超声工程与临床应用

超声工程学与临床应用宜昌市中心人民医院谢汉波声波的基本特性 机械振动 电磁振动 简谐振动 X=Acos( )纵波和横波 质点的振动方向和波的传波方向相互垂直，则这种波称为横波。 质点振动的方向和波的传波方向相互平行，则这种波称为纵波。声波的基本慨念 声速：声波在介质中的传播速度称为声速。 波长：波动传播时，同一方向上两个相邻的位相相差为 2的质点之间的距离，即一个完整波的长度，称为波长。 周期；波动传过一个波长距离所需要的时间，称为波的周期。频率：单位时间内通过某点的完整波的数目称为频率。声波的能量X=Acos( t- )波的能量密度 介质中单位体积具有的波动量称为波的密度。波的能量密度是随时间变化的，其一个周期内的平均值： 单位时间内通过介质中某面积的能量称 为通过该面积的能流。声强： 通过垂直于波动传播方向的单位面积的平均能流称为能流密度或称声波强度。声强还可理解为单位面积上受照射或发射的声功率。声压：介质中有声波传播时的声强和无声波时静压强之间差值称为声强。对简谐振动，介质中的声压 p可表示为：反射与折射 （ 一）垂直入射到两层相邻的介质：由 上述公式可知：若两个介质特性阻抗差异越大，反射越强。再者能量守恒，入射波能量等于反射波能量和折射波能量的总和。（二）垂直入射到三层相邻的介质电晶体材压料，面材，人体组织组成三层介质；探头、超声藕合剂和人体有组成一个三层介质。透声层的条件 根据理论计算，透 声条件是：该层厚 度 d为波长的 1/4。匹配层的阻抗 压电晶体的特性阻抗 Zp， Zt人体软组织平均特异性阻抗（ 三）斜入射到两个相邻介质的界面二 .衍射和散射 散射； 衍射 ；介面不规则时，在入射方向也能收到一些回波的能量。-分段折线化，用下列函数表示A=-4.0 当 05-1.0420 当 510上式中 A为回波振幅随角减少的dB数。当 0即入射波与表面垂直时回波最强。式中； (x)为在声束传播方向离起始点 x处质点振动的振幅， o为起始点处质点振动的振幅， d为衰减系数，表征介质的特性，单位为 dB cm， e=2 718 造成衰减的主要原因有：(一 )介质对声波的吸收 声波在介质中传播时一部分声能不可逆地转换成介质的其他形式的能量，对声波来说有一部分能量被吸收了。在液体中，声能的损耗主要是因为粘滞性和热传导。微观声学的研究使我们知道有两类吸收机理。 第一类是共振吸收 ，这类吸收的频率往往很高； 第二类是弛豫吸收 ，声波在媒质中传播时热传导吸收和粘滞吸收都属于弛豫吸收。这类吸收引起衰减系数 与频率近似地成正比。即 =f 其中 也称为衰减系数，但它的单位是 dB(mMHz)。 三 .衰减(二 )散射衰减 声波在介质中传播时，如果介质中含有大量散射粒子 (如血液中的红细胞 )则一部分超声波将被散射而不再沿原来方向前进，仅有余下的部分沿原方向继续前进，这样就形成了散射衰减。散射衰减的问题较复杂，它既与散射粒子的形状、尺寸和多少有关，也与媒质的性质和散射粒子的性质有关。粗略计算的结果表明：散射衰减系数与频率的四次方成正比。(三 )声束扩散 随着传播距离的增加，声波向传播轴线两旁横向扩散引起单位面积上声波能量的减少。这种声束扩散原因引起的声波衰减，可以使用聚焦加以克服。生物组织中超声衰减的机理较为复杂。生物组织的结构复杂、形状不定给理论分析带困难，一般以实际测量值来评价其衰减在。在兆频率范围内其衰减系数与频率成正比。人体几种组织的衰减系数如表所示。 超声波的传播方式 有指向性的超声波在介质中怎样传播 ?应根据惠更斯原理来理解。1惠更斯原理：在均匀的、各向同性的非流动性介质中，即在自由声场中传播的超声波，传播过程中不发生反射、折射、散射和绕射。惠更斯原理认为：介质中波动传播到达的各个质点被激发产生振动后，这些质点都可视为发射子波的振源子波的包迹就是随后时刻的新波阵面。波动传播至介质中的一些质点时，这些质点同时以相同的相位开始振动，连结这些质点所构成的面称为波阵面。起始于振源并与波动方向一致的直线称为波线或波阵面的法线，波线垂直于波阵面。2球面波：指波阵面为同心圆面的波动。 如波动自振源以速度 C向所有方向传播，在 t时刻的波阵面是以 R=ct为半径的球面 S1。 经过 t时间，它的新波阵面可依惠更斯原 理求得。 S1面上的每一质点作为子波振源，以半径 r ct划出许多半球形子波，再作公切于各子波的包络面就得到新的波阵面 S2， 显然， S2就 R2=c(t十 t)为半径的球面。声波就是沿着球面的波线方向离心发散传播，在自由声场中，球面波某点的声压与该点至声源中心的距离成反比，离声源中心越远，质点振动的声压越小。3平面波：平面型压电晶片产生的超声波，原始波阵面 为球 面波。就是晶体的表面 S1， 经过 t时间后，S1上每一质点以半径 r ct划出许多球面的子波，作公切于子波的包络面就是新的波阵面 S：， 平面波依此逐层向前传播。理想的平面波的波阵面上各点的相位与振幅都应相当。平面活塞式的超声探头 (换能器压电晶片 )发射的超 声波，在近场区内是平面波，及至远场，出现扩散角 ，平面波开始扩