醫(yī)學(xué)超聲原理第五講超聲波散射以及多普勒效應(yīng)資料

1、第五講 超聲波的散射與多普勒效應(yīng),主講：牛金海聯(lián)系方式：jhniu@sjtu.edu.cn,指定教材,目前，關(guān)于生物醫(yī)學(xué)超聲的參考書很多；但是從教十年多來，一直很難找到一本非常適合本科生的教材。這也是編者下定決心編寫本書的主要原因之一。本書的內(nèi)容主要包括超聲物理基礎(chǔ)，壓電效應(yīng)與換能器技術(shù)，超聲成像診斷原理，超聲治療技術(shù)，醫(yī)學(xué)超聲實(shí)驗(yàn)，醫(yī)學(xué)超聲的最新進(jìn)展等。每章節(jié)都配置了一定量的練習(xí)與思考題，以幫助讀者鞏固書中的內(nèi)容，并提高分析解決問

2、題的能力。為配合雙語(yǔ)教學(xué)，本書保留了關(guān)鍵專業(yè)詞匯的中英文對(duì)照。本書的特點(diǎn)是在注重基本概念，基本原理，基本方法的同時(shí)，兼顧一定的工程技術(shù)實(shí)用性，如包含聲場(chǎng)的數(shù)值模擬，超聲圖像的C語(yǔ)言程序處理，超聲波發(fā)射電路原理，換能器的匹配技術(shù)等。本書適合醫(yī)學(xué)超聲以及相關(guān)領(lǐng)域的本科生作教材，也可供該領(lǐng)域的研究生，科研及工程技術(shù)工作者參考。,第五講 超聲波的散射與多普勒效應(yīng),本講主要內(nèi)容一、超聲波的散射二、剛性球的散射三、超聲散射波的理論模型四

3、、超聲散射的表示參數(shù)五、超聲散射在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用六、超聲造影劑七、多普勒效應(yīng)八、本講思考題,一、 超聲波的散射,當(dāng)聲波傳播過程中遇到其線度接近或小于聲波波長(zhǎng)的障礙物時(shí)，反射波就不再是平面波，而是向各個(gè)方向散射出去，這種情況與界面的反射大不相同，這就是聲散射(scattering)。除了聲的吸收以及反射，其它的原因引起聲場(chǎng)的變化，都可以理解為散射。超聲波在生物組織中的衰減主要由吸收與散射組成。,scattering,Rayle

4、igh scattering occurs at interfaces involving structures of small dimensions.  This is common with red blood cells (RBC), where the average diameter of an RBC is 7μm, and an ultrasound wavelength may be 300μm (5 MHz

5、).  When the sound wave is greater than the structure it comes in contact with, it creates a uniform amplitude in all directions with little or no reflection returning to the transducer.In the image below of the le

6、ft saphenous vein (SV), common femoral vein (CFV), superficial femoral (SFA) and profunda femoris (PFA) arteries, Rayleigh scattering is present within each of the blood vessels.  Scattering is dependent for four di

7、fferent factors: the dimension of the scatterer, the number of scatterers present, the extent to which the scatterer differs from surrounding material, and the ultrasound frequency.,,,一、 超聲波的散射,一、散射的分類與研究方法 當(dāng)超聲波與載波介質(zhì)相互作

8、用時(shí),超聲波的幅度、波前方向、相位以及頻率由于介質(zhì)中非均勻體(粒子或界面)對(duì)超聲波的再輻射而發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為超聲波的散射。這種由入射波與散射波相干而形成的超聲波場(chǎng)稱為散射波場(chǎng)。思考題：為什么天空是藍(lán)色的？ 為什么早晨或者晚上的太陽(yáng)是紅色的？,一、 超聲波的散射,根據(jù)散射體的大小與波長(zhǎng)的關(guān)系，（廣義）散射分為三種類型：當(dāng)散射體的尺寸遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)時(shí)，即為反射，透射，折射。當(dāng)散射體的尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)時(shí)，為瑞利散射或者為分子散射。當(dāng)散

9、射體的尺寸與波長(zhǎng)相當(dāng)時(shí)，可以用衍射理論，與幾何光學(xué)的類似。,,瑞利散射,瑞利散射（Rayleigh scattering）由英國(guó)物理學(xué)家瑞利的名字命名。它是半徑比光的波長(zhǎng)小很多的微粒對(duì)入射光的散射。瑞利散射光的強(qiáng)度和入射光波長(zhǎng)λ的4次方成反比： 其中 是入射光的光強(qiáng)分布函數(shù)。也就是說，波長(zhǎng)較短的藍(lán)光比波長(zhǎng)較長(zhǎng)的紅光更易散射。,一、 超聲波的散射,前面討論的反射和折射，有一個(gè)重要條件，即反射界面對(duì)于超聲波波長(zhǎng)來說是無限大的：d>

10、;>λ。 當(dāng)d與λ可比，則發(fā)生繞射。例如膽結(jié)石。 當(dāng)d<<λ，則發(fā)生散射。例如紅細(xì)胞。,二、球體的散射,二、球體的散射簡(jiǎn)化模型: 由于超聲散射場(chǎng)設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)知識(shí)很多，且很復(fù)雜，感興趣的同學(xué)可以參閱《聲學(xué)基礎(chǔ)》，《數(shù)學(xué)物理方法》等。 其它模型如圓柱體的散射，這里不再介紹。,二、球體的散射,若無散射粒子介入時(shí),可按此問題的對(duì)稱性將平面波表示如下:(2-4-1)式中:

11、 ,Pm為m階拉格朗日函數(shù); jm為m階球貝塞爾函數(shù)的實(shí)部.當(dāng)入射波與剛性球相互作用時(shí),將產(chǎn)生下述散射波:(2-4-2)式中: nm為m階球貝塞爾函數(shù)的虛部; （參考自白凈的《醫(yī)學(xué)超聲成像機(jī)理》P80）,二、球體的散射,δm定義如下:當(dāng) 時(shí),(2-4-3)當(dāng) 時(shí),(2-4-4)有關(guān)jm，nm，δm等的取值已有數(shù)據(jù)表可查。

12、,二、球體的散射,可估算出散射波場(chǎng)強(qiáng)度Is如下式:（2-4-5）在波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于粒子尺度及波長(zhǎng)遠(yuǎn)小于粒子尺度兩種情況下可以將上式簡(jiǎn)化：（2-4-6）,二、球體的散射,球體散射分布,三、超聲散射波的理論模型,三、超聲散射波的理論模型1）離散模型 計(jì)算離散模型散射的方法之一是波恩(Born)近似方法，即認(rèn)為總散射為每個(gè)粒子散射的簡(jiǎn)單求和，且單個(gè)粒子的散射可在不計(jì)其余粒子存在的條件下分別求得。2）連續(xù)

13、非均勻介質(zhì)模型,四、超聲散射的表示參數(shù),四、超聲散射的表示參數(shù)：1）目標(biāo)強(qiáng)度 Ts2）散射截面S,四、超聲散射的表示參數(shù),1）目標(biāo)強(qiáng)度Ts:定義為：（2-4-7）如圖所示，O點(diǎn)為散射體所處位置，Ii為入射波在O點(diǎn)的聲強(qiáng)。I（θ）為以O(shè)點(diǎn)為中心的球面上一點(diǎn)P的散射波聲強(qiáng)，球的半徑R為單位距離， θ角為OP與入射聲線之間的夾角。,目標(biāo)強(qiáng)度,四、超聲散射的表示參數(shù),假定圖中，處于O點(diǎn)位置的散射體是一個(gè)靜止的鋼球，其半徑為

14、a。剛球的意思是指其體積彈性率無限大，即使在聲壓作用下也不變形。那么在ka<0.5的情況下，可以計(jì)算得到：（2-4-8）,四、超聲散射的表示參數(shù),2).散射截面S：障礙物所產(chǎn)生的總的散射功率與入射強(qiáng)度之比。a）障礙物的尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于超聲波波長(zhǎng)，散射截面為1，主要是反射。b）障礙物的尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于超聲波波長(zhǎng)，形成散射輻射。如果障礙物為剛性的，則服從瑞利散射分布，散射強(qiáng)度與波長(zhǎng)的四次方成反比，與球體半徑的六次方成正

15、比。 S∝k4a6c)障礙物的尺寸與超聲波波長(zhǎng)接近時(shí)，散射比較復(fù)雜。,五、超聲背散射系數(shù)臨床醫(yī)學(xué)的應(yīng)用,,超聲背散射系數(shù)臨床醫(yī)學(xué)的應(yīng)用,超聲散射系數(shù)在臨床醫(yī)學(xué)上還有哪些應(yīng)用？有興趣的同學(xué)可以再找找相關(guān)文獻(xiàn)。,六、超聲造影劑（Ultrasound contrast agent）,定義：超聲造影劑是在超聲成像中用來增強(qiáng)圖像對(duì)比度的物質(zhì)。一般為微米量級(jí)直徑的包膜微氣泡，通過靜脈注射進(jìn)入血液循環(huán)

16、系統(tǒng)，以增強(qiáng)超聲波的散射強(qiáng)度,從而達(dá)到超聲造影成像的目的。作用：超聲造影劑注入血管后，可以改變組織的超聲特性（如背向散射系數(shù)、衰減系數(shù)、聲速及非線性效應(yīng)）產(chǎn)生造影效果，增強(qiáng)效果取決于超聲造影劑的濃度、尺寸以及超聲發(fā)射頻率。它的最基本性質(zhì)就是能增強(qiáng)組織的回波能力，可在B型超聲成像中提高圖像的清晰度和對(duì)比度。其非線性效應(yīng)產(chǎn)生一定能量的諧波分量，利用諧波成像和諧波Doppler技術(shù)可測(cè)量體內(nèi)微小血管血流與組織灌流，能抑制不含超聲造影劑的組織

17、運(yùn)動(dòng)在基頻上產(chǎn)生的雜波信號(hào)，大大提高信噪比。,指定教材,目前，關(guān)于生物醫(yī)學(xué)超聲的參考書很多；但是從教十年多來，一直很難找到一本非常適合本科生的教材。這也是編者下定決心編寫本書的主要原因之一。本書的內(nèi)容主要包括超聲物理基礎(chǔ)，壓電效應(yīng)與換能器技術(shù)，超聲成像診斷原理，超聲治療技術(shù)，醫(yī)學(xué)超聲實(shí)驗(yàn)，醫(yī)學(xué)超聲的最新進(jìn)展等。每章節(jié)都配置了一定量的練習(xí)與思考題，以幫助讀者鞏固書中的內(nèi)容，并提高分析解決問題的能力。為配合雙語(yǔ)教學(xué)，本書保留了關(guān)鍵專業(yè)詞匯的

18、中英文對(duì)照。本書的特點(diǎn)是在注重基本概念，基本原理，基本方法的同時(shí)，兼顧一定的工程技術(shù)實(shí)用性，如包含聲場(chǎng)的數(shù)值模擬，超聲圖像的C語(yǔ)言程序處理，超聲波發(fā)射電路原理，換能器的匹配技術(shù)等。本書適合醫(yī)學(xué)超聲以及相關(guān)領(lǐng)域的本科生作教材，也可供該領(lǐng)域的研究生，科研及工程技術(shù)工作者參考。,超聲造影劑原理,造影劑微氣泡在超聲的作用下會(huì)發(fā)生振動(dòng)，散射強(qiáng)超聲信號(hào)。這也是超聲造影劑的最重要的特性——增強(qiáng)背向散射信號(hào)。例如在B超中，通過往血管中注入超聲造影劑，

19、可以得到很強(qiáng)的B超回波，從而在圖像上更清晰的顯示血管位置和大小。接收到的超聲強(qiáng)度是入射強(qiáng)度和反射體的散射截面的函數(shù)。散射截面是與頻率的四次方和散射體半徑的六次方成正比，這對(duì)所有的造影劑介質(zhì)都適用。理論上，通過簡(jiǎn)單的計(jì)算就可以看到氣泡粒子的散射截面要比同樣大小的固體粒子（例如鐵）大1億倍。這也是氣泡組成的造影劑的造影效果比別的散射體優(yōu)越的原因所在。氣泡散射還有一個(gè)十分有意義的特性——?dú)馀莨舱?。?dāng)入射聲波的頻率與氣泡共振頻率一致時(shí)，入射

20、聲波的能量全部被氣泡共振吸收，形成共振散射，這時(shí)散射截面遠(yuǎn)比上述公式給定的大。,超聲造影劑結(jié)構(gòu)圖,第一代超聲造影劑結(jié)構(gòu)圖第一代造影劑包括Albunex、Echo-vist(SHU-454)和Levovist(SHU-508A),第一代超聲造影劑的物理特性，包括包膜較厚，彈性差，而且包裹的空氣易溶于水等，決定了它持續(xù)時(shí)間短，容易破裂，從而限制了臨床應(yīng)用中觀察和診斷的時(shí)間。,第二代超聲造影劑結(jié)構(gòu)圖第二代造影劑包括Aerosomes(D

21、MP-115)、EchoGen、Imagent(AFO150)、NC100100、Quantison、Sonovue(BR-1)、AI-700、Bisphere、Sonovist(SHU-563A)、PESDA以及Optison(FS069)。第二代超聲造影劑為包裹高密度惰性氣體（不易溶于水或血液）為主的外膜薄而柔軟的氣泡，直徑一般在2-5um左右，穩(wěn)定時(shí)間長(zhǎng)，振動(dòng)及回波特性好。,請(qǐng)查找更為清晰的超聲造影比對(duì)圖片，加造影劑以及不加造影

22、劑的？,超聲造影圖像比較,,有無造影劑的比對(duì)圖,七、多普勒效應(yīng),1、概述 前面所討論的波源、介質(zhì)、觀察者(接收裝置)之間都是相對(duì)靜止的。接收到的波的頻率并沒有發(fā)生變化。下面幾種情況下，1）當(dāng)波源相對(duì)于介質(zhì)、觀察者之間； 2）觀察者相對(duì)于波源、介質(zhì)之間； 3）波源、觀察者相對(duì)于介質(zhì)之間是運(yùn)動(dòng)的。這時(shí)觀察者發(fā)覺波的頻率發(fā)生變化。這種現(xiàn)象稱為多普勒效應(yīng)。變化的

23、頻率(增減)稱為多普勒頻移。這個(gè)現(xiàn)象是奧地利物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家克里斯蒂安·多普勒(1803-1853）在1842年發(fā)現(xiàn)的，后人以他的名字命名。下面分簡(jiǎn)單介紹其中兩種情況。多普勒效應(yīng)在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用主要為，多普勒測(cè)血流。,指定教材,目前，關(guān)于生物醫(yī)學(xué)超聲的參考書很多；但是從教十年多來，一直很難找到一本非常適合本科生的教材。這也是編者下定決心編寫本書的主要原因之一。本書的內(nèi)容主要包括超聲物理基礎(chǔ)，壓電效應(yīng)與換能器技術(shù)，超聲成像診斷原理

24、，超聲治療技術(shù)，醫(yī)學(xué)超聲實(shí)驗(yàn)，醫(yī)學(xué)超聲的最新進(jìn)展等。每章節(jié)都配置了一定量的練習(xí)與思考題，以幫助讀者鞏固書中的內(nèi)容，并提高分析解決問題的能力。為配合雙語(yǔ)教學(xué)，本書保留了關(guān)鍵專業(yè)詞匯的中英文對(duì)照。本書的特點(diǎn)是在注重基本概念，基本原理，基本方法的同時(shí)，兼顧一定的工程技術(shù)實(shí)用性，如包含聲場(chǎng)的數(shù)值模擬，超聲圖像的C語(yǔ)言程序處理，超聲波發(fā)射電路原理，換能器的匹配技術(shù)等。本書適合醫(yī)學(xué)超聲以及相關(guān)領(lǐng)域的本科生作教材，也可供該領(lǐng)域的研究生，科研及工程技

25、術(shù)工作者參考。,超聲多普勒示意圖,七、多普勒效應(yīng),2、 觀察者以速度V相對(duì)于介質(zhì)運(yùn)動(dòng),波源與介質(zhì)相對(duì)靜止 假定觀察這項(xiàng)波源運(yùn)動(dòng).此時(shí)1s內(nèi)不僅原來位于觀察處的波向右傳播了c,而且還由于觀察者本身向左運(yùn)動(dòng)了V,相當(dāng)于波通過觀察者的總距離為c+V,因而觀察者在單位時(shí)間內(nèi)接收的波數(shù)發(fā)生變化。在單位時(shí)間內(nèi)觀察者所接受的波數(shù)（頻率）f’為（2-5-1）此時(shí)觀察者接收到的頻率為原來的 倍，其過程如圖（2

26、.5.1）。,七、多普勒效應(yīng),3、波源以速度V相對(duì)于介質(zhì)運(yùn)動(dòng)，觀察著相對(duì)于介質(zhì)靜止 波源運(yùn)動(dòng)會(huì)影響波在介質(zhì)中的分布式波陣面不再是同心球面。若波源向右運(yùn)動(dòng)則波陣面向右擠緊。當(dāng)下一個(gè)振動(dòng)從波源發(fā)出時(shí)，波源已經(jīng)向前運(yùn)動(dòng)了一段距離VT。這相當(dāng)于波長(zhǎng)縮短了VT。所以通過觀察著所在處的波長(zhǎng)λ’為（2-5-2）但是單位時(shí)間內(nèi)觀察者處的波陣面仍舊向前傳播了c,所以觀察著接收到的波數(shù)f’為：（2-5-3）

27、此時(shí)觀察者接收到的頻率為原來的 倍，其過程如圖（2.5.2）所示,七、多普勒效應(yīng),圖 2.5.1 觀察者運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生多普勒效應(yīng),圖 2.5.2 波源運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生多普勒效應(yīng),超聲多普勒測(cè)血流,東芝Power Vision 8000全數(shù)字化全身性彩色多普勒超聲診斷儀,指定教材,目前，關(guān)于生物醫(yī)學(xué)超聲的參考書很多；但是從教十年多來，一直很難找到一本非常適合本科生的教材。這也是編者下定決心編寫本書的主要原因之一。本書的內(nèi)容主要包括超聲物理

28、基礎(chǔ)，壓電效應(yīng)與換能器技術(shù)，超聲成像診斷原理，超聲治療技術(shù)，醫(yī)學(xué)超聲實(shí)驗(yàn)，醫(yī)學(xué)超聲的最新進(jìn)展等。每章節(jié)都配置了一定量的練習(xí)與思考題，以幫助讀者鞏固書中的內(nèi)容，并提高分析解決問題的能力。為配合雙語(yǔ)教學(xué)，本書保留了關(guān)鍵專業(yè)詞匯的中英文對(duì)照。本書的特點(diǎn)是在注重基本概念，基本原理，基本方法的同時(shí)，兼顧一定的工程技術(shù)實(shí)用性，如包含聲場(chǎng)的數(shù)值模擬，超聲圖像的C語(yǔ)言程序處理，超聲波發(fā)射電路原理，換能器的匹配技術(shù)等。本書適合醫(yī)學(xué)超聲以及相關(guān)領(lǐng)域的本科

29、生作教材，也可供該領(lǐng)域的研究生，科研及工程技術(shù)工作者參考。,八、本講思考題,,,1、超聲波在遇到障礙物的時(shí)候，什么情況下發(fā)生散射？什么情況下發(fā)生反射？2、什么是多普勒效應(yīng)？多普勒效應(yīng)在醫(yī)學(xué)超聲中的應(yīng)用？3、血液對(duì)超聲的散射與哪些因素有關(guān)，簡(jiǎn)述這些因素與散射波強(qiáng)度的關(guān)系？4、生物組織的超聲散射模型有哪些？5、超聲散射場(chǎng)的表征參數(shù)有哪些？ 各自的定義是什么？6、請(qǐng)用瑞利散射原理解釋“藍(lán)天與夕陽(yáng)”現(xiàn)象？7、請(qǐng)用散射理論，解釋微氣泡

30、超聲造影劑的原理？8、請(qǐng)調(diào)研超聲散射的基礎(chǔ)研究以及臨床應(yīng)用。主要包括，超聲散射的模型，生物組織的散射模型，超聲散射的臨床應(yīng)用。從參考書，期刊雜志，網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)站等查找？,指定教材,目前，關(guān)于生物醫(yī)學(xué)超聲的參考書很多；但是從教十年多來，一直很難找到一本非常適合本科生的教材。這也是編者下定決心編寫本書的主要原因之一。本書的內(nèi)容主要包括超聲物理基礎(chǔ)，壓電效應(yīng)與換能器技術(shù)，超聲成像診斷原理，超聲治療技術(shù)，醫(yī)學(xué)超聲實(shí)驗(yàn)，醫(yī)學(xué)超聲的最新進(jìn)展等。每章節(jié)都