第二章超声成像物理原理1

超声医学

ultrasound第二章

超声成像的物理原理

福建医科大学附属漳州市医院超声医学科陈明教学目标1.掌握超声的定义、特性及产生机制2.掌握超声传播中频率、声速、波长三者之间的关系3.熟悉生物组织对入射声束的作用4.熟悉入射超声对生物组织的作用

5.了解超声诊断的安全性及注意事项

第一节超声成像的物理基础一、定义

1.超声

是一种机械波，其频率在20千赫兹以上。

2.医学诊断用超声

频率在2.2～10兆赫兹范围的超声。

3.超声的特性

◆超声波可在气体、液体、固体等介质中传播

◆超声波可以传递很强的能量

◆超声波在传播过程中会产生反射、折射、散射、绕射、干涉等现象

◆超声波在液体介质中传播时，会在界面产生冲击和空化现象

第一节超声成像的物理基础二、超声的产生与接收

1.压电效应

是电能与声能相互转换的过程。2.超声的产生（说）

电场作用到特定的材料两端引起振动，在周围介质中传播形成超声，是逆压电效应过程。3.超声的接收（听）

声场作用到特定的材料两端产生电位差，通过接收器转换成电信号，是正压电效应过程。

第一节超声成像的物理基础

4.压电材料

能够产生压电效应的材料。

◆无机材料主要包括钛酸钡、钛酸铅、锆钛酸铅等。

◆有机材料

主要由聚偏氟乙烯（PVDF）构成，材料声阻抗与人体接近。

◆混合材料

由压电陶瓷和有机压电材料混合构成，机电耦合系数大，适宜制作宽带换能器。第一节超声成像的物理基础

5.换能器（探头）

◆结构

面材、压电材料、背材

，核心是压电材料。

◆种类

体表检查用探头；手术用探头；体腔检查用探头。

第一节超声成像的物理基础第一节超声成像的物理基础三、超声的传播1.传播速度（c）

由传播介质决定，不同人体组织器官的声速不同，平均声速为1540米/秒，其中空气最小（350米/秒），骨骼最大（3850米/秒）。2.超声频率（f）

由探头中压电材料决定，在2.2～10兆赫兹范围。3.超声波长（λ）

超声波长与声速和频率满足关系式：第一节超声成像的物理基础四、超声声束的空间分布

1.声束

在一个有限的立体角内传播的超声

。2.声轴

声束的中心线。3.近程区

靠近探头区域，声束等宽

4.远程区

远离探头区域，声束发散第一节超声成像的物理基础超声声束空间分布示意图第二节超声与生物组织间的相互作用一、生物组织对入射超声的作用

（一）两个基本概念

◆声特性阻抗介质的密度(ρ)与声速(c)的乘积，不同组织的声特性阻抗不一样。

◆界面

两种具有不同声阻抗的介质的接触面。大界面：界面尺寸大于超声波长小界面：界面尺寸小于超声波长第二节超声与生物组织间的相互作用第二节超声与生物组织间的相互作用

（二）反射与折射

入射声束与大界面的作用◆三个条件方向、截面、角度

◆全反射

两种介质的声速关系入射角度◆界面的反射信号是声像图的主要组成部分第二节超声与生物组织间的相互作用

第二节超声与生物组织间的相互作用

（三）散射

入射声束与小界面的作用◆散射回声强度低

（四）绕射

入射声束与界面（界面尺寸与超声波长大小相当）的作用◆绕射使入射声束发生方向偏转第二节超声与生物组织间的相互作用第二节超声与生物组织间的相互作用

（五）衰减

由于组织对超声的吸收造成声能的减小。

◆不同组织，吸收系数不同，衰减程度不同；◆相同组织，入射深度越大，衰减越大；

◆相同组织，入射超声频率越高，衰减越大。

第二节超声与生物组织间的相互作用二、入射超声对生物组织的作用

1.超声的生物效应

当一定剂量的超声波在生物体内传播时，通过超声与生物组织的相互作用，可以引起生物体的功能、结构或状态的变化

2.热机制

超声声能转换成生物组织的热能第二节超声与生物组织间的相互作用

3.机械机制

超声声能转换成生物组织的机械能

4.空化机制

超声声能使生物组织中的气泡活性改变低声强长时间作用以热机制为主高声强短时间作用以空化机制为主第二节超声与生物组织间的相互作用三、超声诊断的安全性及注意事项

1.超声强度的计算方式空间平均时间平均；空间峰值时间平均；为多个国家和组织采用空间平均时间峰值；空间峰值时间峰值。2.安全声强（美国FDA，我国超声标准化委员会推荐）

空间峰值时间平均声强：小于100毫瓦/平方厘米第二节超声与生物组织间的相互作用

3.超声探测的安全性（世界卫生组织建议）

(1)只有在医学上具有明确理由时，才对人体使用诊断超声；(2)以商业显示和获得实验图像为目的时，不应把超声用于辐照人体，特别是辐照孕妇；(3)在保证获得良好图像质量和取得必要的诊断信息前提下，应使超声诊断设备的输出强度尽可能小。

第二节超声与生物组织间的相互作用

4.超声探测应遵循的原则在明确诊断目的的情况下，应积极使用超声诊断技术。在超声诊断过程中，必须坚持最小剂量原则。即在保证获得必要诊断信息的前提下，应采用最小超声强度和最短辐照时间。拒绝一切与诊断无关的胎儿超声显像。对早孕胚胎不做或少做超声探测，对3个月以上的胎儿定期超声探测时，应控制在3～5分钟之内完成。第二节超声与生物组织间的相互作用

5.超声探测的注意事项成人超声探测

颅脑检查时每一固定切面持续检查时间控制在2分钟以内；

眼球检查时每一固定切面持续检查时间不应超过半分钟；

卵巢、睾丸检查时每一固定切面持续检查时间不应超过1分钟。第二节超声与生物组织间的相互作用产科超声探测

对不足3个月的早孕孕妇尽量不用超声进行常规检查；

对于有习惯性流产或已有先兆流产症状者3个月内不建议做超声探测。必须要进行超声探测时，应控制每一固定切面检查持续时间在1分钟以内；

对3个月以上胎儿在脑、心、眼、脊髓等脏器检查时，每一固定切面持续时间不应超过2分钟，其他脏器可适当延长检查时间。检查时应不断移动探头。第二节超声与生物组织间的相互作用新生儿超声探测