超聲基礎(chǔ)知識(shí)

超聲基礎(chǔ)知識(shí)第一頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五物體的機(jī)械振動(dòng)是產(chǎn)生波的源泉,波的頻率取決于物體的振動(dòng)頻率。頻率范圍在20～20000Hz內(nèi)的波稱為可聽聲波,頻率范圍在20Hz內(nèi)的波稱為次聲波,頻率范圍在2×104～108Hz的波稱為超聲波,頻率范圍在108～1012Hz的波稱為特超聲波。次聲波、可聽聲波、超聲波、特超聲波統(tǒng)稱聲波?？梢姡麄€(gè)聲波頻譜是比較寬的，其中只有可聽聲波才能為人耳所聽到，而次聲、超聲、特超聲雖然屬于聲波卻不能為人耳所察覺。第二頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五在自然界存在著多種多樣的超聲波,如某些昆蟲和哺乳動(dòng)物就能發(fā)出超聲波,又如風(fēng)聲、海浪聲、噴氣飛機(jī)的噪聲中都含有超聲波成分。在醫(yī)學(xué)診斷上所使用的超聲波是由壓電晶體一類的材料制成的超聲探頭產(chǎn)生的。眼科方面所使用的超聲頻率在5～15MHz范圍內(nèi),心和腹部所使用的超聲頻率在2～10MHz范圍內(nèi)。第三頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五2.超聲波的特性超聲波和可聽聲波一樣,也是一種機(jī)械波,它是由介質(zhì)中的質(zhì)點(diǎn)受到機(jī)械力的作用而發(fā)生周期性振動(dòng)產(chǎn)生的。依據(jù)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與波的傳播方向的關(guān)系,超聲波亦有縱波和橫波之分。由超聲診斷儀所發(fā)射的超聲波,在人體組織中是以縱波的方式傳播的。就是因?yàn)槿梭w軟組織基本無切變彈性,橫波在人體組織中不能傳播。第四頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五與普通聲波(可聞波)相比,超聲波具有許多特性,其中最突出的有:①由于超聲波的頻率高,因而波長很短,它可以像光線那樣沿直線傳播,使我們有可能只向某一確定的方向發(fā)射超聲波;②由超聲波所引起的媒質(zhì)微粒的振動(dòng),即使振幅很小,加速度也非常大,因此可以產(chǎn)生很大的力量。第五頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五超聲波的這些特性,使它在近代科學(xué)研究、工業(yè)生產(chǎn)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域等方面得到日益廣泛的應(yīng)用。例如,我們可以利用超聲波來測量海底的深度和探索魚群、暗礁、潛水艇等。在工業(yè)上,則可以用超聲波來檢測金屬內(nèi)部的氣泡、傷痕、裂隙等缺陷。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域則可以用超聲波來滅菌、清洗,更重要的用途是做成各種超聲波治療和診斷儀器。第六頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五二．超聲波的物理基礎(chǔ)振動(dòng)是聲學(xué)的基礎(chǔ)，只有聲源的振動(dòng)才能發(fā)射出聲波。超聲波與普通聲波一樣，是振動(dòng)在彈性介質(zhì)中的傳播。因此機(jī)械振動(dòng)源和彈性介質(zhì)是超聲波產(chǎn)生的物理基礎(chǔ)。第七頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五機(jī)械振動(dòng)中最簡單的形式是一個(gè)自由度振動(dòng)系統(tǒng)，如圖2-1，一個(gè)彈簧振子，質(zhì)量元件的質(zhì)量為m，置于無摩擦的表面上，彈簧的彈性系數(shù)為k。如果系統(tǒng)具有一初始位移量，則必然有一個(gè)彈性力使系統(tǒng)產(chǎn)生振動(dòng)。根據(jù)虎克定律，彈性力Fk=-kξ。即是說，在彈簧的彈性限度內(nèi)，彈性力Fk的變化與位移量的變化成正比，彈性力的方向與位移方向相反。第八頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五2-1彈性質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)系統(tǒng)在振動(dòng)過程中，它只是自身做能量的轉(zhuǎn)換，由勢能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。在平衡位置處，動(dòng)能最大，勢能為零；在最大振幅處，勢能最大，動(dòng)能為零。對(duì)于無阻尼的自由振動(dòng)來說，振子的勢能和動(dòng)能的和保持恒定值，所以孤立質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)不會(huì)發(fā)生能量的傳遞。但是，在連續(xù)的彈性介質(zhì)中，當(dāng)某一質(zhì)點(diǎn)受到外界作用而在其平衡位置做機(jī)械振動(dòng)時(shí)，通過質(zhì)點(diǎn)間的彈性力作用，就會(huì)把這個(gè)振動(dòng)傳給與它相鄰的質(zhì)點(diǎn)，使后者也在自己的平衡位置附近振動(dòng)，第九頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五如此繼續(xù)下去，機(jī)械振動(dòng)就在整個(gè)媒質(zhì)中傳播開來。換句話說，機(jī)械振動(dòng)的能量在彈性介質(zhì)中傳播開來，這就形成機(jī)械波。如超聲波，由超聲換能器產(chǎn)生振動(dòng)，引起接觸器的振動(dòng)，接觸劑的振動(dòng)又引起人體皮膚、脂肪及內(nèi)臟的振動(dòng)，超聲波能量就這樣進(jìn)入了人體。由此可見，獲得超聲波要有兩個(gè)條件：（1）一個(gè)做機(jī)械振動(dòng)的物體，以持續(xù)的提供能量，即波源或振源；（2）必須有能傳播這種振動(dòng)的彈性媒質(zhì)，固體、流體、氣體都是彈性介質(zhì)，都可以傳播超聲波，真空中沒有介質(zhì)存在，所以不能傳播機(jī)械波，包括超聲波。第十頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五三．超聲波的分類1、按質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向和波傳播方向的關(guān)系分類相對(duì)于波的傳播方向，質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向可以不同?？v波是質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向相同的波。例如音叉在空氣介質(zhì)中振動(dòng)所產(chǎn)生的聲波,空氣介質(zhì)中的質(zhì)點(diǎn)沿水平方向振動(dòng),振動(dòng)的方向與聲波的傳播方向一致,傳播時(shí)介質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)發(fā)生疏密的變化?？v波可以在固體、液體、氣體介質(zhì)中傳播。第十一頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五橫波是質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與波的傳播方向垂直的波。一個(gè)典型的例子便是軟繩上的波,我們不妨把軟繩看成密集質(zhì)點(diǎn)的集合,如果不斷地?cái)[動(dòng)軟繩的一頭,則一系列的橫向振動(dòng)的波就由繩子的左端向右端移去,而繩上各質(zhì)點(diǎn)并不隨波的傳播方向移去,只是在各自的平衡位置附近作橫向(剪切形式)的振動(dòng)。不能在液體及氣體介質(zhì)中傳播,這是因?yàn)橐后w和氣體無切變彈性。第十二頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五2-2波的傳遞2、按波陣面的形狀分類波從波源出發(fā)，在介質(zhì)中向各個(gè)方向傳播。在某一時(shí)刻介質(zhì)中周相相同的各點(diǎn)組成的面為波面。顯然波面有無數(shù)個(gè)，最前面的一個(gè)波面也就是波源最初振動(dòng)狀態(tài)傳播的各點(diǎn)組成的面，通常又叫波陣面。波面有各種形狀，波面為平面的波稱為平面波，波面為球面的波稱為球面波，波面為柱面的波稱為柱面波。第十三頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五2-3平面波球面波柱面波平面波對(duì)于研究問題來說最為簡單，超聲診斷中，探頭發(fā)射的超聲波在近場可視為平面波，在遠(yuǎn)場可視為球面波（或球面的一部分）。但為了方便起見，我們把它都視為平面波。超聲波與人體內(nèi)微小障礙物（如紅細(xì)胞）發(fā)生作用時(shí)，障礙物散射的超聲波是球面波。第十四頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五3、按發(fā)射超聲的類型分類可分為連續(xù)波和脈沖波。連續(xù)波目前只在連續(xù)波多普勒血流儀中采用，A型、M型、B型及脈沖多普勒血流儀均采用脈沖波。第十五頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五四．超聲波的基本物理量1.聲速聲波在介質(zhì)中單位時(shí)間內(nèi)傳播的距離,稱為聲速。用符號(hào)c表示,單位為m／s(米／秒)。聲波的傳播過程實(shí)質(zhì)上是能量的傳遞過程,它不僅需要一定時(shí)間,而且其傳遞速度的快慢還與介質(zhì)的密度、彈性以及波動(dòng)的類型有關(guān)。對(duì)于縱向傳播的平面波,其聲速為c=/k/ρ式中:ρ為介質(zhì)密度，k為介質(zhì)的體積彈性模量。第十六頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五又由于彈性模量與溫度有關(guān),因而聲速還受溫度的影響。例如,空氣的溫度在0℃時(shí),聲速為332m/s,氣溫每升高1℃,則聲速增加0.6m/s,至15℃時(shí),則為341m/s。表2-1給出了在人體組織器官中與超聲診斷有關(guān)的介質(zhì)中的聲速。第十七頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五介質(zhì)空氣(0℃)腎臟

石蠟油(33.5℃)肝臟

海水(30℃)頭顱骨生理鹽水

鞏膜傳播速度(m/s)3321560142015701545336015341604介質(zhì)人體軟組織(平均值)角膜

血液

房水腦組織水晶體脂肪玻璃體肌肉(平均值)傳播速度(m/s)1540155015701532154016411476153215682-1在有關(guān)介質(zhì)中的超聲速度第十八頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五2.周期和頻率

介質(zhì)中的質(zhì)點(diǎn)在平衡位置往返振動(dòng)1次所需要的時(shí)間叫周期,用T表示，單位是秒s；在1s的時(shí)間內(nèi)完成振動(dòng)的次數(shù)稱為頻率,用f表示,單位為周/s，又稱作Hz(Hz)。周期與頻率成互為倒數(shù)關(guān)系,以下式表示：f=1／T

超聲診斷常用的頻率范圍在0.8～15MHz之間,而最常用的為2.5～10MHz。第十九頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五3.波長在一個(gè)周期內(nèi),聲波所傳播的距離就是一個(gè)波長,用λ表示。對(duì)于縱波,等于兩相鄰密集點(diǎn)(或稀疏點(diǎn))間的距離,如圖2-4(a)所示;對(duì)于橫波,則是從一個(gè)波峰(或波谷)到相鄰波峰(波谷)的距離,如圖2-4(b)所示。第二十頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五波長的定義波長λ、聲速c與頻率f之間滿足以下關(guān)系：λ＝c/f

頻率和波長在超聲成像中是兩個(gè)極為重要的參數(shù),波長決定了成像的極限分辨率,而頻率則決定了可成像的組織深度。表2-2給出了醫(yī)學(xué)超聲診斷常用的幾種超聲波頻率與其波長、周期和極限分辨力的關(guān)系。第二十一頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五2-2波長、周期與極限分辨力之間的關(guān)系注：取超聲波在人體中傳播的平均聲速c=1540m/s作為換算標(biāo)準(zhǔn)頻率(MHz)波長(mm)周期(μs)極限分辨力(mm)11.510.7520.750.50.3752.50.60.40.330.50.330.253.50.430.290.2250.30.130.17.50.20.130.1100.150.10.075150.10.060.05第二十二頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五4.聲壓縱波在彈性媒質(zhì)內(nèi)傳播過程中,媒質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的壓強(qiáng)是隨時(shí)間變化的,媒質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的密度時(shí)密時(shí)疏,從而使平衡區(qū)的壓力時(shí)強(qiáng)時(shí)弱,結(jié)果導(dǎo)致有波動(dòng)時(shí)壓強(qiáng)(PW)與無波動(dòng)時(shí)壓強(qiáng)(PO)之間有一定額壓強(qiáng)差(PW－PO),這一波動(dòng)壓強(qiáng)稱為聲壓。第二十三頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五對(duì)于一無吸收媒質(zhì)的平面波,有波動(dòng)時(shí)壓強(qiáng)的最大值與沒有波動(dòng)作用時(shí)各點(diǎn)壓強(qiáng)的差值稱為壓強(qiáng)振幅(Pm),它可由下式確定：Pm=ρcVm即：聲壓振幅Pm與媒質(zhì)密度ρ、質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度的最大值Vm及波速c成正比。聲壓有效值為：P=Pm//2第二十四頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五5.聲強(qiáng)聲強(qiáng)是表示聲的客觀強(qiáng)弱的物理量,它用每秒鐘通過垂直于聲波傳播方向的1平方厘米面積的能量來度量,它的單位是焦耳／(秒·平方厘米)［J/(s·cm2)］。第二十五頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五聲強(qiáng)與聲源的振幅有關(guān),振幅越大,聲強(qiáng)也越大;振幅越小,聲強(qiáng)也越小。當(dāng)聲源發(fā)出的聲波向各個(gè)方向傳播時(shí),其聲強(qiáng)將隨著距離的增大而逐漸減弱。這是由于聲源在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)出的能量是一定的,離開聲源的距離越遠(yuǎn),能量的分布面也越大,因此通過單位面積的能量就越小。第二十六頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五基于這一原理,在超聲診斷探頭發(fā)射超聲時(shí),必須考慮波束的聚焦,它可以減小聲能的分散,使聲能向一個(gè)比較集中的方向傳播,因而可以增加診斷探測的深度。第二十七頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五6.聲阻抗率聲阻抗率是描述彈性媒質(zhì)傳播聲波的一個(gè)重要物理量。對(duì)于各向同性的均勻媒質(zhì)中無衰減的平面自由行波來說,媒質(zhì)中某點(diǎn)有效聲壓P與振動(dòng)質(zhì)點(diǎn)速度有效值V之比稱為聲阻抗率,它用Zs表示：Zs=P／V=ρc第二十八頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五實(shí)際上,聲壓與質(zhì)點(diǎn)振速不一定同相位,所以聲阻抗率是2個(gè)同頻率、但不同相的余弦量的比值,并不是一個(gè)恒量。對(duì)于無衰減的平面行波,聲壓和振速可視為同相,媒質(zhì)各點(diǎn)的聲阻抗率是同一個(gè)恒量ρc,對(duì)一定頻率的聲波來說,它只決定于媒質(zhì)密度ρ和波速c的乘積。第二十九頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五聲阻抗率和電學(xué)中一個(gè)無限長、無損耗傳輸線的特性阻抗相似,其中聲壓相當(dāng)于電壓,振速相當(dāng)于電流強(qiáng)度,聲阻抗率相當(dāng)于電阻。通常聲阻抗率是一個(gè)復(fù)數(shù),其實(shí)部稱為聲阻率,虛部稱為聲抗率。人體正常組織的聲阻抗率的平均值約為1.5×106牛頓·秒/米3(N·s／m3),而與超聲測量有關(guān)材料的密度和聲阻抗率則如表2-3所示。第三十頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五介質(zhì)

空氣(0℃)水(37℃)生理鹽水(37℃)石蠟油(33.5℃)血液

腦脊水密度(g／cm3)0.001290.99341.0020.8351.0551.000聲阻抗率(×106N·s／m3)0.0004281.5131.5371.1861.6561.522第三十一頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五介質(zhì)

羊水肝臟

肌肉(平均值)軟組織(平均值)脂肪顱骨水晶體密度(g／cm3)1.0131.0501.0741.0160.9551.6581.136聲阻抗率(×106N·s／m3)1.4931.6481.6841.5241.415.571.874第三十二頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五五．超聲波的傳播特性

超聲波在人體組織內(nèi)傳播不僅有衰減,同時(shí)還存在著反射、折射與透射現(xiàn)象。在人體均質(zhì)性組織內(nèi)傳播時(shí),超聲波只沿其傳播方向前進(jìn),此時(shí)不存在反射、折射問題。如果超聲波在非均質(zhì)性組織內(nèi)傳播或從一種組織傳播到另一種組織,由于兩種組織聲阻抗的不同,在聲阻抗改變的分界面上便會(huì)產(chǎn)生反射、折射與透射。第三十三頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五2-5超聲在不同介質(zhì)中的反射、入射與折射原介質(zhì)中的超聲波稱為入射波,在分界面處入射波的能量一部分將產(chǎn)生反射,另一部分能量將通過界面后繼續(xù)傳播，這就是透射。透射的超聲波傳播方向與入射波的傳播方向不同,因而這部分透射過的超聲波又稱折射波。入射波與界面法線的夾角叫入射角θ1,反射波與界面法線的夾角叫反射角θ1′,入射角與反射角是相等的,即θ1=θ1'。第三十四頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五這被稱作超聲波的反射定律。若入射波與界面是垂直的,則反射波即按入射波方向反射,故可以在超聲波診斷儀器中用一個(gè)探頭，既發(fā)射超聲波又接收反射波(回波)。折射波與界面法線的夾角稱為折射角θ2，入射角θ1的正弦與折射角θ2的正弦之比，等于入射波在介質(zhì)1中的聲速c1與折射波在介質(zhì)2中的聲速c2之比(sinθ1／sinθ2=c1/c2)，這被稱作超聲波的折射定律。若入射波與界面垂直，透過界面的超聲波的傳播方向與入射波方向一致，即不產(chǎn)生折射。第三十五頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五反射波的能量除取決于兩種介質(zhì)的聲阻抗差別外，還取決于界面的大小，反射界面越大，反射波的能量也越強(qiáng)，當(dāng)反射界面的尺寸遠(yuǎn)小于超聲波波長λ時(shí)，可以認(rèn)為不產(chǎn)生反射。第三十六頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五當(dāng)被探查的人體組織結(jié)構(gòu)很小，與入射超聲波的波長相差不多時(shí)，會(huì)產(chǎn)生波的衍射現(xiàn)象。當(dāng)被探查的組織結(jié)構(gòu)小于入射波波長時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生波的散射。第三十七頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五六超聲波在生物組織中的衰減（醫(yī)學(xué)應(yīng)用基礎(chǔ)）當(dāng)超聲波在生物組織中傳播時(shí),作為傳播介質(zhì)的生物組織對(duì)超聲的衰減機(jī)制是十分復(fù)雜的。除組織對(duì)超聲波的反射、散射等引起的能量的分散之外,組織對(duì)超聲能量的吸收而造成的衰減亦不可忽視。在生物組織中,造成吸收衰減的內(nèi)在原因主要有介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的粘滯性、導(dǎo)熱系數(shù)和溫度等因素,而這些因素造成對(duì)超聲衰減的大小又與超聲的頻率有關(guān),超聲衰減在人體中與傳播距離成正比。超聲傳播到其強(qiáng)度減弱一半的距離叫半價(jià)層,因此,可以用半價(jià)層來表明生物組織吸收的大小。人體組織、器官的超聲半價(jià)層第三十八頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五人體組織、器官的超聲半價(jià)值血液的半價(jià)層最大,這說明血液對(duì)超聲的衰減最小。在人體中,不同的組織由于具有不同的介質(zhì)密度和性質(zhì),也往往表現(xiàn)出對(duì)超聲不同的衰減系數(shù)。實(shí)測結(jié)果表明,人體中血液和眼球玻璃體液吸收聲能最小,肌肉組織吸收稍強(qiáng),纖維組織及軟骨吸收聲能較大,而骨骼對(duì)超聲的吸收最大。第三十九頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五表2-5列出了人體主要組織成分對(duì)不同頻率超聲的衰減系數(shù)。人體組織眼球玻璃體液血液脂肪延髓(順纖維)腦組織

衰減系數(shù)(dB·cm-1·MHz-1)0.10.180.630.80.85頻率范圍(MHz)6～30100.8～7.01.7～3.40.9～3.4第四十頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五人體組織肝臟腎臟

脊髓肌肉(順纖維)顱骨肺

衰減系數(shù)(dB·cm-1·MHz-1)0.941.001.001.320.0041.00頻率范圍(MHz)0.3～3.40.3～4.51.000.8～4.51.61.0第四十一頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五由于超聲在人體中的衰減與超聲頻率有關(guān),因此,研究超聲衰減與頻率的關(guān)系,對(duì)超聲儀器的設(shè)計(jì)和使用都頗具意義。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在1～15MHz超聲頻率范圍內(nèi),人體組織對(duì)超聲波的吸收衰減系數(shù)幾乎與頻率成正比。人體軟組織對(duì)超聲的平均衰減系數(shù)約為0.81dB·cm－1·MHz－1,其含義是超聲波頻率每增加1MHz或超聲傳播距離每增加1cm,則組織對(duì)超聲的衰減增加0.81dB。因此,對(duì)一個(gè)3MHz聲束,當(dāng)其在人體軟組織中傳播10cm時(shí),則聲強(qiáng)衰減可達(dá):第四十二頁，