教材第四篇 超聲(1)

1、教材第四章 超聲（1） 醫(yī)學(xué)超聲學(xué)基礎(chǔ)第一節(jié) 超聲波的定義及特性,波，根據(jù)其性質(zhì)可分為兩大類：,彈性介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)機(jī)械振動狀態(tài)的傳播過程。 其實(shí)是機(jī)械振動能量的傳播過程。二、聲波按頻率的分類及醫(yī)用超聲的范圍聲波按頻率(f)的分類,一、聲波的定義,簡單的分類:,f＜16 Hz 稱：次聲波 16 Hz≤f≤20 kHz 稱：可聽聲波 f＞20 kHz 稱：超聲波醫(yī)學(xué)超聲儀的

2、頻率范圍：200 kHz－40 MHz超聲診斷儀的頻率范圍： 1 MHz－10 MHz 相應(yīng)的波長： 1.5mm－0.15mm三、超聲波（最突出）的特性1. 方向性好——用于探測、診斷。2. 能量大 ——用于清洗、滅菌、手術(shù)。,二、機(jī)械波產(chǎn)生的過程　　 連續(xù)彈性介質(zhì)中，某一質(zhì)點(diǎn)的振動，通過彈性力的作用，傳遞給與它相鄰的質(zhì)點(diǎn)，后者也振動，并繼續(xù)傳遞……能量傳播，形成機(jī)械波。三、超聲波的產(chǎn)生及傳播

3、 由超聲換能器產(chǎn)生振動，引起接觸劑的振動，接觸劑的振動又引起人體皮膚、脂肪及內(nèi)臟的振動，超聲波能量就這樣進(jìn)入了人體。,第三節(jié) 超聲波的分類一、按質(zhì)點(diǎn)振動方向和波傳播方向的關(guān)系分類,1. 橫波質(zhì)點(diǎn)振動方向垂直于波的傳播方向的波。由介質(zhì)的切變彈性引起，亦稱切變波。橫波僅在固體中傳播。2. 縱波質(zhì)點(diǎn)振動方向平行于波的傳播方向的波。由介質(zhì)的壓縮彈性引起，亦稱疏密波或壓縮波?？v波能在固體、液體和氣體中傳

4、播。,由于人體軟組織無切變彈性，橫波在人體軟組織中不能傳播，而只能以縱波的方式傳播，所以縱波是超聲診斷和治療的常用波型。,1. 聲速c 聲波在單位時間內(nèi)傳播的距離稱聲速，用c表示。聲速c與質(zhì)點(diǎn)振動速度v是不同的。c與以下因素有關(guān)： （1）c與波類型有關(guān)。橫波c＞縱波c。 （2）在流體與氣體介質(zhì)中（平面縱波）： 　 B－介質(zhì)的體積彈性系數(shù) 　 ρ－介質(zhì)的密度 （3）c與溫度有

5、關(guān)——因B與溫度有關(guān)。 如：空氣中一定溫度內(nèi)每升高1℃，聲速約增加 0.6m/S。 （4）c與頻率無關(guān)，即無頻散（色散）現(xiàn)象。,二、波參數(shù),與超聲診斷有關(guān)的各種介質(zhì)的聲速,,重要聲速參數(shù),① 人體軟組織中： c≈1540 m/S 在人體各種軟組織中,聲速都很接近，可按此估算。② 人體骨組織中： c≈4000 m/S③ 空氣(22℃)中： c≈ 345 m/S,5. 聲阻抗率Z,（

6、1）定義 聲場中某點(diǎn)的聲壓與該質(zhì)點(diǎn)振動速度之比稱聲阻抗率Z＝P/v 對于平面波，可求得： Z＝P/v＝ρc 在水和空氣中,還可得：Z＝P/v＝ρc＝(Bρ)1/2 式中：ρ—介質(zhì)密度，c —聲速，B—體積彈性系數(shù)　 （2）說明 ① Z只與介質(zhì)本身聲學(xué)特性有關(guān)，又稱特性阻抗； ② Z的單位是瑞利，1瑞利＝1g/cm2·S； ③ 聲阻抗率越大，超聲縱波速度越快。,（3）人體組織按聲

7、阻抗率大致可分成三類,① 體液及軟組織： Z≈1.5×105 瑞利?、?氣體及充氣的肺組織：Z≈0.0004-0.26×105 瑞利　③ 骨及鈣化了的組織： Z≈5.57-8.3×105 瑞利　　?。?）關(guān)于聲阻抗名稱 聲阻抗是“機(jī)-電類比”中，與電阻抗相類比而稱的。 “機(jī)-電類比”是用電學(xué)的理論、手段研究聲學(xué)問題的方法。因?yàn)樵S多聲學(xué)系統(tǒng)與相應(yīng)的電學(xué)系統(tǒng)有相

8、同的微分方程 聲學(xué)：Z＝P/v， 電學(xué)：R＝U/I， 類比：Z－R，P－U，V－I,超聲成像只能用于那些有液體和軟組織的、且聲波傳播通路上沒有氣體或骨骼阻擋的那些區(qū)域。 在液體和軟組織中，聲速和聲阻抗變化不大，使得聲反射量適中，既保證了界面回波的顯像觀察，亦保證了聲波可穿透足夠的深度。此外，接收回波的時延與目標(biāo)深度成近似的正比關(guān)

9、系，這是B超診斷圖像成功應(yīng)用必要的物理基礎(chǔ)。,（3）超聲波垂直入射界面時的力學(xué)特性,,其中：,，,（4）討論,① 則 有反射，有透射；② 則 無反射，全透射；③ 則 幾乎全反射，無透射；④

10、 則 幾乎全反射，無透射。 反射超聲能量的大小取決于兩種介質(zhì)的聲阻抗率差 超聲垂直入射時： 在空氣－軟組織交界面上，聲強(qiáng)反射系數(shù)為0.9989；在軟組織－顱骨交界面上，聲強(qiáng)反射系數(shù)為0.32。即在這兩種界面上，有99.9％和32％的超聲能量被反射回來。這就是為什么超聲診斷儀不能檢查含氣體的臟器及對頭顱檢查困難的原因。 超聲診斷儀檢查時聲波

11、通路上必須避開骨和空氣。,二、透過薄層的波,在超聲換能器中，超聲要通過幾層特性阻抗不同的介質(zhì)進(jìn)行傳播。 　這里只討論最簡單的情況，即假設(shè)平面超聲波垂直入射，通過三層介質(zhì)。如圖：,可以求得：　式中：I1 ——第一層介質(zhì)中的入射波能量　　　　I3 ——第三層介質(zhì)中的透射波能量 　　　　　 ——介質(zhì)2中的波數(shù)　　　　L2 ——中間層厚度 （1）當(dāng) ，n=1,2,&

12、#183;·· （L2為半波長的整數(shù)倍)時 或 ，且非Z2<<Z1, Z2<<Z3（L2薄,且Z2非疏)時 可得： （或≈） 即此時聲波透過中間層傳播的能量僅與Z1, Z3有關(guān),而與中間層材料的特性Z2無關(guān)。,因此，在超聲診斷中耦合層的厚度應(yīng)盡可能薄，只要把探頭與皮膚間的

13、氣泡排除即可。超聲換能器輻射面上的保護(hù)膜厚度也要按這個關(guān)系選用。,,（2）當(dāng) ，n =1,2,···， 且 時　 可得：　 可見，當(dāng)中間層厚度等于穿過其中的超聲波波長的四分之一的奇數(shù)倍，且特性阻抗等于其它兩種介質(zhì)特性阻抗的幾何平均值時，聲波在三種不同介質(zhì)中能完全透射，而無反射。此時，稱為匹配。這個中間

14、層稱為匹配層。,這一結(jié)論對制造超聲換能器特別有用。晶體如直接與皮膚接觸，由于兩者聲阻抗率相差較大，超聲能量將有相當(dāng)一部分反射回來，進(jìn)入人體的只是一部分。為此，在晶體表面增加一層匹配層，其厚度為 ，聲阻抗等于晶體和皮膚聲阻抗的幾何平均，則超聲能量就能全部透過匹配層進(jìn)入人體。,三、散射和繞射,前面討論的反射和折射，有一個重要條件，即反射界面對于超聲波波長來說是無限大的：d>>λ。 當(dāng)d與λ可比，則發(fā)

15、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。,1. 散射,① 條件：d<<λ；?、?現(xiàn)象：小障礙物變成新的波源，并向四周發(fā)射超聲波；?、?回波：散射信號的回波大小與入射角無明顯關(guān)系；?、?應(yīng)用：運(yùn)動的紅細(xì)胞散射——超聲多普勒血流儀；　　　　　 臟器內(nèi)小結(jié)構(gòu)散射——B超臟器結(jié)構(gòu)性質(zhì)顯像。 2. 繞射?、?條件：d與λ接近；?、?現(xiàn)象：障礙物邊緣超聲波繞過障礙物繼續(xù)前進(jìn)；　

16、③ 應(yīng)用：膽結(jié)石邊緣發(fā)生繞射，在其后方形成聲影，　　　　　 以此判別是否膽結(jié)石。,第六節(jié) 超聲在生物組織中的衰減,一、超聲衰減的定義 超聲強(qiáng)度隨傳播距離增加而減弱的現(xiàn)象，稱超聲衰減。 二、超聲衰減的原因① 擴(kuò)散　聲束擴(kuò)散，使聲波原方向聲強(qiáng)減弱。② 散射　介質(zhì)散射，也使聲波原方向聲強(qiáng)減弱。③ 吸收　介質(zhì)的吸收將聲能轉(zhuǎn)化為熱能，超聲能量減少?！?(ａ) 粘滯吸收：介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動時相互摩擦；　 (ｂ) 弛豫吸收：介質(zhì)的傳導(dǎo)造

17、成熱能輻射。,三、 超聲衰減規(guī)律,（1）平面波在均勻生物組織中傳播時，有指數(shù)型關(guān)系 式中，I0,P0 —x=0處的聲強(qiáng)、聲壓有效值 — 介質(zhì)的聲壓衰減系數(shù) （2）聲壓衰減系數(shù) ?、?與擴(kuò)散、散射、吸收等因素有關(guān)。一般 　　　 ② 在人體軟組織，并診斷用超聲頻率范圍內(nèi)　　　式中，β—介質(zhì)的超聲衰減常數(shù)?？刹楸淼?。 ③ 單位： —(mm)-1,　β—μs/mm,　f—MHz.,第七節(jié)

18、超聲的生物效應(yīng),超聲波是一種依靠介質(zhì)來傳播的聲波，它具有機(jī)械能。因此傳播過程中將不可避免地與介質(zhì)相互作用，產(chǎn)生各種效應(yīng)。 一、機(jī)械效應(yīng)　　聲波能量作用于介質(zhì)，會引起質(zhì)點(diǎn)高速細(xì)微的振動，產(chǎn)生速度、加速度、聲壓、聲強(qiáng)等力學(xué)量的變化，從而引起機(jī)械效應(yīng)。 利用：引起細(xì)胞的摩擦，能促進(jìn)新陳代謝。 注意：必須控制適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度。,二、溫?zé)嵝?yīng),由于生物組織對超聲有吸收作用，一部分聲能轉(zhuǎn)化為熱能，使生物組織產(chǎn)生溫升。

19、 利用：① 能使局部血管擴(kuò)張，加快血液循環(huán)，促進(jìn)病理產(chǎn)物的吸收消散?！　　?② 局部加熱至43oC，配合放射化療治療癌癥。 注意：強(qiáng)度適當(dāng)。 三、空化效應(yīng)　　因超聲波作用而在軟組織和液體中形成的空泡，會隨著材料各處壓力的變化而改變其大小，在一定超聲壓力情況下，氣泡會破裂而產(chǎn)生沖擊，引起材料的破碎或位移，這就是空化效應(yīng)?？栈泻艽蟮钠茐淖饔谩?利用：可制成超聲手術(shù)刀。 注意：避免強(qiáng)超聲

20、照射眼睛、懷孕子宮,四、化學(xué)效應(yīng),因局部壓力和溫度的升高，發(fā)生常溫常壓下不可能發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，這是超聲的化學(xué)效應(yīng)。 五、安全劑量　　以上幾種超聲效應(yīng)在一定劑量上，都不同程度地對人體組織有傷害作用，因此必須重視安全劑量。 安全閾值：100mW/cm2。與照射時間密切相關(guān)。 一般認(rèn)為：在診斷的安全劑量內(nèi)，不產(chǎn)生可檢出的 生物效應(yīng)，對人體是安全無損的, 也無 劑