超聲成像的物理原理

第一頁，共二十頁，編輯于2023年，星期五第一節(jié)超聲成像的物理基礎一、定義

1.超聲

是一種機械波，其頻率在20千赫茲以上。

2.醫(yī)學診斷用超聲

頻率在2.5～10兆赫茲范圍的超聲。

3.超聲的特性

◆超聲波可在氣體、液體、固體等介質中傳播

◆超聲波可以傳遞很強的能量

◆超聲波在傳播過程中會產生反射、折射、散射、繞射、干涉等現象

◆超聲波在液體介質中傳播時，會在界面產生沖擊和空化現象

第二頁，共二十頁，編輯于2023年，星期五第一節(jié)超聲成像的物理基礎二、超聲的產生與接收

1.壓電效應

是電能與聲能相互轉換的過程。

2.超聲的產生

電場作用到特定的材料兩端引起振動，在周圍介質中傳播形成超聲，是逆壓電效應過程。

3.超聲的接收

聲場作用到特定的材料兩端產生電位差，通過接收器轉換成電信號，是正壓電效應過程。

第三頁，共二十頁，編輯于2023年，星期五第一節(jié)超聲成像的物理基礎

4.壓電材料

能夠產生壓電效應的材料。

◆無機材料主要包括鈦酸鋇、鈦酸鉛、鋯鈦酸鉛等。

◆有機材料

主要由聚偏氟乙烯（PVDF）構成，材料聲阻抗與人體接近。

◆混合材料

由壓電陶瓷和有機壓電材料混合構成，機電耦合系數大，適宜制作寬帶換能器。第四頁，共二十頁，編輯于2023年，星期五第一節(jié)超聲成像的物理基礎

5.換能器（探頭）

◆結構

面材、壓電材料、背材

，核心是壓電材料。

◆種類

體表檢查用探頭；手術用探頭；體腔檢查用探頭。

第五頁，共二十頁，編輯于2023年，星期五第一節(jié)超聲成像的物理基礎三、超聲的傳播

1.傳播速度（c）

由傳播介質決定，不同人體組織器官的聲速不同，平均聲速為1540米/秒，其中空氣最?。?50米/秒），骨骼最大（3850米/秒）。

2.超聲頻率（f）

由探頭中壓電材料決定，在2.2～10兆赫茲范圍。

3.超聲波長（λ）

超聲波長與聲速和頻率滿足關系式：第六頁，共二十頁，編輯于2023年，星期五第一節(jié)超聲成像的物理基礎四、超聲聲束的空間分布

1.聲束

在一個有限的立體角內傳播的超聲

。

2.聲軸

聲束的中心線。

3.近程區(qū)

靠近探頭區(qū)域，聲束等寬

4.遠程區(qū)

遠離探頭區(qū)域，聲束發(fā)散第七頁，共二十頁，編輯于2023年，星期五第一節(jié)超聲成像的物理基礎超聲聲束空間分布示意圖第八頁，共二十頁，編輯于2023年，星期五第二節(jié)超聲與生物組織間的相互作用一、生物組織對入射超聲的作用

（一）兩個基本概念

◆聲特性阻抗介質的密度(ρ)與聲速(c)的乘積，不同組織的聲特性阻抗不一樣。

◆界面

兩種具有不同聲阻抗的介質的接觸面。大界面：界面尺寸大于超聲波長小界面：界面尺寸小于超聲波長第九頁，共二十頁，編輯于2023年，星期五第二節(jié)超聲與生物組織間的相互作用

（二）反射與折射

入射聲束與大界面的作用◆三個條件方向、截面、角度

◆全反射

兩種介質的聲速關系入射角度◆界面的反射信號是聲像圖的主要組成部分第十頁，共二十頁，編輯于2023年，星期五第二節(jié)超聲與生物組織間的相互作用

（三）散射

入射聲束與小界面的作用◆散射回聲強度低

（四）繞射

入射聲束與界面（界面尺寸與超聲波長大小相當）的作用◆繞射使入射聲束發(fā)生方向偏轉第十一頁，共二十頁，編輯于2023年，星期五第二節(jié)超聲與生物組織間的相互作用

（五）衰減

由于組織對超聲的吸收造成聲能的減小。

◆不同組織，吸收系數不同，衰減程度不同；◆相同組織，入射深度越大，衰減越大；

◆相同組織，入射超聲頻率越高，衰減越大。

第十二頁，共二十頁，編輯于2023年，星期五第二節(jié)超聲與生物組織間的相互作用二、入射超聲對生物組織的作用

1.超聲的生物效應

當一定劑量的超聲波在生物體內傳播時，通過超聲與生物組織的相互作用，可以引起生物體的功能、結構或狀態(tài)的變化

2.熱機制

超聲聲能轉換成生物組織的熱能第十三頁，共二十頁，編輯于2023年，星期五第二節(jié)超聲與生物組織間的相互作用

3.機械機制

超聲聲能轉換成生物組織的機械能

4.空化機制

超聲聲能使生物組織中的氣泡活性改變低聲強長時間作用以熱機制為主高聲強短時間作用以空化機制為主第十四頁，共二十頁，編輯于2023年，星期五第二節(jié)超聲與生物組織間的相互作用三、超聲診斷的安全性及注意事項

1.超聲強度的計算方式空間平均時間平均；空間峰值時間平均；為多個國家和組織采用空間平均時間峰值；空間峰值時間峰值。

2.安全聲強（美國FDA，我國超聲標準化委員會推薦）

空間峰值時間平均聲強：小于100毫瓦/平方厘米第十五頁，共二十頁，編輯于2023年，星期五第二節(jié)超聲與生物組織間的相互作用

3.超聲探測的安全性（世界衛(wèi)生組織建議）

(1)只有在醫(yī)學上具有明確理由時，才對人體使用診斷超聲；

(2)以商業(yè)顯示和獲得實驗圖像為目的時，不應把超聲用于輻照人體，特別是輻照孕婦；

(3)在保證獲得良好圖像質量和取得必要的診斷信息前提下，應使超聲診斷設備的輸出強度盡可能小。

第十六頁，共二十頁，編輯于2023年，星期五第二節(jié)超聲與生物組織間的相互作用

4.超聲探測應遵循的原則在明確診斷目的的情況下，應積極使用超聲診斷技術。在超聲診斷過程中，必須堅持最小劑量原則。即在保證獲得必要診斷信息的前提下，應采用最小超聲強度和最短輻照時間。拒絕一切與診斷無關的胎兒超聲顯像。對早孕胚胎不做或少做超聲探測，對3個月以上的胎兒定期超聲探測時，應控制在3～5分鐘之內完成。第十七頁，共二十頁，編輯于2023年，星期五第二節(jié)超聲與生物組織間的相互作用

5.超聲探測的注意事項成人超聲探測

顱腦檢查時每一固定切面持續(xù)檢查時間控制在2分鐘以內；

眼球檢查時每一固定切面持續(xù)檢查時間不應超過半分鐘；

卵巢、睪丸檢查時每一固定切面持續(xù)檢查時間不應超過1分鐘。第十八頁，共二十頁，編輯于2023年，星期五第二節(jié)超聲與生物組織間的相互作用產科超聲探測

對不足3個月的早孕孕婦盡量不用超聲進行常規(guī)檢查；

對于有習慣性流產或已有先兆流產癥狀者

3個月內不建議做超聲探測。必須要進行超聲探測時，應控制每一固定切面檢查持續(xù)時間在1分鐘以內；

對3個月以上胎兒在腦、心、眼、脊髓等臟器檢查時，每一固定切面持續(xù)時間不應超過