超声波在生物组织中的传播ppt课件

三 超声波在生物组织中的传播 3 1超声在声学界面上的反射和透射 3 2超声在生物组织中的衰减 3 1超声在声学界面上的反射和透射 人体是由不同的器官和组织构成的 它们的声学参量各有差异 因而在其交界面上 超声波的能量将出现重新分布 由原来的一束入射波分解为两部分 一部分将反向传播回去 而另一部分则将继续向前传播 分别成为反射波和透射波 这些反射波与透射波在继续传播中遇到交界面时 又会再分解 人体是结构复杂的介质 反射和透射过程也相当复杂 如果不存在超声波在介质中的反射 则超声成象是不可能的 声波从一种介质传播到另一种介质 在两个介质的分界面上一部分声波被反射 另一部分透射过界面 在另一种介质内部继续传播 3 1 1声压反射率和透射率 反射和投射 超声传播过程中 在界面两侧必须服从两个边界条件 即两侧的总压强相等和进边界的质点速度等于出边界的质点速度 引入特性阻抗的表示式 则有 声压的反射系数 声压的透射系数 声压反射系数和声压透射系数是用来描述反射波与透射波的多少 当时 折射角将大于90度 故透射部分将返回到左侧介质 右侧介质内将没有波的能量进入 这种情况称为全反射现象 当时 声压反射因数为零 即此时虽然有两种不同介质的界面存在 但不会产生反射 而仅仅有波的透射出现 超声波在介质中传播时出现的反射与透射不仅与介质的声学参量有关 还和波与介质交界面的夹角有关 在垂直入射时 超声波在介质中传播时的反射是由介质声阻抗率变化引起的 对于某些组织 尽管他们的密度和声速各不相同 但若二者的声阻抗率相同时 将不会造成反射现象 3 2超声在生物组织中的衰减 衰减的概念 声波在介质中传播时 随着距离的增加 强度逐渐减弱的现象 导致超声衰减的主要原因有 散衰减 是声波在空间传输中由能量分布的改变造成的衰减 如波阵面表面的扩大造成单位截面积通过的声能的减少 射衰减 在传播过程中由于声束的散射现象 使超声沿传播方向的能量逐渐减小 吸收衰减 其本质是声能转变为其它形式的能量 当超声波与载波介质相互作用时 超声波的幅度 传播方向 相位以及频率由于介质中非均匀体 粒子或界面 对超声波的再辐射而发生变化的现象称为超声波的散射 散射定义 3 2 1生物组织对超声波的散射 产生散射的原因 生物组织具有较为复杂的结构和组成成分 对超声波而言 属于非均匀介质 当超声波在生物组织中传播时 其中的非均匀部分会成为二次或高次再辐射波源 产生再辐射波 再辐射波将与原入射波及其他再辐射波相互作用而形成干涉 衍射等物理现象 使其波前形状 频率 传播方向 相位和幅度发生变化 根据散射粒子与波长的关系 散射分为三类 散射物的尺寸远大于超声波波长时 这类散射问题可视为介质界面上的反射和透射问题 其原理和研究方法我们已经讲过 这里就不再重复 散射粒子的尺寸远小于超声波波长时 可近似地应用瑞利散射理论来研究这类问题 当散射粒子的尺寸与波长的量级相当时 发生衍射现象 超声在生物组织中散射的分类 瑞利散射 处理瑞利散射的理论和方法是由瑞利提出来的 他认为对于这种小粒子情况 由于粒子的热运动破坏了彼此间固定的位置关系 使分子再辐射波之间不再具有相干性 故在计算大量小粒子总的散射波强度时 不必用波叠加的方法 只须将各粒子散射波的强度简单来求和即可 散射波向四面八方传播 不同于只有单一传播方向的反射波 散射的强弱不仅决定于界面阻抗变化的大小 而且还与散射元的尺寸及散射元在单位体积中的数目的多少有关 散射波的强弱还与声波频率有关 一般来说 散射随频率增高而增高 而反射波的强弱则与声波频率无关 瑞利散射特点 衍射的概念 设散射物为一圆盘 当它受一光源照射时 其所成暗影的中心为一亮点 而四周有明暗相间的光圈产生 若按几何光学理论 暗影中心应无光线到达 不可能为亮点 这种现象就称为衍射 声波和光波在衍射问题上是共通的 因此要研究波长量级的粒子散射问题时 可以应用上述衍射理论和方法 生物软组织对超声的散射 胎盘内含物回波最强 表明从声学角度看其结构的非均匀性强 而脑组织在声学上结构较均匀 所以内回波最小 人体各种组织在声学上是一种非均质结构 因此 不论入射超声束的方向如何 当它在软组织内传播时 在各个方向总可以检测到超声散射信号 称为内回波 形成内回波得物质主要有 细胞与小管道之间得界面 不同类型细胞之间的界面等 散射是使超声成象得以实现的最基本现象 正是由于携带了被测介质的结构信息 因而散射波的分析和屏幕显示就反映了组织的形态结构状况 3 2 2生物组织对超声的吸收 超声波在传播过程中 随着传播距离的增加 其能量不断地损耗 其结果使声压或声强随传播距离增加而按指数规律下降 即 a吸收系数 若只考虑一种均匀介质中因其粘滞性和导热性而产生的作用时 介质的粘滞系数 介质的热传导系数 定压比热与定容比热的比值 在医用超声中 吸收系数往往作为组织定征和疾病判别的一个重要参数 而吸收则是衰减的一个重要组成部分 由上式可见 超声波传播时衰减随频率的平方增加 与声速的三次方成反比 故超声在空气中被强烈吸收 一般组织是1400 3800m s 空气344 8 在超声诊断中 其分辨率随频率的增加而提高 d 1 2 F R 越小 分辨率越高 为了尽可能详细地观察组织的细微结构 希望选择高频率的超声 但是 随着频率增加其能量衰减也急剧增加 严重的限制了检查深度 所以 实用上应合理地综合考虑分辨率和穿透深度两种因素 真实情况下 吸收系数往往十分复杂 与频率有关 在吸收过程中 超声波的能量被转换成了热量或其他形式的能量 在散射过程中 超声波的能量形式始终保持为机械能 发生变化的是能量流的方向和分布 散射与吸收的区别 对衰减测量一般采用衰减半值层指标 即声强度从入射点衰减到一半的距离 表人体一些组织的超声吸收系数及半值层 三 超声波在生物组织中的传播 3 1超声在声学界面上的反射和透射 根据声压和声