超声物理学课件

超声物理学基础日照市人民医院赵霞

第一章物理基础

一、超声波基本物理量

（一）声源、介质

1、声源

我们把能发出声音的东西叫做声源。振动是产生声波的根源。

在超声成像中，探头晶片发射时即产生超声，所以探头晶片就是声源。

2、介质声源和接收声音之间的空间充满了气体(空气)，或是液体，或是固体，即有种传播声音的媒介物——介质。声波必须在介质中传播，在真空中声波是不能传播的。

在超声诊断中，人体脏器、器官都是介质。介质的声学特性与成像的关系非常密切。

超声与声音除了频率高低有别外，它们在本质上是一致的，都是一种机械振动，并以确定的速度通过介质。2

（二）频谱图与超声波

1。谱图

在很宽的频率范围内，机械波和振动都可以产生声音，这种频率范围叫做声学频谱。这个频谱从可听范围到构成物质振动状态的声子的范围（>1012），在图1-1-1谱图中给出了声学频谱的图形解释。

2。超声波

人们能听到的声音，大约是20～20000Hz。高于20000Hz的声音叫做“超音”，也就是通常所说的超声波

图1-1-1声学频谱图

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（三）超声波应用范围

在20到100KHz的频率范围内，很多动物都用超声波进行交流、导航及追捕它们的猎物。

从100KHz（105Hz）到1MHz（106Hz），超声波最重要的应用就是声呐（声音导航及测距）。

2.5MHz到5MHz的频率用于心脏、腹部及软组织成像。这些频率能穿透组织可到达20-15cm的深度。

5-10MHZ的频率的超声波可以用于小器官的成像，例如：腮腺、甲状腺、颈部血管及眼睛显像，它只需要4-5cm的穿透深度。

10-30MHz用于皮肤及血管内检查，可以获得高分辩力的图像。

40-100MHz用于生物显微镜成像，对眼活组织表面下的显微诊断。4

（四）超声波的三个基本物理量

1、超声波的振态

超声波的振态在固体中有纵波

、横波和表面波三种，而在液体和气体中只有纵波振态，在超声诊断中应用的是超声纵波。

2、超声波的三个基本物理量

超声波有三个基本物理量，即波长（wavelength,λ）,频率（f）和声速(velocity,C),它们之间的关系为：

C=λ×f也就是λ=C/f

（1-1-1）

频率即一秒钟内声源振动的次数,以赫兹为单位，并常用1kHz、1MHz（1Hz=1次/秒）。频率是周期的倒数，如振动周期为T，则f=1/T。

声速声波在某种介质中的传播速度，即一秒钟传播的距离，单位为米/秒（m/s）。它与介质的弹性（K）和密度（ρ）有关,

而与超声的频率无关。声速在决定声阻抗以及回声测距精度上是重要因素。超声在人体软组织中平均速度为1540m/s,探测1cm深度目标所需时间为13.4μs.5

波长

压力波的波峰被特殊的距离所分开，这个距离叫波长（λ）。波长表示声波在介质中传播时，两个相邻的周期质点之间的长度。对纵波来说，是两个相邻的稠密区（压缩区）中心点的波动距离。振动的传播过程就是波动（wavemotion）

（a）传播声波的媒质（介质）的分子

(b)波长为λ的平面连续压缩波的压力分布图1-1-2质点振动传播声波6

(五)声速、波长与介质的关系

1、声速与介质的关系（1）.同一介质不同频率的探头在同一介质中传播时声速基本相同。所以用不同频率的探头检查肝脏时，声速基本相同。（2）.不同介质

同一频率的超声波在不同介质中传播的声速是不同的，例如：1MHz超声波在0℃的水中为150Om／s；在0℃的钢材中为6000m／s；在人体软组织中平均声速为1540m／s。如图1-1-3所示：生物材料（组织）中的超声速，粗横条代表实验测得的速度范围。

人体软组织的声速分布在1500m/s～1680m/s之间,利用超声方法对软组织测距存在一定的误差。而骨组织的声速则高于2800m/s、肺组织的声速大约在1200m/s以下，了解人体不同组织声速的分布对判断由超声测量引起的误差是很有帮助的。图1-1-3生物材料中的超声速

横条代表实验测的的速度范围72、波长与介质的关系

（1）同一介质不同频率的超声波，在同一介质内传播时其波长与频率成反比。

1MHz的超声波在人体软组织中传播时，其波长为1.5mm。

3MHz的超声波在人体软组织中传播时，其波长为0.5mm。

5MHz的超声波在人体软组织中传播时，其波长为0.3mm，

所以频率越高的超声波在同一脏器组织中传播其波长愈短。

例如：用高频率的探头检查肝脏其波长也愈短。

（2）不同介质

同一频率的超声波，在不同介质内传播，因传播声速不同，则波长也不相同。频率为3MHz的超声波在人体软组织中传播时，其波长为0．5mm，而在空气中传播，其波长为0.114mm。所以用同一种探头检查人体不同的组织时，由于声速存在差异，所以波长也是不相同的。8

二、超声波的物理性能

（一）、超声波对组织作用的信息变化

超声波入射人体组织后，超声波的能量将发生衰减，其损失包括吸收和反射，如图1-1-4所示

图1-1-4超声作用于人体组织的信息变化9

（二）．超声波的反射是超声成像的基础

1．分界面上的反射在两种不同介质的分界面传播时就可能发生反射和折射。图l-1-5表示一种简单的情况，所示其反射性能受到介质特性阻抗的影响。分界面两边的特性阻抗差将决定入射超声如何在透射和反射之间分配。图1-1-5分界面上的反射

2、介质的特性阻抗介质特性阻抗Z等于它的密度ρ和超声在其中的速度C的乘积，即：

Z=ρ×C(l-1-2)

物质的密度一般是固体＞液体＞气体，超声在介质中的速度是固体＞液体＞气体，故声阻抗值一般也是固体＞液体＞气体。人体软组织及实质性脏器的密度、声速和声阻抗与水相接近(因脏器内水的成份约占60～70％)。10

3,镜面反射如果特性阻抗相等，即Z1＝Z２时，称为均匀介质，则不产生反射，如果特性阻抗不同，一部分超声波被反射。和光学情况一样，反射角等于入射角。这种反射称为镜面反射。其反射的能量占入射能量的比例，在入射方向垂直于分界面时是最简单的情况。此时图1-2-3超声波的反射与透射式中Z1是入射边介质的特性阻抗，Z2是透射边介质的特性阻抗，反射程度取决于Z1和Z2的相对值。Qi为声波入射角,Qr为反射角,Qi=Qr,Qj为透射角。（1-2-2）(反射系数)R1=11

4.阻抗差异大的界面反射特性从(l-1-3)或可知，当Z1和Z２相差很大时，无论Z1》Z２(固体气体)或Z1《Z２

(气体固体)将会发生近乎全部反射而没有透射。如在水和空气的界面上，其中：

Z水＝1.492kg／m2／s(kgm-2s-1)，

Z气=0.00428(kgm-2s-1)，则反射回来的能量比为：

此时入射超声能量中有99％被反射，由此可见，超声从液体(或固体)向气体中传播几乎是不可能，反之从气体向液体(或固体)中传播也几乎不可能。为什么说超声在人体诊断中对肺组织是困难的，就是因为肺组织中充满气体的缘故。按同样的道理，在临床诊断时，要在探头与人体受检部位之间涂上足够的超声耦合剂，以减少空气对声波传送的影响。12

5、阻抗差异小的界面反射特性

如果Z1和Z２相当接近，则反射很少。但只要有1‰的声阻抗差，就会产生反射波，所以超声波对软组织分辨力很高。软组织的特性阻抗彼此非常接近，垂直于肝一肾分界面的人射声波中反射回肝中的部分大约只占入射波能量的6％。其余的94%透过界面送入肾。图1-1-7示出生物材料的特性阻抗。

图中水平横条代表文献中报导的测量范围,软组织的特性阻抗都相当接近1.5×106kgm-2s-1,因此它们的密度大致都在1000kg/m3左右,声速一般为1500m/s.但肺的密度及声速都低得多,而骨骼的相应值侧高得多。

界面反射是超声波诊断的基础。

图1-1-7

生物材料的特性阻抗13

（三）、反（背）向散射是超声成像的重要信息来源

1、散射

在介质特性以粗糙表面、小障碍物或一组小障碍物形式出现时(只有几个波长或更小)，上面计算平面分界面上反射量的公式就不能用，这时将有一部分能量被散射(Scattering)，其程度决定于几何条件。如图1-1-8所示。每块面积把入射平面波作为球面子波加以散射，各子波组合起来便形成再发射的超声分布。（a）孤立的小点不连续性所引起的球面散射(b)粗糙表面上的散射，散射场是各孤立球面子波的合成。(c)一组小的颗粒引起的不连续性散射，散射场为各子波合成。图1-1-8引起超声散射的三种情况14

2．反（背）向散射在大小与超声波波长可比或比之更小的脏器或组织内部的微小结构上进行的超声波的散射对形成软组织的超声图像起了重要的促进作用，可以认为超声波的这种反向散射形式构成了超声图像中的决定性的信息，是超声成像法研究内部结构的重要依据。标志反向散射的数量和定量参数称为反向散射系数μb，定义为：

μb=（1-1-4）

从组织中反向散射的能量(参考能量)(立体角)(距离)式中：参考能量等于脉冲的总能量。

所以超声成像的回声来源是：超声波的背向散射及镜面反射。

3．红细胞散射

在研究红细胞运动规律时，反向散射（Backscattering）是极有用的超声信息。

超声束内红细胞的数量越多，散射源也就越多，超声探头接收的反向散射信号的强度也就越大。

红细胞数目的多少与频移范围无关。

采用频谱多普勒技术研究红细胞（血流）运动规律时，其信号是来自红细胞背向散射。

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（四）超声波的折射

1．折射系数由于超声在分界两边的声速不同，其声速之比决定折射（Eeflection）程度。其间关系是：

式中θi为入射角，为θj折射角，C1为入射边介质中超声声速，C2为透射边介质中超声声速。根据超声波束的折射原理，采用超声速较大或较小，而衰减系数又很小的材料作成超声聚焦透镜（Focusinglens），使声束聚焦至焦平面处，集中超声能量，以有利于提高临床诊断效果。当两种介质的声速相差甚大时，由于折射引起被测目标的变形，即产生伪象。

（1-1-5）16

2．全内反射折射角的大小取决于两种媒质的声速比n=c1/c2，当c2＞c1时,则折射角

j>i，当入射角由

0

逐渐增大到某一角度

ik时,将有

j=90°,即折射波沿界面传播，如图1-1-9所示图1-1-9全内反射角临界示意图

而当入射角超过θik时,入射声能将全部反射到媒质1中,故θik称为”全内反射临界角”。在临床检查中,应使探头放置正确的角度,以避免由”全内反射”引超的图像伪差。临界角引起全内反射17

(五)超声波的声场特性

1.声场分布:所谓超声场(Ultrasoundfield),系指超声在弹性介质中传播时,介质中充满超声波能量的空间区域,叫作超声波的声场。由换能器发出超声之后,呈狭窄的圆柱形分布,其直径与换能器压电晶体之大小相接近,有明显的方向性,故称为超声束(Ultrasonicbeam).图1-1-10声速指向性

2、声束副瓣近场区是一个复瓣区。形成许多大小不一的超声组成的“花瓣”，如图1-1-10所示。只有其中心区利于诊断。副瓣在超声扫描时将产生伪象。18

（六）超声波的衰减特性

衰减的主要影响是逐步减弱由深处反射回声的振幅，使它们更难以检测。在诊断中，要使用STC以补偿声能的衰减。

1、引起超声强度衰减原因：

（1）由于“内摩擦”，超声波机械能变为热能被组织“吸收”。

（2）由于声束发散，散射及反射引起声束方向改变如图1-1-11所示

引起超声强度衰减的过程由于发散、散射或反射引起的波束方向改变，使得流经某一特定面积的超声波能量减小。图1-1-11超声能量的衰减过程19

2、衰减的表达式

声波的声强I0与其传播距离X的关系为：Ix＝IOe—2αx

Ix为离声源距离x点的超声声强，x为离声源之距离，以厘米表示，e为自然对数之底，等于2.71。式中I0是x＝0处的声强，α为振幅衰减系数，是吸收和散射贡献的总和，即α=αa+αs，它几乎随频率而线性增加。声强或声压的衰减吸收以分贝(dB)作单位。

分贝是个对数单位，采用它可以把相当大的电压比值用相当小的数值来描述振幅比值。6dB代表系数2，20dB代表系数1.0,-6dB代表数0.5，-20dB代表系数0.1。注意这些关系是很必要的。组织的衰减系数用dB／cm作单位，生物组织的衰减系数不只决定组织的厚度，而且也决定于超声的频率，生物组织的衰减系数与频率成正比，所以频率高的超声波在人体组织中衰减愈大，只适用浅部器官的检查。20

3、人体组织衰减程度一般规律

人体软组织对超声波的吸收不仅与媒质的物理特性有关，而且与其生理状态有关。从临床实验得知，正常组织与病变组织对超声的反应不同，癌组织对超声吸收较大，炎症组织次之。血液和眼前房液的吸收最小；肌肉组织的吸收有所增加；纤维组织和软骨则能吸收大量能量；骨质的吸收更大。

即：骨（或钙化）>肌腱（或软骨）>肝脏>脂肪>血液>尿液（或胆汁）液体内含蛋白成分的声衰越大，组织中含胶原蛋白和钙质越多，声衰减越大，21人体不同组织的声衰减比较22

（七）超声波的衍射

超声波在介质内传播过程中，如遇声阻不同的障碍物时，则声束方向和声强将发生改变，其变化的程度与障碍物之大小及声阻有关。若障碍物的直径大于λ／2。在该障碍物表面产生回声反射，在其边缘有少量绕射发生。若障碍物直径等于或小于λ／2时，超声即绕过该障碍物而继续前进，反射则很少。这种现象叫做衍射(diffraction)。故超声波波长愈短，能发现的障碍物愈小，这种发现障碍物之能力，称之为显现力。发生衍射现象时，在障碍物的后方有一块没有声振动的区域，称为“声影”区。

散射和衍射的重要区别在于散射时小障碍物又将成为新的声源，并向四周发射超声波；而衍射时，超声波仅绕过障碍物的边缘前进。23

（八）超声波的干涉

当两个或两个以上的声源同时向周围传播，介质内有些质点因为两个声波的叠加，使振动幅度增加；有些质点则可以相互产生减弱作用。这种现象叫做声的干涉。如图1-1-12所示。图1-1-12波的干涉a为幅度加倍，

b为相互抵消，合成为零，c为部分加强，部分减弱。24

三,超声波的分辨力、穿透力

分辨力能在荧光屏上被分别显示为两个点的最小间距的能力。依方向不同可分为轴（纵）向分辨力和侧（横）向分辨力。

(1)轴向分辨力

轴向分辨力是指声束穿过介质中能被分辨为前后两点的最小间距，它与超声波的频率成正比。从单纯理论上计算所能测到物体的最小直径，叫做最大理论分辨力。在数值上为1/2λ。在实际的B型超声设备中，轴向分辨力可以达2mm以下。图1-2-10表示出不同频率的超声波的轴向分辨力。图1-2-13轴向分辨率与频率的关系25

(2)侧向分辨力

侧向分辨力是指与声束相垂直的面上，能被分辨两点的最小间距。它与超声束的宽窄带有关。声束越窄（细），其侧向分辨力越好。如图1-2-11所示：图1-2-14声束宽窄与侧向分辨力的关系26(3)分辨力的测量

通常采用生物模块来测量超声波的轴向和侧向分辨力，图1-1-16（A）为生物模块的照片。1-1-16（B）为实测的分辨力。图1-1-15（A）生物模块图1-1-15（B）为实测的分辨力图片27(4)、穿透力

分辨力的增加将以穿透力的损失为代价。所有的人体组织都表现出随频率增加超声衰减也增加。

典型软组织衰减系数为0.5dB/mmMHZ.

3MHz系统可达到最大穿透力为220mm（a）

5MHz系统可达到最大穿透力为150mm（b）

10MHz系统可达到最大穿透力为50mm（c）

60MHz系统可达到最大穿透力为5mm（d）

由于人体软组织对超声的吸收衰减系数不同，其波长对探查结构的容许尺寸的因素是有帮助的。应针对不同部位的诊断，可选择不同频率的超声探头。图1-1-16在理想成像情况下，

穿透力相对频率的关系abcd28

四,超声生物效应

一定强度的超声在生物体中传播时，通过它们之间一定的相互作用机制（热机制、机械机制或空化机制）致使生物体系的功能和结构发生变化。

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(1)．空化作用：

所谓空化作用就是指在液体中产生强超声时，会出现一种类似雾状的气泡，此种现象称超声空化作用。这种现象类似日常生活中所遇到的轮船推进器在产生推动力的同时会溅出气泡那样。这种空化作用使超声具有强烈的破坏作用。

由于生物组织大多数属软组织，因此，在超声作用下，其细微结构多少会发生形变。

在较大强度超声的作用下，如超声治疗所用的1W/cm2以上的剂量，则生物组织会由于超声空化作用而产生不能复原的破坏性形变，以至使细胞坏死和整个生物组织坏死，这种强度剂量在超声治疗中，用以粉碎结石、血栓。在外科手术中，用更强的超声来作为非侵入性手术刀。但作为超声诊断，一般是禁止使用这种剂量的。

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(2)热作用：

生物组织在超声机械能的作用下，由于沾滞吸收，将一部分超声能转化为热能，使生物组织的温度上升。当超声辐射达到治疗剂量的强度时，热作用明显，并能使热量深入人体组织器官，甚至还会随着血液传导热能。在用超声进行治疗中得知，频率为800KHz、剂量为4w/cm2的超声照射20s后，会在组织器官0.2~3cm的深处产生热作用，而起到治疗效果。(HIFU)

(3)化学作用:超声的空化作用和热作用与化学作用是有机联系的；化学作用是氧化和还原作用。在高剂量超声情况下，因超声的化学作用还会破坏有机结构的蛋白质

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(4)、超声诊断的安全因素超声诊断仪的输出脉冲声强是关系到人身安全的问题，尤其是孕产妇、胎儿影响更甚，超声诊断仪的超声源已列入国家强制检定项目。美国的510（K）导侧对于超声诊断设备的超声辐射。针对人体不同部位作规定

声强的定义

空间峰值时间平均超强——Ispta

：在声场中或某一指定平面上的时间平均声强的最大值。单位为w/cm2。空间峰值脉冲平均声强——Isppa

：在声场中或某一指定平面内的脉冲平均声强的最大值。单位为w/cm2。最大声强度Imax：在空间最大值处，具有最大时间平均声强的脉冲半周期内的时间平