超聲波基礎(chǔ)知識(shí)ppt課件

1、超聲基礎(chǔ)知識(shí)一、超聲波的產(chǎn)生和特性一、超聲波的產(chǎn)生和特性超聲波的產(chǎn)生 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。 可見，整個(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、超聲雖然屬于聲波卻不能為人耳所察覺。 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)。 超聲波和可聽聲波一樣 , 也是一種機(jī)械波 ,

2、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。 縱波是質(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。 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

3、在各自的平衡位置附近作橫向 ( 剪切形式 ) 的振動(dòng)。橫波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。 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。 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 : 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 ; 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。 超聲波的這些特性 , 使它在近代科學(xué)研究、工

4、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(cè)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驗(yàn)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。二、超聲波的物理量二、超聲波的物理量 1. 聲速聲速 聲波在介質(zhì)中單位時(shí)間內(nèi)傳播的距離聲波在介質(zhì)中單位時(shí)間內(nèi)傳播的距離 , 稱為聲速。用符號(hào)稱為聲速。用符號(hào) c 表示表示 , 單位為單位為 m s( 米秒米秒 ) 。聲波的傳播過程實(shí)質(zhì)上是能量。聲波的傳播過程實(shí)質(zhì)上是能量的傳遞過程的傳遞過程 , 它不僅需要一定時(shí)間它不僅需要一定時(shí)

5、間 , 而且其而且其傳遞速度的快慢還與介質(zhì)的密度及彈性、介傳遞速度的快慢還與介質(zhì)的密度及彈性、介質(zhì)的特性以及波動(dòng)的類型有關(guān)。質(zhì)的特性以及波動(dòng)的類型有關(guān)。 在有關(guān)介質(zhì)中的超聲速度2. 周期和頻率 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 10 （ MHz ）。 3. 3. 波長波長 在一個(gè)周期內(nèi)在一個(gè)周期內(nèi)

6、, , 聲波所傳播的距離就是一個(gè)波長聲波所傳播的距離就是一個(gè)波長 , , 用用表示。表示。 對(duì)于縱波對(duì)于縱波 , , 等于兩相鄰密集點(diǎn)等于兩相鄰密集點(diǎn) ( ( 或稀疏點(diǎn)或稀疏點(diǎn) ) ) 間的距離間的距離 , , 對(duì)于橫波對(duì)于橫波 , , 則是從一個(gè)波峰則是從一個(gè)波峰 ( ( 或波谷或波谷 ) ) 到相鄰波峰到相鄰波峰 ( ( 波谷波谷 ) ) 的距離的距離 c/f c/f 頻率和波長在超聲成像中是頻率和波長在超聲成像中是 2 2 個(gè)極為重要的參數(shù)個(gè)極為重要的參數(shù) , , 波長決定了成像的波長決定了成像的極限分辨率極限分辨率 , , 而頻率則決定了可成像的組織深度。下表給出了醫(yī)學(xué)超聲而頻率則決定

7、了可成像的組織深度。下表給出了醫(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。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。 波長、周期與極限分辨力之間的關(guān)系4. 4. 聲壓聲壓 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)疏時(shí)密 , 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) (P W ) 與無波動(dòng)時(shí)壓強(qiáng) (P O ) 之間有一定額壓強(qiáng)差 (P W P O ), 這一波動(dòng)壓強(qiáng)稱為聲壓。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 (P m ), 它可由下式確定： P

8、m = cV m 即：聲壓振幅 P m 與媒質(zhì)密度、質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度的最大值 V m 及波速 c 成正比。 ： 5. 5. 聲強(qiáng)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 cm 2 ) 。 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?；谶@一原理 , 在

9、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(cè)的深度。 6. 6. 聲阻抗率聲阻抗率 聲阻抗率是描述聲波傳播彈性媒質(zhì)的一個(gè)重要物理量。對(duì)于各向同性的聲阻抗率是描述聲波傳播彈性媒質(zhì)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)有效聲壓媒質(zhì)中某點(diǎn)有效聲壓 P P 與振與振動(dòng)質(zhì)點(diǎn)速度有效值動(dòng)質(zhì)點(diǎn)速度有效值 V V 之比稱為聲阻抗率之比稱為聲阻抗率 , , 它用它用 Zs Zs 表示：表示： Zs = P Zs = P V= c V= c 實(shí)

10、際上實(shí)際上 , , 聲壓與質(zhì)點(diǎn)振速不一定同相位聲壓與質(zhì)點(diǎn)振速不一定同相位 , , 所以聲阻抗率是所以聲阻抗率是 2 2 個(gè)同頻率、個(gè)同頻率、但不同相的余弦量的比值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)恒量媒質(zhì)各點(diǎn)的聲阻抗率是同一個(gè)恒量 c, c, 對(duì)一對(duì)一定頻率的聲波來說定頻率的聲波來說 , , 它只決定于媒質(zhì)密度它只決定于媒質(zhì)密度和波速和波速 c c 的乘積。的乘積。 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聲阻抗率和電學(xué)中一個(gè)

11、無限長、無損耗傳輸線的特性阻抗相似 , , 其中聲壓相當(dāng)于電壓其中聲壓相當(dāng)于電壓 , , 振速相當(dāng)于電流強(qiáng)度振速相當(dāng)于電流強(qiáng)度 , , 聲阻抗率相當(dāng)于電阻。聲阻抗率相當(dāng)于電阻。通常聲阻抗率是一個(gè)復(fù)數(shù)通常聲阻抗率是一個(gè)復(fù)數(shù) , , 其實(shí)部稱為聲阻率其實(shí)部稱為聲阻率 , , 虛部稱為聲抗率。人虛部稱為聲抗率。人體正常組織的聲阻抗率的平均值約為體正常組織的聲阻抗率的平均值約為 1.5 1.5 10 6 10 6 牛頓牛頓秒秒 / / 米米 3 3 (N s (N s m 3 ), m 3 ), 而與超聲測(cè)量有關(guān)材料的密度和。而與超聲測(cè)量有關(guān)材料的密度和。 幾種物質(zhì)及人體組織的聲阻抗率 三、生物組織與

12、超聲波之間的相互影響三、生物組織與超聲波之間的相互影響 1. 生物組織對(duì)超聲的衰減生物組織對(duì)超聲的衰減 當(dāng)超聲波在生物組織中傳播時(shí)當(dāng)超聲波在生物組織中傳播時(shí) , 作為傳播介質(zhì)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。組織對(duì)超聲能量的吸收而造成的衰減亦不可忽視。在生物組織中在生物組織中 , 造成吸收衰減的內(nèi)在原因主要有介造成吸收衰減的內(nèi)在原因主要有介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的粘滯性、導(dǎo)熱系數(shù)和溫度等因素質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的粘滯性、導(dǎo)

13、熱系數(shù)和溫度等因素 , 而這些而這些因素造成對(duì)超聲衰減的大小又與超聲的頻率有關(guān)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)層其強(qiáng)度減弱一半的距離叫半價(jià)層 , 因而因而 , 可以用半價(jià)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)層如下表所示。超聲半價(jià)層如下表所示。 人體組織、器官的超聲半價(jià)值 可見，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)

14、超聲不同的衰減系數(shù)。實(shí)測(cè)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。下表出了人體主要組織成分對(duì)不同頻率超聲的衰減系數(shù)。 人體主要組織成分對(duì)不同頻率超聲的衰減系數(shù) 由于超聲在人體中的衰減與超聲頻率有關(guān) , 因而 , 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 / MHz, 其含義是超聲波頻率每增加 1MHz 或超聲傳播距離每增

15、加 1cm , 則組織對(duì)超聲的衰減增加 0.81dB 。因而 , 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) : 0.81dB /cm/MHz 3MHz 10cm =24.3dB 而當(dāng)頻率升高到 10MHz 時(shí) , 傳播相同的距離所導(dǎo)致的聲強(qiáng)衰減將達(dá) : 0.81dB /cm / MHz 10MHz 10cm =81dB 這就說明頻率的因素甚為重要。因而 , 根據(jù)探查部位的組織不同和深度不同 , 合理選擇使用探頭的頻率 , 對(duì)診斷效果將有較大影響。 2. 2. 超聲波的反射、折射與透射超聲波的反射、折射與透射 超聲波在人體組織內(nèi)傳播不僅有衰減超聲波在人

16、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)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)超聲波只沿其傳播方向前進(jìn) , , 此此時(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組織傳播到另一種組織 , , 由于兩種組織聲阻抗的不同由于兩種組織聲阻抗的不同 , , 在聲阻抗改變?cè)诼曌杩垢淖兊姆纸缑嫔媳銜?huì)產(chǎn)生反射、折射與透射的分界面上便會(huì)產(chǎn)生反射、折射與透射 3. 3. 超聲波的生物效應(yīng)超聲波的生物效應(yīng) 超聲波是

17、一種依靠介質(zhì)來傳播的聲波，它具有機(jī)械能，因而，在傳播的過程中將超聲波是一種依靠介質(zhì)來傳播的聲波，它具有機(jī)械能，因而，在傳播的過程中將不可避免地和介質(zhì)相互作用，產(chǎn)生各種效應(yīng)。比如聲波能量作用于介質(zhì)，會(huì)引起不可避免地和介質(zhì)相互作用，產(chǎn)生各種效應(yīng)。比如聲波能量作用于介質(zhì)，會(huì)引起質(zhì)點(diǎn)高頻振動(dòng)，產(chǎn)生速度、加速度、聲壓和聲強(qiáng)等力學(xué)量的改變，從而引起機(jī)械質(zhì)點(diǎn)高頻振動(dòng)，產(chǎn)生速度、加速度、聲壓和聲強(qiáng)等力學(xué)量的改變，從而引起機(jī)械效應(yīng)效應(yīng) ; ; 由于介質(zhì)對(duì)超聲能量的吸收，將使介質(zhì)溫度升高，從而引起熱效應(yīng)由于介質(zhì)對(duì)超聲能量的吸收，將使介質(zhì)溫度升高，從而引起熱效應(yīng) ; ; 當(dāng)當(dāng)超聲波作用于液體時(shí)，會(huì)使液體內(nèi)部壓力發(fā)生

18、變化，產(chǎn)生壓力或拉力，當(dāng)拉力達(dá)超聲波作用于液體時(shí)，會(huì)使液體內(nèi)部壓力發(fā)生變化，產(chǎn)生壓力或拉力，當(dāng)拉力達(dá)到一定強(qiáng)度，可以使液體分子斷裂，產(chǎn)生近于真空的空穴，引起所謂空穴效應(yīng)到一定強(qiáng)度，可以使液體分子斷裂，產(chǎn)生近于真空的空穴，引起所謂空穴效應(yīng)也稱空化效應(yīng)等。當(dāng)超聲作用于生物組織時(shí)，以上提到的各種物理效應(yīng)同樣也稱空化效應(yīng)等。當(dāng)超聲作用于生物組織時(shí)，以上提到的各種物理效應(yīng)同樣存在，因而會(huì)對(duì)生物組織產(chǎn)生某些生物效應(yīng)。比如，由于生物組織的粘滯性而造存在，因而會(huì)對(duì)生物組織產(chǎn)生某些生物效應(yīng)。比如，由于生物組織的粘滯性而造成的吸收，將使一部分聲能轉(zhuǎn)化為熱能，使生物組織產(chǎn)生溫升，當(dāng)超聲能量達(dá)到成的吸收，將使一部分聲能轉(zhuǎn)化為熱能，使生物組織產(chǎn)生溫升，當(dāng)超聲能量達(dá)到一定強(qiáng)度的時(shí)候，除產(chǎn)生熱效應(yīng)外一定強(qiáng)度的時(shí)候，除產(chǎn)生熱效應(yīng)外 , , 空化效應(yīng)的結(jié)果還可能使組織細(xì)胞產(chǎn)生破壞空化效應(yīng)的結(jié)果還可能使組織細(xì)胞產(chǎn)生破壞性形變。因而，雖然目前普遍地認(rèn)為超聲對(duì)人體的危害甚微，但診斷用超聲劑量性形變。因而，雖然目前普遍地認(rèn)為超聲對(duì)人體的危害甚微，但診斷用超聲劑量并不被認(rèn)為是越大越好。一般接受的劑量應(yīng)小于安全劑量并不被認(rèn)為是越大越好。一般接受的劑量應(yīng)小于安全劑