超声医学原理与应用绪论

1、 医学课件 1超声医学原理与应用医学课件 2绪 论 ?生物医学超声工程学基础理论研究、仪器工程开发、生物医学应用 以研究超声波与生物组织媒质互作用规律和生物效应为理论基础,以研制先进的生物医学超声仪器为工具,应用于诊断、康复、监护和普查人体疾病。医学课件 3?医学超声测量技术的特点?超声波的频率范围和声强范围较广,医学上可根据需要选择?超声波为机械波,低声强时无电离辐射,对组织无损伤;高声强聚焦时可破坏病变组织。?超声脉冲回声检测法检测灵敏度高,与计算机技术和图像处理技术相结合后,容易检测和识别微小病变。?超声诊断为非侵入式方法,可解决许多软组织疾病的诊断。?超声诊断和治疗技术易掌握,对环境要

2、求不高。?医学超声诊断技术的不足?超声诊断回声技术中,可选用超声频率不够高,分辨力较低?超声在不同声界面之间会产生折射,使图像弯曲失真。?超声的一些物理特性会产生图像的伪差。?气体及骨骼下方,超声几乎无法透入?对操作人员的经验和手法要求比较高医学课件 4第一章 医用超声学基础第一节 超声波的定义及特性一、超声的本质 ?频率超出人耳听觉范围的机械波的能量形式物体的机械振动是产生超声的源泉声频振动的传播称为声波能够引起听觉的声波称为可听声,频率在202×104Hz之间低于可听声频率范围的声波为次声,频率在10-420Hz之间高于可听声频率范围的声波为超声,2×1045×

3、;108 Hz之间医学课件 5超声波特性:超声波是依靠介质来传播的声波,具有机械能。能量集中于声束内传播,指向性好,穿透能力强,为定向探测提供方便。超声波频率高,故即使振幅很小,超声传递给媒质的能量也比可听声大很多,故超声与物体能产生很强的机构作用,能使媒质粒子作高频振动,从而产生凝聚、击碎、加热等作用。超声在医学领域可以进行超声灭菌、超声清洗、超声雾化、超声诊断、超声治疗等应用医学课件 6二、超声技术发展史1880 法国科学家皮埃尔和雅克居里发现了压电效应? 1917 法国科学家朗之万应用压电效应进行超声探测? 1921 声纳SONAR,即声探测与定位技术用于探测潜艇? 1928 金属探伤技

4、术出现,超声频率提高到MHz量级? 1928 德国出现超声治疗机专利? 1942 奥地利科学家使用A超,用穿透法探测颅脑疾病? 1952 美国/.ry研究超声显像法? 1954 B超应用于临床? 1955 /.d用平面位置显示器作直肠内的体腔检查? 1956 日本里村茂夫利用连续多普勒法判断心脏瓣膜病? 1958 鲍姆等开始对眼球进行扫查法检查? 1958 英国人唐纳德用BP型超声诊断盆腔肿物和妊娠子宫? 1967 电子扫描法、相控阵扫描法、双晶片旋转式探头出现? 1968 P./.ls提出时间增益控制(TGC)补偿原理医学课件 71968 /0>.将计算机技术应用于B超? 1972 G

5、.Kossoff提出灰度回声图概念? 1972 /.m制成穿刺活检探头? 1973 J.Plummer提出恒深度型超声显像法? 70中后期 灰阶及数字变换扫描技术应用,图像质量明显改善,实时超声显像开始受到重视? 80年代 B超发展最迅速,彩色多普勒血流显示技术、3D超声成像技术得到应用? 90年代 彩色多普勒组织图CDTI、彩色多普勒能量图CDE、对比谐波成像CHI技术、组织谐波成像THI技术、实时3D成像技术等新技术出现医学课件 8第二节 超声波的产生一、电磁波由电场和磁场的变化所表征的波,即交变电磁场在空间的传播过程。医学课件 9二、机械波波源和介质是形成机械波的必要条件。机械波从振源向

6、外传播的是能量,媒质本身并不移动。上式表明,该质点的运动是一个周期性的振动过程,质点加速度总是与离开固定点的距离成正比,而其方向是指向固定点。这说明该点在简谐运动。180cos 020tAa omkf ?210系统的固有频率医学课件 10第三节 超声波的分类一、按质点振动方向和波传播方向的关系分类(一)横波?质点振动方向与波的传播方向垂直 (二)纵波?质点的振动方向与波的传播方向相同 医学课件 11?纵波可以在固体、液体、气体介质中传播; ?横波只能在固体中传播,因为液体和气体无切变弹性; ?由超声诊断仪所发射的超声波,在人体组织中以纵波的方式传播; ?人体软组织基本无切变弹性,横波在人体组织

7、中不能传播。医学课件 12(三)表面波?沿媒质表面传播的波,能量集中在媒质自由表面层或在两种媒质的分界面附近振动。纵波 横波 表面波波传播方向纵波、横波和表面波的质点振动示意图医学课件 13二、按波阵面的形状分类?波从波源出发,在介质中向各个方向传播,在某一时刻介质中周相相同的各点组成的面为波阵面。?在各向同性的媒质中,波的传播方向与波阵面垂直的线称为波射线。 医学课件 14三、按发射超声的类型分类?连续波?波源无间断地振动所发出的波?脉冲波?波源振动时间很短,间歇辐射出的波 第四节 波动方程与波参数一、声波波动方程?声波波动方程是声学参量的时间和空间关系的描述,对其求解可以建立各种声波参量间

8、的数学关系。?声波波动方程的数学描述建立在三个基本物理定律基础上?牛顿动力学定律?质量守恒定律?绝热时的物态方程医学课件 15二、波参数1、声速?波在弹性媒质中传播时,单位时间内波所传播的距离称为波的传播速度(波速)?波阵面在单位时间内行进的距离,也就是声波传播的速度,即声速。波在固体中的传播速度波在液体中的传播速度?媒质的弹性系数,一般1/E;?媒质的平均密度;E?媒质的扬民弹性模量;B?容变弹性模量,在绝热过程中,BP(气体定压比热与定容比热的比值;P气体内部的常压力)?媒质的泊松比2111? ECLBCL医学课件 16注意?声速与质点振动速度是完全两个不同的概念,且对小振幅声波而言,两者

9、之比u/c01。?声速随温度变化而变化,对气体而言c0正比于温度T的平方根值;对水而言,在室温附近,温度每升高1度,声速增加34m。?固体媒质的弹性性能愈强,密度愈小,声波传播速度愈高。医学课件 17、波长、周期和频率?波长?两个相邻相同相位(相同振动状态)的振动点之间的距离?周期和频率 介质中的质点在平衡位置往返振动 次所需要的时间叫周期 用 表示周期与频率成互为倒数关系。T 1/ f /c医学课件 18医用超声的频率和波长医学课件 193、声压和声强?声压定义为声波作用时,媒质中压力P与静压P0的差值,即?声压是空间和时间的函数,通常仪器测量的声压是有效声压,是瞬时声压均放根值?声强定义为

10、单位时间内垂直通过单位面积的声能0PPp Te dtpTp 0 21cPI ?/2?医学课件 204、声压级和声强级?标准声强?频率等于1000Hz时能引起听觉的最小声强。?声压级?声强级?功率级2162120 /10/10 cmWmWI0lg20 PPLP0lg10 IILI0lg10 WWLW医学课件 215、声阻抗和声特性阻抗?声阻抗定义为声压 与体积速度 的复数比?声阻抗率定义为媒质中某点处的声压与该处质点振动速度的比?在均匀媒质中,平面形波的声阻抗率称为声特性阻抗注意:声特性阻抗在媒质情况复杂时,常常反映出媒质的特性,被用来作为分析传声媒质结构的一个重要手段aaa jXRUpZ?vp

11、Z s00cpZe医学课件 22第五节 超声波的传播特性?超声波是一种机械波,可在固体、液体、气体介质中传播。?超声波在人体软组织中是以纵波(质点的振动方向与波的传播方向相同)方式传播。?超声波在非均质性组织内传播或从一种组织传播到另一种组织,由于两种组织声阻抗率的不同,在改变的分界面上便会产生反射、折射与透射。?当被检体组织结构远小于入射波波长时,就会产生波的散射。医学课件 23?超声在人体内传播时,在两种不同组织的界面处产生反射和折射,在同一组织内传播,由于人体组织的不均匀性而发生散射。超声通过不同器官和组织产生不同的反射与散射规律,仪器利用这些反射和散射信号,显示出脏器的界面和组织内部的

12、细微结构,作为诊断的依据。 ?按照声学特性,人体组织大体上可分为软组织和骨骼两大类,软组织的声阻与水近似,骨骼则属固体。人体不同组织的声速、声阻抗、声吸收系数、衰减系数等基本声学特性不同。医学课件 24一、声学界面条件超声波在非均质性组织内传播或从一种组织传播到另一种组织,由于两种组织声阻抗率的不同而形成一个声学界面。?一个平面界面两侧的两种媒质中的声压在边界面处是连续的,即声压相等。?边界上的质点法向速度只能是一个数值。医学课件 25二、反射和折射?凡超声束所遇界面的直径大于超声波波长(称大界面)时,产生反射与折射。成角入射,反射角等于入射角,反射声束与入射声束方向相反。垂直入射时,产生垂直

13、反射与透射。反射声强取决于两介质的声阻差异及入射角的大小。垂直入射时,反射声强最大。反射声能愈强则折射或透射声能愈弱。进入第二介质的超声继续往前传播,遇不同声阻抗的介质时,再产生反射,依次类推,被检测的物体密度越不均匀,界面越多,则产生的反射也愈多。医学课件 26、反射和折射定律?反射定律:超声波向界面的入射角等于反射角?折射定律:超声波向界面入射角的正弦值与折射角的正弦值之比等于两种媒质中的声速之比。ri1221sinsin nccti医学课件 272、反射系数和折射系数?超声波垂直入射到界面上的反、折射 超声波在不同组织界面处的反射系数取决于声阻抗Z的变化,而声阻抗Z又与声压及质点的运动速

14、度有关。根据声学边界条件,在x0的界面处有:根据反射和折射定律可得:Zvp21221212ZZZppZZZZppriAtApiArApcZtArAiAtArAiAvvvppp医学课件 28讨论:(1)全透射:当Z1Z2时,反射率为0,透射率为1,这说明虽然存在不同媒质,但只需它们的声特性阻抗相同,则界面不存在,超声波全透射过去。(2)软边界(Z2Z1): 反射波声压与入射波声压相位差180°,反射波的质点速度与入射波的质点速度同位相。(3)硬边界(Z2Z1):反射波声压与入射波声压同位相,反射波质点振动速度与入射波质点振动速度相位差180°。(4)刚性界面(Z2Z1):实际

15、上就是全反射,媒质II中无声波传播。医学课件 29?斜入射 超声波在两种媒质的界面上的反射与透射是与入射角度、声特性阻抗、折射状态有关,也就是说超声波入射到界面上的角度对于反射声压以及回声检测有影响。tiitrptitiirpZZZppZZZZpprcoscoscos2coscoscoscos1221212?医学课件 30三、超声波通过中间层传播?声压反射系数?声压透射系数?声强透射系数ttttdjkdjkdjkdjkpr eZZZZeZZZZeZZZZeZZZZa22222222cos3221cos3221cos3221cos3221tt djkdjkpt eZZZZeZZZZZZa2222

16、 cos3221cos3221214dkZZZZdkZZZZaIt22221322222131sin/cos4医学课件 31?无限薄层全透射。当Z1Z3时,若k2d1,即d2/2时,这一层媒质对声波的全透射波没有影响。?半波长层全透射。当k2dn,即dn2/2时,全透射。?匹配层全透射。当三层媒质的声阻抗都不相等时,则只要在I和III中插入一个d为1/4波长的奇数倍的介质层,并令Z2(Z1Z3)1/2,则全透射。医学课件 32四、散射和绕射?超声在传播时,遇到与超声波波长近似或小于波长(小界面)的介质时,产生散射与绕射。?散射为小介质向四周发散超声,又成为新的声源。?绕射是超声绕过障碍物的边缘

17、,继续向前传播。五、超声波的叠加原理?在同一介质中,几列波在传播时相遇,相遇处质点的振动时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。?相遇后的各列波仍保持各自特性不变,并按原来方向继续前进。医学课件 33第六节 超声在生物组织中的衰减一、衰减(attenuation)超声在媒质中传播时,其声强将随着距离的增加而减弱的现象。?声束本身的扩散,使单位面积中的能量下降,超声的反射、折射与散射的结果使能量不再沿着原来的方向传播,从而使原来传播方向上的声强减弱。?传播过程中,由于媒质的吸收,使声能减少。医学课件 34?衰减系数衰减系数一般是频率的函数,而且为线性关系(软

18、组织中)的单位为mm-1,为衰减常数s/mm,f为频率MHz随着频率和距离的增加,衰减迅速增加,其快慢程度常用dB/MHz?cm。?半值层(半价层) ?声强下降到初始强度一半时所经过的传播距离就是半价层的数值。半价层值与衰减系数成正比MHzf?医学课件 35二、衰减相互作用(一)吸收三个因素会影响超声的吸收?媒质的黏性?由于媒质具有黏滞性,质点运动时相互产生弹性摩擦,使一部分声能转化为热能。?松弛时间?质点被超声推动之后回到其平衡位置所需的时间。时间短意味着质点能很快回到原来位置,通常是在下一个压缩波到来之前。否则就要额外的能量停止质点朝原点移动并改变其运动方向。额外能量被转化为热能。?频率

19、?当频率较高时,分子振动加快,将导致黏性媒质中产生更多热能;频率较高时,分子可能没有足够时间建立新平衡,从而导致吸收更多的热能。医学课件 36垂直入射时,人体各组织界面的声压反射系数0医学课件 37超声波在人体组织中的平均衰减系数频率范围MHz平均衰减系数dB/cm?MHz人体组织医学课件 38第七节 超声的生物效应一、超声的生物效应 ?超声对生物组织产生的作用,与超声波的声强、频率及生物组织本身的性质有关,且在声强低的情况下效应是可逆的,而声强超过一定阈值时则会产生不可逆效应。医学课件 391、热效应?由于生物组织的声吸收特性,超声能量射入组织后,部分超声能量将会变成热能,并使其温度升高的一种效应。医学课件 402、空化效应 ?充有水气或水蒸汽的空腔在外场作用下发生振荡的任何现象,可使液体分子产生断裂而迅速形成近似真空的空穴(微气泡)并消失,可使局部产生高温高压。?稳态空化?空化泡半径不超过原半径的75%的动力学过程,这时声压在一个大气压以下。?瞬态空化?空化气泡半径