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生物物理学 课程论文 超声波在医学上的应用 课程名称：生物物理学 姓 名 ：米克拉伊尼扎买提系 别：生命科学专 班 级：8班 论文评分 ：2013年 12月 10 日目录摘要 3前言 31.超声波的物理特性 32.超声诊断以及工作原理 32.1多普勒效应 32.2多普勒效应的应用 42.3多普勒超声仪工作原理 43.超声波在医学诊断中的应用 43.1利用超声波的反射折射原理 43.2利用超声波的多普勒效应 54.超声波在医学治疗中的应用 55.超声波在临床医学中的应用 56.超声波在医学中的发展趋势 56.1宽频带化 56.2数字化 66.3多维化 67.对我国中，近期发展生物医学超声研究的看法和建议 67.1超声波在医学的意义 67.2超声波重点研究课题 67.3为发展超声事业以下建议 77.4建议有关部门取以下措施 7参考文献 7【摘要】高于人耳听觉上限值得声波，称为超声波。超声室人儿听不到的。超声波是频率高于20000赫兹的声波，它方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，在水中传播距离远，可用于测距，测速，清晰，焊接，碎石，杀菌杀毒等。在医学，军事，工业，农业上有很多的应用。尤其在医学生，超声波频率高，波长短，有良好的指向性，衍射现象少，可在组织界面上反射，可悲血细胞反向散射。此外，超声波可被生物介质所吸收。吸收程度基本上决定与介质的特性和超生的频率。一般而论，介质中的含水量越大，吸收越少，频率越高，吸收越多。超生的这些特性，对于他在生物医学方面的应用极为有利。本文就以超声的这些特征为线索，阐述其应用与医学方面的优势，并提出相关的建议。【关键词】超声波，临床医学，激光在生物物理中的应用前言 人类赖以生存的世界，是一个不断运动着的物 质世界，而波动是物质运动的一种基本形式，其中应力波作为一种主要的形式存在着，如地震波、固体中的声波、超声波等。1949年，John Wild是一名英格兰裔美国内科医师，因为致力于这一工作被称为“医学超声之父” ，超声成像等技术开始被运用于医学，使医生在诊断、治疗疾病方面不仅速度有了大幅度的提升，准确度也有了很大的提高。1.超声波的物理特性 超声波是指频率在20kHz以上的声波，其在传播过程中一般会发生折射、反射、散射、绕射以及多普勒效应等现象。 当超声波在密度均匀的介质中传播时，不会发生折射、反射等现象。当其通过不同的介质时，且两介质的交界面大于超声波的波长时，就会在两介质的交界面处发生折射和反射现象。反射声强的大小取决于两介质声阻的差异程度及入射角的大小，当垂直入射时反射声强最大，反射声强愈强则折射声强愈弱。折射进入第二介质的超声波会继续前进，若再次遇到不同声阻介质交界面时，会再次产生反射和折射。依次类推，被测物质密度越不均匀、界面越多，产生的反射和折射的次数也就会越多。当两介质交界面小于超声波的波长时，超声波则会产生散射或绕射现象，散射是指超声波会以此小介质为中心向四周发散，使其成为新的声源；绕射是指超声波绕过介质的边缘，继续向前传播，好似此介质不存在。2.超声诊断以及工作原理2.1多普勒效应多普勒效应是指当声源和接收体作相对运动时，接收体在单位时间内接收到的频率，会与声源所发出的频率不一致，如接收体与声源的距离越来越近时，那么接收体接收到的频率会增加，且增加的频率与接收体相对与声源的速度有关；反之，接收到的频率会减少，减少的频率也与接收体相对与声源的速度有关。和一切应力波相似，其在介质中传播时，随着传播距离的增加，波强会逐渐减弱，这种现象被称为超声的衰减。引起衰减的主要原因是介质对超声的吸收，超声波的频率越高介质的吸收就越多，使得波强在原传播方向上的能量逐渐减弱。而这些散失的波强都转换成了热能，这又被称为超声的热效应。2.2.多普勒效应的应用多普勒超声诊断技术的发展、多普勒彩色血流成像，多普勒图谱效应和色彩多普勒血流图都是基于多普勒效应。用于实现对血流参数的邪恶梁。血流参数测量的发展经历从连续多普勒血流测量，到脉冲波多普勒血流测量，到测赛多普勒血流图的过程。多普勒超声诊断仪从最初的具有CFM功能，到同时显示B型图像和多普勒血流数据的双重超声扫描成像系统，发展到采用计算方式处理技术，能及时分析大量暗反射波，实时捕捉图像的三位超声波扫描技术。2.3多普勒超声仪工作原理利用多普勒小影院里检测运动物体。当发射超声传入人体某一血液流动去，悲鸿细胞灿社返回探头，回声信号的品庐可憎可见，超声探头运动的血流，探头接收到的频率较发射频率增高，背离探头的血流则频率减低。接收频率与发射频率只差成多普勒移或差频。多普勒频移fd与发射频率fo ，血流速度v,超声束与血流之间的夹角，超速c的关系为fd=+-2vfocos/c.其中留学速度v可有公式计算，党生属于血流方向平行时刻记录到最大血流速度，党生属于血流方向垂直时则测不到学信号。通过对多普勒信号检出加以分析和处理，经放大或检波，在示波器的荧光屏上显示出来，就可制成各种多普勒朝上诊断仪。3超声波在医学诊断中的应用3.1 利用超声波的反射折射原理。 根据前面的超声波反射折射原理，可知若将超一束超声波发射到人体内，当它在体内遇到界面时就会发生反射及折射现象。因为人体各种组织的形态与结构是不相同的，因此其反射与折射以及吸收超声波的程度也就不同，医生们正是通过仪器所反映出的波型、曲线，或影像的特征来辨别它们。此外再结合解剖学知识、正常与病理的改变，便可诊断所检查的器官是否有病。 利用医学超声检查，可以做到探查与提取人体的生理和诊断信息的目的，具有安全、无痛、适用面广、直观、可重复检查、灵活及廉价等一系列的优点，成为当代医学图像诊断中的重要技术之一。 目前，根据不同的成像原理，超声波诊断方法可以分为A型、B型、M型及D型四大类。A型：是以波形来显示组织特征的方法，主要用于测量器官的径线，以判定其大小。可用来鉴别病变组织的一些物理特性，如实质性、液体或是气体是否存在等。 B型：用平面图形的形式来显示被探查组织的具体情况。检查时，首先将人体界面的反射信号转变为强弱不同的光点，这些光点可通过荧光屏显现出来，这种方法直观性好，重复性强，可供前后对比，所以广泛用于妇产科、泌尿、消化及心血管等系统疾病的诊断。 M型：是用于观察活动界面时间变化的一种方法。最适用于检查心脏的活动情况，其曲线的动态改变称为超声心动图，可以用来观察心脏各层结构的位置、活动状态、结构的状况等，多用于辅助心脏及大血管疫病的诊断。 D型：是专门用来检测血液流动和器官活动的一种超声诊断方法，又称为多普勒超声诊断法。可确定血管是否通畅、管腔是否狭窄、闭塞以及病变部位。新一代的D型超声波还能定量地测定管腔内血液的流量。近几年来科学家又发展了彩色编码多普勒系统，可在超声心动图解剖标志的指示下，以不同颜色显示血流的方向，色泽的深浅代表血流的流速。现在还有立体超声显象、超声CT、超声内窥镜等超声技术不断涌现出来，并且还可以与其他检查仪器结合使用，使疾病的诊断准确率大大提高。 当前超声诊断向三维方向发展，从而可以获取更为直观的立体图像图，这在心肌损伤的定位、胸腹部肿瘤的检测、怀孕期的评估等方面有重大的价值。3.2 利用超声波的多普勒效应 根据前面所述的多普勒效应原理，利用多普勒效应可以测量运动物体的速度，在医学上主要用于测量人体某一区域血液流动的速度。当超声波被传入人体某一区域时，该区域血液中的红细胞就会对超声波进行散射，另外有个探头会到散射回的超声波频率进行测量，并与发射的超声波频率进行比较。被散射回的超声波频率可增可减，而这个增加或减少的频率不仅代表了血液的运行速度还表征了 血液的运行方向，并被称为多普勒频移。利用多普勒频移现象人们制作成了各种多普勒超声诊断仪。4 超声波在医学治疗中的应用 超声波作为一种应力波，其在传播过程中，介质的各个质点会交替性的压缩与伸张，从而在相邻的两个质点之间形成压力差，这对增强组织渗透、提高代谢促进血液循环、刺激神经系统及细胞的功能，均有重要的意义。另外由于超声波在人体各组织传播时是一种机械运动，这种机械能由于波阵面处的阻尼作用而使其逐步衰减并转换成热能，这一效应被称为超声波的热效应，它可以引起人体血管功能和代谢过程的变化，并发生一系列的复杂的神经反射，在人体组织产生各种效应。另外超声波还具有生物作用和化学作用，相关研究表明超声波能够促进备注循环、加还组织的软化、增加细胞的新陈代谢等。 由于超声波具有以上特点，人们通过超声波各种作用的结合来使局部组织受到细微的按摩，使分层处的组织温度升高、细胞功能受到刺激、血液循环加速、多种蛋白分子和酶功能受到影响、生物活性物质含量改变等，并通过神经、体液途径对人体产生作用从而产生治疗效果。5 超声波在临床医学中的应用 超声波在临床医学中的应用主要集中在外科、妇产科、美容、减肥、结石、节育等环节，如超声药物透入疗法、超声雾化吸入疗法、穴位超声疗法、高强度聚焦超声系统等，随着这些超声技术的发展，也医生的临床诊断提供了越来越多的帮助。如穴位超声疗法，又称超声针或超声针灸，是现代超声技术和传统的针刺术相结合的一种新型穴位刺激法。穴位超声疗法最主要特点是无痛、无不适反应；其次，穴位超声疗法是通过声能透入穴位来治疗的，具有对组织无损伤、无副作用、安全可靠等优点，因此易为儿童和惧针的患者所接受。高强度聚焦超声系统（HIFU）又称为“海扶刀”，它在医学影像技术的协助下，将多束超声波准确聚焦在 靶组织上，声强可达到2000W/cm2 以上，并利用 肿瘤组织血流量低，散热缓慢的特点，短时间内（一般15115s）照射靶组织，局部温度可达到70100，使肿瘤的蛋白质固化，肿瘤组织坏死，在超声强度和照射时间适当时，可在坏死组织周围形成一层组织膜避免对周围组织的损伤，这样就可在高能量超声波作用下产生化学反应，杀伤肿瘤细胞。6 超声波在医学中的发展趋势 近些年来，由于计算机技术、图像处理与信息传输、微弱信号检测技术等重大技术的突破，有力地促进了超声技术在医学中的发展。当今医学超声诊断的新技术发展特点主要体现在宽频带化、数字化、多功能化、多维化及信息化等五个方面的综合应用上，也引导着未来先进医学超声诊断设备研制的创新思维。6.1 宽频带化 宽频带技术的发展涉及到新型宽带超声换能器（探头）研制、宽频带信号接收、处理及显示技术，实际上体现新型压电材料、多阵元探头研制及宽频带信号处理的技术水平。早期所应用的探头为单中心频率窄带探头，其带宽只有1MHz，使得深部组织回声高频信号损失较大，影响整幅图像的清晰度与灵敏度。八十年代中期，人们根据超声在生物组织中的衰减规律及其对超声图像的影响，开发了宽频带探头，如中心频率为3.5MHz的探头，可以产生2.56MHz的超声波，其有效带宽可达到3MHz左右，检测浅表组织时由于高频率可以提高分辨率，而对深部组织时由有较低频形成衰减较少的回声信号，从而使深部组织结构得以较清晰的图像显示，因此在宽频带探头的检测下可以形成多频率构成的图像，又称为图像融合技术。这与动态滤波信号处理技术的应用是密不可分的，同时整 个信号处理通道响应带通也应提高到相应宽带的程度。6.2 数字化 数字化技术的开发与应用伴随着现代B型超声显像仪发展的整个进程。一般说来，又可分为数字化后处理和数字化前端处理两个发展阶段。早在70年代中期，应用数字扫描转换（DSC）技术，它将由换能器接收的组织界面回声信号经前置放大、射频放大、视频放大等模拟信号处理后，再经DSC中的微机控制A/D转换变成数字信号进入图像存储器，接着按帧读出的图像数字信号再经D/A转换变成模拟信号进入显像管进行显示。显然DSC技术是一种在回声模拟信号处理后进行的数字化后处理技术，由它带来B型超声显像仪的一次重大的突破性进展，它实现了图像的存储、冻结、无闪烁和灰阶电视显示，随着高速器件的应用，逐步实现了实时动态显示，取得了临床应用的蓬勃发展。6.3 多维化 虽然换能器多阵元和宽频带技术、数字扫描转换技术、数字声束形成器技术、超声多普勒技术等有力地促进医学超声二维图像技术的飞跃发展，但在深入应用中也发现其不足之处：诊断的准确性较高地依赖于诊断医师掌握仪器的能力与医学知识；成像面间隙区域信号的丢失；受检体空间结构是在诊断医师大脑中瞬间合成的印象；介入性治疗明显受到平面声像制约。实现超声体多维成像（Ultra-sonicVolumeImaging）就成为医学超声诊断技术发展的趋势，而用各种方式高速采集体元象素（Vox-el）是技术关键，由此构成的体图像不仅弥补了平面声像的不足，并且将医学超声诊断推向多维化新阶段，也为医师提供更多医疗所需的信息。7.对我国中，近期发展生物医学超声研究的看法和建议7.1 超声波在医学的意义超声在医学上站的地位日趋重要，具有很好的社会效益。国内市场具有很大的经济效益；目前进口超声仪器过多，国家每年需花费大量外汇。鉴于上述情况，发展我国的生物医学超声事业是必要的和必须的。7.2超声波重点研究课题发展国的生物医学超声研究研究，必须进行应用基础研究和高技术储备，否则不可能有创新的仪器和质量可控制的产品。重点研究课题包括以下方面：（1）提高压电陶瓷的性能，开展符合压电材料，薄膜压电材料的研究。（2）换能器的高频和多样化。频率从原有3.5MHz提高到6MHz，7.5MHz；研制高密集型线阵，同心圆环多济源扇形，小曲率凸阵，穿刺，控内，术中换能器。（3）研制，推广，应用用户定制集成电路，开展数字信号处理和图像处理芯片在医学超声中应用的研究。（4）研制高性能的CFM；进行高速，低俗血流测量新方法的研究。（5）在巩固和提高现有超生诊断方法的基础上，开展控内超声成像，术中超声成像仪器的研制和