教材第四章超聲

1、波類型波類型傳播條件傳播條件傳播能量傳播能量傳播速度傳播速度波實例波實例 電磁波電磁波 真空、介質(zhì)真空、介質(zhì)電磁能電磁能約約3108ms無線電波、光波、無線電波、光波、X、射線射線機械波機械波介質(zhì)介質(zhì)機械能機械能幾百至幾千幾百至幾千ms水波、地震波、水波、地震波、聲波聲波波，根據(jù)其性質(zhì)可分為兩大類：波，根據(jù)其性質(zhì)可分為兩大類： 彈性介質(zhì)中質(zhì)點機械振動狀態(tài)的傳播過程。彈性介質(zhì)中質(zhì)點機械振動狀態(tài)的傳播過程。 其實是機械振動能量的傳播過程。其實是機械振動能量的傳播過程。二、聲波按頻率的分類及醫(yī)用超聲的范圍二、聲波按頻率的分類及醫(yī)用超聲的范圍1.1.聲波按頻率聲波按頻率(f)(f)的分類的分類 f f

2、16 Hz 16 Hz 稱：稱：次聲波次聲波 16 Hzf20 kHz 16 Hzf20 kHz 稱：稱：可聽聲波可聽聲波 f f20 kHz 20 kHz 稱：稱：超聲波超聲波l醫(yī)學超聲儀的頻率范圍：醫(yī)學超聲儀的頻率范圍：200 kHz200 kHz40 MHz40 MHzl超聲診斷儀的頻率范圍：超聲診斷儀的頻率范圍： 1 MHz1 MHz10 MHz10 MHz 相應的波長：相應的波長： 1.5mm1.5mm0.15mm0.15mm三、超聲波（最突出）的特性三、超聲波（最突出）的特性1. 1. 方向性好方向性好用于探測、診斷。用于探測、診斷。2.2.2. 2. 能量大能量大 用于清洗、滅菌

3、、手術(shù)。用于清洗、滅菌、手術(shù)。二、機械波產(chǎn)生的過程二、機械波產(chǎn)生的過程 連續(xù)彈性介質(zhì)中，某一質(zhì)點的振動，通過彈連續(xù)彈性介質(zhì)中，某一質(zhì)點的振動，通過彈性力的作用，傳遞給與它相鄰的質(zhì)點，后者也振性力的作用，傳遞給與它相鄰的質(zhì)點，后者也振動，并繼續(xù)傳遞動，并繼續(xù)傳遞能量傳播，形成機械波。能量傳播，形成機械波。三、超聲波的產(chǎn)生及傳播三、超聲波的產(chǎn)生及傳播 由超聲換能器產(chǎn)生振動，引起接觸劑的振動，由超聲換能器產(chǎn)生振動，引起接觸劑的振動，接觸劑的振動又引起人體皮膚、脂肪及內(nèi)臟的振接觸劑的振動又引起人體皮膚、脂肪及內(nèi)臟的振動，超聲波能量就這樣進入了人體。動，超聲波能量就這樣進入了人體。1. 橫波橫波質(zhì)點振動

4、方向質(zhì)點振動方向垂直于垂直于波的傳播方向的波。波的傳播方向的波。由介質(zhì)的切變彈性引起，亦稱切變波。由介質(zhì)的切變彈性引起，亦稱切變波。橫波僅在橫波僅在固體固體中傳播。中傳播。2. 縱波縱波質(zhì)點振動方向質(zhì)點振動方向平行于平行于波的傳播方向的波。波的傳播方向的波。由介質(zhì)的壓縮彈性引起，亦稱疏密波或壓縮波。由介質(zhì)的壓縮彈性引起，亦稱疏密波或壓縮波?？v波能在縱波能在固體固體、液體液體和和氣體氣體中傳播。中傳播。 由于人體軟組織無切變彈性，橫波在人體軟組織由于人體軟組織無切變彈性，橫波在人體軟組織中不能傳播，而只能以縱波的方式傳播，所以縱波是中不能傳播，而只能以縱波的方式傳播，所以縱波是超聲診斷和治療的常

5、用波型。超聲診斷和治療的常用波型。1. 1. 聲速聲速c c 聲波在單位時間內(nèi)傳播的距離稱聲速，用聲波在單位時間內(nèi)傳播的距離稱聲速，用c c表示。表示。聲速聲速c c與質(zhì)點振動速度與質(zhì)點振動速度v v是不同的。是不同的。c c與以下因素有關(guān)：與以下因素有關(guān)： （1 1）c c與與波類型波類型有關(guān)。橫波有關(guān)。橫波c c縱波縱波c c。 （2 2）在流體與氣體介質(zhì)中（平面縱波）：）在流體與氣體介質(zhì)中（平面縱波）： B B介質(zhì)的體積彈性系數(shù)介質(zhì)的體積彈性系數(shù) 介質(zhì)的密度介質(zhì)的密度 （3 3）c c與與溫度溫度有關(guān)有關(guān)因因B B與溫度有關(guān)。與溫度有關(guān)。 如：空氣中一定溫度內(nèi)每升高如：空氣中一定溫度內(nèi)每

6、升高11，聲速約增加，聲速約增加 0.6m/S0.6m/S。 （4 4）c c與頻率無關(guān)，即無頻散（色散）現(xiàn)象。與頻率無關(guān)，即無頻散（色散）現(xiàn)象。/Bc 人體軟組織中：人體軟組織中： c1540 m/Sc1540 m/S 在人體各種軟組織中在人體各種軟組織中, ,聲速都很接近，可按此估算。聲速都很接近，可按此估算。 人體骨組織中：人體骨組織中： c4000 m/Sc4000 m/S 空氣空氣(22)(22)中：中： c c 345 m/S 345 m/S（1 1）定義）定義 聲場中某點的聲壓與該質(zhì)點振動速度之比稱聲阻抗率聲場中某點的聲壓與該質(zhì)點振動速度之比稱聲阻抗率Z ZP/vP/v 對于平面

7、波，可求得：對于平面波，可求得： Z ZP/vP/vcc 在水和空氣中在水和空氣中, ,還可得：還可得：Z ZP/vP/vcc(B)(B)1/21/2 式中：式中：介質(zhì)密度，介質(zhì)密度，c c 聲速，聲速，BB體積彈性系數(shù)體積彈性系數(shù) （2 2）說明）說明 Z Z只與介質(zhì)本身聲學特性有關(guān)，又稱特性阻抗；只與介質(zhì)本身聲學特性有關(guān)，又稱特性阻抗； Z Z的單位是瑞利，的單位是瑞利，1 1瑞利瑞利1g/cm1g/cm2 2SS； 聲阻抗率越大，超聲縱波速度越快。聲阻抗率越大，超聲縱波速度越快。 體液及軟組織：體液及軟組織： Z1.5Z1.510105 5 瑞利瑞利 氣體及充氣的肺組織：氣體及充氣的肺組

8、織：Z0.0004-0.26Z0.0004-0.2610105 5 瑞利瑞利 骨及鈣化了的組織：骨及鈣化了的組織： Z5.57-8.3Z5.57-8.310105 5 瑞利瑞利（4 4）關(guān)于聲阻抗名稱）關(guān)于聲阻抗名稱 聲阻抗是聲阻抗是“機機- -電類比電類比”中，與電阻抗相類比而稱的。中，與電阻抗相類比而稱的。 “ “機機- -電類比電類比”是用電學的理論、手段研究聲學問題的方是用電學的理論、手段研究聲學問題的方法。因為許多聲學系統(tǒng)與相應的電學系統(tǒng)有相同的微分法。因為許多聲學系統(tǒng)與相應的電學系統(tǒng)有相同的微分方程方程 聲學：聲學：Z ZP/vP/v， 電學：電學：R RU/IU/I， 類比：類比

9、：Z ZR R，P PU U，V VI I 超聲成像只能用于那些有液體和軟組織的、超聲成像只能用于那些有液體和軟組織的、且聲波傳播通路上沒有氣體或骨骼阻擋的那些且聲波傳播通路上沒有氣體或骨骼阻擋的那些區(qū)域。區(qū)域。 在液體和軟組織中，聲速和聲阻抗變化不在液體和軟組織中，聲速和聲阻抗變化不大，使得聲反射量適中，既保證了界面回波的大，使得聲反射量適中，既保證了界面回波的顯像觀察，亦保證了聲波可穿透足夠的深度。顯像觀察，亦保證了聲波可穿透足夠的深度。此外，接收回波的時延與目標深度成近似的正此外，接收回波的時延與目標深度成近似的正比關(guān)系，這是比關(guān)系，這是B超診斷圖像成功應用必要的物超診斷圖像成功應用必要

10、的物理基礎(chǔ)。理基礎(chǔ)。 221r21IZZaZZ介質(zhì)介質(zhì)1介質(zhì)介質(zhì)2透射波透射波反射波反射波入射波入射波界面界面Pt, ItPi, IiPr, Ir0tri21Pr21ZZaZZ2212PtZaZZ11 1Zc222Zc212214ItZ ZaZZ 則則 有反有反射，有透射；射，有透射； 則則 無反無反射，全透射；射，全透射； 則則 幾乎幾乎全反射，無透射；全反射，無透射； 則則 幾乎幾乎全反射，無透射。全反射，無透射。 反射超聲能量的大小取決于兩種介質(zhì)的聲阻抗率差反射超聲能量的大小取決于兩種介質(zhì)的聲阻抗率差 超聲垂直入射時：超聲垂直入射時： 在空氣軟組織交界面上，聲強反射系數(shù)為在空氣軟組織交界

11、面上，聲強反射系數(shù)為0.99890.9989；在軟組織顱骨交界面上，聲強反射系數(shù)為在軟組織顱骨交界面上，聲強反射系數(shù)為0.320.32。即在這。即在這兩種界面上，有兩種界面上，有99.999.9和和3232的超聲能量被反射回來。的超聲能量被反射回來。這就是為什么超聲診斷儀不能檢查含氣體的臟器及對頭這就是為什么超聲診斷儀不能檢查含氣體的臟器及對頭顱檢查困難的原因。顱檢查困難的原因。 超聲診斷儀檢查時聲波通路上必須避開骨和空氣。超聲診斷儀檢查時聲波通路上必須避開骨和空氣。12ZZ12ZZ12ZZ12ZZ, 0, 0trIIaa, 1, 0trIIaa, 0, 1tIrIaa, 0, 1tIrIaa

12、 在超聲換能器中，超聲要通過幾層特性阻抗不同在超聲換能器中，超聲要通過幾層特性阻抗不同的介質(zhì)進行傳播。的介質(zhì)進行傳播。 這里只討論最簡單的情況，即假設(shè)平面超聲波垂這里只討論最簡單的情況，即假設(shè)平面超聲波垂直入射，通過三層介質(zhì)。如圖：直入射，通過三層介質(zhì)。如圖： 可以求得：可以求得：式中：式中：I I1 1 第一層介質(zhì)中的入射波能量第一層介質(zhì)中的入射波能量I I3 3 第三層介質(zhì)中的透射波能量第三層介質(zhì)中的透射波能量 介質(zhì)介質(zhì)2 2中的波數(shù)中的波數(shù)L L2 2 中間層厚度中間層厚度 （1 1）當）當 ，n=1,2, n=1,2, （L L2 2為半波長的為半波長的整數(shù)倍整數(shù)倍) )時時 或或 ，

13、且非，且非Z Z2 2ZZ1 1, Z, Z2 2Zd。 當當d d與與可比，則發(fā)生繞射。例如膽結(jié)石。可比，則發(fā)生繞射。例如膽結(jié)石。 當當dd，則發(fā)生散射。例如紅細胞。，則發(fā)生散射。例如紅細胞。 條件：條件：dd； 現(xiàn)象：小障礙物變成新的波源，并向四周發(fā)射超聲波；現(xiàn)象：小障礙物變成新的波源，并向四周發(fā)射超聲波； 回波：散射信號的回波大小與入射角無明顯關(guān)系；回波：散射信號的回波大小與入射角無明顯關(guān)系； 應用：運動的紅細胞散射應用：運動的紅細胞散射超聲多普勒血流儀；超聲多普勒血流儀； 臟器內(nèi)小結(jié)構(gòu)散射臟器內(nèi)小結(jié)構(gòu)散射BB超臟器結(jié)構(gòu)性質(zhì)顯像。超臟器結(jié)構(gòu)性質(zhì)顯像。 2. 2. 繞射繞射 條件：條件：d

14、 d與與接近；接近； 現(xiàn)象：障礙物邊緣超聲波繞過障礙物繼續(xù)前進；現(xiàn)象：障礙物邊緣超聲波繞過障礙物繼續(xù)前進； 應用：膽結(jié)石邊緣發(fā)生繞射，在其后方形成聲影，應用：膽結(jié)石邊緣發(fā)生繞射，在其后方形成聲影， 以此判別是否膽結(jié)石。以此判別是否膽結(jié)石。 一、一、超聲衰減的定義超聲衰減的定義 超聲強度隨傳播距離增加而減弱的現(xiàn)象，稱超聲衰減。超聲強度隨傳播距離增加而減弱的現(xiàn)象，稱超聲衰減。 二、二、超聲衰減的原因超聲衰減的原因 擴散聲束擴散，使聲波原方向聲強減弱。擴散聲束擴散，使聲波原方向聲強減弱。 散射介質(zhì)散射，也使聲波原方向聲強減弱。散射介質(zhì)散射，也使聲波原方向聲強減弱。 吸收介質(zhì)的吸收將聲能轉(zhuǎn)化為熱能，超

15、聲能量減少。吸收介質(zhì)的吸收將聲能轉(zhuǎn)化為熱能，超聲能量減少。 ( () ) 粘滯吸收：介質(zhì)質(zhì)點運動時相互摩擦；粘滯吸收：介質(zhì)質(zhì)點運動時相互摩擦； ( () ) 弛豫吸收：介質(zhì)的傳導造成熱能輻射。弛豫吸收：介質(zhì)的傳導造成熱能輻射。 （1 1）平面波在均勻生物組織中傳播時，有指數(shù)型關(guān)系）平面波在均勻生物組織中傳播時，有指數(shù)型關(guān)系 式中，式中，I I0 0,P,P0 0 x=0 x=0處的聲強、聲壓有效值處的聲強、聲壓有效值 介質(zhì)的聲壓衰減系數(shù)介質(zhì)的聲壓衰減系數(shù) （2 2）聲壓衰減系數(shù)）聲壓衰減系數(shù) 與擴散、散射、吸收等因素有關(guān)。一般與擴散、散射、吸收等因素有關(guān)。一般 在人體軟組織，并診斷用超聲頻率范

16、圍內(nèi)在人體軟組織，并診斷用超聲頻率范圍內(nèi)式中，式中，介質(zhì)的超聲衰減常數(shù)。可查表得。介質(zhì)的超聲衰減常數(shù)。可查表得。 單位：單位： (mm)(mm)-1-1, ,s/mm,s/mm,fMHz.fMHz. xeIxI20 xePxP0 fFf 超聲波是一種依靠介質(zhì)來傳播的聲波，它具有機械超聲波是一種依靠介質(zhì)來傳播的聲波，它具有機械能。因此傳播過程中將不可避免地與介質(zhì)相互作用，產(chǎn)能。因此傳播過程中將不可避免地與介質(zhì)相互作用，產(chǎn)生各種效應。生各種效應。 一、機械效應一、機械效應聲波能量作用于介質(zhì)，會引起質(zhì)點高速細微的振動，聲波能量作用于介質(zhì)，會引起質(zhì)點高速細微的振動，產(chǎn)生速度、加速度、聲壓、聲強等力學量

17、的變化，從而產(chǎn)生速度、加速度、聲壓、聲強等力學量的變化，從而引起機械效應。引起機械效應。 利用利用：引起細胞的摩擦，能促進新陳代謝。：引起細胞的摩擦，能促進新陳代謝。 注意注意：必須控制適當?shù)膹姸?。：必須控制適當?shù)膹姸?。由于生物組織對超聲有吸收作用，一部分聲能轉(zhuǎn)化由于生物組織對超聲有吸收作用，一部分聲能轉(zhuǎn)化為熱能，使生物組織產(chǎn)生溫升。為熱能，使生物組織產(chǎn)生溫升。 利用利用： 能使局部血管擴張，加快血液循環(huán)，促進病能使局部血管擴張，加快血液循環(huán)，促進病理產(chǎn)物的吸收消散。理產(chǎn)物的吸收消散。 局部加熱至局部加熱至4343o oC C，配合放射化療治療癌癥。，配合放射化療治療癌癥。 注意注意：強度適當

18、。：強度適當。 三、空化效應三、空化效應因超聲波作用而在軟組織和液體中形成的空泡，會因超聲波作用而在軟組織和液體中形成的空泡，會隨著材料各處壓力的變化而改變其大小，在一定超聲壓隨著材料各處壓力的變化而改變其大小，在一定超聲壓力情況下，氣泡會破裂而產(chǎn)生沖擊，引起材料的破碎或力情況下，氣泡會破裂而產(chǎn)生沖擊，引起材料的破碎或位移，這就是空化效應?？栈泻艽蟮钠茐淖饔梦灰疲@就是空化效應?？栈泻艽蟮钠茐淖饔?。 利用利用：可制成超聲手術(shù)刀。：可制成超聲手術(shù)刀。 注意注意：避免強超聲照射眼睛、懷孕子宮：避免強超聲照射眼睛、懷孕子宮因局部壓力和溫度的升高，發(fā)生常溫常壓下不可能因局部壓力和溫度的升高，發(fā)生常溫常壓下不可能發(fā)生的化學反應，這是超聲的化學效應。發(fā)生的化學反應，這是超聲的化學效應。 五、安全劑量