超聲醫(yī)學(xué)的物理基礎(chǔ)-醫(yī)學(xué)課件

1、第一章 超聲醫(yī)學(xué)的物理基礎(chǔ) 10/15/20221第一章 超聲醫(yī)學(xué)的物理基礎(chǔ) 10/11/202第一節(jié) 聲波的定義10/15/20222第一節(jié) 聲波的定義10/11/20222一、定義 定義：物體的機(jī)械性振動在具有質(zhì)點(diǎn)和彈性的媒介中 的傳播現(xiàn)象稱為波動，而能引起聽覺器官有聲 音感覺的波動則稱為聲波。振源 ：聲帶、音叉、鼓面介質(zhì)：空氣、人體組織接收：鼓膜、換能器分類：縱波、橫波10/15/20223一、定義 定義：物體的機(jī)械性振動在具有質(zhì)點(diǎn)和彈性的媒介中振源二、縱波定義：即介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)沿傳播方向運(yùn)動的波。 介質(zhì)發(fā)生周期性疏密 變化，為脹縮波。 存在于理想流體（氣體和液體)中。 除骨路、肺外人體組

2、均以縱波傳播。 診斷與治療的超聲主 要是縱波傳播。10/15/20224二、縱波定義：即介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)沿傳播方向運(yùn)動的波。10/11/三、橫波定義：是指介質(zhì)中的質(zhì)點(diǎn)都垂直于傳播方向運(yùn)動的波 只能使介質(zhì)形變，不 能體變，為畸變波 存在于高粘滯液體或 固體。 人體骨骼不但傳播縱 波，還傳播橫波。10/15/20225三、橫波定義：是指介質(zhì)中的質(zhì)點(diǎn)都垂直于傳播方向運(yùn)動的波10第二節(jié) 聲波的物理參數(shù)10/15/20226第二節(jié) 聲波的物理參數(shù)10/11/20226一、頻率與周期定義：介質(zhì)在每秒鐘內(nèi)振動的次數(shù)為頻率（f）,單位 為Hz，而在平衡位置來回振動一次的時(shí)間則稱 為周期（T）。 20000Hz：超聲

3、波 醫(yī)用常為：210MHz10/15/20227一、頻率與周期定義：介質(zhì)在每秒鐘內(nèi)振動的次數(shù)為頻率（f）,單二、聲速 定義：指聲波在傳播介質(zhì)中的運(yùn)行速度，用c表示。 在不同的介質(zhì)中聲速有所差別，它取決于介質(zhì)的彈性（k）和密度（）。通常，彈性（）密度（）比大的物體聲波傳播的速度高，反之則低，即： 10/15/20228二、聲速 定義：指聲波在傳播介質(zhì)中的運(yùn)行速度，用c表示。 二、聲速 從聲波傳播速度考慮，人體組織可分類： 軟組織：約1541m/s 氣 體：約350m/s 骨 骼：約3852m/s 醫(yī) 用：以軟組織的 平均聲速 t 組織厚度= 2 可通過聲速測量軟組織的厚度10/15/20229二

4、、聲速 從聲波傳播速度考慮，人體組織可分類三、波長 定義：聲波在完成一次完全振動的時(shí)間內(nèi)所傳播的距 離稱為波長，以表示。 超聲在同一介質(zhì)中傳播時(shí)，由于聲速已確定不變，頻率與波長間的關(guān)系為：頻率愈高則波長愈短；頻率愈低則波長愈長，兩者間呈反比。10/15/202210三、波長 定義：聲波在完成一次完全振動的時(shí)間內(nèi)所傳播的距 綜上所述 頻率、聲速與波長間的關(guān)系如下： c = 或 c=f f 周期(T)為頻率的倒數(shù)，即： 故： 或 10/15/202211綜上所述 頻率、聲速與波長間的關(guān)系如下： 四、聲阻抗定義：介質(zhì)中某點(diǎn)的聲壓P與質(zhì)點(diǎn)振動速度V之間比為 該點(diǎn)的聲阻抗（Z）。意義：表示介質(zhì)傳播超 聲

5、波能力的重要 物理量。數(shù)值：決定與介質(zhì)密度 與該介質(zhì)中的 聲速C。Z=C 單位為Kgm2s10/15/202212四、聲阻抗定義：介質(zhì)中某點(diǎn)的聲壓P與質(zhì)點(diǎn)振動速度V之間比為意第三節(jié) 超聲波的特性10/15/202213第三節(jié) 超聲波的特性10/11/202213一、聲反射 定義：聲波傳播到兩種阻抗不同的介質(zhì)界面上， 如界面尺寸遠(yuǎn)大于波長時(shí)，便會引起部 分或全部聲能的返回。 反射波的聲壓與入射波的聲壓成正比，并與兩種介質(zhì)的聲特性阻抗、聲速和入射角等因素有關(guān)。10/15/202214一、聲反射 定義：聲波傳播到兩種阻抗不同的介質(zhì)界面上， 一、聲反射 反射定律：入射角i的正弦與反射角r的正弦之比，等

6、于入射波在第一介質(zhì)中的聲速Cl與反射波在同一介質(zhì)中的聲速C1之比。 Sini Cl Sinr C1 10/15/202215一、聲反射 反射定律：入射角i的正弦與反一、聲反射 兩種介質(zhì)的聲特性阻抗相差越懸殊，聲反射就越強(qiáng)烈；反之，聲反射就弱，其強(qiáng)弱可用反射系數(shù)Kp來表示。 Kp與界面兩邊介質(zhì)的聲阻抗Z1和Z2的關(guān)系公式如左： Z1Z2Kp cos Z1Z210/15/202216一、聲反射 兩種介質(zhì)的聲特性阻抗相差越懸一、聲反射 當(dāng)超聲波垂直入射界面時(shí)，即ir0 時(shí)，則反射系數(shù)Kp為： Z1Z2 Kp Z1Z210/15/202217一、聲反射 當(dāng)超聲波垂直入射界面時(shí)，即ir0一、聲反射 當(dāng)Z

7、1Z2時(shí)， p0 ， 無反射 當(dāng)Z1Z2或Z1Z2時(shí)， 有反射 如Z1Z2或Z1Z2時(shí)， 全反射 利用反射，提取信息，進(jìn)行診斷 皮膚與空氣聲阻差大，用耦合劑 不適肺、腸、骨等組織器官檢查結(jié)論：超聲波在界面上反射的大小取決于 界面兩邊介質(zhì)的聲阻差。10/15/202218一、聲反射 二、折射 定義：因介質(zhì)中聲速的空間分布而引起的聲傳 播方向改變的過程。折射定律：入射角i的正弦與折射角t的正弦之比，等于入射波在第一介質(zhì)中的聲速cl與折射波在第二介質(zhì)中的聲速c2之比，即： Sini Cl Sint C2 10/15/202219二、折射 定義：因介質(zhì)中聲速的空間分布而引起的聲傳折射定律：二、折射 使

8、折射角為90時(shí)的入射角稱為臨界角，當(dāng)入射角超過臨界角時(shí)，相應(yīng)的折射波消失，出現(xiàn)全反射。 側(cè)方聲影誤診； 錯(cuò)位影響穿刺； 全反射無法檢查。 作超聲檢查時(shí)，需盡可能將聲束垂直于界面，否則將會引起：10/15/202220二、折射 使折射角為90時(shí)的入射角稱二、折射 當(dāng)聲波從一種小聲速介質(zhì)向大聲速固體介質(zhì)入射時(shí)，聲波經(jīng)過這兩種介質(zhì)的分界面后出現(xiàn)折射波，而且其折射角大于入射角，反之亦然。10/15/202221二、折射 當(dāng)聲波從一種小聲速介質(zhì)三、繞射 超聲波在介質(zhì)中傳播過程中，遇到尺寸相當(dāng)于聲波波長的聲阻抗界面時(shí)，聲波將繞過此界面，繼續(xù)向前傳播，致使超聲波無法檢測到該障礙物，這種現(xiàn)象稱為聲波的繞射。1

9、0/15/202222三、繞射 超聲波在介質(zhì)中傳播過程中，遇到尺寸四、散射 定義：超聲波在介質(zhì)中傳播過程中，如遇到尺寸遠(yuǎn)小于 聲波波長的聲阻抗界面時(shí)，則聲波將使其成為新 的聲源，使得聲波能量向四面八方發(fā)射，這種現(xiàn) 象稱為聲波的散射。 超聲儀收到的聲波是背向 散射。 血流中的紅細(xì)胞是多普勒 超聲檢測血流的基礎(chǔ)。 各種軟組織從微觀的角度 看都非均勻組織，均可產(chǎn) 生超聲波的散射。10/15/202223四、散射 定義：超聲波在介質(zhì)中傳播過程中，如遇到尺寸遠(yuǎn)小于 四、散射 散射的強(qiáng)弱不僅取決于界面的聲阻差，而且還與障礙物的大小和數(shù)量有關(guān)，此外還與聲波的頻率有著密切的關(guān)系，通常散射強(qiáng)度與聲波頻率呈正比。

10、 散射發(fā)生在人體內(nèi)軟組織內(nèi)的微小界面； 反射產(chǎn)生與體內(nèi)大器官的界面； 散射與反射均為聲波能量衰減的重要因素； 反射與散射均是回波型超聲儀的物理基礎(chǔ)。10/15/202224四、散射 散射的強(qiáng)弱不僅取決于界面的聲阻差，五、衰減 定義：聲波在介質(zhì)內(nèi)的傳播過程中，隨著傳播距 離的增大，聲波的能量逐漸減少，這一現(xiàn) 象稱為聲波衰減。影響因素： 吸收：組織特性使聲能轉(zhuǎn)換為熱能； 反射：聲波的反射使得能量減弱； 散射：聲波的散射使得能量減弱； 頻率：超聲衰減與超聲頻率呈正比； 聲束擴(kuò)散：單位面積內(nèi)的能量減少。10/15/202225五、衰減 定義：聲波在介質(zhì)內(nèi)的傳播過程中，隨著傳播距影響因素六、惠更斯原理

11、定義：聲介質(zhì)中波動傳到的各點(diǎn)都可看作是發(fā)射 子波的波源，這些子波的包跡就決定了新 的波陣面。平面波球面波10/15/202226六、惠更斯原理 定義：聲介質(zhì)中波動傳到的各點(diǎn)都可看作是發(fā)射平六、惠更斯原理 臨床應(yīng)用： 通過相位控制，使發(fā)射波束左右偏轉(zhuǎn)，獲得扇形圖像；亦可使聲束聚焦，以提高橫向分辨力。10/15/202227六、惠更斯原理 臨床應(yīng)用：10/11/202227七、多普勒效應(yīng) 定義：聲源與接收器在連續(xù)介質(zhì)中存在著相對運(yùn) 動時(shí)聲波頻率將發(fā)生改變。 當(dāng)聲源與接收器作相對運(yùn)動時(shí)，接收器接收到的聲波頻率高于聲源所發(fā)出頻率，如兩者作相反運(yùn)動時(shí)，則低于發(fā)出頻率，兩者的頻率差（頻移）與相對運(yùn)動速度成

12、正比。10/15/202228七、多普勒效應(yīng) 定義：聲源與接收器在連續(xù)介質(zhì)中存在著相對運(yùn) 七、多普勒效應(yīng) 在超聲醫(yī)學(xué)診斷中，超聲多普勒技術(shù)可用于檢測心血管內(nèi)的血流方向、流速和湍流程度、橫膈的活動以及胎兒的呼吸等。 探頭工作時(shí)，換能器發(fā)出超聲波，由運(yùn)動著的紅細(xì)胞發(fā)出散射回波，再由接收換能器接收此回波。因收換能器所收到的超聲回波的頻率經(jīng)兩次多普勒效應(yīng)，多普勒頻移的表達(dá)式為： 2vcos fd ：聲波波長，v：血流速度：聲波方向與血流方向夾角10/15/202229七、多普勒效應(yīng) 在超聲醫(yī)學(xué)診斷中，超聲多普勒七、多普勒效應(yīng) 由此可見：當(dāng)血流流向換能器時(shí)，fd為正值(接收頻率高于發(fā)射頻率)；當(dāng)血流流離

13、換能器時(shí)，fd為負(fù)值。當(dāng)角為2時(shí)，fd0。 頻譜多普勒超聲儀上通常將正頻移設(shè)為正向波，負(fù)頻移為負(fù)向波。而彩色多普勒則將正頻移設(shè)為紅色，負(fù)頻移為藍(lán)色。10/15/202230七、多普勒效應(yīng) 由此可見：當(dāng)血流流向換能器時(shí)，fd為正值(接第四節(jié) 超聲波的發(fā)生與接收10/15/202231第四節(jié) 超聲波的發(fā)生與接收10/11/202231一、壓電效應(yīng) 定義：對某些非對稱結(jié)晶材料進(jìn)行一定方向的加壓或拉伸時(shí)，其表面將會出現(xiàn)符號相反的電荷，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。 具有此性質(zhì)的材料稱為壓電材料，分為壓電晶體、極化陶瓷、高分子聚合物和復(fù)合材料等。10/15/202232一、壓電效應(yīng) 定義：對某些非對稱結(jié)晶材料進(jìn)

14、行一定方向的加壓或1、正壓電效應(yīng) 定義：由外力作用引起的電介質(zhì)表面荷電效應(yīng)， 稱為正壓電效應(yīng)。 結(jié)晶受到特定反向的加壓或拉伸而發(fā)生形變時(shí)，在其兩個(gè)受力界面上引起內(nèi)部正負(fù)電荷中心相對位移，在兩個(gè)界面產(chǎn)生等量異號電荷，其電荷密度與所施加的外力成正比。10/15/2022331、正壓電效應(yīng) 定義：由外力作用引起的電介質(zhì)表面荷電效應(yīng)， 2、逆壓電效應(yīng) 定義：由在外場作用下，晶體將產(chǎn)生幾何變形， 稱為正壓電效應(yīng)(亦稱電致伸縮效應(yīng))。 沿一定方向在晶體表面施加一電場，則在電場力的作用下，引起電介質(zhì)內(nèi)部正負(fù)電荷中心發(fā)生位移，這一極化位移導(dǎo)致了晶體的幾何應(yīng)變，這是一種相反的壓電效應(yīng)。10/15/2022342

15、、逆壓電效應(yīng) 定義：由在外場作用下，晶體將產(chǎn)生幾何變形， 3、超聲換能器 定義：利用逆壓電效應(yīng)將電能轉(zhuǎn)換成超聲能發(fā)射 超聲，利用正壓電效應(yīng)將超聲能量轉(zhuǎn)換成 電能接收超聲。 將壓電晶片置于交變電場內(nèi)，該晶片即進(jìn)入振動狀態(tài)，振動頻率與激勵(lì)交變電場頻率相同。當(dāng)頻率大于20kHz時(shí)，便成了超聲源。同樣，該壓電晶體片亦可接收超聲波，它通過壓電效應(yīng)把超聲波轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，以供分析檢測。10/15/2022353、超聲換能器 定義：利用逆壓電效應(yīng)將電能轉(zhuǎn)換成超聲能發(fā)射 二、聲場 定義：超聲場是介質(zhì)中有聲波能量存在的空間范 圍。其強(qiáng)弱是用聲壓和聲強(qiáng)來表示。 不同的超聲源和傳播條件將形成不同的聲波能量的空間分布。

16、 在接近聲源的一段距離稱為近場，離聲源距離較遠(yuǎn)的聲場稱為遠(yuǎn)場。 10/15/202236二、聲場 定義：超聲場是介質(zhì)中有聲波能量存在的空間范 1、聲壓 定義：聲壓(P)是有聲波時(shí)介質(zhì)中的壓力與靜壓 的差值，單位為Pa。 聲壓與介質(zhì)的密度(),介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的振動速度(v)，以及超聲波在該介質(zhì)中的傳播速度(c)呈正比，即：Pvc10/15/2022371、聲壓 定義：聲壓(P)是有聲波時(shí)介質(zhì)中的壓力與靜壓 2、聲強(qiáng) 定義：聲強(qiáng)(I)是在單位時(shí)間內(nèi)，通過與聲波傳 播方向垂直的單位面積上的平均能量，單 位是W/m2。 聲強(qiáng)和聲壓的平方呈正比，與介質(zhì)密度和聲速之和反比，即： P2 I 2c 10/15/20

17、22382、聲強(qiáng) 定義：聲強(qiáng)(I)是在單位時(shí)間內(nèi)，通過與聲波傳 3、功率 定義：超聲功率指在單位時(shí)間內(nèi)通過介質(zhì)的能量。 單位是瓦(W)或毫瓦(mW)。 超聲儀發(fā)射的超聲能量用超聲功率表示，儀器的發(fā)射功率高，儀器的靈敏度也高，但安全性卻降低了。 安全劑量 10W/cm2 10/15/2022393、功率 定義：超聲功率指在單位時(shí)間內(nèi)通過介質(zhì)的能量。 4、近場 定義：對于一個(gè)圓形的超聲換能器(聲源)，在接近聲源的一段距離(稱為近場)，聲束的直徑略小于換能器的直徑，呈圓柱形。 近場區(qū)內(nèi)聲壓、聲強(qiáng)起伏變化很大，是超聲診斷中的死區(qū)。 近場的長度與聲源的尺寸、頻率和介質(zhì)聲速有關(guān)，即： r2 L(近場) 1

18、0/15/2022404、近場 定義：對于一個(gè)圓形的超聲換能器(聲源)，在接近聲源5、遠(yuǎn)場 定義：離聲源距離較遠(yuǎn)的聲場，聲束則會產(chǎn)生擴(kuò) 散而呈喇叭形，此時(shí)的聲場稱為遠(yuǎn)場。 遠(yuǎn)場的瞬時(shí)聲壓與瞬時(shí)質(zhì)點(diǎn)速度同相，故其聲壓分布是隨距離增加而單調(diào)地下降，較平穩(wěn)。 聲束在遠(yuǎn)場的擴(kuò)散由擴(kuò)散角所決定，擴(kuò)散角的大小亦與呈正比，與呈反比，即： Sin0.61 r 10/15/2022415、遠(yuǎn)場 定義：離聲源距離較遠(yuǎn)的聲場，聲束則會產(chǎn)生擴(kuò) 6、指向性 定義：聲源在遠(yuǎn)場形成波束的這種方向特性稱為 指向性。 同一換能器在不同頻率下工作，其指向性將隨頻率的提高而趨明顯。 指向性差的聲束不僅橫向分辨力差，且靈敏度低和易引入偽像。 常采用聚焦法改善聲束的特性。10/15/2022426、指向性 定義：聲源在遠(yuǎn)場形成波束的這種方向特性稱為 7、指向性圖案 指向性通常用指向性圖案表示。中間離聲束軸線最近的兩極小方向間的聲束部分稱主瓣。在兩相鄰的極小方向間存有一較主瓣小的聲束，稱為旁瓣。 主瓣內(nèi)聚集了大部分能量，故主瓣的立體角小，能量較集中。 旁瓣的高度越高，所占立體角越大，故主瓣以外能量多，能量較分