超聲波的定義及特性.ppt

1、第一章 醫(yī)學超聲學基礎(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)點機械振動狀態(tài)的傳播過程。 其實是機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:,f16 Hz 稱：次聲波 16 Hzf20 kHz 稱：可聽聲波 f20 kHz 稱：超聲波 醫(yī)學超聲儀的頻率范圍：200 kHz40 MHz 超聲診斷儀的頻率范圍： 1 MHz10 MHz 相應(yīng)的波長： 1.5mm0.15mm 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)。,第二節(jié) 超聲波的產(chǎn)生,超聲波

2、產(chǎn)生的基本條件： 振源； 介質(zhì)。 一、單自由度振動系統(tǒng)的數(shù)學描述,1. 位移： Acos(0t-) 式中：A 振幅，即最大位移 0 2f0 角頻率 f0 固有頻率 初相角 2. 速度： vd/dtA0 sin(0t-) Vm sin(0t-) 式中：Vm A0 最大速度 3. 加速度：adv/dtA02 cos(0t-) B cos(0t-) 式中：B A02 最大加速度 單個質(zhì)點無阻尼振動：動能、勢能轉(zhuǎn)換，能量守恒。,二、機械波產(chǎn)生的過程 連續(xù)彈性介質(zhì)中，某一質(zhì)點的振動，通過彈性力的作用，傳遞給與它相鄰的質(zhì)點，后者也振動，并繼續(xù)傳遞能量傳播，形成機械波。 三、超聲波的產(chǎn)生及傳播 由超聲換能器

3、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入了人體。,第三節(jié) 超聲波的分類一、按質(zhì)點振動方向和波傳播方向的關(guān)系分類,1. 橫波 質(zhì)點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。 縱波能在固體、液體和氣體中傳播。,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。,二、按波陣面的形狀分類,1. 波面與波陣面 波 面: 波傳播時，某一時刻介質(zhì)中

4、各同相位 振動點組成的面。波面有無數(shù)個。 波陣面：波傳播方向上最前面的那個波面。 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。,三、按發(fā)射超聲的類型分類,脈沖波 采用機種：A型、M型、B型超聲診斷儀， 脈沖波多普勒血流儀。 連續(xù)波 采用機種：連續(xù)波多普勒血流儀。 四、按聲波的頻率分類（如前述） . 次聲波 可聽聲波 超聲波,第四節(jié) 波動方程與波參數(shù),一、波動方程 假定：平面聲波，沿x方向傳播 1. 基本方程 運動方程： 連續(xù)方程： 其中

5、：P聲壓，v質(zhì)點振動速度 介質(zhì)密度， t時間，B 體積彈性系數(shù),2. 波動方程,聯(lián)立以上、式，可得波動方程如下： 它描述了聲波傳播過程中，每個空間位置上，每個時刻的聲壓和質(zhì)點振動速度。 3. 解的形式 p = f1( x-ct ) + f2( x+ct ) ,對于簡諧平面波可寫為： P = A1e-j (t-kx ) + A2e-j(t+kx ) 或：P = A1cos (t-kx ) + A2cos(t+kx ) 式中：k = /c = 2/波數(shù) = 2f角頻率 f 頻率 波長 4. 討論 、式中，第一項x同向波，第二項x反向波， 如無反向波（反射波），則A2=0 P = P0cos(t-k

6、x ) = P0cos( t-x/c ) 該式表明：在離聲源x處的振動，要在聲源振動 的一個時延x/c后才發(fā)生。,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) 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),與超聲診斷有關(guān)的各種介質(zhì)的聲速,重要聲速參數(shù), 人體軟組織中： c1540 m/S 在人體各種軟組織中,聲速都很接

7、近，可按此估算。 人體骨組織中： c4000 m/S 空氣(22)中： c 345 m/S,2.波長、周期和頻率,（1） 波長 聲波中兩個相鄰?fù)辔稽c之間的距離稱波長，用表示。 縱波：指兩個相鄰密集點(或稀疏點)之間的距離。 橫波：指兩個相鄰波峰(或波谷)之間的距離。 (或：在一個波周期時間內(nèi)，波所傳播的距離稱波長。),（2）周期T,聲波傳播一個波長距離所需的時間稱周期，用T表示。等于聲波中質(zhì)點在平衡位置往返振動一次所需的時間。 （3）頻率f 任一點在單位時間內(nèi)通過的波數(shù)稱頻率，用f表示。等于介質(zhì)中的質(zhì)點在單位時間內(nèi)振動的次數(shù)。 （4）波長、周期、頻率與聲速之間的關(guān)系 c/fT T1/f （5

8、）單位 聲速的單位為：m/S醫(yī)學超聲中常用：mm/S 波長的單位為：m 醫(yī)學超聲中常用：mm 頻率的單位為：Hz 醫(yī)學超聲中常用：MHz,（6）頻率、波長對超聲成像的影響,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,3.聲壓和聲強,(1)聲壓 P 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，是介質(zhì)靜壓強的一個增量。隨著聲波在介質(zhì)中的傳播，該壓強隨時間和位置而變化。 平面波聲壓瞬時值 Pcv 式中：介質(zhì)密度，c聲速，v質(zhì)點振動速度 聲壓最大值（即振幅） PmcVmc0 A 聲壓有效值 PPm/,（2）聲強I, 定義 單位時間內(nèi)通過垂直于傳播方向上單

9、位面積的超聲能量稱為超聲強度。簡稱聲強，用I表示。 平面波聲強計算式 IP2/cPm2/2cPmVm/2 cVm2 /2c02A2/2 即聲強與該點聲壓、振速或振動位移的最大值有關(guān)。 聲強的單位 瓦/厘米2 1瓦1焦耳/秒,4.聲壓級和聲強級,（1）聲強級LI LI = 10lg(I/I0) 分貝(dB) 稱LI為：I相對于I0的聲強級，I0為I的參考值。（2）聲壓級LP 由IP2/c , I0P02/c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相對于P0的聲壓級，P0為P的

10、參考值。,（3）說明 對同一聲波量，相對于同一參考聲波量，恒有LI = LP 超聲診斷儀回波信號動態(tài)范圍LD =10lg(Imax/Imin)100dB, 即：Imax/Imin=1010(100億)倍，或Pmax/Pmin=105(10萬)倍。 如未指明參考聲強，默認值I01016 W/cm2, 這是當f1kHz時，人耳能聽覺的最小聲強，國際通用。,5. 聲阻抗率Z,（1）定義 聲場中某點的聲壓與該質(zhì)點振動速度之比稱聲阻抗率 ZP/v 對于平面波，可求得： ZP/vc 在水和空氣中,還可得：ZP/vc(B)1/2 式中：介質(zhì)密度，c 聲速，B體積彈性系數(shù) （2）說明 Z只與介質(zhì)本身聲學特性有

11、關(guān)，又稱特性阻抗； Z的單位是瑞利，1瑞利1g/cm2S； 聲阻抗率越大，超聲縱波速度越快。,（3）人體組織按聲阻抗率大致可分成三類, 體液及軟組織： Z1.5105 瑞利 氣體及充氣的肺組織：Z0.0004-0.26105 瑞利 骨及鈣化了的組織： Z5.57-8.3105 瑞利 （4）關(guān)于聲阻抗名稱 聲阻抗是“機-電類比”中，與電阻抗相類比而稱的。 “機-電類比”是用電學的理論、手段研究聲學問題的方法。因為許多聲學系統(tǒng)與相應(yīng)的電學系統(tǒng)有相同的微分方程 聲學：ZP/v， 電學：RU/I， 類比：ZR，PU，VI,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)

12、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)。,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。兩波相遇時遵循疊加原理。 一、反射和折射 條件及約定： 聲波類型：平面波 界面條件：光滑平面，且足夠大（相對于波長） 字母、下標的意義 P聲壓，I聲強，c聲速，Z聲阻抗，夾角 1介質(zhì)，2介質(zhì), i入射，r反射，t折射 如：Pi入射聲壓，Z1介質(zhì)1的聲阻抗, 反射定律: ir 與光學定律同， 折射定律： 因

13、聲、光同為波,1.傳播的幾何特性,i,r,t,Ii，Pi,Ir，Pr,It，Pt,入射波,反射波,折射波,介質(zhì)，c1，Z1,介質(zhì)，c，Z,界面,t, 發(fā)生全反射的條件,在c1c2的情況下 當icsin-1(c1/c2)時，即sinic1/c2 tsin-1(c2/c1)sini) sin-1(c2/c1)(c1/c2) 90 折射波沿界面?zhèn)鞑?當ic 時，可得：sint1 t非實角，故沒有折射波，而發(fā)生全反射 csin-1(c1/c2) 稱為全反射角。,2.傳播的力學特性,上述的折射波也稱透射波。反射波、透射波關(guān)于 入射波的相對強弱由反射系數(shù)和透射系數(shù)來反應(yīng)。 （1） 定義 聲壓反射系數(shù)： 聲

14、壓透射系數(shù)： 聲強反射系數(shù)： 聲強透射系數(shù)：,（2）求解思路,根據(jù)界面平衡條件： 在界面上兩邊的總壓力應(yīng)該相等； 界面上兩邊質(zhì)點的速度應(yīng)該連續(xù)。得 （1） （2） 又根據(jù)聲阻抗率定義， ，即 （2）式變?yōu)?（3） 聯(lián)解（1）、（3）兩式，可求得,（3）超聲波垂直入射界面時的力學特性,其中：,，,顯然有： 原因是： ，即： ，即： 體現(xiàn)界面處輸入輸出 體現(xiàn)界面兩邊的力平衡 能量守恒 由IP2/c，可推得 注意：,（4）討論, 則 有反射，有透射； 則 無反射，全透射； 則 幾乎全反射，無透射； 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

15、交界面上，聲強反射系數(shù)為0.9989； 在軟組織顱骨交界面上，聲強反射系數(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 ，n=1,2, （L2為半波長的整數(shù)倍)時 或 ，且非Z2Z1, Z

16、2Z3（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氣泡排除即可。超聲換能器輻射面上的保護膜厚度也要按這個關(guān)系選用。,（2）當 ，n =1,2,，且 時 可得： 可見，當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

17、當一部分反射回來，進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。 當d與可比，則發(fā)生繞射。例如膽結(jié)石。 當d，則發(fā)生散射。例如紅細胞。,1. 散射, 條件：d； 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：運動的紅細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與接近； 現(xiàn)象：障礙物邊緣超聲波繞過障礙物

18、繼續(xù)前進； 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。,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： 相遇前后，波的特性不變獨立性。 相遇之處，質(zhì)點振動各波矢量合成疊加性。 （波的特性：頻率、初相、振動方向、傳播方向等） 2. 疊加特例 兩列波，頻率、振動方向相同，相位差恒定： 2K： 振動同相，合成相加，振幅最大 (2K+1)：振動反相，合成相減，振幅最小 如圖1-9,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 擴散聲束擴散，使聲波原方向聲強減弱。 散射介質(zhì)散射，也使聲波

19、原方向聲強減弱。 吸收介質(zhì)的吸收將聲能轉(zhuǎn)化為熱能，超聲能量減少。 () 粘滯吸收：介質(zhì)質(zhì)點運動時相互摩擦； () 弛豫吸收：介質(zhì)的傳導(dǎo)造成熱能輻射。,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、聲壓有效值 介質(zhì)的聲壓衰減系數(shù) （2）聲壓衰減系數(shù) 與擴散、散射、吸收等因素有關(guān)。一般 在人體軟組織，并診斷用超聲頻率范圍內(nèi) 式中，介質(zhì)的超聲衰減常數(shù)?？刹楸淼谩?單位： (mm)-1,s/mm,fMHz.,(3) 超聲傳播衰減聲壓級,式中：P(x) x處聲壓，P0 x=0處聲壓。 根據(jù)前述有： LI(x) = LP(x) = -8.7fx 稱

20、為超聲相對于初始位置的傳播衰減聲壓級。 例：肝的0.010s/mm,超聲傳播衰減聲壓級為： f =1MHz,x=10mm： LP-8.7fx-0.87dB f =3MHz,x=150mm：LP-8.7fx-39dB 可見，隨著f,x的增加，衰減迅速增加。,(4)人體軟組織超聲衰減估算式,上式中，8.7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： 8.7= 0.070.13 (dB/MHzmm) = 0.71.3 (dB/MHzcm) 超聲診斷儀設(shè)計上，作為估算常取平均為： 8.7= 1(dB/MHzcm) 即 LI(x) = LP(x) = -8.7fx 上式為人體軟組

21、織中超聲傳播衰減估算式。 單位： LI(x)=LP(x)- dB, f- MHz, x- cm,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、機械效應(yīng) 聲波能量作用于介質(zhì)，會引起質(zhì)點高速細微的振動， 產(chǎn)生速度、加速度、聲壓、聲強等力學量的變化，從而 引起機械效應(yīng)。 利用：引起細胞的摩擦，能促進新陳代謝。 注意：必須控制適當?shù)膹姸取?二、溫熱效應(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。 利用： 能使局部血管擴張，加快血液循環(huán)，促進病理產(chǎn)物的吸收消散。 局部加熱至43oC

22、，配合放射化療治療癌癥。 注意：強度適當。 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：避免強超聲照射眼睛、懷孕子宮,四、化學效應(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)生的化學反應(yīng)，這是超聲的化學效應(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 劑量積累。 在超聲生物效應(yīng)這個領(lǐng)域，目前還有很多問題尚未弄清。,習 題,一、是非題（如錯，請改正） 1. 超聲波是聲速超過可聽聲的聲波。 2. 超聲波傳播時聲壓瞬時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)點振動能量的傳播過程。 6. 橫波由介質(zhì)的壓縮彈性引起。,7. 縱波是一種疏密波。 8. 在人體