第一章醫(yī)學(xué)超聲學(xué)基礎(chǔ)

第一章醫(yī)學(xué)超聲學(xué)基礎(chǔ)

第一節(jié)超聲波的定義及特性波類型傳播條件傳播能量傳播速度波實(shí)例

電磁波真空、介質(zhì)電磁能約3×108m／s無線電波、光波、X、γ射線機(jī)械波介質(zhì)機(jī)械能幾百至幾千m／s水波、地震波、聲波波，根據(jù)其性質(zhì)可分為兩大類：精選課件精選課件

彈性介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)機(jī)械振動(dòng)狀態(tài)的傳播過程。其實(shí)是機(jī)械振動(dòng)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、聲波的定義精選課件第二節(jié)超聲波的產(chǎn)生

超聲波產(chǎn)生的基本條件：①振源；②介質(zhì)。一、單自由度振動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述精選課件1.位移：ξ＝Acos(ω0t-φ)

式中：A——振幅，即最大位移

ω0＝2πf0——角頻率

f0——固有頻率

φ——初相角2.速度：v＝dξ/dt＝－Aω0sin(ω0t-φ)

＝－Vm

sin(ω0t-φ)

式中：Vm＝Aω0——最大速度3.加速度：a＝dv/dt＝－Aω02cos(ω0t-φ)

＝－Bcos(ω0t-φ)式中：B＝Aω02

——

最大加速度單個(gè)質(zhì)點(diǎn)無阻尼振動(dòng)：動(dòng)能、勢(shì)能轉(zhuǎn)換，能量守恒。精選課件精選課件二、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(dòng)，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(dòng)，并繼續(xù)傳遞……能量傳播，形成機(jī)械波。三、超聲波的產(chǎn)生及傳播由超聲換能器產(chǎn)生振動(dòng)，引起接觸劑的振動(dòng)，接觸劑的振動(dòng)又引起人體皮膚、脂肪及內(nèi)臟的振動(dòng)，超聲波能量就這樣進(jìn)入了人體。精選課件第三節(jié)超聲波的分類

一、按質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向和波傳播方向的關(guān)系分類1.

橫波質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)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(dòng)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、液體和氣體中傳播。精選課件

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。精選課件二、按波陣面的形狀分類1.波面與波陣面波面:波傳播時(shí)，某一時(shí)刻介質(zhì)中各同相位振動(dòng)點(diǎn)組成的面。波面有無數(shù)個(gè)。波陣面：波傳播方向上最前面的那個(gè)波面。2.按波陣面的形狀分類平面波：波陣面為平面的波。球面波：波陣面為球面的波。柱面波：波陣面為柱面的波。3.約定為方便，超聲在人體內(nèi)傳播，均視為平面波。遇到小障礙物而散射的超聲，均視為球面波。精選課件精選課件三、按發(fā)射超聲的類型分類１．脈沖波采用機(jī)種：A型、M型、B型超聲診斷儀，脈沖波多普勒血流儀。２．連續(xù)波采用機(jī)種：連續(xù)波多普勒血流儀。四、按聲波的頻率分類（如前述）１.次聲波２．可聽聲波３．超聲波精選課件第四節(jié)波動(dòng)方程與波參數(shù)一、波動(dòng)方程

假定：平面聲波，沿x方向傳播1.基本方程運(yùn)動(dòng)方程：

①

連續(xù)方程：

②

其中：P－聲壓，v－質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度

ρ－介質(zhì)密度，t－時(shí)間，B－體積彈性系數(shù)精選課件2.波動(dòng)方程聯(lián)立以上①、②式，可得波動(dòng)方程如下：它描述了聲波傳播過程中，每個(gè)空間位置上，每個(gè)時(shí)刻的聲壓和質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度。3.解的形式

p=f1(x-ct)+f2(x+ct)③精選課件

對(duì)于簡(jiǎn)諧平面波可寫為：

P=A1e-j(ωt-kx)+A2e-j(ωt+kx)④或：P=A1cos(ωt-kx)+A2cos(ωt+kx)⑤式中：k=ω/c=2π/λ——波數(shù)

ω=2πf——角頻率

f——頻率

λ——波長

4.討論

③、④、⑤式中，第一項(xiàng)x同向波，第二項(xiàng)x反向波，如無反向波（反射波），則A2=0

P=P0cos(ωt-kx)=P0cos[ω(t-x/c)]該式表明：在離聲源x處的振動(dòng)，要在聲源振動(dòng)的一個(gè)時(shí)延x/c后才發(fā)生。

精選課件1.聲速c

聲波在單位時(shí)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(dòng)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)精選課件與超聲診斷有關(guān)的各種介質(zhì)的聲速

精選課件重要聲速參數(shù)①人體軟組織中：c≈1540m/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≈4000m/S③空氣(22℃)中：c≈345m/S精選課件2.波長、周期和頻率（1）波長λ

聲波中兩個(gè)相鄰?fù)辔稽c(diǎn)之間的距離稱波長，用λ表示?？v波：指兩個(gè)相鄰密集點(diǎn)(或稀疏點(diǎn))之間的距離。橫波：指兩個(gè)相鄰波峰(或波谷)之間的距離。

(或：在一個(gè)波周期時(shí)間內(nèi)，波所傳播的距離稱波長。)精選課件（2）周期T

聲波傳播一個(gè)波長距離所需的時(shí)間稱周期，用T表示。等于聲波中質(zhì)點(diǎn)在平衡位置往返振動(dòng)一次所需的時(shí)間。（3）頻率f

任一點(diǎn)在單位時(shí)間內(nèi)通過的波數(shù)稱頻率，用f表示。等于介質(zhì)中的質(zhì)點(diǎn)在單位時(shí)間內(nèi)振動(dòng)的次數(shù)。（4）波長、周期、頻率與聲速之間的關(guān)系λ＝c/f＝ｃTT＝1/f（5）單位聲速ｃ的單位為：m/S醫(yī)學(xué)超聲中常用：mm/S波長λ的單位為：m醫(yī)學(xué)超聲中常用：mm

頻率ｆ的單位為：Hz醫(yī)學(xué)超聲中常用：MHz精選課件（6）頻率、波長對(duì)超聲成像的影響

波長：決定了成像的極限分辨率頻率：決定了成像的組織深度精選課件3.聲壓和聲強(qiáng)(1)聲壓P

①定義單位面積上介質(zhì)受到的聲波壓力稱聲壓，用P表示。是由聲波引起的介質(zhì)中壓強(qiáng)，是介質(zhì)靜壓強(qiáng)的一個(gè)增量。隨著聲波在介質(zhì)中的傳播，該壓強(qiáng)隨時(shí)間和位置而變化。②平面波聲壓瞬時(shí)值P＝ρcv式中：ρ—介質(zhì)密度，c—聲速，v—質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度③聲壓最大值（即振幅）

Pm＝ρcVm＝ρcω0A④聲壓有效值P＝Pm/精選課件（2）聲強(qiáng)I①定義單位時(shí)間內(nèi)通過垂直于傳播方向上單位面積的超聲能量稱為超聲強(qiáng)度。簡(jiǎn)稱聲強(qiáng)，用I表示。②平面波聲強(qiáng)計(jì)算式

I＝P2/ρc＝Pm2/2ρc＝PmVm/2

＝ρcVm2/2＝ρcω02A2/2

即聲強(qiáng)與該點(diǎn)聲壓、振速或振動(dòng)位移的最大值有關(guān)。③聲強(qiáng)的單位瓦/厘米21瓦＝1焦耳/秒精選課件4.聲壓級(jí)和聲強(qiáng)級(jí)（1）聲強(qiáng)級(jí)LI

LI=10lg(I/I0)分貝(dB)

稱LI為：I相對(duì)于I0的聲強(qiáng)級(jí)，I0為I的參考值。

（2）聲壓級(jí)LP

由I＝P2/ρc,I0＝P02/ρc可得：

LI=10lg(I/I0)=10lg(P2/P02)

=20lg(P/P0)

定義：LP=20lg(P/P0)分貝(dB)

稱LP為：P相對(duì)于P0的聲壓級(jí)，P0為P的參考值。

精選課件

（3）說明①對(duì)同一聲波量，相對(duì)于同一參考聲波量，恒有LI=LP②超聲診斷儀回波信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍LD=10lg(Imax/Imin)>100dB,

即：Imax/Imin=1010(100億)倍，或Pmax/Pmin=105(10萬)倍。③如未指明參考聲強(qiáng)，默認(rèn)值I0＝10－16W/cm2,

這是當(dāng)f＝1kHz時(shí)，人耳能聽覺的最小聲強(qiáng)，國際通用。精選課件精選課件5.聲阻抗率Z（1）定義聲場(chǎng)中某點(diǎn)的聲壓與該質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度之比稱聲阻抗率Z＝P/v

對(duì)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①Z只與介質(zhì)本身聲學(xué)特性有關(guān)，又稱特性阻抗；②Z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。精選課件精選課件（3）人體組織按聲阻抗率大致可分成三類

①體液及軟組織：Z≈1.5×105

瑞利②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

（4）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精選課件第五節(jié)超聲波的傳播特性

超聲波的傳播特性有：波的反射、折射、透射、衍射和散射等。兩波相遇時(shí)遵循疊加原理。

一、反射和折射條件及約定：①聲波類型：平面波②界面條件：光滑平面，且足夠大（相對(duì)于波長）③字母、下標(biāo)的意義

P－聲壓，I－聲強(qiáng)，c－聲速，Z－聲阻抗，θ－夾角

1－介質(zhì)１，2－介質(zhì)２,i－入射，r－反射，t－折射如：Pi－入射聲壓，Z1－介質(zhì)1的聲阻抗精選課件①反射定律:θi＝θr

與光學(xué)定律同，②折射定律：因聲、光同為波1.傳播的幾何特性θiθrθtIi，PiIr，PrIt，Pt入射波反射波折射波介質(zhì)１，c1，Z1介質(zhì)２，c２，Z２界面t精選課件③發(fā)生全反射的條件

在c1＜c2的情況下當(dāng)θi＝θc＝sin-1(c1/c2)時(shí)，即sinθi＝c1/c2

θt＝sin-1((c2/c1)sinθi)

＝sin-1((c2/c1)·(c1/c2)

＝90°————

折射波沿界面?zhèn)鞑ギ?dāng)θi＞θc

時(shí)，可得：sinθt＞1θt非實(shí)角，故沒有折射波，而發(fā)生全反射

θc＝sin-1(c1/c2)稱為全反射角。精選課件2.傳播的力學(xué)特性

上述的折射波也稱透射波。反射波、透射波關(guān)于入射波的相對(duì)強(qiáng)弱由反射系數(shù)和透射系數(shù)來反應(yīng)。

（1）定義聲壓反射系數(shù)：聲壓透射系數(shù)：聲強(qiáng)反射系數(shù)：聲強(qiáng)透射系數(shù)：注意：這里均為在界面上的波參數(shù)之比精選課件（2）求解思路

根據(jù)界面平衡條件：①在界面上兩邊的總壓力應(yīng)該相等；②界面上兩邊質(zhì)點(diǎn)的速度應(yīng)該連續(xù)。得（1）（2）

又根據(jù)聲阻抗率定義，，即（2）式變?yōu)椋?）聯(lián)解（1）、（3）兩式，可求得精選課件精選課件

（3）超聲波垂直入射界面時(shí)的力學(xué)特性

介質(zhì)1介質(zhì)2透射波反射波入射波界面Pt,ItPi,IiPr,Ir

其中：

，精選課件

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(shí)延與目標(biāo)深度成近似的正比關(guān)系，這是B超診斷圖像成功應(yīng)用必要的物理基礎(chǔ)。精選課件二、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(jiǎn)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：精選課件

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,···

（L2為半波長的整數(shù)倍)時(shí)

或，且非Z2<<Z1,Z2<<Z3（L2薄,且Z2非疏)時(shí)可得：（或≈）即此時(shí)聲波透過中間層傳播的能量?jī)H與Z1,

Z3有關(guān),而與中間層材料的特性Z2無關(guān)。精選課件

（2）當(dāng)，n=1,2,···，且時(shí)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(shí)，聲波在三種不同介質(zhì)中能完全透射，而無反射。此時(shí)，稱為匹配。這個(gè)中間層稱為匹配層。

精選課件三、散射和繞射

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)于超聲波波長來說是無限大的：d>>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。繞射散射精選課件1.散射①條件：d<<λ；②現(xiàn)象：小障礙物變成新的波源，并向四周發(fā)射超聲波；③回波：散射信號(hào)的回波大小與入射角無明顯關(guān)系；④應(yīng)用：運(yùn)動(dòng)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①條件：d與λ接近；②現(xiàn)象：障礙物邊緣超聲波繞過障礙物繼續(xù)前進(jìn)；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。精選課件精選課件四、超聲波的疊加原理1.疊加原理超聲波在傳播過程中相遇時(shí)：①相遇前后，波的特性不變——獨(dú)立性。②相遇之處，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)各波矢量合成——疊加性。（波的特性：頻率、初相、振動(dòng)方向、傳播方向等）

2.疊加特例兩列波，頻率、振動(dòng)方向相同，相位差⊿φ恒定：①Δφ＝2Kπ：振動(dòng)同相，合成相加，振幅最大②Δφ＝(2K+1)π：振動(dòng)反相，合成相減，振幅最小如圖1-9精選課件精選課件⒌多普勒效應(yīng)聲源與接收體之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起聲波頻率發(fā)生改變的現(xiàn)象，頻率的變化稱為頻移fdfd=f`-f0=Vcosθf0/c

f0為入射超聲頻率

f`為回聲頻率

V為物體的運(yùn)動(dòng)速度

C為聲速

cosθ為運(yùn)動(dòng)方向與聲束方向間的夾角

精選課件多普勒效應(yīng)示意圖聲源目標(biāo)精選課件

多普勒效應(yīng)示例精選課件血流信息獲取

V=血流速度C=聲速

cosθ=血流與探頭間夾角血管VC探頭θ精選課件第六節(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(dòng)時(shí)相互摩擦；

(ｂ)弛豫吸收：介質(zhì)的傳導(dǎo)造成熱能輻射。

精選課件三、超聲衰減規(guī)律（1）平面波在均勻生物組織中傳播時(shí)，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)①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)。可查表得。③單位：—(mm)-1,

β—μs/mm,

f—MHz.精選課件(3)超聲傳播衰減聲壓級(jí)

式中：P(x)—x處聲壓，P0—

x=0處聲壓。根據(jù)前述有：

LI(x)=LP(x)=-8.7βfx稱為超聲相對(duì)于初始位置的傳播衰減聲壓級(jí)。例：肝的β＝0.010μs/mm,超聲傳播衰減聲壓級(jí)為：①f=1MHz,x=10mm：LP＝-8.7βfx＝-0.87dB②f=3MHz,x=150mm：LP＝-8.7βfx＝-39dB

可見，隨著f,x的增加，衰減迅速增加。精選課件(4)人體軟組織超聲衰減估算式

上式中，8.7β稱為超聲衰減系數(shù)，它反映了組織中超聲衰減的速度，人體軟組織大致有：

8.7β=0.07～0.13(dB/MHz·mm)=0.7～1.3(dB/MHz·cm)

超聲診斷儀設(shè)計(jì)上，作為估算常取平均為：

8.7β=1(dB/MHz·cm)

即LI(x)=LP(x)=-8.7βfx

上式為人體軟組織中超聲傳播衰減估算式。單位：LI(x)=LP(x)--dB,f--MHz,x--cm精選課件第七節(jié)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(huì)引起質(zhì)點(diǎn)高速細(xì)微的振動(dòng)，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。精選課件二、溫?zé)嵝?yīng)由于生物組織對(duì)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。

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(huì)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(huì)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?/p>

利用：可制成超聲手術(shù)刀。注意：避免強(qiáng)超聲照射眼睛、懷孕子宮精選課件四、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(duì)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(shí)間密切相關(guān)。一般認(rèn)為：在診斷的安全劑量?jī)?nèi)，不產(chǎn)生可檢出的生物效應(yīng)，對(duì)人體是安全無損的,也無劑量積累。在超聲生物效應(yīng)這個(gè)領(lǐng)域，目前還有很多問題尚未弄清。精選課件習(xí)題一、是非題（如錯(cuò)，請(qǐng)改正）

1.超聲波是聲速超過可聽聲的聲波。

2.超聲波傳播時(shí)聲壓瞬時(shí)值隨傳播距離按指數(shù)規(guī)律下降。

3.介質(zhì)的聲阻抗率越大，其中的聲速越低。

4.在兩層介質(zhì)之間加一匹配層，其厚度與超聲頻率無關(guān)。

5.超聲波是介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)能量的傳播過程。

6.橫波由介質(zhì)的壓縮彈性引起。精選課件7.縱波是一種疏密波。

8.在人體軟組織中超聲波以橫波方式傳播。

9.人體中超聲傳播速度與超聲頻率有關(guān)。

10.介質(zhì)的聲阻抗率越大，其中的聲波衰減越快。