医学超声基本理论演示文稿

医学超声基本理论演示文稿本文档共47页；当前第1页；编辑于星期日\10点46分优选医学超声基本理论本文档共47页；当前第2页；编辑于星期日\10点46分

二十世纪20-40年代，医学超声技术处于探索阶段。1949年召开第一次国际超声医学会议，促进了医学超声的发展。

超声诊断的研究始于上世纪40年代。1955年，Jaffe发现锆钛酸铅压电材料（PZT），这种人造压电材料性能良好，易于制造，极大地促进了工业和医学用超声技术的发展。1958年，Hertz等首先用脉冲回声法诊断心脏疾病，开始出现“超声心动图描述法”，现在称为“超声心动图描述法”，亦即“M型超声心动图”。同期，出现了B型显示原理和生物组织超声散射特性的研究报道。1概述本文档共47页；当前第3页；编辑于星期日\10点46分

50年代末期，连续波和脉冲波Doppler技术亦即超声显微镜问世。在50年代，用脉冲反射法探查疾病获得了很大成功，A型诊断仪在临床得到广泛应用，对于脑中线检查及心、肝、胆囊和眼睛某些疾病的诊断取得了成功的结果。

60年代，超声诊断由A型(一维回波振幅显示)向B型(二维图像亮度显示)过渡。超声全息、B型实时成像、阵列式换能器、电子线扫描和扇形扫描、电子聚焦法等被广泛应用。这一期间，多普勒技术被进一步研究，用频谱分析法研究血流问世。60年代末期，美、日均研制成压电高分子聚合物PVF2（偏聚氟乙烯）换能器。1概述本文档共47页；当前第4页；编辑于星期日\10点46分

70年代是B型显像蓬勃发展的年代。随着灰阶显示和快速实时动态图像的实现，超声诊断的发展极为迅速，应用十分广泛，除了充气部位(如肺脏)和骨骼结构外，几乎人体内每个脏器都可用超声进行诊断，如颅脑、眼、心、肝、胆、肾等。待别是对于发现肿瘤和结石等占位性病变并确定其尺寸和位置，监视病情发展等，超声诊断更有其独到之处。加之超声诊断为非浸入性诊断，具有无害无痛、使用方便、费用低廉、诊断可靠等优点，使其成为临床医学不可缺少的主要影像诊断方法之一，并有着广阔发展前景。70年代后期，微型计算机在超声诊断器中得到广泛使用。1概述本文档共47页；当前第5页；编辑于星期日\10点46分

进入80年代后，医学超声成像设备向两极发展。一方面是价格低廉的便携式超声诊断仪进入实际使用，另一方面是向综合化、自动化、定量化和多功能等方向发展。

广泛的临床应用反过来又促进了超声诊断的研究工作。一方面，各种信号处理(特别是图像处理)技术的研究和应用使B型诊断仪的图像质量(分辨率、清晰度及信噪比等)不断改进，其他形式的诊断仪相继出现和不断发展，如M型、多普勒型、C型、F型、超声CT、合成孔径成像等。另一方面，声波在生物组织中的传播规律的研究工作正在不断深入，声学参量定量估算和成像研究工作十分活跃，建立在此基础上的定量组织辨认或鉴别诊断的研究工作展现了美好前景。1概述本文档共47页；当前第6页；编辑于星期日\10点46分

超声治疗的历史比超声诊断还要长，但其发展速度却较晚。除了技术上的原因外，一个重要的原因是由于超声生物效应的复杂性和对其机理及影响因素的基础研究不足。超声治疗的研究工作始于上世纪30年代，于50年代十分活跃，后来由于很多人的研究结果互相矛盾或无定论而一度冷落。近年来，随着基础研究的逐渐深入和某些治疗效果得到了肯定，超声治疗的研究又逐步活跃起来。目前比较成功的是热疗及用于脑手术和肝脏手术的超声手术刀等。

1概述本文档共47页；当前第7页；编辑于星期日\10点46分

超声波在各向同性的均匀液体和固体中的传播理论问题早巳解决。生物组织既不同于固体介质。也不同于液体介质，而且结构很不均匀，这就造成了超声在生物组织中传播问题的复杂性。要精确描述生物组织的声学特性及超声波在生物组织中的传播规律是不现实的。解决这一问题的方法是根据特定的目的寻求有足够精度的近似描述。也就是说，首先要找到一个适当的声学模型，这个模型的声学参量及空间分布规律描述了某生物组织的声学性能，然后建立这个模型的波动方程，根据已知声源求解声波在模型中的传播规律，即得到声波在该生物组织中的传播规律。

2超声在生物组织中的传播本文档共47页；当前第8页；编辑于星期日\10点46分

通常认为生物组织(指活体组织)的声学特性是不随时间变化的，这对于短时间的观察是适用的。

显然，在讨论不同问题时对模型的近似程度的要求是不一样的。

最粗略的近似是把骨骼看成各向同性的均匀固体，用其纵波声速、横波声速、密度、声衰减系数来描述其声学性质。声波在其中的传播则服从于固体中的波动方程。2超声在生物组织中的传播本文档共47页；当前第9页；编辑于星期日\10点46分

软组织和各脏器则被视为均匀液体，其中横波不能传播（实际上是衰减很大），故只用纵波声速、密度、声阻抗率、体弹性模量(其中只有两个量为独立量)和声衰减系数来描述，声波的传播服从于液体波动方程。

由于生物组织的声衰减系数较大而不能忽略，即波动方程中的声速度应为复数，其虚部则表示组织的声衰减特性。

在处理超声波入射于不同组织间的界面上的声学行为时，上述近似模型是适用的。然而，单纯利用界面回声信号来进行超声诊断是很不够的，要观察生物组织的细微结构，必须利用组织的微弱声散射信号。2超声在生物组织中的传播本文档共47页；当前第10页；编辑于星期日\10点46分2超声在生物组织中的传播2.1反射与折射

超声波入射于两不同组织的界面时，将发生反射和折射，如果界面的曲率半径大于声波长,ka>>λ,则此问题可以近似为超声波入射于两均匀介质的平面界面时的反射和折射问题，而对于两组织均为软组织的情况，只有纵波能够传播。利用边界条件可以解出声压和声强的反射系数及折射系数。

本文档共47页；当前第11页；编辑于星期日\10点46分2.1反射与折射声波斜入射时声压反射系数

与折射系数

为

式中，

和

分别为两组织的声阻抗率,分别为两组织的密度，

分别为声波在两组织中的传播速度。

而声强的反射系数

与折射系数

则为

由能量守恒定律本文档共47页；当前第12页；编辑于星期日\10点46分2.1反射与折射对于垂直入射的情况，

声压的反射及折射系数简化为

此外，当超声波传播至软组织与骨骼界面时，由于骨骼的声学性质类似于固体，在斜入射情况下，将会有模式转换，即在骨骼中可产生折射纵波和横波。此时，反射折射系数应由液体与固体界面处的反射折射规律来计算，公式较复杂，且从超声诊断的角度来看意义不大，此处从略。

声强的反射及折射系数简化为

本文档共47页；当前第13页；编辑于星期日\10点46分2.2声散射

前面主要讨论了超声波遇到远大于波长的界面时所发射的反射和折射情况，当声波碰到与波长相比微小的障碍物时，由障碍物产生的再辐射声几乎各向均匀，声波偏离原来的传播方向而向四面八方传播，这种现象称为声散射。

在研究散射时，散射面积

是一个重要概念，它表示散射体的散射本领，它定义为由障碍物所产生的总散射功率

和入射波强度

之比。一般有三种情况：

1)障碍物的大小比入射波长

大得多时，其散射面积

，主要产生反射（有绕射，但不显著），形成镜式反射并留下声影。选用超声波时，为了提高图像分辨率，常要选择比探查对象尺寸小得多的波长超声波，因而绕射不显著，分辨率高。

本文档共47页；当前第14页；编辑于星期日\10点46分2.2声散射2)障碍物的大小比入射波长

小的多时，由散射形成的辐射（惠更斯波辐射）均匀分布在所有方向，绕射显象明显。如果障碍物是刚硬小粒子，则单个刚硬小粒子的散射功率为

微粒散射功率和波长四次方成反比。

是粒子体积为粒子半径

入射波强度微粒的散射面积为

3)当障碍物的大小与入射声波波长相接近时，散射的分布是复杂的，波会绕过障碍物而继续传播。

本文档共47页；当前第15页；编辑于星期日\10点46分2.2声散射

在发生散射时，散射波的强度与障碍物的大小有关，随障碍物直径与波长的比值增大而加强。单一障碍物或散射中心对入射波能量的消耗上不妨碍超声检测，但是在波的传播区域内有许许多多这种散射中心，那么入射波的能量将由此渐渐地被大量甚至被全部散射殆尽。散射是引起超声衰减的主要因素。

超声波在介质中传播时，其强度往往随着传播距离的增大而减小。引起声强减小的主要原因有：(i)声束扩散使单位面积上的能量减少；非镜面反射引起的散射使按原始方向传输的能量迅速减小；2.3声衰减3.2.3.1衰减系数本文档共47页；当前第16页；编辑于星期日\10点46分2.3.1衰减系数

波型变换使能量分配给两种或多种波型，以不同的速度向不同方向传输；以及声能转换成其它形式的能量(主要指热能)引起的声吸收损失。而声散射与声吸收造成的声衰减却主要取决于介质本身，且其造成的声压(平面声波)的变化按指数衰减规律，即

是声压在

处的峰值。

是声压在

位置的峰值。声强的变化则为

通常称

为介质的声衰减系数(或声压衰减系数)，

为介质的声强衰减系数，并均以奈比／厘米

计，或以分贝／厘米

计，且

。

本文档共47页；当前第17页；编辑于星期日\10点46分2.3.1衰减系数

在声强较低时，声衰减系数与声强无关，但它是频率的函数，在超声诊断频段(如)。大多数生物组织的声衰减系数都较大，在实际应用中不能忽略。在这一频段，多数生物组织的声衰减系数都随频率升高而线性增加(接近于)。因而，要根据超声诊断深度和信噪比的要求来选择适当的工作频段。

声衰减系数应用：定量诊断、组织鉴别。正常组织→正常的衰减系数（标定，已知）异常组织（病变）→异常的声衰减系数。根据声衰减系数的变化，反映生物组织内部的情况，确定病变程度。本文档共47页；当前第18页；编辑于星期日\10点46分2.3.2衰减因素

一）扩散衰减

超声在理想媒质中传播时，超声衰减主要来自超声波的扩散，即由于离声源一定距离后，声场面积扩大，声能分散在更大的面积上。如果声波以球面波形式向前传播，声强以和距离的平方成反比的规律衰减。(问题：低频？)

二)吸收衰减

由于声能转化为其它形式的能量引起的衰减称声吸收。均匀介质对声波的吸收作用，通常分为三类。即粘滞性吸收、热传导吸收、弛豫吸收

本文档共47页；当前第19页；编辑于星期日\10点46分2.3.2衰减因素

(1)介质的粘滞性吸收

流体介质具有粘滞性，由介质粘滞性所产生的应力表现为介质内“摩擦力”作用，因而当声波在介质中传播时，由于粘滞性作用使部分声能转变为热能而损耗，从而表现出声波强度随距离而衰减的现象。这种衰减称为介质的粘滞性吸收，它是均匀介质中声衰减的主要原因之一。

本文档共47页；当前第20页；编辑于星期日\10点46分2.3.2衰减因素

(2)介质的热传导吸收

声传播时由于介质压缩的部分温度升高，膨胀的部分温度降低。这样，在相邻的压缩区和膨胀区之间形成明显的温度梯度，因而产生热传导现象。并且，频率愈高、波长愈短，局部范围内温度梯度愈大，热传导现象尤为明显。由热力学可知，热传导时热量由高温区向低温区的迁移。从分子论的观点看，热传导的过程是温度较高区域的分子（具有较大的平均动能）与温度较低区域的分子（具有较小的平均动能）之间能量交换的过程。因此，由于热传导的作用，在介质压缩和膨胀的循环过程中，会有能量损失。

本文档共47页；当前第21页；编辑于星期日\10点46分2.3.2衰减因素

(3)弛豫声吸收

以气体分子的热弛豫讲述一下弛豫吸收的机理。对于多原子气体，除平动外，还有分子的转动和振动。一定状态下，内外自由度能量有一定的分配，为完成外自由度向内自由度能量转移要有一个时间变化过程。也即多原子气体状态变化后达到新的平衡态也有个时间过程。此过程称为分子的热弛豫过程。介质分子的热弛豫可以造成声吸收。本文档共47页；当前第22页；编辑于星期日\10点46分2.3.2衰减因素

再比如，海水中由于存在硫酸镁（MgSO4）分子的离子弛豫，也就是离解和缔合需要一段弛豫时间，而造成一定条件下海水中的声吸收。另外，由粘滞性也能造成的声压和质点速度间存在着弛豫，使得声压和振速之间产生相位差，从而使得声能损失。生物组织的声吸收机理是复杂的，它由粘滞性、热传导及许多复杂的物理、化学弛豫过造成的。通常所关心的是声吸收的总效果，而不十分关心单个弛豫过程。

本文档共47页；当前第23页；编辑于星期日\10点46分2.3.2衰减因素

令

表示等效弛豫时间，当

时，声吸收系数

为其中为绝热压缩系数与等温压缩系数之比。也就是说，吸收系数

与频率成线性关系。

当

时，则可得

即吸收系数

与频率的平方成正比。对于

接近于1的情况

此时，

与频率的关系比较复杂，它介于线性和二次方关系之间。

本文档共47页；当前第24页；编辑于星期日\10点46分2.3.2衰减因素

三）声散射引起的衰减

实际媒质是非均匀的，声波传到不同声阻抗的界面时，将引起镜面反射（界面大时）及散射（界面小时），散射使超声能量沿新的路径传播，使原方向传播的能量变小，即引起散射衰减，散射衰减系数

与媒质中散射粒子的尺寸（d）有关。

当

时，散射衰减不大，可忽略不计，当

时，散射衰减明显增加。

在介质的声吸收系数不能忽略的情况下，在求解非均匀介质的声散射问题时，波动方程应作些修正。也就是说，应以复数声速代替无吸收介质的实数声速，即

本文档共47页；当前第25页；编辑于星期日\10点46分2.3.2衰减因素与吸收系数的关系式为

将以上式子带入有关散射公式，即可得到吸收介质的散射问题的解。

如果

，即在低频极限下

即散射衰减与频率的四次方成比例，此与瑞利散射一致。

本文档共47页；当前第26页；编辑于星期日\10点46分2.3.2衰减因素如果

，即在高频极限下即散射衰减与频率平方成比例。

声散射所引起的声衰减与声吸收之和构成了生物组织的总声衰减，

多数生物组织在超声诊断频段的声散射衰减、声吸收及总声衰减均与频率的一次方成正比。

本文档共47页；当前第27页；编辑于星期日\10点46分3多普勒效应1842年，奥地利物理学家发现，当声源与接收器在作相对运动时，接收器所接收到的频率不同于声源所辐射的频率，其频率之差与它们的相对运动速度有关，这种由于相对运动而引起频移的现象称为Doppler（多普勒）效应。

多普勒效应在各学科有着广泛的用途，上世纪50年代，开始了医学超声多普勒技术的研究，60年代，开始了仪器的开发及临床应用。30多年来，医学超声多普勒技术发展迅速，获得了广泛的医学应用。

本文档共47页；当前第28页；编辑于星期日\10点46分3多普勒效应

若传声媒质是静止的，在声源和接收器之间存在着相对运动时就会产生多普勒频移。

声源和接收器之间的运动图（a）

接收器运动（b）声源运动

本文档共47页；当前第29页；编辑于星期日\10点46分3多普勒效应

声源静止，接收器运动（速度为

，运动速度与声源和接收器连线的夹角为

），此时接收器接收的信号周期为

，即：

－接收到的信号周期－声波波长－媒质中的声速

本文档共47页；当前第30页；编辑于星期日\10点46分3多普勒效应接收器收到的信号频率

为

通常满足

，所以多普勒频移

为

本文档共47页；当前第31页；编辑于星期日\10点46分3多普勒效应

若声源运动，而接收器静止，如图所示，则接收器所接收到的信号频率

为：

多普勒频移

为

本文档共47页；当前第32页；编辑于星期日\10点46分3多普勒效应

在医学超声多普勒技术中常使用反射式探头，这时，发射源和接收器位于被测运动得体同一侧，如图给出利用多普勒效应测量血流原理图。

设血流的速度为

，与发射声束和接收声束之

间的夹角分布为

和

，声源的发射频率为

，按式，运动体接收到的声波频率为

本文档共47页；当前第33页；编辑于星期日\10点46分3多普勒效应

声波被运动体反射（或散射），按照惠更斯原理，此反射的声波可认为是一个新的声源，它以速度

运动着，它发出的声波被静止的接收换能器接收。按式，接收到的声波频率为

将

代入上式得

当收、发换能器靠得很近，特别是在收发共用同一换能器的脉冲多普勒系统中，

，则上式变为

本文档共47页；当前第34页；编辑于星期日\10点46分3多普勒效应

上式就是医学超声多普勒技术常用的多普勒频移公式。当速度与声束方向夹角满足

时，

，即回波频率高于发射频率；反之，

时，

，此时回波频率低于发射频率。

严格说来，上述公式只适用于连续波工作状态及声束为无限宽、运动物体为无限太平面，且运动速度为常数的情况。在这种情况下，接收信号及多普勒信号均为单一领率。这些条件中，只要有一个不满足，则所得到的多普勒信号就不是单频信号，而是有一定的谱宽。在超声诊断的实际情况下，声束宽度和运动物体的大小都有限，即使发射声波为连续波，接收信号也会是调幅波，因而多普勒信号也有一定带宽。本文档共47页；当前第35页；编辑于星期日\10点46分3多普勒效应

声束越窄，接收信号越短，多普勒频宽越大，速度分辨率就越低。也就是说，利用多普勒效应来估算物体运动速度时，速度分辨率随声束变窄而降低。然而，系统的横向分辨率却随声束变窄而提高。

因而，多普勒系统的横向分辨率和速度分辨率是互相矛盾的，在实际应用中要有适当的折衷。

本文档共47页；当前第36页；编辑于星期日\10点46分4

用于超声诊断的换能器

超声诊断的实现是通过各种型式的超声诊断设备来进行的。而各种超声诊断设备的关键部件是超声换能器，亦称探头。大多数诊断仪用的超声换能器都既作发射，又作接收。即既向体内发射声波，又接收经体内组织调制的回声信号。超声换能器的性能对诊断仪的质量有着决定性的影响，对于超声诊断来讲，超声波作为信息载体，不希望其对生物组织有任何作用或效应。因而要求射入体内的声波强度尽可能低，但又要得到能从噪声中鉴别出来的信号，也就是说，要求超声换能器有高的灵敏比和信噪比。此外，为了获得疾病诊断（例如癌症的早期诊断）所必要的分辨率，要求超声换能器有较高的纵向和横向分辨率等。

4.1对超声诊断换能器的基本要求本文档共47页；当前第37页；编辑于星期日\10点46分4.1.1灵敏度和声耦合

超声诊断要求一定的信噪比。在噪声电平一定的情况下，要求信号要大于某一定值。增大有用信号的方法有两种，一是增加激励源电压，也就是增加发射声功率，然而这必须是有限度的，因为增加声功率一方面可能造成对人体有害，另一方面也增加了电路的难度。第二种方法则是提高换能器的灵敏度，灵敏度是换能器好坏的一个重要标志。工业和医学探测中，超声波都是在不同特征阻抗的媒质中传播，面临着共同的问题，即声耦合问题。探头表面与人体体表之间存在一个很大的声阻抗差界面，甚至被空气所填充，难以使超声波耦合到人体内。实际应用中，常在探头表面与被测部位体表之间涂上超声耦合剂，早期采用石蜡和油类物质。探头、耦合剂与人体构成了一多层声传输介质，其中，中间耦合层较薄。本文档共47页；当前第38页；编辑于星期日\10点46分4.1.1灵敏度和声耦合

（一）声波垂直入射到多层平面界面上

超声波通过一定厚度的异质薄层是，反射与透射情况与单一界面不同，垂直入射到各界面所产生的反射和透射波仍与平界面垂直。可求得透射入第三层介质中的超声声强透射系数

是中间薄层厚度；

是波数。根据薄层厚度

与波长

的关系，分集中情况讨论如下：

本文档共47页；当前第39页；编辑于星期日\10点46分4.1.1灵敏度和声耦合

（一）声波垂直入射到多层平面界面上

（1）如果

，如无耦合剂，且探头表面与体表紧密接触

（2）如果

，即半波长的整数倍，则

本文档共47页；当前第40页；编辑于星期日\10点46分4.1.1灵敏度和声耦合

（一）声波垂直入射到多层平面界面上

（3）

，即四分之一波长的奇数倍

当超声耦合剂声阻抗时

，可以推得

。实际应用中，超声耦合剂的阻抗匹配作用利用了这一物理原理。理论上，所有超声波能量全透入人体组织内。

本文档共47页；当前第41页；编辑于星期日\10点46分4.1.1灵敏度和声耦合

（二）声波斜入射到多层平面界面上

声波斜入射到多层界面上的反射和透射情况要更复杂一些。当

时，求得声强透射系数

为

式中

与垂直入射条件下类似，可分三种情况对

加以讨论。同样，在实际应用中，当

，即实现声阻抗匹配后，绝大部分超声能量透射进入第三种介质。

本文档共47页；当前第42页；编辑于星期日\10点46分4.1.1灵敏度和声耦合

（二）声波斜入射到多层平面界面上

选用薄层匹配材料，其声阻抗率

应近似为

式中

，

分别为换能器及负载的声阻抗率。匹配层的厚度则约为换能器中心频率对应声波长的四分之一。也可以采用电路进行阻抗匹配。本文档共47页；当前第43页；编辑于星期日\10点46分4.1.2脉冲响应与纵向分辨率