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医用超声基础知识培训讲义 换能器实验室刘毅春 1 1 什么是超声波 超声波是声源振动的频率大于20KHz的机械波 临床常用的超声频率在1 10MHz之间 目前腹部及心脏检查所用的频率范围在2 5 5MHz之间 小器官 眼科检查所用的频率范围在5 10MHz之间 皮肤及血管内检查所用的频率范围在10 30MHz之间 生物显微镜成像所用的频率范围在40 100MHz之间 2 2 超声波的频率 声速和波长 声速 c 频率 f 波长 超声波在人体软组织中的传播速度为1540米 秒 所以人体软组织中超声频率与波长的关系如下 频率 MHz 123456710波长 mm 1 51 250 50 40 30 260 220 15对于不同频率超声波 其分辨率不可能小于波长的一半 3 3 超声波的发生和接收 超声的发生是利用换能器逆压电效应的原理 而超声的接收是利用正压电效应的原理 超声诊断仪的探头里安装着具有压电效应性质的晶片 换能器 由主机发生高频交电场 电场方向与晶体压电轴方法一致 压电晶片沿一定方向发生压缩和拉伸 这种现象为逆压电交应 当有回声时 作用于晶体片上 则晶体片产生电荷 这种现象为正压电效应 4 4 什么是超声换能器 换能器是将一种物理能量变为另一种物理能量的器件 凡能将其它物理能量转变为超声能量的器件均为超声换能器 超声诊断仪的探头里安装着具有压电效应性质的晶片 能将电能转变为声能 又能将声能转变为电能 完成物理能量的转变 所以 又将探头称为换能器 医用超声诊断仪探头有多种形式 但其基本结构一致 还可根据需要制成使用功能不同 超声频率不一的各种各样的探头 5 5 什么是超声的束射性 当声源的直径远大于传播介质内的波长时 超声的能量高度焦中 成束状往前传播 这就是超声波的束射性 从声源发出的超声波最近的一段声束几乎平行 这段区域为近场区 远离此区后 声束向前稍有扩散 为远场区 扩散的声束与平行声束间形成的夹角叫做扩散角 探头的直径d越大 扩散角愈小 束射性愈好 则方向性愈强 探测效果愈好 从公式中可以看出 探头的直径d愈大 则半扩散角就愈小 6 6 超声的反射与透射 当声波从一种介质向另一种传播时 如果两者的声阻抗不同 就会在其分界面上产生反射和透射现象 使一部分能量返回第一种介质 另一部分能量 穿过界面进入第二种介质 继续向前传播 当两种不同介质的声阻抗差达到0 1 时 便能产生超声反射 如果界面的尺寸大于声束的直径为大界面 这时其反射规律遵循几何学的反射定律 即 反射角 等于入射角 显然 当超声的入射角大于0 时 由于反射角等于入射角 反射的声束就不能被一探头全部接收 当入射角接近0 时 反射的声束就可全部为同一探头所接收 所以 在超声诊断中 应注意手法 不断地转动或侧动探头 使入射声束方向与被探测脏器的表面垂直 以期得到尽可能多的回声 7 7 超声的绕射和散射 绕射 声波在传播过程中 如遇到直径小于超声半个波长的障碍时 其声波会绕过障碍物而继续传播为绕射 所以 诊断用的超声波仪器 常规要求对探测的对象加以选择 以使波长比被探测对象小很多 使绕射现象不显著或很小发生 从而提高分辨力 散射 如果界面的尺寸小于声束 晶片 的直径 为小界面 入射超声遇到小界面时 发生散射现象透射绕射散射 8 8 超声的吸收和衰减 超声在介质的传播过程中 将随着传播距离的增加而减小 这种现象为超声的衰退减 衰减的原因主要有两个方面 超声在其传播过程中由于反射和散射 使其一部分声能偏离其探测方向 而造成探测方向上声能的减小 另一方面是介质的吸收作用 将一部分声能转化成另一种能量 往往是热能 而使声强减小 衰减为反射 散射及吸收等效应的总和 由于介质对超声能量的这种吸收和衰减作用 同样的组织在不同的距离上所得到的回声强度就不同 这一点在分析不同浓度界面回声强度上 应加以注意 衰减的强弱通常用衰减系数来表示 其单位dB cm 即经过1cm距离超声能量减小的分贝数 不同的介质不不同的衰减系数 不同频率的超声波 介质对它的衰减也不相同 一般认为 人体软组织的衰减系数与频率的平方成正比 所以频率低的超声波其穿透力要强一些 反之 其穿透力弱些 9 9 超声波的分辨力 超声的分辨力是指超声诊断仪能够区分两个相邻界面的能力 分为轴 纵 向 侧 横 向两种分辨力 1 轴 纵 向分辨力 是指在超声束轴线上 能分辨两点 两个病灶 间的最小纵深距离 这与脉冲宽度有关 脉冲宽度 脉冲时间 超声声速 只有当两上障碍物 或病灶 相隔大于脉冲宽度的1 2时 超声才能分别产生两个回声 目前用陶瓷制成的压电晶片脉冲宽度大约为1微秒 轴向分辨力为1mm左右 2 侧 横 向分辨力 成像系统在与声束轴线垂直的方向上可分辨最小距离的能力 侧向分辨力与超声束直径有关 只有当超声束直径小于两点距离时 才能把这两点显示出来 否则形成一个回声 在近场处的超声束与换能器直径大相同 远场的超声束宽度随着扩散角扩大而增大 因此 其侧向分辨力也随着传播加大下降 如采用电子聚焦 则侧向分辨力可大大得到改进 10 10 A超 B超和M超 1 A型超声诊断是用幅度调制型进行诊断的方法 由于幅度 amplitude 一词的英文单词第一个字母为A 故A型超声诊断 以回声振幅的高低和波数的流密显示 纵坐标代表回声信号的强弱 横坐横代表回声的时间 距离 常用A型越声诊断仪测量组织界面距离 脏器大小 鉴别病变的声学性质 结果比较准确 2 B型超声诊断是辉度调制型 因brightnessmodulation词组的第一个字母为B 故B型超声诊断 以点状回声的亮度强弱显示病变 回声强则亮 回声弱则暗 当探头声束按次序移动时 示波屏上的点状回声与之同步移动 由于扫描形成与声束方向一致的切面回声图 故属于二维图象 具有真实性强 直观性好 容易掌握和诊断方便等优点 按成象的速度 可分为慢速成象法和快速成象法 慢速成象只能显示脏器静态解剖图象 图象清晰 逼真 扫描与检查的空间范围较大至甚小 快速成像能显示脏器的活动状态 也为实时显象诊断法 但所显示的面积较小 3 M型超声诊断仪是一种单轴测量距离随着时间变化的曲线 用于心脏检查为单声束超声心动图 它把心脏各层结构的反射信号以点状回声显示在屏幕上 当心脏跳动时 这些点状回声作上下移动 此时 在示波管水平偏转板上加入一对代表时间的慢扫描锯齿波 使这列点状回声沿水平方向缓慢扫描 显示心脏各层的运动回波曲线 图象垂直方向代表人体深度 水平方向代表时间 由于探头位置固定 心脏有规律地收缩和舒张 心脏各层组织和探头间的距离便发生节律改改变 因而 反回的超声信号也同样发生改变 随着水平方向的慢扫描 便把心脏各层组织的回声显示成运动的曲线 即为M型超声心动图 在新式的超声诊断仪中 一台仪器往往可双重显示或多重显示 即在同一屏幕上能分别显示B型 M型 A型和D型的多种组合 可提供更可靠的诊断信号 11 11 多普勒效应 当声源与声接收器之间有相对运动时 接收器所接收到的声波的频率就会发生改变 这种物理现象为多普勒效应 根据上述情况作以下的解释 设声源发出声波的的频率为f 当声源与声接收器相对静止时 由于声波以速度C向前传播 声接收器在单位时间里所收到波的个数也正好是f个 即收到的声波频率仍是f 当声接收器以某一速度向着声源运动时 情况就不完全一样 设在单位时间里声接收器运动到了如图所示位置 则在这段时间里 声接收器所收到的波的个数比静止状态时要多 换句话说 声接收器收到 感觉到的 频率增高了 当反向运动时 声接收器收到的声波的频率要降低 相对运动的速度愈高 则收到的声波频率改变愈大 医学上利用这种超声多普勒效应 来测定人体器官的运动状态 如心脏 血管和胎心等的活动 典型公式如下 其中 为探头与物体运动方向之间的夹角 12 12 连续式多普勒与脉冲式多普勒 13 13 超声多普勒频移诊断法 超声频移诊断法即D型 Doppler 超声诊断法 通称为多普勒超声 此法应用多普勒效应原理 当超声发射体 探头 和反射体之间有相对运动时 回声的频率有所改变 此种频率的变化称之为频移 频移的程度与相对运动速度呈正比 距离变近则频率增加 距离变远则频率减少 其增减的数字 差频 可用检波器检出 用不同类型的仪器可显示出多普勒信号音和多普勒曲线图 用脉冲多普勒可获得多普勒超声频谱图 可观察血流的方向和速度 14 14 声功率输出的规定 美国医用超声学会 ALUM 非聚焦的超声强度小于100mW cm2 或聚焦的超声强度小于1W cm2 美国食品药物管理局 FDA 用于胎儿成像及腹部 小儿科 小器官 乳房 甲状腺 睾丸 婴儿脑及成人脑在水中的最大允许声强 Ispta 为180mW cm2 日本卫生福利部 连续波近似为1W cm2 脉冲波近似为Ispta 240mW cm2 世界卫生组织 WHO 只有在医学上具有明确理由时 才对人体使用诊断超声 以商业显示和获得实验图像为目的时 不应把超声用于辐照人体 特别是孕妇 在保证获得良好图像质量和取得必要的诊断信息前提下 应使超声诊断设备的声输出强度尽可能小 医用诊断超声设备声输出公布要求 的IEC标准 该标准规定 对换能器部件和B超主机配套组合的所有工作模式声输出如满足如下三条 1 峰值负声压P 1Mpa 2 波束声强Iob 20mW cm2 3 Ispta 100mW cm2 则可免除公布声输出资料 否则 应以技术数据表格 随机文件 手册 背景资料的形式予以分布 15 15 超声换能器的近场 近场是指超声换能器前方声束不均匀的区域 它与越过超声换能器面波长数有关 波长数愈多 近场愈长 近场长度还取决于声波频率 对于圆片来说 近场长度L d2 4 在近场内 检测数据可能不可靠 操作人员应避免在该区域中检测 16 16 超声的生物物理基础 1 超声的机械作用 超声传播过程中介质质点交替地压缩与伸张构成了压力变化 这压力变化所引起的机械效应 是超声最基本的原发效应 超声场中的行波和驻波是这种作用的来源 实验证明 超声的机械作用是超声治疗及超声生物作用的主要机制之一 2 超声的热作用 超声能是一种机械能 在组织中传播时部分能量被组织吸收转变为热能 使组织的温度升高 3 超声的理化作用 超声的机械作用和热作用 可激发许多物理或化学变化 其中有些是超声特有的变化 1 超声的空化效应 空化是液体动力学中的一个现象 有稳态空化和瞬态空化两种 所谓稳态空化 即空化气泡变化不超过原半径的75 的动力学过程 这时的声压在一个大气压以下 若空化气泡半径变化很大 直至破裂过程 这时声压值很高 约几十个大气压以上 称为瞬态空化过程 瞬态及稳态过程都会引起生物效应 能引起自由基变化而影响细胞的结构 2 超声的弥散作用3 氢离子浓度的改变4 对高分子化合物的分裂作用 17 17 医用超声基础知识讲座考试题 第1题 医用超声波是一种 A 机械波 横波 B 机械波 纵波 C 电磁波 D 只能在固体中传播的机械波 18 医用超声基础知识讲座考试题 第2题 某超声仪器在测量病灶的大小时 系统误差在5 左右 这是因为 A 此超声仪器性能不佳 B 灵敏度时间控制曲线 STC 调节不正确 C 动态范围调节过度 D 超声波在人体内各种软组织中的传播速度不同 E 深度调节太深 19 医用超声基础知识讲座考试题 第3题 下列关于超声波的描述错误的是 A 超声波在人体组织中的传播速度与温度有关 B 如果掌握了声速与温度的关系 则可以用超声波测量体内的温度 C 频率超过20000Hz 20KHz 的声波称为超声波 D 超声波在人体组织中的平均声速是1540m s E 根据公式c f 超声波在人体组织中的传播速度与声波频率有关 20 医用超声基础知识讲座考试题 第4题 关于超声耦合剂的描述错误的是 A 可用于排除空气 增加透声性 B 耦合剂的特性阻抗接近于人体软组织的特性阻抗 C 耦合剂可以减小或消除超声在耦合剂与组织接触界面上的反射 E 常规情况下 超声耦合剂可以用生理盐水来代替 21 医用超声基础知识讲座考试题 第5题 超声在人体内传播时 引起声波衰减的原因有 A 人体组织对声波的吸收 B 散射衰减 C 声能转化为其它形式的能量 D 声束扩散 E 以上都对 22 医用超声基础知识讲座考试题 第6题 下列关于医用超声波的描述错误的是 A 测量病变的大小是根据回波测距原理 B 测量血流速度是根据多普勒频移原理 C 经过人工极化过的压电陶瓷 在机械应力的作用下会在电极表面产生电荷 这种机械能转变成电能的现象称为正压电效应 D 超声波的发生是利用正压电效应 超声波的接收是利用逆压电效应 E 医用超声换能器一般由面材 压电材料 背材组成 23 医用超声基础知识讲座考试题 第7题 下列关于超声生物效应描述错误的是 A 产生超声生物效应的物理机制主要有热机制 机械机制和空化机制 B 空化效应包括稳态空化效应和瞬态空化效应两种 C 引起空化效应的前提是有气泡的存在 气泡尺寸适中 则可在低声强下产生稳态空化 气泡太小时 只能作为空化核 在较高的声强下产生瞬态空化 D 超声理疗机常用的输出强度是1 4W cm2 E 声强处于700 1500W cm2的中间范围时 损伤机理主要来自机械机制 F 高声强 辐射时间短时 损伤机理以热机制为主 24 医用超声基础知识讲座考试题 第8题 下列关于B型超声的分辨力的描述正确的是 A 分辨力是指对目标分辨的能力 分为空间分辨力和时间分辨力 B 空间分辨力是指脉冲超声在人体软组织中传播时 能在屏幕上被分别显示的两个目标的最小间距 可分为纵向分辨力 横向分辨力和侧向分辨力 C 分辨力有时也可称为分辨率 二者的区别是表示的单位不同 D 显现力是指超声仪器能显示最小物体的能力 其理论值为 2 E 时间分辨力即指获得图像信息的时间间隔的长短 也即通常所