第一章物理基础(彩超)

1、2021-7-281 第一章第一章 超声医学的物理基础 锦锦 源源 电电 子子5606135 2021-7-282 第一节第一节 声波的定义 2021-7-283 一、定义一、定义 定义：定义：物体的机械性振动在具有质点和弹性的媒介中 的传播现象称为波动，而能引起听觉器官有声 音感觉的波动则称为声波。 振源 ：声带、音叉、鼓面 介质：空气、人体组织 接收：鼓膜、换能器 分类：纵波、横波 2021-7-284 二、纵波二、纵波 定义：即介质中质点沿传播方向运动的波。 介质发生周期性疏密 变化，为胀缩波。 存在于理想流体（气 体和液体)中。 除骨路、肺外人体组 均以纵波

2、传播。 诊断与治疗的超声主 要是纵波传播。 2021-7-285 三、横波三、横波 定义：是指介质中的质点都垂直于传播方向运动的波 只能使介质形变，不 能体变，为畸变波 存在于高粘滞液体或 固体。 人体骨骼不但传播纵 波，还传播横波。 2021-7-286 第二节第二节 声波的物理参数 2021-7-287 一、频率与周期一、频率与周期 定义：介质在每秒钟内振动的次数为频率（f）,单位 为Hz，而在平衡位置来回振动一次的时间则称 为周期（T）。 20000Hz：超声波 医用常为：210MHz 2021-7-288 二、声速二、声速 定义：指声波在传播介质中的运行速度，用c表示。 在不同的介质中

3、声 速有所差别，它取决于 介质的弹性（k）和密度 （）。通常，弹性（） 密度（）比大的物体 声波传播的速度高，反 之则低，即： 2021-7-289 二、声速二、声速 从声波传播速度考虑，人体组织可分类： 软组织：约1541m/s 气 体：约350m/s 骨 骼：约3852m/s 医 用：以软组织的 平均声速 t 组织厚度= 2 可通过声速测量软组织的厚度 2021-7-2810 三、波长三、波长 定义：声波在完成一次完全振动的时间内所传播的距 离称为波长，以表示。 超声在同一介质中传播时， 由于声速已确定不变，频率与波 长间的关系为：频率愈高则波长 愈短；频率愈低则波长愈长，两 者间呈反比。

4、 2021-7-2811 综上所述综上所述 频率、声速与波长间的关系如下： c = 或 c=f f 周期(T)为频率的倒数，即： 故： 或 2021-7-2812 四、声阻抗四、声阻抗 定义：介质中某点的声压P与质点振动速度V之间比为 该点的声阻抗（Z）。 意义：表示介质传播超 声波能力的重要 物理量。 数值：决定与介质密度 与该介质中的 声速C。 Z=C 单位为Kgm2s 2021-7-2813 第三节第三节 超声波的特性 2021-7-2814 一、声反射一、声反射 定义：声波传播到两种阻抗不同的介质界面上， 如界面尺寸远大于波长时，便会引起部 分或全部声能的返回。 反射波的声压与入射波

5、的声压成正比，并与两种介 质的声特性阻抗、声速和入 射角等因素有关。 2021-7-2815 一、声反射一、声反射 反射定律：入射角i的正弦与反射角r 的正弦之比，等于入射波在第一介质中的声速 Cl与反射波在同一介质中的声速C1之比。 Sini Cl Sinr C1 2021-7-2816 一、声反射一、声反射 两种介质的声特性阻抗相差越悬殊，声 反射就越强烈；反之，声反射就弱，其强弱 可用反射系数Kp来表示。 Kp与界面两 边介质的声阻抗 Z1和Z2的关系公 式如左： Z1Z2 Kp cos Z1Z2 2021-7-2817 一、声反射一、声反射 当超声波垂直入射界面时，即i r0 时，则反

6、射系数Kp为： Z1Z2 Kp Z1Z2 2021-7-2818 一、声反射一、声反射 当Z1Z2时， p0 ， 无反射 当Z1Z2或Z1Z2时， 有反射 如Z1Z2或Z1Z2时， 全反射 利用反射，提取信息，进行诊断 皮肤与空气声阻差大，用耦合剂 不适肺、肠、骨等组织器官检查 结论：结论：超声波在界面上反射的大小取决于 界面两边介质的声阻差。 2021-7-2819 二、折射二、折射 定义：因介质中声速的空间分布而引起的声传 播方向改变的过程。 折射定律：入射角i的正 弦与折射角t的正弦之比， 等于入射波在第一介质 中的声速cl与折射波在第 二介质中的声速c2之比， 即： Sini Cl S

7、int C2 2021-7-2820 二、折射二、折射 使折射角为90时的入射角称为临界角，当入射 角超过临界角时，相应的折射波消失，出现全反射。 侧方声影误诊； 错位影响穿刺； 全反射无法检查。 作超声检 查时，需尽可 能将声束垂直 于界面，否则 将会引起： 2021-7-2821 二、折射二、折射 当声波从一种小 声速介质向大声速固 体介质入射时，声波 经过这两种介质的分 界面后出现折射波， 而且其折射角大于入 射角，反之亦然。 2021-7-2822 三、绕射三、绕射 超声波在介质中传 播过程中，遇到尺寸相 当于声波波长的声阻抗 界面时，声波将绕过此 界面，继续向前传播， 致使超声波无法

8、检测到 该障碍物，这种现象称 为声波的绕射。 2021-7-2823 四、散射四、散射 定义：超声波在介质中传播过程中，如遇到尺寸远小于 声波波长的声阻抗界面时，则声波将使其成为新 的声源，使得声波能量向四面八方发射，这种现 象称为声波的散射。 超声仪收到的声波是背向 散射。 血流中的红细胞是多普勒 超声检测血流的基础。 各种软组织从微观的角度 看都非均匀组织，均可产 生超声波的散射。 2021-7-2824 四、散射四、散射 散射的强弱不仅取决于界面的声阻差，而且还与 障碍物的大小和数量有关，此外还与声波的频率有着 密切的关系，通常散射强度与声波频率呈正比。 散射发生在人体内软组织内的微小界

9、面； 反射产生与体内大器官的界面； 散射与反射均为声波能量衰减的重要因素； 反射与散射均是回波型超声仪的物理基础。 2021-7-2825 五、衰减五、衰减 定义：声波在介质内的传播过程中，随着传播距 离的增大，声波的能量逐渐减少，这一现 象称为声波衰减。 影响因素： 吸收：组织特性使声能转换为热能； 反射：声波的反射使得能量减弱； 散射：声波的散射使得能量减弱； 频率：超声衰减与超声频率呈正比； 声束扩散：单位面积内的能量减少。 2021-7-2826 六、惠更斯原理六、惠更斯原理 定义：声介质中波动传到的各点都可看作是发射 子波的波源，这些子波的包迹就决定了新 的波阵面。 平面波 球面波

10、2021-7-2827 六、惠更斯原理六、惠更斯原理 临床应用： 通过相位控制，使发射波 束左右偏转，获得扇形图像； 亦可使声束聚焦，以提高横向 分辨力。 2021-7-2828 七、多普勒效应七、多普勒效应 定义：声源与接收器在连续介质中存在着相对运 动时声波频率将发生改变。 当声源与接收器作相 对运动时，接收器接收到 的声波频率高于声源所发 出频率，如两者作相反运 动时，则低于发出频率， 两者的频率差（频移）与 相对运动速度成正比。 2021-7-2829 七、多普勒效应七、多普勒效应 在超声医学诊断中，超声多普勒技术可用于 检测心血管内的血流方向、流速和湍流程度、横 膈的活动以及胎儿的呼

11、吸等。 探头工作时，换能器发 出超声波，由运动着的红细 胞发出散射回波，再由接收 换能器接收此回波。因收换 能器所收到的超声回波的频 率经两次多普勒效应，多普 勒频移的表达式为： 2vcos fd ：声波波长，v：血流速度 ：声波方向与血流方向夹角 2021-7-2830 七、多普勒效应七、多普勒效应 由此可见：当血流流向换能器时，fd为正值(接 收频率高于发射频率)；当血流流离换能器时， fd为负值。当角为2时，fd0。 频谱多普勒超声仪 上通常将正频移设为正 向波，负频移为负向波。 而彩色多普勒则将正频 移设为红色，负频移为 蓝色。 2021-7-2831 第四节第四节 超声波的发生与接收

12、 2021-7-2832 一、压电效应一、压电效应 定义：对某些非对称结晶材料进行一定方向的加 压或拉伸时，其表面将会出现符号相反的电荷， 这种现象称为压电效应。 具有此性质 的材料称为压电 材料，分为压电 晶体、极化陶瓷、 高分子聚合物和 复合材料等。 2021-7-2833 1、正压电效应、正压电效应 定义：由外力作用引起的电介质表面荷电效应， 称为正压电效应。 结晶受到特定反向 的加压或拉伸而发生形 变时，在其两个受力界 面上引起内部正负电荷 中心相对位移，在两个 界面产生等量异号电荷， 其电荷密度与所施加的 外力成正比。 2021-7-2834 2、逆压电效应、逆压电效应 定义：由在外

13、场作用下，晶体将产生几何变形， 称为正压电效应(亦称电致伸缩效应)。 沿一定方向在晶体 表面施加一电场，则在 电场力的作用下，引起 电介质内部正负电荷中 心发生位移，这一极化 位移导致了晶体的几何 应变，这是一种相反的 压电效应。 2021-7-2835 3、超声换能器、超声换能器 定义：利用逆压电效应将电能转换成超声能发射 超声，利用正压电效应将超声能量转换成 电能接收超声。 将压电晶片置于交变电场内，该晶 片即进入振动状态，振动频率与激励交 变电场频率相同。当频率大于20kHz时， 便成了超声源。同样，该压电晶体片亦 可接收超声波，它通过压电效应把超声 波转变为电信号，以供分析检测。 20

14、21-7-2836 二、声场二、声场 定义：超声场是介质中有声波能量存在的空间范 围。其强弱是用声压和声强来表示。 不同的超声源 和传播条件将形成 不同的声波能量的 空间分布。 在接近声源的 一段距离称为近场， 离声源距离较远的 声场称为远场。 2021-7-2837 1、声压、声压 定义：声压(P)是有声波时介质中的压力与静压 的差值，单位为Pa。 声压与介质的密 度(),介质质点的 振动速度(v)，以及 超声波在该介质中 的传播速度(c)呈正 比，即： P vc 2021-7-2838 2、声强、声强 定义：声强(I)是在单位时间内，通过与声波传 播方向垂直的单位面积上的平均能量，单 位是

15、W/m2。 声强和声 压的平方呈正 比，与介质密 度和声速之和 反比，即： P2 I 2c 2021-7-2839 3、功率、功率 定义：超声功率指在单位时间内通过介质的能量。 单位是瓦(W)或毫瓦(mW)。 超声仪发射的 超声能量用超声功 率表示，仪器的发 射功率高，仪器的 灵敏度也高，但安 全性却降低了。 安全剂量安全剂量 10W/cm2 2021-7-2840 4、近场、近场 定义：对于一个圆形的超声换能器(声源)，在接 近声源的一段距离(称为近场)，声束的直径略小 于换能器的直径，呈圆柱形。 近场区内声压、声 强起伏变化很大，是超 声诊断中的死区。 近场的长度与声源 的尺寸、频率和介质

16、声 速有关，即： r2 L(近场近场) 2021-7-2841 5、远场、远场 定义：离声源距离较远的声场，声束则会产生扩 散而呈喇叭形，此时的声场称为远场。 远场的瞬时声压与瞬时 质点速度同相，故其声压分 布是随距离增加而单调地下 降，较平稳。 声束在远场的扩散由扩 散角所决定，扩散角的 大小亦与呈正比，与呈 反比，即： Sin0.61 r 2021-7-2842 6、指向性、指向性 定义：声源在远场形成波束的这种方向特性称为 指向性。 同一换能器在不同频率下工作，其指向 性将随频率的提高而趋明显。 指向性差的声束不仅横向分辨力差，且 灵敏度低和易引入伪像。 常采用聚焦法改善声束的特性。 2

17、021-7-2843 7、指向性图案、指向性图案 指向性通常用指向性图案表示。中间离 声束轴线最近的两极小方向间的声束部分称 主瓣。在两相邻的极小方向间存有一较主瓣 小的声束，称为旁瓣。 主瓣内聚集了大部分能 量，故主瓣的立体角小，能 量较集中。 旁瓣的高度越高，所占 立体角越大，故主瓣以外能 量多，能量较分散，它是产 生伪像的原因之一。 2021-7-2844 三、分辨力三、分辨力 定义：仪器或肉眼及其它感官对两个非常靠近 的物点或量值刚能加以识别的限度。 超声仪的分辨力 是指能够分辨有一定 间距的个界面的能力， 通常用可分辨的两个 界面间的最小距离来 表示。也可用在单位 距离内可分辩的点数 来表示，后者是前者 的倒数，称为“分辨 率”。 分类： 轴向分辨力 横向分辨力 厚度分辨力 2021-7-2845 1、轴向分辨力、轴向分辨力 定义：又称“纵向分辨力”。指沿声束轴方向 不 同