐位或立位。(二)、基本断面1-纵向扫查纵切面(矢状切面),即扫查面与脏器的长轴平行。2、横向扫查横切面(水平切面),即扫查面与脏器的长轴相垂直。3-斜向扫查斜切面，即扫查面与脏器的长轴成一定角度。4-冠状面扫查冠状切面(额状切面),即扫查面与脏器的额状面平行。(三)、图像方位的标准1、横断面：图像左侧示被检查者右侧，图像右侧示被检查者左侧。2、纵断面：图像左侧示被检查者头侧，图像右侧示被检查者足侧。3、冠状断面：左、右侧冠状断面图像左侧均示被检查者头测，图像右侧示被检查者足 侧。超

18、声多普勒诊断基础1.频谱多普勒(1)多普勒基本概念(2)脉冲波多普勒技术的局限性(3)增大脉冲波多普勒技术检测血流速度、检测深度的方法2.彩色多普勒(1)彩色多普勒技术原理(2)彩色多普勒技术的种类(3)彩色多普勒血流显示方式(4)彩色多普勒血流显像技术的局限性3.频谱多普勒技术的 应用(1)血流动力学基础知识(2)频谱多普勒技术的调节方法(3)频谱多普勒波型的意义(4)用频谱多普勒判断血流性质(5)频谱多普勒的用途4.彩色多普勒技术的 应用(1)彩色多普勒的调节方法(2)彩色多普勒技术检测血流的用途(3)彩色多普勒技术的临床应用二、多普勒超声技 术基础及应用一、多普勒血流频谱分析基础(一)频

19、谱多普勒显示方式多普勒信号经过频谱分析之后，通过两种方式加以输出， 一种是音频输出，另一种是图象输出。1、音频输出：多普勒超声的发射频率和接收频率均超出了人耳可听范围。然而，多普 勒频移的数值范围一般为 1千赫至20千赫之间，因此，频移信号恰为音频信号。音频信号 可以反映血流的性质， 其高低反映频率的高低， 而响度则反映振幅的高低。 血流在流经心腔 和大血管的不同部位时，可将产生不同的音频信号。故借助于音频信号，可正确地判断血流 的性质并指导声束的方向。2、频谱显示：频谱显示是多普勒频移信号图象输出的主要方式。它有以下指标供以分析:频移时间：以横坐标的数值表示，代表血流持续的时间，单位为秒。频

20、移大小：以纵坐标的数值表示， 代表血流速度的大小， 单位常以速度单位即米/秒频移方向：以频谱图中间的零位基线为界，基线以上的频移信号为正值。表示血流方向朝向探头；基线以下的频移信号为负值，表示血流方向背离探头。信号振幅：以频谱的灰度加以表示，代表取样容积或探查声束内具有相同流速的血细 胞相对数量的多少，速度相同的血细胞数量越多，反向散射信号就越强，频谱的灰度就越深；反之，速度相同的血细胞数量越少，反射散射信号就越弱，频谱的灰度就越淡。频率范围：以纵坐标上频谱的宽度加以表示，代表某一瞬间或取样容积中血细胞速度分布范围。若速度分布范围大，频谱增宽；反之，若流速分布范围小，频谱变窄。在层流状 态时流

21、速分布梯度小，因此频谱较窄。在湍流状态时，速度梯度变大，频谱增宽。当频谱增 宽至整个频谱高度时称为频谱充填。（二）频谱多普勒测量血流速度参数可以测量收缩期峰值速度（Vs）、平均速度（Vm）、舒张期速度（Vd ）、加速度（ACC）、 搏动指数 （PI）、阻力指数（RI）、收缩期与舒张期速度之比值 S/D等。（三）频谱多普勒判断血流的种类、性质搏动性的即有尖峰脉冲波的为动脉血流， 呈连续不断出现的为静脉血流， 但血流速度可 因深呼吸而有起伏或方向倒错， 层流是血流方向、 速度均无变化，射流为高速血流，湍流为 方向较杂乱的血流，在频谱多普勒上表现为零位线上下有杂乱的信号出现。二、彩色血流显像分析基础（一）彩色