医学超声学课件1 医学卫生

第一章绪论本章提要11概述12医学超声发展简史13医学超声技术分类14医学超声的特点和优势15医学超声的发展趋势医学超声学是一门将声学中的超声学与医学应用结合起来而形成的新兴学科。研究的是超声波在生物组织内的传播规律和装置设备。超声医学研究的是超声波的医学临床诊断和治疗方法。医学超声学包括医学超声物理研究超声波在生物组织中的传播特性和规律。理论医学超声工程应用生物组织中超声传播的规律设计制造用于医学诊断和治疗的超声设备。应用医学超声学是一门综合交叉学科涉及材料科学、电子技术、信息处理方法、计算机技术、制造工艺等。现代医学四大影像技术超声成像ULTRASOUNDUSXCT断层成像XRAYCOMPUTEDTOMOGRAPHY放射性同位素扫描成像PETCTPOSITRONEMISSIONTOMOGRAPHYSPECTSINGLEPHOTONEMISSIONCOMPUTEDTOMOGRAPHY核磁共振成像MAGNETICRESONANCEIMAGINGMRI世界三大医疗设备公司美国通用电气GE德国西门子SIEMENS荷兰菲利普PHILIPS超声在医学上的应用超声诊断利用超声信号幅度、频率、相位和时间等参量携带的生物组织信息对人体进行测量、成像和诊断。超声治疗当超声能量作用于生物组织时产生机械效应、温热效应和空化效应所引起的生物学效应直接与超声波的声强和作用时间有关。超声研究研究超声在生物组织中的传播特性和与生物组织的相互作用机理。1医学超声工程2超声多普勒血流检测3非线性超声医学成像4超声生物医学效应1880年居里兄弟发现了压电效应。1917年保罗朗之万发现了逆压电效应制成超声换能器石英晶体发明“水下定位法”。1921年发明了声纳。30年代超声用于医学治疗和工业探伤。1932年弗兰德里奇首次报道将超声波应用于治疗。1933年阿伯特首次报道了超声波治疗动物肿瘤的实验研究。1942年首次把工业超声探伤原理用于医学诊断。1942年里恩将超声波聚焦、定位作用于实验动物的中枢神经系统并观察生物学效应。12医学超声发展简史1946年提出了A型超声诊断技术原理。1952年阿斯兰首次成功地在临床上应用超声波治疗美尼埃尔氏病一种内耳病变引起眩晕的疾病。1955年发现了锆钛酸铅压电材料PZT。1958年出现“超声心动图描记法”即M型超声心动诊断技术。同期出现了两维B型显示原理和生物组织超声散射特性研究的报道。1959年研制出了超声多普勒血流仪。制出脉冲多普勒超声。60年代超声全息、B型实时成像、阵列式换能器、电子线扫、电子扇扫以及电子聚焦等技术的研究阶段。研制成聚偏氟乙烯换能器PVF2或PVDFPOLYVINYLIDENEFLUORIDE。1964年CALAGAN用多普勒超声探测胎儿和血管。70年代B型显像蓬勃发展超声成像设备与X射线系统并驾齐驱。B型机械扇扫诊断仪商品化开展计算机技术在超声诊断仪中应用研究即DSC、DSP技术电子线扫设备研制成功。聚焦超声用于治疗超声波碎石应用。1973年JOHNSON等首先介绍选通门脉冲多普勒超声诊断室间隔缺损GOLDER等用以诊断房间隔缺损。80年代便携式超声诊断仪综合化、自动化、定量化和多功能化生物组织超声特性的研究被重视。数字扫描变换技术应用于超声设备中二维血流实时彩色成像实现彩色超声设备商业化内窥超声探头产生各种专业化换能器技术的研发。利用超声波的温热效应对肿瘤进行治疗。1982年挪威AASLID首次报道经颅多普勒TCD技术的应用。90年代超声三维成像经颅多普勒超声设备的广泛应用全数字化超声设备的研制成功。13复合材料超声波传感器的研制。首次提出了“超声波聚焦体外热疗”的概念。1992年查坡兰利用高强度聚焦超声波经体外治疗兔肝993年王智彪等首次报道了超声波终止早孕的实验研究。高强度聚焦超声HIFUHIGHINTENSITYFOCUSEDULTRASOUND已进入医学临床应用。2000年以来数字化、多媒体、网络传输应用于超声设备中。图像归档与传输系统PACSPICTUREARCHIVINGANDCOMMUNICATIONSYSTEMS图像支持国际医学图像标准DICOMDIGITALIMAGINGANDCOMMUNICATIONINMEDICINE成像新技术超声造影成像超声弹性成像3D/4D超声等。超声治疗技术蓬勃发展。13医学超声技术分类1按超声的波形分类1连续波超声设备2脉冲波超声设备2按利用的物理方法分类1回波式超声诊断仪反射、散射2透射式超声诊断仪超声全息系统和超声显微镜3按医学超声设备的体系分类1A型超声诊断仪AMPLITUDE2M型超声诊断仪MOTION又称超声心动图仪3B型超声诊断仪BRIGHTNESS4超声多普勒诊断仪D型DOPPLER彩色血流成像COLORFLOWIMAGINGCFI经颅多普勒TRANSCRANIALDOPPLERTCD功率多普勒5C型和F型超声成像设备6超声外科设备粉碎并排出超声乳化白内障摘除7超声治疗设备温热治疗43以上3060分钟HIFU56或65以上几秒内8介入性超声设备INTERVENTIONALULTRASOUNDUNIT腔内超声诊断、治疗引导9超声全息诊断设备10超声显微镜1500MHZ分辨率002M较好的光学显微镜分辨率略小于1M而电子显微镜分辨率可达1NM11超声CT14医学超声的特点和优势1超声波无电离辐射在诊断应用功率范围内对人体无损害可重复性使用。安全剂量1040MW/CM2X射线辐射危害较大MRI未发现有副作用费用昂贵2超声波对生物软组织鉴别能力较强对软组织疾患诊断具有优势。X射线穿透性强多采用投射方式可区分骨骼和软组织界面对于不同软组织不能有效区分。超声对骨骼、空气衰减大多采用反射方式能较好反映软组织解剖结构。3超声波仪器运用灵活方便、简捷易行价格便宜实时性好。15医学超声的发展趋势成像1、提高成像分辨率。2、寻求可定量表征特异性病变的成像参量超声组织定征。声阻抗、声速、介质密度、声衰减系数、散射系数、散射粒子尺度与密度分布、非线性参量、背向散射积分、弹性系数等。3、换能器设计和材料研究三维/四维成像方法新成像方法和应用造影成像、间接分子成像、编码超声、监控成像、超声控制药物释放等治疗1超声肿瘤热消融HIFU。2超声增强药物导入。3超声理疗加快骨骼愈合等。4超声基因疗法超声波空化效应联合造影剂微泡介导基因治疗能明显增强基因的转化与表达提高基因治疗的靶向性。5超声波协同药物治疗。第二章医学超声的物理基础本章提要21超声波的一般概念22超声波的数学描述波动方程及其解23界面上波的反射和透射24多普勒效应25超声波在生物组织中的衰减26超声生物效应与安全阈值21超声波的一般概念超声波是一种机械波机械振动与波动是医学超声的物理基础。211机械振动与机械波1机械振动物体沿着直线或曲线在某一平衡位置附近作往复周期性的运动。弹簧振子、钟摆可观察、发声物体、超声波源不易观察振动周期T单位S和振动频率F单位HZ、KHZ、MHZ它们关系为1T/F2机械波动机械振动在弹性介质中的传播过程。波动分为机械波和电磁波两大类。机械波产生的两个条件1要有作机械振动的波源。2要有能传播机械振动的弹性介质。3波长、频率和波速波长同一波线上相邻两振动相位相同的质点间的距离。频率F波动过程中任一给定点在一秒内所通过的完整波的个数。数值上与振动频率相等。波速C波动在弹性介质中单位时间内所传播的距离。关系或CFC/F4次声波、声波和超声波区别在于频率不同次声波FLT20HZ主要应用于气象探测、核爆炸以及预报地震。声波20HZLTFLT20KHZ人耳可感知。超声波FGT20KHZ医用诊断超声一般在MHZ级MHZ之间民用超声波频率范围在KHZKHZ一般在空气中传播。特超声波FGT100MHZ主要应用于探索物质微观结构。212超声波的类型1根据质点的振动方向分类1纵波L质点的振动方向与波的传播方向相同的波LONGITUDINALWAVE。纵波又称为压缩波或疏密波。固体、液体和气体均可传播。2横波ST质点的振动方向与波的传播方向垂直的波SHEARWAVE/TRAVERSALWAVE。横波又称为切变波。仅固体内可传播。3表面波R质点沿介质表面传播的波又称瑞利波RAYLEIGHWAVE。介质表面质点作椭圆运动可视为纵向振动与横向振动的合成能量随着传播深度增加而迅速减弱。4板波在板厚与波长相当的弹性薄板中传播的波。分为SH波与兰姆波。2根据波阵面的形状分类波阵面同一时刻介质中振动相位相同的所有质点所连成的面。波前某一时刻波动所到达的空间各点所连成的面。波线波的传播方向。波线恒垂直于波阵面或波前。1平面波波阵面为互相平行的平面形状的波。波源为尺寸远大于波长的刚性平面理想化时不扩散。平面波各质点振幅是一个常数即PC。2柱面波波阵面为同轴圆柱面的波。波源为长度远大于波长的线状体。柱面波各质点的振幅与距离平方根成反比。即2/1/1XP3球面波波阵面为同心球面的波。波源为尺寸远小于波长的点状体。球面波各质点的振幅与距离成反比。即/1XP3根据振动的持续时间分类1连续波波源持续不断的振动所辐射的波。2脉冲波波源振动持续时间很短间歇辐射的波。T时间声压时间声压WPTP213常用超声学参量的定义1超声波速度1固体介质中的声速纵波声速为横波声速为表面波声速为2111ECLLLSFE/121EGCSSQG/GCR11218702液体和气体介质中的纵波声速LBC同一介质有CLGTCSGTCR3声压P对于平面余弦波可以证明PMCA角频率2F质点振动速度VA4声阻抗Z介质中某一点的声压PM与该处质点振动速度V之比。SINCXTCAPCVPZM5声强I单位时间内通过垂直于波动传播方向单位面积的能流称为能流密度或波的强度也称为声强。对于平面余弦波其平均声强I为ZPZVCAIM221212222一般的有CTPTI2CPIE2TEDTTPTP0216分贝和奈培的概念若对P1/P2取自然对数则其单位为奈培NPBELIILOILGDBIILOILG10DBPPIILOI21LG20LG1021LNPPLP7辐射压与声功率全吸收的条件下声辐射压力F与声功率W的关系为FW/C对于全反射性界面F2W/C。声功率的测量方法之一就是基于用辐射力天平来测量辐射压力从而计算声功率。214超声波的叠加、干涉、绕射和惠更斯原理1波的叠加1当几列波在同一介质中传播并相遇时相遇处质点的振动是各列波引起的分振动的合成任一时刻该质点的位移是各列波引起的分位移的矢量和。2相遇后的各列波仍保持它们各自原有的特性频率、波长、振幅、振动方向等不变并按照自己原来的传播方向继续前进。2波的干涉两列频率相同、振动方向相同、相位相同或相位差恒定的波相遇时由于波叠加的结果会使某些地方的振动始终互相加强而另一些地方的振动始终互相减弱或完全抵消。1波程差等于波长的整数倍时两列相干波相遇时互相加强合振幅达最大值2波程差等于半波长的奇数倍时两列相干波相遇时互相减弱合振幅到最小值。干涉现象的特例驻波两列振幅相同的相干波在同一直线上沿相反方向传播时互相叠加而成的波。当介质厚度等于半波长的整数倍时即TN/2时就会产生驻波。在超声波探头设计中通常压电芯片厚度T/2形成驻波产生共振合振幅到最大这时探头辐射超声波的效率最高。3波的衍射绕射波在传播过程中遇到障碍物时能绕过障碍物的边缘继续前进的现象。1D1LTLT时几乎只绕射无反射这时无反射回波。2D1GTGT时几乎只反射无绕射这时反射回波很强。3D1与相当时既反射又绕射。散射一般认为超声波能探测到的最小病灶尺寸为/2。4惠更斯原理介质中波动传播到的各点都可以看作是发射子波的波源在其后任意时刻这些子波的包迹就是新的波阵面。扩散22超声波的数学描述波动方程及其解对于在理想流体中如气体和液体传播的平面波设介质在超声传播时的质点位移为在一维空间的情况下其波动方程可写为理想流体平面波声压方程形式相同222221TCX对三维空间的波动方程可写为2222222221TCZYX或者写成算子形式22221TC222221TPCXP2222222221TPCZPYPXP理想流体球面波声压波动方程为222221TPRCXPR理想流体平面波动方程解的形式是另一种等价的复数解的形式是理想流体球面波动方程解的形式是理想流体柱面波动方程解的形式是由于固体拉梅弹性常数、等的存在对平面行波波动方程可写为SINSIN00KXTXCTK00KXTJXCTJKEESINSIN00KXTRXCTKRSINSIN00KXTRXCTKR222TXZZYXYZYXX质点振动速度质点振动加速度声阻抗的推导声压的推导或者COSKXTTVOSIN2KXTTVAOCCEEKEJJKEETXETSFVPZKXTJKXTJX/COSKXTCTZPOSINKXTCPO1、声压反射率或声强反射率1212ZZZZPPROR21212222121222ZZZZRPPZPZPIIROROROR2、声压透射率或声强透射率1222ZZZPPTOT2122122211222422ZZZZPPZZZPZPIITOTOTOT能量守恒RT123界面上波的反射和透射231超声波垂直入射到平界面上的反射和透射讨论1当Z2GTZ1时RGT0反射波声压与入射波声压同相位界面上反射波与入射波叠加类似驻波合成声压振幅增大为P0PR。2当Z2LTZ1时RLT0即反射声压与入射声压相位相反反射波与入射波合成声压振幅减小为P0PR。3当Z2LTLTZ1时声压反射率趋于1透射趋于0即声压几乎全反射无透射。如固换能器/气界面需施加耦合剂。4当Z2Z1时R0T1几乎全透射无反射。声压、声强反射率和透射率公式同样适用于横波入射的情况。但在固/液或固/气界面上横波全反射。2反射、折射定律又称斯涅尔SNELL定律11122SSLLLLLSLSSINVSINSINSINVSINKCCCCC反射、折射定律的特征1反射、折射波线与入射波线分别在法线的两侧。2任何一种反射波或折射波所对应角度的正弦与相应的声速之比恒等于一个定值。3同种波型的反射角与入射角相等。232超声波倾斜入射到平界面上的反射和透射1波型转换和反射折射定律1波型转换只在固体中产生。2临界角第一临界角L90O时所对应的纵波入射角用1表示。第二临界角S90O时所对应的纵波入射角用11表示。当L1时第二介质中无折射纵波但仍存在折射横波。当L11时第二介质中既无折射横波又无折射纵波。这时在介质表面产生表面波。211ARCSINLLCC2111ARCSINSLCC3反射率与透射率折射率声压反射率为声压透射率为声强反射率为声强透射率为此时仍有RT1LLLLORZZZZPPRCOSCOSCOSCOS1212LLLOTZZZPPTCOSCOSCOS212221212COSCOSCOSCOSLLLLORZZZZIIR21221COSCOSCOSCOS4LLLLOTZZZZIIT1界面为球面时具有焦点反射波波阵面为球面。凹球面上的反射波好像是从实焦点发出的球面波。凸球面上的反射波好像是从虚焦点发出的球面波。2界面为柱面时具有焦轴反射波波阵面为柱面。凹柱面上的反射波好像是从实焦轴发出的柱面波凸柱面上的反射波好像是从虚焦轴发出的柱面波。波束中心轴线上反射波的声压分别为球曲面柱曲面式中的“”号选择为发散取“”聚焦取“”。FXFPPOXFXFPPOX焦距FR/2R为界面曲率半径。1反射波与光学中的凹面镜、凸面镜类似233平面超声波在曲界面上的反射和透射波束中心轴线上透射波声压分别为球曲面柱曲面其中T是声压透射率。FXFTPPOXFXFTPPOX2透射波折射波产生聚焦还是发散不仅与曲界面的凸、凹有关而且与两种介质的声速C1和C2有关。3声透镜焦距RCCCF211234超声波多层透射与声耦合1声耦合问题超声在工业和医学应用中超声换能器与被探测对象之间存在空气界面由于空气声阻抗很小这时R1T0产生全反射难以使超声波入射到被测目标上故需要用适当的耦合介质来填充这些空气以达到超声波无障碍地出入于探测对象的目的。探头、耦合剂与人体构成了一个多层声传播介质。其中中间耦合层较薄。2超声波垂直入射到多层平界面上的反射与透射透射入第三层介质中的超声声强透射系数222SIN22132222COS2131341313LKZZZZLKZZZZTITIT1如果L2LTLT无耦合剂且探头表面与体表紧密接触此时21313413ZZZZT2如果L2N/2即半波长的整数倍时21313413ZZZZT3如果L22N1/4即四分之一波长的奇数倍时2231213413ZZZZZZT当超声耦合剂声阻抗时可以推得T131。此时所有超声波能量全透入人体组织内。312ZZZ3超声波斜入射到多层平界面上的反射与透射当Z1Z3时求得的声强透射系数T13为2221222441313LASINZZLACOSTITIT同样当绝大部分超声能量透射进入第三种介质。312ZZZ多普勒效应在医学超声学上的应用探测血流的运动情况。红细胞为散射体。层流在心室腔、瓣膜口或大血管正常时红细胞血流方向相同且速度相近“音调”平稳称之为层流。湍流病变时各个红细胞以不同方向和不同速度移动其所产生的DOPPLER频移正负兼有而且频移波动范围很大频谱较宽、音调粗糙称为湍流。24多普勒效应1842年奥地利科学家CHRISTIANDOPPLER最先发现故称为多普勒效应。原理声源与反射界面或散射体之间存在相对运动时接收到的声波信号频率与入射声波频率存在差别频差的幅值与相对运动速度成正比。1、声源至运动界面通路运动目标上观察到的入射声波速度为IIOVCCCOS这样有效频率为COSIOICGCCVFIICOS1ICGIVFFC2运动界面至接收器通路回波离开运动目标的速度为接收波波长R为COSOCRCCVCOSOCRRCGCGCCVFF接收声波频率FR为1COS/CGRRRF