超聲波物理基礎(chǔ)

超聲波物理基礎(chǔ)

冀敏復(fù)旦大學物理系超聲波物理基礎(chǔ)前言第一節(jié)超聲波基本概念第二節(jié)超聲波的一般性質(zhì)第三節(jié)超聲波與物質(zhì)的作用第四節(jié)超聲波的產(chǎn)生與探測前言

1793年意大利生物學家斯帕拉捷通過對蝙蝠的飛行觀察而發(fā)現(xiàn)超聲波.1917年法國物理學家Langevin研制出超聲發(fā)射器,并用于航海.1922年德國最早獲超聲治療專利.1946年Firstone提出A型診斷技術(shù)

英國唐納德醫(yī)生首先把超聲應(yīng)用于產(chǎn)科診斷.1949年第一次醫(yī)學超聲波學術(shù)國際會議.

前言1950年獲得腦腫瘤反射波1952年開始B型超聲研究,1956年D型超聲研究1958年我國第一臺超聲診斷儀在上海誕生,復(fù)旦大學附屬中山醫(yī)院內(nèi)科醫(yī)生徐智章,上海市第六人民醫(yī)院周永昌提出并參與研究.(A型)1967年適時B型超聲診斷儀誕生第一節(jié)超聲波的基本概念

1超聲波的頻率:20KHz—500MHz.機械縱波

醫(yī)用超聲頻率:2MH—5MH,與聲波傳播速度相同.

可產(chǎn)生聲壓,聲壓幅值

Pm=ρc

ωΑ

媒質(zhì)的聲阻抗:Z=ρc(軟組織Z=1.524×105瑞利)3超聲波的強度I(與機械波強度定義相同)

超聲波強度與振幅的平方成正比,與頻率的平方成正比.

強度I=ρc

ω2Α2

/2

第二節(jié)超聲波的性質(zhì)一.超聲波的一般性質(zhì)

在媒質(zhì)中傳播時:

產(chǎn)生反射,折射,干涉,衍射現(xiàn)象

兩媒質(zhì)交界面處-反射強度與入射強度的關(guān)系:

Ir=(z2-z1/z2+z1)2Ii

折射強度與入射強度的關(guān)系:It=4z2z1Ii/(z2+z1)2

第二節(jié)超聲波的性質(zhì)二.超聲波的特性

1方向性好

因頻率高波長短,衍射現(xiàn)象不明顯,易定向發(fā)射

2強度大(或能量密度大)

與頻率有關(guān),穿透性較強功率:幾百瓦----幾千瓦聲壓:可達數(shù)千大氣壓;高能量超聲治癌.碎石

3聲阻抗差較大的兩媒質(zhì)界面反射能量大使用時在人體表面涂耦合劑的作用?

空氣中的吸收比在液體或固體中大得多(不顯示肺)

4穿透能力隨頻率增大而減小?第三節(jié)超聲波與物質(zhì)的作用一.超聲波的衰減規(guī)律

I=I0e-2μx

(μ為媒質(zhì)的聲衰減系數(shù),x為在媒質(zhì)中傳播厚度)

μ=(2π2ν2/C3)[(3η/ρ)+K(1-1/γ)/ρ]

μ與頻率平方成正比,與聲速的3次方成反比.*頻率越大衰減越快.所以探察深部組織時需用較低聲頻.*聲速越快,在媒質(zhì)中衰減越慢.第三節(jié)超聲波與物質(zhì)的作用二.超聲波與物質(zhì)作用的微觀機制

1.黏滯吸收

2.熱傳導(dǎo)吸收

3.馳豫吸收

三.超聲波與物質(zhì)相互作用的效應(yīng)1.機械作用

媒質(zhì)中粒子做高頻機械振動,其加速度可達g的幾十萬~幾百萬倍,強烈的機械動能破壞物質(zhì)的力學結(jié)構(gòu).粉碎細胞.引起組織化學性質(zhì)改變.

可用于切割,攪拌,鉆孔,清洗,乳化.等,2.空化作用

產(chǎn)生在液體中.因縱波引起液體疏密變化.液體局部被拉斷形成空腔,當此處為正聲壓時,空腔迅速閉合,瞬間產(chǎn)生局部高壓,高溫和放電現(xiàn)象.此作用用于清洗,霧化,乳化,促進化學反應(yīng)等.空化作用可破壞組織.3.熱作用

因媒質(zhì)吸收的部分超聲能量轉(zhuǎn)化為熱量,引起媒質(zhì)溫度升高的現(xiàn)象.4.超聲的生物作用

適當能量:*對生物大分子;*對細胞;*對人體組織(升溫,增加血管通透性和促進血液循環(huán),增強細胞代謝功能和活力,消炎鎮(zhèn)痛)

較高能量:細胞生長受到抑制,分子鍵斷裂,生物組織壞死等安全劑量:聲強值10-40mW/cm2,與照射時間也有關(guān).

第四節(jié)超聲波的產(chǎn)生和探測一.超聲波的產(chǎn)生

(一)壓電效應(yīng)

1壓電晶體

壓電材料(如石英,鈦酸鋇,硫酸鋰等)摻雜配方,在1200-1600度高溫絕緣油中加3500-6000v/m的電場中極化30分鐘,緩慢冷卻除去電場.形狀一般為半圓片狀,厚度為超聲波的半波長.2壓電效應(yīng)

當壓電晶體兩面受壓或受拉厚度變化時,晶體兩表面分別出現(xiàn)等量異號電荷的現(xiàn)象.(拉力或壓力越大,兩表面間電壓也越大)3逆壓電效應(yīng)

若把某一規(guī)律的交變電壓加在晶體兩表面上,兩表面就會做相應(yīng)規(guī)律的機械振動,此現(xiàn)象即---.

(二)超聲波的產(chǎn)生與探測1.超聲波的產(chǎn)生

利用逆壓電效應(yīng)把超聲頻交變電壓>壓電晶體>>機械振動>>超聲波2.超聲波的探測

利用正壓電效應(yīng)

超聲波>>機械振動>>壓電晶體>>產(chǎn)生交變電壓超聲波的發(fā)射和探測可以共用同一探頭.怎樣工作呢?