超声基础知识

超声基础知识第1页，共46页，2023年，2月20日，星期四物体的机械振动是产生波的源泉,波的频率取决于物体的振动频率。频率范围在20～20000Hz内的波称为可听声波,频率范围在20Hz内的波称为次声波,频率范围在2×104～108Hz的波称为超声波,频率范围在108～1012Hz的波称为特超声波。次声波、可听声波、超声波、特超声波统称声波。可见，整个声波频谱是比较宽的，其中只有可听声波才能为人耳所听到，而次声、超声、特超声虽然属于声波却不能为人耳所察觉。第2页，共46页，2023年，2月20日，星期四在自然界存在着多种多样的超声波,如某些昆虫和哺乳动物就能发出超声波,又如风声、海浪声、喷气飞机的噪声中都含有超声波成分。在医学诊断上所使用的超声波是由压电晶体一类的材料制成的超声探头产生的。眼科方面所使用的超声频率在5～15MHz范围内,心和腹部所使用的超声频率在2～10MHz范围内。第3页，共46页，2023年，2月20日，星期四2.超声波的特性超声波和可听声波一样,也是一种机械波,它是由介质中的质点受到机械力的作用而发生周期性振动产生的。依据质点振动方向与波的传播方向的关系,超声波亦有纵波和横波之分。由超声诊断仪所发射的超声波,在人体组织中是以纵波的方式传播的。就是因为人体软组织基本无切变弹性,横波在人体组织中不能传播。第4页，共46页，2023年，2月20日，星期四与普通声波(可闻波)相比,超声波具有许多特性,其中最突出的有:①由于超声波的频率高,因而波长很短,它可以像光线那样沿直线传播,使我们有可能只向某一确定的方向发射超声波;②由超声波所引起的媒质微粒的振动,即使振幅很小,加速度也非常大,因此可以产生很大的力量。第5页，共46页，2023年，2月20日，星期四超声波的这些特性,使它在近代科学研究、工业生产和医学领域等方面得到日益广泛的应用。例如,我们可以利用超声波来测量海底的深度和探索鱼群、暗礁、潜水艇等。在工业上,则可以用超声波来检测金属内部的气泡、伤痕、裂隙等缺陷。在医学领域则可以用超声波来灭菌、清洗,更重要的用途是做成各种超声波治疗和诊断仪器。第6页，共46页，2023年，2月20日，星期四二．超声波的物理基础振动是声学的基础，只有声源的振动才能发射出声波。超声波与普通声波一样，是振动在弹性介质中的传播。因此机械振动源和弹性介质是超声波产生的物理基础。第7页，共46页，2023年，2月20日，星期四机械振动中最简单的形式是一个自由度振动系统，如图2-1，一个弹簧振子，质量元件的质量为m，置于无摩擦的表面上，弹簧的弹性系数为k。如果系统具有一初始位移量，则必然有一个弹性力使系统产生振动。根据虎克定律，弹性力Fk=-kξ。即是说，在弹簧的弹性限度内，弹性力Fk的变化与位移量的变化成正比，弹性力的方向与位移方向相反。第8页，共46页，2023年，2月20日，星期四2-1弹性质点振动系统在振动过程中，它只是自身做能量的转换，由势能转化为动能。在平衡位置处，动能最大，势能为零；在最大振幅处，势能最大，动能为零。对于无阻尼的自由振动来说，振子的势能和动能的和保持恒定值，所以孤立质点的振动不会发生能量的传递。但是，在连续的弹性介质中，当某一质点受到外界作用而在其平衡位置做机械振动时，通过质点间的弹性力作用，就会把这个振动传给与它相邻的质点，使后者也在自己的平衡位置附近振动，第9页，共46页，2023年，2月20日，星期四如此继续下去，机械振动就在整个媒质中传播开来。换句话说，机械振动的能量在弹性介质中传播开来，这就形成机械波。如超声波，由超声换能器产生振动，引起接触器的振动，接触剂的振动又引起人体皮肤、脂肪及内脏的振动，超声波能量就这样进入了人体。由此可见，获得超声波要有两个条件：（1）一个做机械振动的物体，以持续的提供能量，即波源或振源；（2）必须有能传播这种振动的弹性媒质，固体、流体、气体都是弹性介质，都可以传播超声波，真空中没有介质存在，所以不能传播机械波，包括超声波。第10页，共46页，2023年，2月20日，星期四三．超声波的分类1、按质点振动方向和波传播方向的关系分类相对于波的传播方向，质点的振动方向可以不同。纵波是质点的振动方向与波的传播方向相同的波。例如音叉在空气介质中振动所产生的声波,空气介质中的质点沿水平方向振动,振动的方向与声波的传播方向一致,传播时介质的质点发生疏密的变化。纵波可以在固体、液体、气体介质中传播。第11页，共46页，2023年，2月20日，星期四横波是质点振动方向与波的传播方向垂直的波。一个典型的例子便是软绳上的波,我们不妨把软绳看成密集质点的集合,如果不断地摆动软绳的一头,则一系列的横向振动的波就由绳子的左端向右端移去,而绳上各质点并不随波的传播方向移去,只是在各自的平衡位置附近作横向(剪切形式)的振动。不能在液体及气体介质中传播,这是因为液体和气体无切变弹性。第12页，共46页，2023年，2月20日，星期四2-2波的传递2、按波阵面的形状分类波从波源出发，在介质中向各个方向传播。在某一时刻介质中周相相同的各点组成的面为波面。显然波面有无数个，最前面的一个波面也就是波源最初振动状态传播的各点组成的面，通常又叫波阵面。波面有各种形状，波面为平面的波称为平面波，波面为球面的波称为球面波，波面为柱面的波称为柱面波。第13页，共46页，2023年，2月20日，星期四2-3平面波球面波柱面波平面波对于研究问题来说最为简单，超声诊断中，探头发射的超声波在近场可视为平面波，在远场可视为球面波（或球面的一部分）。但为了方便起见，我们把它都视为平面波。超声波与人体内微小障碍物（如红细胞）发生作用时，障碍物散射的超声波是球面波。第14页，共46页，2023年，2月20日，星期四3、按发射超声的类型分类可分为连续波和脉冲波。连续波目前只在连续波多普勒血流仪中采用，A型、M型、B型及脉冲多普勒血流仪均采用脉冲波。第15页，共46页，2023年，2月20日，星期四四．超声波的基本物理量1.声速声波在介质中单位时间内传播的距离,称为声速。用符号c表示,单位为m／s(米／秒)。声波的传播过程实质上是能量的传递过程,它不仅需要一定时间,而且其传递速度的快慢还与介质的密度、弹性以及波动的类型有关。对于纵向传播的平面波,其声速为c=/k/ρ式中:ρ为介质密度，k为介质的体积弹性模量。第16页，共46页，2023年，2月20日，星期四又由于弹性模量与温度有关,因而声速还受温度的影响。例如,空气的温度在0℃时,声速为332m/s,气温每升高1℃,则声速增加0.6m/s,至15℃时,则为341m/s。表2-1给出了在人体组织器官中与超声诊断有关的介质中的声速。第17页，共46页，2023年，2月20日，星期四介质空气(0℃)肾脏

石蜡油(33.5℃)肝脏

海水(30℃)头颅骨生理盐水

巩膜传播速度(m/s)3321560142015701545336015341604介质人体软组织(平均值)角膜

血液

房水脑组织水晶体脂肪玻璃体肌肉(平均值)传播速度(m/s)1540155015701532154016411476153215682-1在有关介质中的超声速度第18页，共46页，2023年，2月20日，星期四2.周期和频率

介质中的质点在平衡位置往返振动1次所需要的时间叫周期,用T表示，单位是秒s；在1s的时间内完成振动的次数称为频率,用f表示,单位为周/s，又称作Hz(Hz)。周期与频率成互为倒数关系,以下式表示：f=1／T

超声诊断常用的频率范围在0.8～15MHz之间,而最常用的为2.5～10MHz。第19页，共46页，2023年，2月20日，星期四3.波长在一个周期内,声波所传播的距离就是一个波长,用λ表示。对于纵波,等于两相邻密集点(或稀疏点)间的距离,如图2-4(a)所示;对于横波,则是从一个波峰(或波谷)到相邻波峰(波谷)的距离,如图2-4(b)所示。第20页，共46页，2023年，2月20日，星期四波长的定义波长λ、声速c与频率f之间满足以下关系：λ＝c/f

频率和波长在超声成像中是两个极为重要的参数,波长决定了成像的极限分辨率,而频率则决定了可成像的组织深度。表2-2给出了医学超声诊断常用的几种超声波频率与其波长、周期和极限分辨力的关系。第21页，共46页，2023年，2月20日，星期四2-2波长、周期与极限分辨力之间的关系注：取超声波在人体中传播的平均声速c=1540m/s作为换算标准频率(MHz)波长(mm)周期(μs)极限分辨力(mm)11.510.7520.750.50.3752.50.60.40.330.50.330.253.50.430.290.2250.30.130.17.50.20.130.1100.150.10.075150.10.060.05第22页，共46页，2023年，2月20日，星期四4.声压纵波在弹性媒质内传播过程中,媒质质点的压强是随时间变化的,媒质质点的密度时密时疏,从而使平衡区的压力时强时弱,结果导致有波动时压强(PW)与无波动时压强(PO)之间有一定额压强差(PW－PO),这一波动压强称为声压。第23页，共46页，2023年，2月20日，星期四对于一无吸收媒质的平面波,有波动时压强的最大值与没有波动作用时各点压强的差值称为压强振幅(Pm),它可由下式确定：Pm=ρcVm即：声压振幅Pm与媒质密度ρ、质点运动速度的最大值Vm及波速c成正比。声压有效值为：P=Pm//2第24页，共46页，2023年，2月20日，星期四5.声强声强是表示声的客观强弱的物理量,它用每秒钟通过垂直于声波传播方向的1平方厘米面积的能量来度量,它的单位是焦耳／(秒·平方厘米)［J/(s·cm2)］。第25页，共46页，2023年，2月20日，星期四声强与声源的振幅有关,振幅越大,声强也越大;振幅越小,声强也越小。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。这是由于声源在单位时间内发出的能量是一定的,离开声源的距离越远,能量的分布面也越大,因此通过单位面积的能量就越小。第26页，共46页，2023年，2月20日，星期四基于这一原理,在超声诊断探头发射超声时,必须考虑波束的聚焦,它可以减小声能的分散,使声能向一个比较集中的方向传播,因而可以增加诊断探测的深度。第27页，共46页，2023年，2月20日，星期四6.声阻抗率声阻抗率是描述弹性媒质传播声波的一个重要物理量。对于各向同性的均匀媒质中无衰减的平面自由行波来说,媒质中某点有效声压P与振动质点速度有效值V之比称为声阻抗率,它用Zs表示：Zs=P／V=ρc第28页，共46页，2023年，2月20日，星期四实际上,声压与质点振速不一定同相位,所以声阻抗率是2个同频率、但不同相的余弦量的比值,并不是一个恒量。对于无衰减的平面行波,声压和振速可视为同相,媒质各点的声阻抗率是同一个恒量ρc,对一定频率的声波来说,它只决定于媒质密度ρ和波速c的乘积。第29页，共46页，2023年，2月20日，星期四声阻抗率和电学中一个无限长、无损耗传输线的特性阻抗相似,其中声压相当于电压,振速相当于电流强度,声阻抗率相当于电阻。通常声阻抗率是一个复数,其实部称为声阻率,虚部称为声抗率。人体正常组织的声阻抗率的平均值约为1.5×106牛顿·秒/米3(N·s／m3),而与超声测量有关材料的密度和声阻抗率则如表2-3所示。第30页，共46页，2023年，2月20日，星期四介质

空气(0℃)水(37℃)生理盐水(37℃)石蜡油(33.5℃)血液

脑脊水密度(g／cm3)0.001290.99341.0020.8351.0551.000声阻抗率(×106N·s／m3)0.0004281.5131.5371.1861.6561.522第31页，共46页，2023年，2月20日，星期四介质

羊水肝脏

肌肉(平均值)软组织(平均值)脂肪颅骨水晶体密度(g／cm3)1.0131.0501.0741.0160.9551.6581.136声阻抗率(×106N·s／m3)1.4931.6481.6841.5241.415.571.874第32页，共46页，2023年，2月20日，星期四五．超声波的传播特性

超声波在人体组织内传播不仅有衰减,同时还存在着反射、折射与透射现象。在人体均质性组织内传播时,超声波只沿其传播方向前进,此时不存在反射、折射问题。如果超声波在非均质性组织内传播或从一种组织传播到另一种组织,由于两种组织声阻抗的不同,在声阻抗改变的分界面上便会产生反射、折射与透射。第33页，共46页，2023年，2月20日，星期四2-5超声在不同介质中的反射、入射与折射原介质中的超声波称为入射波,在分界面处入射波的能量一部分将产生反射,另一部分能量将通过界面后继续传播，这就是透射。透射的超声波传播方向与入射波的传播方向不同,因而这部分透射过的超声波又称折射波。入射波与界面法线的夹角叫入射角θ1,反射波与界面法线的夹角叫反射角θ1′,入射角与反射角是相等的,即θ1=θ1'。第34页，共46页，2023年，2月20日，星期四这被称作超声波的反射定律。若入射波与界面是垂直的,则反射波即按入射波方向反射,故可以在超声波诊断仪器中用一个探头，既发射超声波又接收反射波(回波)。折射波与界面法线的夹角称为折射角θ2，入射角θ1的正弦与折射角θ2的正弦之比，等于入射波在介质1中的声速c1与折射波在介质2中的声速c2之比(sinθ1／sinθ2=c1/c2)，这被称作超声波的折射定律。若入射波与界面垂直，透过界面的超声波的传播方向与入射波方向一致，即不产生折射。第35页，共46页，2023年，2月20日，星期四反射波的能量除取决于两种介质的声阻抗差别外，还取决于界面的大小，反射界面越大，反射波的能量也越强，当反射界面的尺寸远小于超声波波长λ时，可以认为不产生反射。第36页，共46页，2023年，2月20日，星期四当被探查的人体组织结构很小，与入射超声波的波长相差不多时，会产生波的衍射现象。当被探查的组织结构小于入射波波长时，就会产生波的散射。第37页，共46页，2023年，2月20日，星期四六超声波在生物组织中的衰减（医学应用基础）当超声波在生物组织中传播时,作为传播介质的生物组织对超声的衰减机制是十分复杂的。除组织对超声波的反射、散射等引起的能量的分散之外,组织对超声能量的吸收而造成的衰减亦不可忽视。在生物组织中,造成吸收衰减的内在原因主要有介质质点的粘滞性、导热系数和温度等因素,而这些因素造成对超声衰减的大小又与超声的频率有关,超声衰减在人体中与传播距离成正比。超声传播到其强度减弱一半的距离叫半价层,因此,可以用半价层来表明生物组织吸收的大小。人体组织、器官的超声半价层第38页，共46页，2023年，2月20日，星期四人体组织、器官的超声半价值血液的半价层最大,这说明血液对超声的衰减最小。在人体中,不同的组织由于具有不同的介质密度和性质,也往往表现出对超声不同的衰减系数。实测结果表明,人体中血液和眼球玻璃体液吸收声能最小,肌肉组织吸收稍强,纤维组织及软骨吸收声能较大,而骨骼对超声的吸收最大。第39页，共46页，2023年，2月20日，星期四表2-5列出了人体主要组织成分对不同频率超声的衰减系数。人体组织眼球玻璃体液血液脂肪延髓(顺纤维)脑组织

衰减系数(dB·cm-1·MHz-1)0.10.180.630.80.85频率范围(MHz)6～30100.8～7.01.7～3.40.9～3.4第40页，共46页，2023年，2月20日，星期四人体组织肝脏肾脏

脊髓肌肉(顺纤维)颅骨肺

衰减系数(dB·cm-1·MHz-1)0.941.001.001.320.0041.00频率范围(MHz)0.3～3.40.3～4.51.000.8～4.51.61.0第41页，共46页，2023年，2月20日，星期四由于超声在人体中的衰减与超声频率有关,因此,研究超声衰减与频率的关系,对超声仪器的设计和使用都颇具意义。实验结果表明,在1～15MHz超声频率范围内,人体组织对超声波的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约为0.81dB·cm－1·MHz－1,其含义是超声波频率每增加1MHz或超声传播距离每增加1cm,则组织对超声的衰减增加0.81dB。因此,对一个3MHz声束,当其在人体软组织中传播10cm时,则声强衰减可达:第42页