声学探测-医用超声

声学检测第一页，共七十五页。一、超声学问题超声学：研究超声波的产生、传播、接收，以及各种超声效应和应用的声学分支叫超声学。产生超声波的装置有机械型超声发生器〔例如气哨、汽笛和液哨等〕、利用电磁感应和电磁作用原理制成的电动超声发生器、以及利用压电晶体的电致伸缩效应和铁磁物质的磁致伸缩效应制成的电声换能器等。第二页，共七十五页。一、超声学问题①机械效应。超声在介质中前进时所产生的效应。超声振动可引起组织细胞内物质运动，由于超声的细微按摩，使细胞浆流动、细胞震荡、旋转、摩擦、从而产生细胞按摩的作用，也称为“内按摩〞这是超声波治疗所独有的特性.可以改变细胞膜的通透性，刺激细胞半透膜的弥散过程，促进新陈代谢、加速血液和淋巴循环、改善细胞缺血缺氧状态，改善组织营养、改变蛋白合成率、提高再生机能等。使细胞内部结构发生变化，导致细胞的功能变化，使坚硬的结缔组织延伸，松软。第三页，共七十五页。②空化作用。超声波作用于液体时可产生大量小气泡。一个原因是液体内局部出现拉应力而形成负压，压强的降低使原来溶于液体的气体过饱和，而从液体逸出，成为小气泡。另一原因是强大的拉应力把液体“撕开〞成一空洞，称为空化。空洞内为液体蒸气或溶于液体的另一种气体，甚至可能是真空。因空化作用形成的小气泡会随周围介质的振动而不断运动、长大或突然破灭。破灭时周围液体突然冲入气泡而产生高温、高压，同时产生激波。与空化作用相伴随的内摩擦可形成电荷，并在气泡内因放电而产生发光现象。在液体中进行超声处理的技术大多与空化作用有关。第四页，共七十五页。③热效应。由于超声波频率高，能量大，被介质吸收时能产生显著的热效应。人体组织对超声能量有比较大的吸收本领，因此当超声波在人体组织中传播过程中，其能量不断地被组织吸收而变成热量，其结果是组织的自身温度升高。产热过程既是机械能在介质中转变成热能的能量转换过程。即内生热。超声温热效应可增加血液循环，加速代谢，改善局部组织营养，增强酶活力。一般情况下，超声波的热作用以骨和结缔组织为显著，脂肪与血液为最少。第五页，共七十五页。④化学效应。超声波的作用可促使发生或加速某些化学反响。例如纯的蒸馏水经超声处理后产生过氧化氢；溶有氮气的水经超声处理后产生亚硝酸；染料的水溶液经超声处理后会变色或退色。这些现象的发生总与空化作用相伴随。超声波还可加速许多化学物质的水解、分解和聚合过程。超声波对光化学和电化学过程也有明显影响。各种氨基酸和其他有机物质的水溶液经超声处理后，特征吸收光谱带消失而呈均匀的一般吸收，这说明空化作用使分子结构发生了改变。第六页，共七十五页。医学超声概述它主要研究超声波与生物组织(主要指人体组织)的相互作用机理、规律及其应用。医学超声包括超声诊断和超声治疗。超声诊断研究如何利用各种组织声学特性的差异来区分不同组织，特别是区分正常和病变组织。其物理根底是超声波在生物组织中的传播规律(即组织对声波的作用)及诊断信息提取方法。超声治疗那么研究如何利用超声波的生物效应(因声波照射引起的组织结构、功能和生物过程的变化)来治疗某些疾病，其物理根底是超声生物效应的机理和超声剂量学等。第七页，共七十五页。医学超声概述医学超声检测原理：医学超声波检查的工作原理与声纳有一定的相似性，即将超声波发射到人体内，当它在体内遇到界面时会发生反射及折射，并且在人体组织中可能被吸收而衰减。因为人体各种组织的形态与结构是不相同的，因此其反射与折射以及吸收超声波的程度也就不同。医生们正是通过仪器所反映出的波型、曲线，或影像的特征来区分它们。此外再结合解剖学知识、正常与病理的改变，便可诊断所检查的器官是否有病。目前，医生们应用的超声诊断方法有不同的形式，可分为A型、B型、M型及D型四大类。第八页，共七十五页。医学超声概述医学超声治疗：一定剂量的超声波作用于人体组织，会产生一定的生物效应，如利用生物效应到达某种医疗目的便构成了超声治疗。超声治疗开始于超声理疗，出现在上世纪30年代。到70年代以后，超声治疗技术取得了长足的开展，不仅传统的超声理疗有了新开展，而且又涌现出一系列新的超声治疗技术，如超声外科、超声治癌及超声碎石等，从而使超声治疗技术进入了一个新的历史开展时期。第九页，共七十五页。超声的概念振动频率>20,000Hz的声波——超声波医用频率2.5—13MHz(常用2.5—5MHz)

第十页，共七十五页。超声波的特点和优点USG特点：对软组织的分辨能力强信息的显示有多种方法USG优点：

无损伤、无痛苦、无辐射实时、快捷、准确、方便第十一页，共七十五页。超声的三个根本物理参数频率(f):声波每秒振动次数，Hz。波长(λ):声波在一个振动周期内所通过的距离，mm声速(C):声波在介质中每秒传播的距离，m/sＣ=f×λλC〔m/s〕人体软组织声速平均为1540m/s第十二页，共七十五页。超声的物理特性⒈指向性⒉反射、折射、散射和绕射⒊吸收与衰减⒋分辨力与穿透力⒌多普勒效应第十三页，共七十五页。

近场远场DθD声源直径θ扩散角频率高，波长短，呈直线传播1.超声波的指向性第十四页，共七十五页。2-1.超声波的反射和折射反射1.声阻抗(z)=介质密度(ρ)×声速(c)△Z＞0.1%即可产生反射2.声阻抗差大，反射强折射两种介质内声速不同可产生折射现象结果：导致入射声束的偏转第十五页，共七十五页。超声波的入射、反射和折射示意图大界面

折射波

入射波

反射波

第十六页，共七十五页。2-2.超声波的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。第十七页，共七十五页。2-3.超声波的绕射

目标大小约为1～2λ或稍小，超声波将绕过该靶目标继续前进，很少发生反射。第十八页，共七十五页。⒊超声波的吸收与衰减声衰减定义：是指声能随着传播距离而减弱的现象衰减量=频率×深度频率高，衰减重原因：吸收损耗、声束扩散、反射和折射第十九页，共七十五页。⒋超声波的分辨力与穿透力频率高，分辨好，穿透差频率低，分辨低，穿透强对应的临床应用：检测浅表器官，采用高频探头检测深部脏器，采用低频探头第二十页，共七十五页。⒌多普勒效应声源与接收体之间的相对运动引起声波频率发生改变的现象，频率的变化称为频移fdfd=f`-f0=Vcosθf0/c

f0为入射超声频率

f`为回声频率V为物体的运动速度

C为声速cosθ为运动方向与声束方向间的夹角

第二十一页，共七十五页。多普勒效应示意图声源目标第二十二页，共七十五页。多普勒效应例如第二十三页，共七十五页。血流信息获取

V=血流速度C=声速

cosθ=血流与探头间夹角血管VC探头θ第二十四页，共七十五页。cosθ＜900，血流迎向探头，fd为正值称为正性频移cosθ＞900，血流远离探头，fd为负值称为负性频移夹角对fd值的影响第二十五页，共七十五页。二、超声成像的根本原理声阻抗特性声衰减特性多普勒效应第二十六页，共七十五页。人体组织的声学特征无回声〔无反射型〕—胆汁、尿液、血液低回声〔少反射型〕—肝、脾强回声〔多反射型〕—血管壁、结石极强回声〔全反射型〕—肺、胃肠道第二十七页，共七十五页。回声类型肝胆汁胆囊壁第二十八页，共七十五页。超声成像的检查方法根本检查方法：A型、M型、B型、D型第二十九页，共七十五页。Ａ型〔超声示波法〕机理：是以波形来显示组织特征的，以波幅变化反映回声情况。主要用于测量器官的径线，以判定其大小。可用来鉴别病变组织的一些物理特性，如实质性、液体或是气体是否存在等。特点：一维波形图，不直观。用途：鉴别液、实性包块，测距。目前临床不再使用。第三十页，共七十五页。A型超声示意图距离振幅A型超声实例第三十一页，共七十五页。Ｍ型〔超声扫描法〕机理：以单声束取样，获得活动界面回声，再以慢扫描方式展开。是用于观察活动界面时间变化的一种方法。特点：一维－时间运动曲线图用途：最适用于检查心脏的活动情况，其曲线的动态改变称为超声心动图，可以用来观察心脏各层结构的位置、活动状态、结构的状况等，多用于辅助心脏及大血管疫病的诊断。第三十二页，共七十五页。M型曲线图第三十三页，共七十五页。Ｂ型〔超声显象法〕机理：用平面图形的形式来显示被探查组织的具体情况。检查时，首先将人体界面的反射信号转变为强弱不同的光点，这些光点可通过荧光屏显现出来，即，不同的光点反映回声变化，用切面显示正常组织与异常组织。特点：二维断面图像，灰阶/彩阶，实时显示，直观。用途：这种方法直观性好，重复性强，可供前后比照，所以广泛用于妇产科、泌尿、消化及心血管等系统疾病的诊断。

第三十四页，共七十五页。第三十五页，共七十五页。肝脏B超心脏B超第三十六页，共七十五页。D型〔超声多普勒法〕机理：利用Doppler原理对心血管内血流进行探测分析，是专门用来检测血液流动和器官活动的一种超声诊断方法，又称为多普勒超声诊断法。频谱多普勒〔PW+CW〕以频谱曲线显示，检测血流动力学参数彩色多普勒血流显像〔CDFI〕彩色编码实时显示血流方向、速度及血流性质用途：可确定血管是否通畅、管腔有否狭窄、闭塞以及病变部位。新一代的D型超声波还能定量地测定管腔内血液的流量。第三十七页，共七十五页。二尖瓣血流CDFI二尖瓣血流－PW第三十八页，共七十五页。其它医用超声检测技术现在还有立体超声显象、超声CT、超声内窥镜等超声技术不断涌现出来，并且还可以与其他检查仪器结合使用，使疾病的诊断准确率大大提高。第三十九页，共七十五页。超声探头与扫查方式常规探头：扇型、线阵型、凸弧型专用探头：腔内探头〔食管、直肠、阴道〕术中探头穿刺探头第四十页，共七十五页。探头类型第四十一页，共七十五页。超声扫查方式示意图线阵型扇型凸弧型第四十二页，共七十五页。凸弧型探头扫查凸弧型B超切面第四十三页，共七十五页。扇型探头扫查扇型探头B超切面第四十四页，共七十五页。线阵型探头扫查线阵型B超切面第四十五页，共七十五页。超声检查前准备根据检查部位的不同而不同⒈腹腔脏器：空腹⒉盆腔脏器：膀胱充盈⒊心脏：忌服影响心肌收缩力的药物⒋表浅器官及外周血管：无须特殊准备第四十六页，共七十五页。超声成像的临床应用确定占位病变的物理性质检查脏器的形态、大小及结构测定心功能检测血流监测胎儿生长发育检测积液随访、介入、术中US健康体检、防癌普查等第四十七页，共七十五页。超声成像的局限性图象易受气体和皮下脂肪的干扰对骨骼、肺、肠道的检查受到限制伪像干扰图象显示范围较小第四十八页，共七十五页。三、超声治疗一定剂量的超声波作用于人体组织，会产生一定的生物效应，如利用生物效应到达某种医疗目的便构成了超声治疗。超声治疗开始于超声理疗，出现在上世纪30年代。超声理疗与我国传统针灸疗法相结合，于80年代研制出超声针刺治疗仪和穴位超声治疗仪。第四十九页，共七十五页。超声-电疗法将声与电两种不同的物理因子结合用于临床治疗即是超声-电疗法。对疼痛症有迅速缓解的作用。低频脉冲电流和中频电流，与超声协同作用于人体，说明其效果均超出了它们各自的单独疗效。第五十页，共七十五页。超声药物透入疗法将药物掺人耦合剂中，通过超声作用，使药物经过皮肤或粘膜透人人体内的一种治疗方法，谓之超声药物透人疗法。超声波进入人体组织时，使组织细胞进入振动状态，类同于细胞受到按摩作用，提高了细胞膜的通透性，从而不仅可以使药物沿着细胞间隙透进人体内组织深部，还可以进入细胞内部，这是直流电药物离子透人疗法所远不及的。第五十一页，共七十五页。通过超声空化等作用，使药液分散成微小的雾滴，借助于呼吸而进入呼吸道，直接作用于病灶进行治疗的一种方法，称作雾化吸入疗法。医用上用于制雾的超声频率取在间，制取的雾滴直径分布可达，雾滴越小越易进入气管深部。如可到达细支气管，可达肺泡导管，那么可进入肺泡。超声雾化吸入疗法第五十二页，共七十五页。下呼吸道极易受细菌等有害微生物侵袭而感染发病，药物雾滴可直接沉积在病灶处，其施药浓度远非其他疗法所及，故而具有药效大、疗效高、用药少的特点。在此疗法中，雾化药液的制备十分重要，选用药物的根本要求是其有效成分必须为水溶性的。常用的药物包括:化痰剂、平喘剂、抗生素、激素等。适于治疗各种急慢性呼吸道感染、慢性阻塞性肺疾患、肺心病伴肺部感染、急慢性鼻炎、鼻窦炎、扁桃体炎、喉结核、支气管内膜结核、肺结核、哮喘等。超声雾化吸入疗法第五十三页，共七十五页。超声外科狭义：超声外科系指以超声手术刀代替通常的手术刀，切除人体病变组织，进行临床外科治疗的一种新技术。设备主要由高频功率源和超声手术刀。包含三个组成局部:超声振动系统、聚能器(亦称变幅杆)和刀头。超声振动系统可以采用夹心式压电换能器或磁致伸缩效应来实现，频率一般取20-30kHz之间。广义：但凡在外科中使用超声技术进行治疗，都属于超声外科的范围。如在骨科、矫正科、眼科、和一般普通外科，甚至美容和减肥等。第五十四页，共七十五页。超声外科一般超声手术刀：超声振动能量通过变幅杆会聚而增强(变幅杆可取阶梯形，线形锥体及指数形椎体等)，从而可使刀头产生高大的位移幅值。超声手术刀可分两大类，一类接触式超声手术刀或超声切割刀，另一类是具有抽吸功能的手术刀，通常称作超声吸引器。超声刀在切割组织时，很容易使组织局部液化，液体组织中的气核在强大超声作用下被激活，便产生空化过程。空化泡崩溃时伴生的局部高温高压、冲击涉及射流等，都足以破坏组织。第五十五页，共七十五页。如果说，一般超声手术刀主要是靠振动加速度切割组织，那么在抽吸式手术刀的切割机制中，声流和空化就将会起更重要的作用。超声手术刀在进行临床手术时，由于人体组织的声学性质不同，在破坏与吸除高含水量的组织细胞的同时，却可使弹性较强的高胶原含量的组织(如血管、淋巴管)保存完好无损，从而可以大大减少出血与感染。超声外科第五十六页，共七十五页。超声外科超声手术刀在进行临床手术时，在破坏与吸除高含水量的组织细胞的同时，却可使弹性较强的高胶原含量的组织(如血管、淋巴管)保存完好无损，可以大大减少出血与感染。超声手术刀的优点如下:〔1〕出血或少出血。〔2〕切割速度快而又省力。〔3〕组织的破坏面小且创缘整齐。〔4〕可层层剥落且随时冲洗吸除，切面清晰，使手术便于进行。〔5〕在某些情况下，还具有焊接与加速组织再生的优点。第五十七页，共七十五页。超声美容作用机理：是利用超声波对人体细胞微按摩及温热效应，其结果是增大了细胞膜的通透性，改善血液和淋巴循环，促进新陈代谢和细胞的再生能力。频率为1.0-3.4MHz,声强为0.25-1.5W/cm2。如超声美容机。第五十八页，共七十五页。超声去脂术(或超声减肥术)超声去脂按如下程序进行:(1)去脂部位局部麻醉。(2)将一种特制溶液注入皮下脂肪层，使之容易产生空化;同时溶液(为低渗液体)大量渗入脂肪细胞内，使其体积膨胀，细胞膜变得薄而脆弱，易于受到空化破坏。(3)将细长的铁合金超声变幅杆声头插入皮下脂肪层，并发射出20kHz的超声波，超声空化作用使脂肪细胞破裂。(4)油脂从脂肪细胞中流出后与注人液体混合成混浊液，经轻轻挤压，混浊液即从变幅杆入口处缓缓流出体外，直到获得理想体形。第五十九页，共七十五页。超声去脂术与传统的负压抽吸术相比，其优点是:〔1〕超声去脂术只选择性地破坏结构疏松的脂肪组织，而不损伤胶原含量较高的神经、血管、淋巴管等及周围组织，故损伤轻，副作用小，术后恢复快。〔2〕只去除脂肪细胞内的液体局部(脂肪酸)，而细胞膜等非液体物质留在原位，使皮肤光滑、平整。〔3〕操作简便，省时，省力。

超声去脂术(或超声减肥术)第六十页，共七十五页。超声治癌超声加热以其平安、便于控制、可加热的深度大等优点而受到重视。温热疗法用于治癌时，一般使癌变组织加热升温到之间，维持一定时间，癌细胞即可被杀死。第六十一页，共七十五页。超声治癌高能冲击波(HESW)疗法：要求冲击波会聚在焦点上的压力需高达35MPa(即350大气压)以上。冲击波巨大的机械破坏力对癌细胞具有明显的杀伤、延缓和抑制作用，而且此法定位准确，不损伤正常组织，属非侵袭性疗法，易为患者接受。高强聚焦超声(HIFUS)疗法：可采用单元或多元聚焦超声辐照系统，使焦点处的声强可达数千乃至上万W/cm的高声强。重要特点是防止或软化了对体内测温的要求。第六十二页，共七十五页。超声治癌高强度肿瘤超声治疗系统〔超声聚焦刀，海扶刀〕第六十三页，共七十五页。超声治癌超声聚焦肿瘤消融机强聚焦超声是一种正在世界各国引起广泛重视的无创局部治疗手段，它利用超声波的声能转化为热能原理，仅用0.25－0.1秒时间便能在其聚焦区组织内产生65℃-100℃以上的高温，从而使肿瘤细胞组织变性、凝固、坏死〔其焦点作用到的地方，肿瘤细胞杀死率可到达100％〕，这是除手术外其他方法实现不了的，因此被国际医学界公认为继手术、化疗、放疗后兴起的全新、平安、高效第四种治疗肿瘤的手段。第六十四页，共七十五页。经颅超声疗法“经颅超声疗法〞是利用超声波可以穿透颅骨、直接作用于脑病变部位的特性，改善脑病变部位的血液循环，提高脑细胞代谢水平，使失去的脑功能得以恢复而创立的治疗方法，简称“脑超声〞。第六十五页，共七十五页。经颅超声疗法治疗性的超声波是每秒钟震动80万次(0.8兆/秒)的一种能量波，它可以使血栓溶解，可以给脑细胞提供一定的能量，提高脑细胞代谢水平。经颅超声治疗是使用一定功率和频率的超声，经颅骨直接作用于脑病变部位起到治疗作用，而一般药物治疗常因药物不能通过血脑屏障而达不到脑病变部位。治疗性超声波“如同用勺子在杯中搅动有助于方糖溶解一样〞帮助血管内血栓溶解，使堵塞的血管再通。超声不仅可以溶栓，还可以提高尿激酶和t-PA的溶栓效果，减少尿激酶的用量，提高治疗的平安性。治疗