第5章 超聲物理

醫(yī)學(xué)成像技術(shù)原理第五章超聲物理2第一節(jié)超聲的物理描述第二節(jié)

超聲波的產(chǎn)生和接收第三節(jié)

超聲波在介質(zhì)中的傳播第四節(jié)

探頭超聲場(chǎng)的聲壓分布本章內(nèi)容3第一節(jié)超聲的物理描述第二節(jié)

超聲波的產(chǎn)生和接收第三節(jié)

超聲波在介質(zhì)中的傳播第四節(jié)

探頭超聲場(chǎng)的聲壓分布本章內(nèi)容4聲波聲波按傳播方式，可分為縱波（氣體、液體、固體）和橫波（固體），醫(yī)學(xué)超聲以縱波傳播為主橫波：質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向垂直（固體中）縱波：質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向平行5人耳感覺(jué)不到超聲波20Hz～20kHz診斷超聲超聲波按頻率高低，聲波分為次聲波、聲波、超聲波、超高頻聲波人耳聽閾1MHz～20MHz020Hz20kHz20MHz次聲波聲波超聲波超高頻聲波低頻超聲1～2.75MHz中頻（常規(guī)）超聲3～10MHz高頻超聲12～20MHz超高頻超聲>20MHz6描述超聲的物理量——聲速

聲波在介質(zhì)中傳播的速度，其大小由介質(zhì)的密度ρ和彈性模量X決定，即聲速與聲的波長(zhǎng)、頻率和周期的關(guān)系為當(dāng)聲速一定時(shí)，頻率越高，波長(zhǎng)越短，穿透能力越弱7描述超聲的物理量——聲強(qiáng)與聲壓

介質(zhì)中有聲波傳播時(shí)的壓強(qiáng)與無(wú)聲波傳播時(shí)的壓強(qiáng)之差，其大小由與聲源的強(qiáng)度I、振幅A、頻率ω及聲速c有關(guān)，即

聲強(qiáng)是指單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)垂直于聲波傳播方向的單位面積的聲波能量，其大小與介質(zhì)密度ρ、聲速c、頻率ω和振幅A有關(guān)8描述超聲的物理量——聲阻抗聲阻（抗）是介質(zhì)對(duì)聲波的特性阻抗，定義為聲壓與振速度的比值，也就是介質(zhì)密度與聲速的乘積，即血液1.05515701.656血漿1.027______大腦1.03815401.599小腦1.03014701.514脂肪0.95514761.410軟組織1.01615001.542肌肉1.07415681.684肝1.05015701.648腎___1560___腦積液1.00015221.522顱骨1.65838605.571甲狀腺______1.620-1.660介質(zhì)名稱密度（103kg

m-3）速度（ms-1）聲阻抗(106

N

s

m-3)9低聲阻的氣體或充氣組織如肺部組織中等聲阻的液體和軟組織如肌肉高聲阻的礦物組織如骨骼人體組織按聲阻抗大小可以分成三大類三類組織聲阻相差甚大，彼此不能傳播聲波描述超聲的物理量——聲阻抗第二類組織中，聲阻抗相差不大，聲速大致相等，又可利用不同類組織間的聲阻抗造成的反射、散射識(shí)別不同軟組織與器官的形態(tài)和性質(zhì)，因此超聲檢測(cè)主要適用第二類組織。10超聲傳播界面超聲傳播介質(zhì)是以聲阻抗劃分，聲波介質(zhì)界面就是聲阻抗不同的介質(zhì)分界面。在聲學(xué)介質(zhì)中，兩物質(zhì)物理性質(zhì)不同，或由不同的原子、分子組成，如果其聲阻抗相同，則認(rèn)為它們是聲學(xué)的同種均勻介質(zhì)，其間不存在界面。11描述超聲的物理量——聲強(qiáng)級(jí)和聲壓級(jí)

聲強(qiáng)級(jí)是以待測(cè)聲強(qiáng)I與基準(zhǔn)聲強(qiáng)（最小可聞聲強(qiáng)）I0之比的對(duì)數(shù)，單位為分貝（dB）其中

聲壓級(jí)是以待測(cè)聲壓P與基準(zhǔn)聲壓P0之比的對(duì)數(shù)，為

由于，可知聲壓級(jí)與聲強(qiáng)級(jí)在數(shù)值上是相等的

即12超聲的特性方向性好，可以像光束一樣集中向某一目標(biāo)發(fā)射;具有機(jī)械作用，當(dāng)超聲波透入液體時(shí)，介質(zhì)薄層在強(qiáng)大的機(jī)械作用下被拉斷而出現(xiàn)微小空腔，這種現(xiàn)象稱為空化作用;對(duì)固體和液體的穿透能力較強(qiáng)，頻率為1MHz的超聲波可以透過(guò)厚度為20多厘米的人體。但隨頻率的增大而減小;反射和折射，醫(yī)用超聲診斷儀就是依靠界面或目標(biāo)的反射波（回波）而成像的;具有熱作用，傳播介質(zhì)吸收了超聲波的能量，引起介質(zhì)溫度的升高。利用超聲波的熱作用可以進(jìn)行疾病治療;頻率高、波長(zhǎng)短、方向性好、能量大、危害小13第一節(jié)超聲的物理描述第二節(jié)

超聲波的產(chǎn)生和接收第三節(jié)

超聲波在介質(zhì)中的傳播第四節(jié)

探頭超聲場(chǎng)的聲壓分布本章內(nèi)容14壓電效應(yīng)

壓電效應(yīng)指壓力場(chǎng)與電場(chǎng)之間（或者說(shuō)機(jī)械能與電場(chǎng)能）之間的轉(zhuǎn)換效應(yīng)piezo.gif(799×410)()15壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)指壓力場(chǎng)與電場(chǎng)之間（或者說(shuō)機(jī)械能與電場(chǎng)能）之間的轉(zhuǎn)換效應(yīng)正壓電效應(yīng)：機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電場(chǎng)能逆壓電效應(yīng)：電場(chǎng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能16正壓電效應(yīng)：機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電場(chǎng)能逆壓電效應(yīng)：電場(chǎng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)了超聲波的產(chǎn)生和接收，是超聲成像的基礎(chǔ)pvs_lp_piezoelectric_02.gif(550×450)(yuden.co.jp)17超聲探頭壓電晶片是關(guān)鍵部件，其兩個(gè)表面分別引出正極和負(fù)極引線保護(hù)層的聲阻抗接近于人體組織以獲得良好透聲效果吸聲材料作用是消減晶片背后聲波反射并最大限度吸收聲波能量18超聲波的發(fā)射方式連續(xù)波脈沖波

臨床的超聲探頭起到發(fā)射和接收超聲波的作用，其發(fā)射的超聲波以脈沖波為主19第一節(jié)超聲的物理描述第二節(jié)

超聲波的產(chǎn)生和接收第三節(jié)

超聲波在介質(zhì)中的傳播第四節(jié)

探頭超聲場(chǎng)的聲壓分布本章內(nèi)容20超聲波的反射和折射超聲波與光波類似，在同一種均勻介質(zhì)中是直線傳播的，當(dāng)它遇到聲阻不同的兩種介質(zhì)的界面就會(huì)發(fā)生反射和折射。研究聲波傳播依據(jù)的物理規(guī)律聲壓連續(xù)法向速度連續(xù)能量守恒界面兩側(cè)聲壓相等質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度在垂直界面的分量相等21超聲波的反射和折射界面介質(zhì)1：Z1=ρ1c1介質(zhì)2：Z2=ρ2c2入射角等于反射角：θi=θrsinθi/sinθt=c1/c2入射角與折射角：22透射系數(shù)反射系數(shù)反射系數(shù)與透射系數(shù)23聲波垂直入射Z2>>Z1rp≈l，

tp≈2

Z1>>Z2半波損失全反射，反射波與入射波位相突變

Z1=Z2rp=0,

tp=1Z1>Z2rp<0,

tp<1rp≈-1,tp≈0

全反射無(wú)透射(駐波現(xiàn)象)全透射反射波與入射波反相，部分透射反射系數(shù)與透射系數(shù)24“空氣一組織”界面上有Z1<<Z2，聲波幾乎被全反射，需利用耦合劑減少換能器與患者皮膚之間空氣層的影響。在“胸壁-肺”以及肺內(nèi)無(wú)數(shù)“空氣—組織”界面上，超聲波會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的反射，所以超聲不能用于做肺部診斷。同樣，軟組織和骨骼之間的聲阻抗差異也很大，所以也不能用超聲來(lái)鑒別位于骨骼后面的組織特性。反射系數(shù)與透射系數(shù)的臨床應(yīng)用超聲耦合劑25聲波在介質(zhì)中的衰減規(guī)律吸收衰減：聲波傳播時(shí)有部分聲能轉(zhuǎn)變成介質(zhì)的其他形態(tài)能擴(kuò)散衰減：波面隨距離增加而擴(kuò)大，引起單位面積上聲能減少散射衰減：介質(zhì)中存在很多散射中心與聲波發(fā)生作用，使聲束改變了傳播方向，等效于原方向上的聲能減小了聲波衰減是聲強(qiáng)或能量密度隨傳播距離增加而逐漸減弱的現(xiàn)象聲波衰減的主要原因有聲波衰減的規(guī)律式中I0為入射聲強(qiáng)，I為透過(guò)厚度為x的介質(zhì)層后的聲強(qiáng)α為衰減系數(shù)，大小與聲波頻率成正比，頻率越高，聲波的衰減越快261842年奧地利數(shù)學(xué)家和天文學(xué)家多普勒效應(yīng)(Dopplereffect)ChristianJohannDoppler多普勒效應(yīng)：物體輻射的波長(zhǎng)因?yàn)椴ㄔ春陀^測(cè)者的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生變化27多普勒效應(yīng)281.波源和接收體相對(duì)運(yùn)動(dòng)發(fā)生在兩者連線上f

發(fā)射頻率波源相對(duì)介質(zhì)運(yùn)動(dòng)的速度u接收體相對(duì)介質(zhì)運(yùn)動(dòng)的速度v接收頻率多普勒效應(yīng)波的傳播速度c式中，分子減號(hào)和分母加號(hào)適用于兩者背離運(yùn)動(dòng)情況29Doppler-Effect-Souce-Moving-1.gif(320×311)()多普勒效應(yīng)302.波源與接收體相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向成一定的角度

波源相對(duì)于介質(zhì)運(yùn)動(dòng)方向與波源和接收體連線的夾角

接收體相對(duì)于介質(zhì)運(yùn)動(dòng)方向與波源和接收體連線的夾角u·cos

u在連線上的分量v·cos

v在連線上的分量多普勒效應(yīng)31波源接收體

如何理解公式中的角度？

波源相對(duì)于介質(zhì)運(yùn)動(dòng)方向與波源和接收體連線的夾角

接收體相對(duì)于介質(zhì)運(yùn)動(dòng)方向與波源和接收體連線的夾角vu32多普勒效應(yīng)的臨床應(yīng)用動(dòng)脈靜脈血流成像心臟血流成像33第一節(jié)超聲的物理描述第二節(jié)

超聲波的產(chǎn)生和接收第三節(jié)

超聲波在介質(zhì)中的傳播第四節(jié)

探頭超聲場(chǎng)的聲壓分布本章內(nèi)容34聲場(chǎng)聲場(chǎng)是指聲波存在的區(qū)域，描述聲場(chǎng)的物理量可以是聲壓、質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度、位移或介質(zhì)密度等，它們一般都是位置和時(shí)間的函數(shù)為了能定量了解超聲場(chǎng)的聲壓分布，一般假定傳播介質(zhì)是理想的各向同性介質(zhì)35聲場(chǎng)的聲壓分布振動(dòng)的圓形晶片可以認(rèn)為是由很多個(gè)小聲源組成的寬面聲源，聲場(chǎng)中某點(diǎn)的聲壓就是各個(gè)小聲源在該點(diǎn)的輻射聲壓的疊