超声波的基本特性及在生物组织中的传播ppt课件

第三章 超声医学原理,声音的实质,机械振动在连续媒质中的传播机械波,声波频率,目前，人类研究与使用的声波频率从10-4到1013Hz,足足跨越了17个数量级。将声波依其频率高低和人耳对声波的感受能力，区分与命名如下,乐音：有规律的、好听悦耳的声音,响度(强弱、大小),单位 分贝（dB）,振幅越大，响度越大。,响度还跟人耳与发声体的距离有关。,音调(高低),频率越高，音调越高，频率越低，音调越低,音色（音品）,声音与众不同的原因,频率的单位为 赫兹（Hz）,音色（音品）：耳对声音音质的感觉,各种乐器，奏同样曲子(响度和音调相同)，听起来还是不一样，笛子（清脆），小提琴（优美），小号（激昂），音品不同。,乐音中泛音越多，听起来就越好听。 低音丰富（深沉有力），高音丰富（活泼愉快）。,泛音的频率及强度分布决定音品 物体振动所发出的频率最低的音为基音，其余为泛音。,每个人的声音都有独特的音品，所以我们能辨认。,在匈牙利鲍拉得利山洞入口廊里，3名旅游者齐刷刷地突然倒地，停止了呼吸,风暴与海浪摩擦，产生次声。人体内脏固有的振动频率和次声频率相近似，当次声频率与内脏固有频率相近时，就会引起内脏的“共振”，使人产生头晕、烦躁、耳鸣、恶心等一系列症状，严重时使 人的心脏及其它内脏剧烈抖动、狂跳，以致血管破裂，最后促使死亡。,地震、火山爆发、台风、核爆炸、飞机、火车、高速行驶中的汽车、雷电、磁暴、极光等都会在一定的条件产生次声波。,次声无处不在,次声的利用,美国和苏联应用次声探测对方进行的大气核试验,次声帮助动物通信，鲸、犀牛等一些体形庞大的动物,次声洞察人类盲区，有助于火山、雪崩等预警预报,近年来，一些国家利用次声能够“杀人”这一特性，致力次声武器次声炸弹的研制。尽管眼下尚处于研制阶段，但科学家们预言：只要次声炸弹一声爆炸，瞬息之间，在方圆十几公里的地面上，所有的人都将被杀死，且无一能幸免。次声武器能够穿透15厘米的混凝土和坦克钢板。人即使躲到防空洞或钻进坦克的“肚子”里，也还是一样地难逃厄运。,超声波的频率超出了人耳所能感受的声波频率上限，因而人耳听不见，正如人的眼睛看不见紫外光一样，都是由于人的感官生理局限性所引起的。,超声的传播规律及与人体相互作用的特性 各种超声诊断技术的方法原理。,超 声,机械波,一、波动,振动在空间的传播过程称为波动 机械振动在弹性介质中的传播称为机械波 如声波、水波、地震波等 交变电磁场在空间的传播称为电磁波 如无线电波、光波等,二、波动的特征,具有一定的传播速度； 伴随着能量的传播； 能产生反射、折射、干涉和衍射等现象； 有相似的波动方程。,机械波的几个概念,一、机械波的形成,1、波动的产生,锣振动，在空气中形成声波,音叉振动形成声波,小球点击水面，会形成水波,介质中一个质点的振动会引起邻近质点的振动，而邻近质点的振动又会引起较远质点的振动。这样，振动就以一定的速度在弹性介质中由近及远地传播出去，形成波动。,2、产生机械波的条件,波源： 产生机械振动的振源； 弹性介质：传播机械振动。,3、需要注意的问题,波动是波源的振动状态或波动能量在介质中的传播 介质中的质点并不随波前进，只是在各自的平衡位置附近往复运动。,二、横波与纵波,波的传播方向向右,波的传播方向向右,质点振动方向水平,质点 振动方向向上,分类标准 介质质点的振动方向与波动的传播方向的关系,1、横波,质点的振动方向与波的传播方向垂直。 波峰波形凸起部分波谷波形凹下部分,2、纵波,质点的振动方向与波的传播方向平行。 纵波的传播表现为疏密状态沿波传播方向移动。,三、波长、波的周期和频率、波速,1、波长反映波动的空间周期性,定义： 同一波线上两个相邻的、相位差为2p 的振动质点之间的距离，或 沿波的传播方向，相邻的两个同相质点之间的距离叫波长。,说明：波长可形象地想象为一个完整的“波”的长度； 横波：相邻两个波峰或波谷之间的距离 纵波：相邻两个密部或疏部之间的距离,2、周期和频率反映波动的时间周期性,定义： 周期：波传播一个波长所需要时间，叫周期，用T表示。 频率：周期的倒数叫做频率，用f 表示,说明： 由于波源作一次完全的振动，波就前进一个波长的距离 波的周期等于波源振动的周期； 波的周期只与振源有关，而与传播介质无关。,3、波速C描述振动状态传播快慢程度的物理量,定义：波动过程中，某一振动状态在单位时间内所传播的距离。,固体媒质横波和纵波的波速,G为媒质的切变模量,在液体和气体纵波波速,横波,纵波,E为媒质的弹性模量,K为媒质的体变模量,相同条件下不同物质的密度及声音在其中传播的速度,4、三者关系式,在一个周期中，波前进一个波长，故,小结： 频率、周期：决定于波源 波速：决定于传输介质 波长：由波源和传输介质共同确定,例1：在室温下，已知空气中的声速为C1=340ms-1，水中的声速为C2=1450ms-1，求频率为200Hz的声波在空气和水中的波长。,解：由,得,空气中,水中,结论：同一频率的声波，在水中的波长要比在空气中的波长要长。 原因：波速决定于介质，频率决定与振源，所以同一波源发出的一定频率的波在不同介质中传播时，频率不变，但波速不同，因而波长也不同。,四、波线、波面、波前,1、概念,波线：沿波的传播方向画一些带箭头的线，称为波线； 波面：不同波线上相位相同的点所连成的曲面，叫做波面或同相面、波阵面； 波前：在某一时刻，由波源最初振动状态传到的各点所连成的曲面，叫波前。,2、特点,波线的指向表示波的传播方向 同一波面上各点的相位是相同的 在各向同性介质中，波线恒与波面垂直。,3、分类,平面波：波前为平面； 柱面波：波前为柱面，由线状波源产生； 球面波：波前为球面，由点波源产生；,*波动的分类 按介质质点的运动方向与波动传播方向来分横波和纵波 按波的波前来分平面波、球面波、柱面波 按波动的明显的物理性质来分光波、声波、水波等 按传播波动的质点的行为来分脉冲波、周期波等。,4.波与振动图象的区别,第三章 超声医学原理,第一节 超声波的基本特性及在生物组织中的传播,第二节 超声的生物效应,第三节 超声诊断的概述,一、超声波的基本特性,二、超声场,第一节 超声波的基本特性及在生物组织中的传播,三、超声波在生物组织中的传播,一、超声波的基本特性,超声波是频率高于人耳听觉范围的声波，既具有声波的基本特性，又有类似光的传播特性（束射性、反射、透射、衍射）。 由于超声波的频率较高，则其波长较短，因而具有音频声波所不具有的空间分辨力，故可用于医学成象之中。,一、超声波的基本特性,1.1 超声波的传播速度,1.2 声 压,1.3 声波的声强,1.4 特性阻抗,1.5 超声波的产生,1.1 超声波的传播速度,固体媒质横波和纵波的波速,K为媒质的体变模量,在液体和气体纵波波速,横波,纵波,声波在介质中传播的速度受介质密度和弹性的影响，在空气和液体中传播的是纵波，在固体中可以有纵波和横波。,G为媒质的切变模量,E为媒质的弹性模量,例：声波在人体软组织中的传播速度大约为1500m/s。如超声理疗机向人体发射率为1MHz的超声波，试求在人体内的声波波长？,即1MHz的超声波在人体软组织中的声波波长为1.5 mm.,人体的绝大部分是软组织，其声学特性与水相似，所以其中传播的基本上是纵波。但由于传播条件的改变会发生波型的转换，如超声通过骨骼时会发生由纵波转变为横波。,1.2 声 压,定义：媒质中有声波传播时的压强与没有声波传播时的压强之差，以符号P表示，单位为帕（Pa）。,当有纵波声波传播时，媒质出现周期相间的稠密与疏稀状态 稠密区：压强大于没有声波传播时的静压强，即声压为正值； 疏稀区：压强小于静压强，声压为负值。,因此，媒质的声传播可表现为声压随时间（或空间）的周期变化。,在超声诊断中常用的是平面波，对于平面波，声压：,为传声媒质的质量密度，C为声波的传播速度；V为质点振动速度，V0为其幅值。声压单位为微巴（1 u bar=1达因/厘米2）。,（1）,比较两个声压的大小，常用声压级(LP),参考声压P0,普通谈话约为 60dB-70dB 载重卡车行驶 80dB-90dB 喷气式飞机附近 140dB-150dB,声 压 级,LP=20lgPi/P0（dB）,以1000 Hz纯音的听阈声压为基准声压,Pi = P0， LP = 0,1.3 声波的声强,超声强度：超声波在单位时间内通过与声波传播方向垂直的单位面积的能量，通常示以I。对于平面连续波其强度I为：,Pm,Vm和m分别为声压、质点位移速度和质点位移的最大值，若用它们的有效值P,V,表示，,声强度的单位是瓦/厘米2（W/cm2）或毫瓦/厘米2(mW/cm2)。,声强与声压平方成正比。,总功率：强度与声传播方向垂直的面积的乘积,强度级,功率级,1.4 特性阻抗,在超声传播过程中，p和v是相互关联的量。,适用于任意情况,对于平面波，声阻抗率等于介质密度与波速的乘积,Z为传声媒质的一个物理常数 特性阻抗：表征超声在介质中，传播过程能量损耗的特性。,声阻抗率：,特性阻抗的单位为瑞利即rayls, 1rayls = 1g/（cm2.s）,讨论声波传播问题时，声阻抗Z =C是一个极其重要的物理量。,媒质Z均匀不变，那么声波在其中的传播方向将不会改变；,Z不均匀，在变化处呈现出声学界面，发生反射、折射、散射。,现行大部分超声诊断仪（A型、B型、M型及 多普勒型），都是建立在超声回波（来自人体内）基础上的，其物理基础便是人体组织的声阻抗不均匀。,组织病变常常伴随其Z值发生变化，从而引起超声回波的相应变化，人们便可以从回波变化中提取人体组织病变的信息。,人体正常组织的密度、声速和特性阻抗,对于血液：,对于生物软组织，声阻抗率与水的相近，约为1.5*105 rayls,压电式超声换能器:实现电场能量与超声波能量相互转换的器件,1.5 超声波的产生,磁致伸缩式超声换能器:实现磁场能与超声波能相互转换的器件,1.5.1 压电式超声换能器,反压电效应：在外电场作用下，晶体内部的离子产生相对位移，导 致晶体宏观变形。,石英单晶，稳定性好，价格高，在实验室使用，工业中较少用。,(a)天然石英晶体；(b)人工石英晶体；(c)右旋石英晶体理想外形,使用较广的工业超声源，是人造压电陶瓷材料。 按照一定的材料配方，经研磨、成型、焙烧而成。焙烧好的陶瓷开始不具有压电性，经极化处理后才显示出压电性，成为压电晶体。,压电陶瓷的剩余极化不会轻易消失，除非强烈振动或施以较强的与极化方向相反的电场作用。,图 钛酸钡 （BaTiO3）压电陶瓷的极化,超声波探头,1-外壳 2-晶片 3-吸收背衬 4-电极接线 5-匹配电感 6-接插头 7a-保护膜 7b-斜楔,图 直探头和斜探头的基本结构（ a）直探头（b）斜探头,图 可变角探头示意图,常用的超声波探头有直探头和斜探头两种。探头通过保护膜或斜楔向外发射超声波； 吸收背衬可吸收晶片向背面发射的声波，以减少杂波； 匹配电感的作用是调整脉冲波的波形。 可变角探头，其中探头芯可以旋转，通过改变探头的入射角，得到不同折射角,当振子固有振动频率与外加交变电场频率一致时，发生谐振，能最有效地发射超声波。,超声波探头主要由压电晶片、吸收块、保护膜、引线等组成。,图 压电式超声波传感器结构,压电换能器,电能 机械振动能,1.5.2 磁致伸缩式超声换能器,铁磁材料的压磁效应：在外力作用下，晶体会产生磁场； 反之，外加磁场则会引起晶体变形。,铁磁材料中有自发磁化区（磁畴）。无外场时，磁畴取向无规律，在外磁场作用下，磁畴有转向与外磁场方向一致的倾向。外磁场愈强，转向也愈厉害。由于磁畴在各个方向上长度不一致，转向则导致了材料在磁场方向上的宏观增长。,当线圈中通以直流电I0时,产生偏磁场H0。再通以交变电I，产生交变磁场H，H重叠在H0上，于是铁芯中的磁场将以H0为中心上下变化。压磁材料在交变磁场H作用下，由于磁致伸缩效应，上下两端面