第二章超聲成像物理原理1

超聲醫(yī)學(xué)

ultrasound第二章

超聲成像的物理原理

福建醫(yī)科大學(xué)附屬漳州市醫(yī)院超聲醫(yī)學(xué)科陳明教學(xué)目標(biāo)1.掌握超聲的定義、特性及產(chǎn)生機(jī)制2.掌握超聲傳播中頻率、聲速、波長(zhǎng)三者之間的關(guān)系3.熟悉生物組織對(duì)入射聲束的作用4.熟悉入射超聲對(duì)生物組織的作用

5.了解超聲診斷的安全性及注意事項(xiàng)

第一節(jié)超聲成像的物理基礎(chǔ)一、定義

1.超聲

是一種機(jī)械波，其頻率在20千赫茲以上。

2.醫(yī)學(xué)診斷用超聲

頻率在2.2～10兆赫茲范圍的超聲。

3.超聲的特性

◆超聲波可在氣體、液體、固體等介質(zhì)中傳播

◆超聲波可以傳遞很強(qiáng)的能量

◆超聲波在傳播過程中會(huì)產(chǎn)生反射、折射、散射、繞射、干涉等現(xiàn)象

◆超聲波在液體介質(zhì)中傳播時(shí)，會(huì)在界面產(chǎn)生沖擊和空化現(xiàn)象

第一節(jié)超聲成像的物理基礎(chǔ)二、超聲的產(chǎn)生與接收

1.壓電效應(yīng)

是電能與聲能相互轉(zhuǎn)換的過程。2.超聲的產(chǎn)生（說）

電場(chǎng)作用到特定的材料兩端引起振動(dòng)，在周圍介質(zhì)中傳播形成超聲，是逆壓電效應(yīng)過程。3.超聲的接收（聽）

聲場(chǎng)作用到特定的材料兩端產(chǎn)生電位差，通過接收器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，是正壓電效應(yīng)過程。

第一節(jié)超聲成像的物理基礎(chǔ)

4.壓電材料

能夠產(chǎn)生壓電效應(yīng)的材料。

◆無機(jī)材料主要包括鈦酸鋇、鈦酸鉛、鋯鈦酸鉛等。

◆有機(jī)材料

主要由聚偏氟乙烯（PVDF）構(gòu)成，材料聲阻抗與人體接近。

◆混合材料

由壓電陶瓷和有機(jī)壓電材料混合構(gòu)成，機(jī)電耦合系數(shù)大，適宜制作寬帶換能器。第一節(jié)超聲成像的物理基礎(chǔ)

5.換能器（探頭）

◆結(jié)構(gòu)

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(shù)用探頭；體腔檢查用探頭。

第一節(jié)超聲成像的物理基礎(chǔ)第一節(jié)超聲成像的物理基礎(chǔ)三、超聲的傳播1.傳播速度（c）

由傳播介質(zhì)決定，不同人體組織器官的聲速不同，平均聲速為1540米/秒，其中空氣最小（350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(zhǎng)（λ）

超聲波長(zhǎng)與聲速和頻率滿足關(guān)系式：第一節(jié)超聲成像的物理基礎(chǔ)四、超聲聲束的空間分布

1.聲束

在一個(gè)有限的立體角內(nèi)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(yuǎn)程區(qū)

遠(yuǎn)離探頭區(qū)域，聲束發(fā)散第一節(jié)超聲成像的物理基礎(chǔ)超聲聲束空間分布示意圖第二節(jié)超聲與生物組織間的相互作用一、生物組織對(duì)入射超聲的作用

（一）兩個(gè)基本概念

◆聲特性阻抗介質(zhì)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(zhì)的接觸面。大界面：界面尺寸大于超聲波長(zhǎng)小界面：界面尺寸小于超聲波長(zhǎng)第二節(jié)超聲與生物組織間的相互作用第二節(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(gè)條件方向、截面、角度

◆全反射

兩種介質(zhì)的聲速關(guān)系入射角度◆界面的反射信號(hào)是聲像圖的主要組成部分第二節(jié)超聲與生物組織間的相互作用

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(qiáng)度低

（四）繞射

入射聲束與界面（界面尺寸與超聲波長(zhǎng)大小相當(dāng)）的作用◆繞射使入射聲束發(fā)生方向偏轉(zhuǎn)第二節(jié)超聲與生物組織間的相互作用第二節(jié)超聲與生物組織間的相互作用

（五）衰減

由于組織對(duì)超聲的吸收造成聲能的減小。

◆不同組織，吸收系數(shù)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。

第二節(jié)超聲與生物組織間的相互作用二、入射超聲對(duì)生物組織的作用

1.超聲的生物效應(yīng)

當(dāng)一定劑量的超聲波在生物體內(nèi)傳播時(shí)，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(jié)構(gòu)或狀態(tài)的變化

2.熱機(jī)制

超聲聲能轉(zhuǎn)換成生物組織的熱能第二節(jié)超聲與生物組織間的相互作用

3.機(jī)械機(jī)制

超聲聲能轉(zhuǎn)換成生物組織的機(jī)械能

4.空化機(jī)制

超聲聲能使生物組織中的氣泡活性改變低聲強(qiáng)長(zhǎng)時(shí)間作用以熱機(jī)制為主高聲強(qiáng)短時(shí)間作用以空化機(jī)制為主第二節(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(xiàng)

1.超聲強(qiáng)度的計(jì)算方式空間平均時(shí)間平均；空間峰值時(shí)間平均；為多個(gè)國家和組織采用空間平均時(shí)間峰值；空間峰值時(shí)間峰值。2.安全聲強(qiáng)（美國FDA，我國超聲標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)推薦）

空間峰值時(shí)間平均聲強(qiáng)：小于100毫瓦/平方厘米第二節(jié)超聲與生物組織間的相互作用

3.超聲探測(cè)的安全性（世界衛(wèi)生組織建議）

(1)只有在醫(yī)學(xué)上具有明確理由時(shí)，才對(duì)人體使用診斷超聲；(2)以商業(yè)顯示和獲得實(shí)驗(yàn)圖像為目的時(shí)，不應(yīng)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(zhì)量和取得必要的診斷信息前提下，應(yīng)使超聲診斷設(shè)備的輸出強(qiáng)度盡可能小。

第二節(jié)超聲與生物組織間的相互作用

4.超聲探測(cè)應(yīng)遵循的原則在明確診斷目的的情況下，應(yīng)積極使用超聲診斷技術(shù)。在超聲診斷過程中，必須堅(jiān)持最小劑量原則。即在保證獲得必要診斷信息的前提下，應(yīng)采用最小超聲強(qiáng)度和最短輻照時(shí)間。拒絕一切與診斷無關(guān)的胎兒超聲顯像。對(duì)早孕胚胎不做或少做超聲探測(cè)，對(duì)3個(gè)月以上的胎兒定期超聲探測(cè)時(shí)，應(yīng)控制在3～5分鐘之內(nèi)完成。第二節(jié)超聲與生物組織間的相互作用

5.超聲探測(cè)的注意事項(xiàng)成人超聲探測(cè)

顱腦檢查時(shí)每一固定切面持續(xù)檢查時(shí)間控制在2分鐘以內(nèi)；

眼球檢查時(shí)每一固定切面持續(xù)檢查時(shí)間不應(yīng)超過半分鐘；

卵巢、睪丸檢查時(shí)每一固定切面持續(xù)檢查時(shí)間不應(yīng)超過1分鐘。第二節(jié)超聲與生物組織間的相互作用產(chǎn)科超聲探測(cè)

對(duì)不足3個(gè)月的早孕孕婦盡量不用超聲進(jìn)行常規(guī)檢查；

對(duì)于有習(xí)慣性流產(chǎn)或已有先兆流產(chǎn)癥狀者3個(gè)月內(nèi)不建議做超聲探測(cè)。必須要進(jìn)行超聲探測(cè)時(shí)，應(yīng)控制每一固定切面檢查持續(xù)時(shí)間在1分鐘以內(nèi)；

對(duì)3個(gè)月以上胎兒在腦、心、眼、脊髓等臟器檢查時(shí)，每一固定切面持續(xù)時(shí)間不應(yīng)超過2分鐘，其他臟器可適當(dāng)延長(zhǎng)檢查時(shí)間。檢查時(shí)應(yīng)不斷移動(dòng)探頭。第二節(jié)超聲與生物組織間的相互作用新生兒超聲探測(cè)