第二章-超声成像的物理原理24页教学内容

1、教学教学(jio xu)目标目标1. 掌握超声的定义(dngy)、特性及产生机制2. 掌握超声传播中频率、声速、波长(bchng)三者之间的关系3. 熟悉生物组织对入射声束的作用 4. 熟悉入射超声对生物组织的作用 5.了解超声诊断的安全性及注意事项 第一页，共24页。第一节 超声成像的物理(wl)基础一、定义一、定义 1. 1.超声超声 是一种机械波，其频率在是一种机械波，其频率在2020千赫兹以上。千赫兹以上。 2. 2.医学诊断用超声医学诊断用超声 频率在频率在2.22.21010兆赫兹范围的超声。兆赫兹范围的超声。 3. 3.超声的特性超声的特性 超声波可在气体、液体、固体等介质超声波

2、可在气体、液体、固体等介质中传播中传播 超声波可以传递很强的能量超声波可以传递很强的能量 超声波在传播过程中会产生反射、折超声波在传播过程中会产生反射、折射、散射、绕射、干涉等现象射、散射、绕射、干涉等现象(xinxing) (xinxing) 超声波在液体介质中传播时，会在界面超声波在液体介质中传播时，会在界面产生冲击和空化现象产生冲击和空化现象(xinxing) (xinxing) 第二页，共24页。第一节 超声成像的物理(wl)基础二、超声的产生与接收二、超声的产生与接收 1. 1.压电效应压电效应 是电能与声能相互转换的过程。是电能与声能相互转换的过程。 2. 2.超声的产生超声的产生

3、 电场作用到特定的材料两端引起振动，在电场作用到特定的材料两端引起振动，在周围介质周围介质(jizh)(jizh)中传播形成超声，是逆压中传播形成超声，是逆压电效应过程。电效应过程。 3. 3.超声的接收超声的接收 声场作用到特定的材料两端产生电位差，声场作用到特定的材料两端产生电位差，通过接收器转换成电信号，是正压电效应过程。通过接收器转换成电信号，是正压电效应过程。 第三页，共24页。第一节 超声成像的物理(wl)基础 4. 4.压电材料压电材料 能够产生压电效应的材料。能够产生压电效应的材料。 无机材料无机材料 主要包括钛酸钡、钛酸铅、锆钛酸铅等。主要包括钛酸钡、钛酸铅、锆钛酸铅等。 有

4、机材料有机材料 主要由聚偏氟乙烯（主要由聚偏氟乙烯（PVDFPVDF）构成，材料声阻）构成，材料声阻抗与人体接近。抗与人体接近。 混合材料混合材料 由压电陶瓷由压电陶瓷(toc)(toc)和有机压电材料混合构和有机压电材料混合构成，机电耦合系数大，适宜制作宽带换能器。成，机电耦合系数大，适宜制作宽带换能器。第四页，共24页。第一节 超声成像的物理(wl)基础 5. 5.换能器换能器 （探头）（探头） 结构结构(jigu)(jigu) 面材、压电材料、背材面材、压电材料、背材 ，核心是压，核心是压电材料。电材料。 种类种类 体表检查用探头；体表检查用探头； 手术用探头；手术用探头； 体腔检查用探

5、头。体腔检查用探头。 第五页，共24页。第一节 超声成像的物理(wl)基础三、超声的传播三、超声的传播 1. 1.传播速度传播速度 （c c） 由传播介质决定，不同人体组织器官的声速由传播介质决定，不同人体组织器官的声速(shn(shn s) s)不同，平均声速不同，平均声速(shn(shn s) s)为为15401540米米/ /秒，其中空气最小（秒，其中空气最小（350350米米/ /秒），骨骼最大秒），骨骼最大（38503850米米/ /秒）。秒）。 2. 2.超声频率超声频率 （f f） 由探头中压电材料决定，在由探头中压电材料决定，在2.22.21010兆赫兹范围。兆赫兹范围。 3.

6、 3.超声波长超声波长 （） 超声波长与声速超声波长与声速(shn(shn s) s)和频率满足关系和频率满足关系式：式：fc第六页，共24页。第一节 超声成像的物理(wl)基础四、超声声束的空间四、超声声束的空间(kngjin)(kngjin)分布分布 1. 1.声束声束 在一个有限的立体角内传播的超声在一个有限的立体角内传播的超声 。 2. 2.声轴声轴 声束的中心线。声束的中心线。 3. 3.近程区近程区 靠近探头区域，声束等宽靠近探头区域，声束等宽 4. 4.远程区远程区 远离探头区域，声束发散远离探头区域，声束发散第七页，共24页。第一节 超声成像的物理(wl)基础v 超声声束空间(

7、kngjin)分布示意图第八页，共24页。第二节 超声与生物(shngw)组织间的相互作用一、生物组织对入射超声的作用一、生物组织对入射超声的作用 （一）两个基本概念（一）两个基本概念 声特性阻抗声特性阻抗 介质的密度介质的密度()()与声速与声速(shn(shn s)(c)s)(c)的乘积，不同组织的声特性阻抗的乘积，不同组织的声特性阻抗不一样。不一样。 界面界面 两种具有不同声阻抗的介质两种具有不同声阻抗的介质的接触面。的接触面。 大界面：界面尺寸大于超声波长大界面：界面尺寸大于超声波长 小界面：界面尺寸小于超声波长小界面：界面尺寸小于超声波长第九页，共24页。第二节 超声与生物(shng

8、w)组织间的相互作用 （二）反射与折射（二）反射与折射 入射声束与大界面的作用入射声束与大界面的作用 三个条件三个条件 方向、截面、角度方向、截面、角度 全反射全反射 两种介质的声速关系两种介质的声速关系 入射角度入射角度 界面的反射信号界面的反射信号(xnho)(xnho)是声像是声像图的主要组成部图的主要组成部 分分第十页，共24页。第二节 超声与生物(shngw)组织间的相互作用 （三）散射（三）散射 入射声束与小界面的作用入射声束与小界面的作用 散射回声强度散射回声强度(qingd)(qingd)低低 （四）绕射（四）绕射 入射声束与界面（界面尺寸与超声波长大小入射声束与界面（界面尺寸

9、与超声波长大小相当）的作用相当）的作用 绕射使入射声束发生方向偏转绕射使入射声束发生方向偏转第十一页，共24页。第二节 超声与生物(shngw)组织间的相互作用 （五）衰减（五）衰减 由于组织对超声的吸收造成声能由于组织对超声的吸收造成声能(shn(shn nnnn) )的减小。的减小。 不同组织，吸收系数不同，衰减程度不同；不同组织，吸收系数不同，衰减程度不同； 相同组织，入射深度越大，衰减越大；相同组织，入射深度越大，衰减越大； 相同组织，入射超声频率越高，衰减越大。相同组织，入射超声频率越高，衰减越大。 xfxeAA)(0 xfxeAA)(0第十二页，共24页。第二节 超声与生物(shn

10、gw)组织间的相互作用二、入射超声对生物组织的作用二、入射超声对生物组织的作用 1. 1.超声的生物效应超声的生物效应 当一定剂量的超声波在生物体内传当一定剂量的超声波在生物体内传播时，通过超声与生物组织的相互作用，播时，通过超声与生物组织的相互作用，可 以 引 起 生 物 体 的 功 能 、 结 构可 以 引 起 生 物 体 的 功 能 、 结 构(jigu)(jigu)或状态的变化或状态的变化 2. 2.热机制热机制 超声声能转换成生物组织的热能超声声能转换成生物组织的热能第十三页，共24页。第二节 超声与生物(shngw)组织间的相互作用 3. 3.机械机械(jxi)(jxi)机制机制

11、超声声能转换成生物组织的机械超声声能转换成生物组织的机械(jxi)(jxi)能能 4. 4.空化机制空化机制 超声声能使生物组织中的气泡活性改变超声声能使生物组织中的气泡活性改变 低声强长时间作用以热机制为主低声强长时间作用以热机制为主 高声强短时间作用以空化机制为主高声强短时间作用以空化机制为主第十四页，共24页。第二节 超声与生物(shngw)组织间的相互作用三、超声诊断的安全性及注意事项三、超声诊断的安全性及注意事项 1. 1.超声强度的计算方式超声强度的计算方式 空间平均时间平均；空间平均时间平均； 空间峰值时间平均；空间峰值时间平均； 为多个国家和组织采用为多个国家和组织采用(ciy

12、ng)(ciyng) 空间平均时间峰值；空间平均时间峰值； 空间峰值时间峰值。空间峰值时间峰值。 2. 2.安全声强（美国安全声强（美国FDAFDA，我国超声标准化委员会推，我国超声标准化委员会推荐）荐） 空间峰值时间平均声强：小于空间峰值时间平均声强：小于100100毫瓦毫瓦/ /平方厘平方厘米米第十五页，共24页。第二节 超声与生物(shngw)组织间的相互作用 3. 3.超声探测的安全性（世界卫生组织建议）超声探测的安全性（世界卫生组织建议） (1) (1) 只有在医学上具有明确理由时，才对只有在医学上具有明确理由时，才对人体使用诊断超声；人体使用诊断超声； (2) (2) 以商业显示和

13、获得实验图像为目的以商业显示和获得实验图像为目的(md)(md)时，不应把超声用于辐照人体，特时，不应把超声用于辐照人体，特别是辐照孕妇；别是辐照孕妇； (3) (3) 在保证获得良好图像质量和取得必要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输的诊断信息前提下，应使超声诊断设备的输出强度尽可能小。出强度尽可能小。 第十六页，共24页。第二节 超声与生物(shngw)组织间的相互作用 4. 4.超声探测应遵循的原则超声探测应遵循的原则在明确诊断目的的情况下，应积极使用超声诊断技在明确诊断目的的情况下，应积极使用超声诊断技术。术。在超声诊断过程在超声诊断过程(guchn

14、g)(guchng)中，必须坚持最小剂中，必须坚持最小剂量原则。即在保证获得必要诊断信息的前提下，量原则。即在保证获得必要诊断信息的前提下，应采用最小超声强度和最短辐照时间。应采用最小超声强度和最短辐照时间。拒绝一切与诊断无关的胎儿超声显像。拒绝一切与诊断无关的胎儿超声显像。对早孕胚胎不做或少做超声探测，对对早孕胚胎不做或少做超声探测，对3 3个月以上的个月以上的胎儿定期超声探测时，应控制在胎儿定期超声探测时，应控制在3 35 5分钟之内分钟之内完成。完成。第十七页，共24页。第二节 超声与生物(shngw)组织间的相互作用 5. 5.超声探测超声探测(tnc)(tnc)的注意事项的注意事项成

15、人超声探测成人超声探测(tnc) (tnc) 颅脑检查时颅脑检查时 每一固定切面持续检查时间控制在每一固定切面持续检查时间控制在2 2分钟以分钟以内；内； 眼球检查时眼球检查时 每一固定切面持续检查时间不应超过半分钟；每一固定切面持续检查时间不应超过半分钟； 卵巢、睾丸检查时卵巢、睾丸检查时 每一固定切面持续检查时间不应超过每一固定切面持续检查时间不应超过1 1分钟。分钟。第十八页，共24页。第二节 超声与生物(shngw)组织间的相互作用v 产科超声探测产科超声探测 v 对不足对不足3个月的早孕孕妇个月的早孕孕妇v 尽量尽量(jnling)不用超声进行常规检查；不用超声进行常规检查；v 对于

16、有习惯性流产或已有先兆流产症状者对于有习惯性流产或已有先兆流产症状者v 3个月内不建议做超声探测。必须要进行超声个月内不建议做超声探测。必须要进行超声探测时，应控制每一固定切面检查持续时间在探测时，应控制每一固定切面检查持续时间在1分钟以内；分钟以内；v 对对3个月以上胎儿个月以上胎儿v 在脑、心、眼、脊髓等脏器检查时，每一固定在脑、心、眼、脊髓等脏器检查时，每一固定切面持续时间不应超过切面持续时间不应超过2分钟，其他脏器可适当分钟，其他脏器可适当延长检查时间。检查时应不断移动探头。延长检查时间。检查时应不断移动探头。第十九页，共24页。第二节 超声与生物(shngw)组织间的相互作用v 新生儿超声探测新生儿超声探测 v 作颅脑检查时作颅脑检查时v 每一固定切面持续每一固定切面持续(chx)检查时间不应超检查时间不应超过过1分钟；分钟；v 作心脏检查时作心脏检查