超声波物理医学宣教专家讲座

第七章超声波物理

超声波是一个高频机械波。它声源振动频率超出2兆Hz。诊疗用超声频率在1兆Hz至100兆Hz之间。它特点是频率高、波长短、方向性强、能量大、危害小。

之所以称为超声波是因为我们人耳感觉不到它，超出了人耳感觉范围。人耳能够感知到机械波频率是20~0Hz，该波段称为声波。

通常机械波频率划分为三个波段：次声波、声波、超声波。

次声波：频率在0至20Hz波段。次声波是一个每秒钟振动数极少，人耳听不到声波．次声声波频率很低，普通均在20赫兹以下，波长却很长，传输距离也很远．地震、火山暴发、风暴、海浪冲击、枪炮发射、热核爆炸等都会产生次声波。它比普通声波、光波和无线电波都要传得远．比如，频率低于1赫次声波，能够传到几千以至上万公里以外地方．1960年，南美洲智利发生大地震，地震时产生次声波传遍了全世界每一个角落！1961年，苏联在北极圈内进行了一次核爆炸，产生次声波竟绕地球转了5圈之后才消失！

次声波含有极强穿透力，不但能够穿透大气、海水、土壤，而且还能穿透坚固钢筋水泥

组成建筑物，甚至连坦克、军舰、潜艇和飞机都不在话下．次声穿透人体时，不但能使人

产生头晕、烦躁、耳鸣、恶心、心悸、视物含糊，吞咽困难、胃痛、肝功效失调、四肢麻木，

而且还可能破坏大脑神经系统，造成大脑组织重大损伤．次声波对心脏影响最为严重，可造成死亡。

人体内脏固有振动频率和次声频率相近似（0.01～20赫），倘若外来次声频率与体内脏

振动频率相同或相同，就会引发人体内脏“共振”，从而使人产生上面提到头晕、烦躁、

耳鸣、恶心等等一系列症状．尤其是当人腹腔、胸腔等固有振动频率与外来次声频率一致时，

更易引发人体内脏共振，使人体内脏受损而丧命。

声波：频率在20至0Hz波段，又称可听声。人耳感知在该频段内灵敏度也有区分。超声波物理医学宣教专家讲座第1页超声波：频率大于0Hz机械波。它方向性好，穿透能力强，易于取得较集中声能，在密度较大固体及液体中传输距离远，可用于测距、工业探伤、医用超声（A、B、M、D）、清洗、焊接、钻孔、碎石、杀菌消毒等。

当前，医生们应用超声诊疗方法有不一样形式，可分为A型、B型、M型及D型四大类。

A型：是以波形来显示组织特征方法，主要用于测量器官径线，以判定其大小。可用来判别病变组织一些物理特征，如实质性、液体或是气体是否存在等。

B型：用平面图形形式来显示被探查组织详细情况。检验时，首先将人体界面反射信号转变为强弱不一样光点，这些光点可经过荧光屏显现出来，这种方法直观性好，重复性强，可供前后对比，所以广泛用于妇产科、泌尿、消化及心血管等系统疾病诊疗。

M型：是用于观察活动界面时间改变一个方法。最适合用于检验心脏活动情况，其曲线动态改变称为超声心动图，能够用来观察心脏各层结构位置、活动状态、结构情况等，多用于辅助心脏及大血管疫病诊疗。

D型：是专门用来检测血液流动和器官活动一个超声诊疗方法，又称为多普勒超声诊疗法。可确定血管是否通畅、管腔是否狭窄、闭塞以及病变部位。新一代D型超声波还能定量地测定管腔内血液流量。近几年来科学家又发展了彩色编码多普勒系统，可在超声心动图解剖标志指示下，以不一样颜色显示血流方向，色泽深浅代表血流流速。现在还有立体超声显象、超声CT、超声内窥镜等超声技术，而且还能够与其它检验仪器结合使用，使疾病诊疗准确率大大提升。超声波物理医学宣教专家讲座第2页

第一节超声波基本性质

一、超声波分类

超声波按振动方式分类：纵波和横波。在固体中声振动能够传输纵波和横波，但普通在液体和气体中，因为介质没有切变弹性，只能传输纵波。人耳只能感受纵波。

超声波在临床按频率分类：1、低频超声1~2.75MHz频段；2、中频超声3~10MHz；

3、高频超声12~20MHz；4、超高频超声20MHz以上。

超声波按发射方式分类：连续和脉冲两类。

连续超声波普通为正弦波，它频率和振幅都不随时间改变而改变。如图：

脉冲式超声波，普通为阻尼衰减振荡波，如图7-1。临床使用超声波就是脉冲式超声波。

脉冲式超声波几个主要物理量：

1、脉冲宽度ז，即振动连续时间。每个脉冲所占据时间。临床惯用是1.5~5us之间。

2、脉冲重复周期T，是指两个脉冲前沿相隔时间。

3、脉冲重复频率f，每秒钟内脉冲重复出现次数。惯用是50~Hz.f=1/T

4、间歇期Tr，指相邻脉冲之间间歇时间，又叫静止期。

5、占空因子S，指脉冲宽度与间歇期之比。通常在0.0075%~1%之间。

6、峰值功率P，脉冲发射期间最大功率。

7、平均功率A，单位时间内输出功率。它等于脉冲占空因子和峰值功率之积。超声波物理医学宣教专家讲座第3页

二、超声波产生机制

产生超声波有两个主要条件：高频声源和传输超声介质。临床实现超声发射和接收是经过超声探头来实现。其关键部件就是一个压电陶瓷。

自然界中有些电介质含有压电效应，所谓压电效应是指一些电介质在受到某一方向外力作用而发生形变（包含弯曲和伸缩形变）时，因为内部电荷极化现象，会在其表面产生电荷现象。压电材料它可分为压电单晶、压电多晶和有机压电材料，这些材料含有以下特征：

1、电致伸缩效应由电场作用引发材料内部正负电荷重心发生相对位移，使材料内部产生应力造成宏观几何变形，这种电能转变成机械能效应称为电致伸缩效应。

产生机制：介质内部存在极化现象，含有类似于铁磁体磁畴样电畴，

这些电畴在介质中（如压电陶瓷）自发存在并形成一个分子集团，自发

产生一定电场。电畴长度在电场方向上有差异。外加电场时，电畴发

生转到，介质内电场与外电场方向一致，介质几何长度随之发生改变。

由此介质将随外电场改变而发生几何改变，即机械振动。而在介质中

产生机械波，其频率与外加电场频率一致。超声探头就是利用电致伸缩

效应将电压转变为声压，向人体发射超声。

2、压电效应一些电介质在沿一定方向上受到外力作用而变形时，

其内部会产生极化现象，同时在它两个相对表面上出现正负相反

电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电状态，这种现象称为正

压电效应。看成用力方向改变时，电荷极性也随之改变。超声波物理医学宣教专家讲座第4页3、压电材料选择压电陶瓷是一个多晶材料，假如温度发生改变，晶体内部结构也发生改变。当温度高于某一临界值Tc时，电畴结构完全解体，压电效应也自行消失，物理学成这一临界温度为材料居里点。比如锆钛酸铅（PZT)大约在300~388℃，钛酸钡为120℃。

4、压电效应主要参数：

压电接收常数g它是指压电片单位形变所产生电位移，表示换能器接收性能好坏，其单位是V.M.N-1表示。g越大越好。

压电发射常数d它是指应力不变时，由电场改变引发应变改变。d越大越好。

三、声速、声压、声强与声阻抗

1、声速（音速）声在弹性介质中传输时，单位时间内传输距离称为声速。用符合C表示，单位ms-1。声音能够在气体、液体、固体中传输，受到压强、密度、温度影响。超声传输速度与普通音速相同，其大小与介质弹性、密度、波动类型相关。在固体中平面波声速为：其中，Y是杨氏模量；G是切变模量；p是介质平均密度。在医用频率内，液体、气体只能传输纵波。设人体体积弹性模量为B，介质密度为p,则人体内声速为:超声波在人体软组织传输速度约为1500ms-1。在骨骼中速度约为软组织3倍。超声波物理医学宣教专家讲座第5页2、声压

指在某一瞬时压强相对于无声波时压强P0改变（改变量）。符号P，单位N/㎡(牛顿/平方米)，或Pa(帕斯卡）。超声在介质中传输，介质密度随之做周期性改变，介质中压强也就随之改变。由声波动力学方程可知，声压表示式是：3、声强

声传输时也伴伴随能量传输．用单位时间内经过垂直于声波传输方向单位面积能量(声波能量流密度)表示．声强单位是瓦/平方米．声强大小与声速成正比，与声波频率平方、振幅平方成正比．超声波声强大是因为其频率很高，炸弹爆炸声强大是因为振幅大．声音强度由振动幅度大小决定，以能量来计算称声强。声强（I）与声压（P）关系为：超声波物理医学宣教专家讲座第6页4、声阻抗声波传导时介质位移需要克服阻力。是声学介质主要物理量，因介质密度为ρ，声速为c,则声阻抗:Z=ρ.c，单位是N.s.m-3。常见人体组织声阻抗见表7-1

人体组织声阻抗可分为三类：低声阻气体或充气组织。如：肺部组织

中等声阻抗液体和软组织。如：肌肉

高声阻抗矿物组织。如骨骼。

声阻抗相差1%组织都能得到回声波而被测量和诊疗。5、声强级和声压级因为人耳对声音强度感知范围巨大，比较两个不一样声强声波时就带来不便。研究发觉，人耳对声强感知与声强对数成一定百分比关系。所以在声学中惯用声强比对数来比较两个声音大小。以1000Hz声音为标准，声强级定义为：LI=10lgI/I0(dB),其中I0为基准声强，取I0=10-12W.m-2。声强级单位是贝尔（B）或分贝（dB），1贝尔=10分贝。声压级

声压级定义为：LP=20lgp/p0因为声强正比于声压平方所以，LI=Lp,二者在数值上相等。只是表现形式不一样。临床经常使用声强级来表示仪器探测灵敏度。设仪器灵敏度为H，则H=10lgI1/I2其中，I1为探头发出始波声音强度，I2为仪器能够探测最小声音强度。H又可表示为：H=20lgU1/U2或H=20lgA1/A2U1U2分别表示输入、输出电压；A1A2为对应声压信号幅值。H又称为仪器增益。超声波物理医学宣教专家讲座第7页

第二节超声场

超声场是指超声在弹性介质中传输时，超声能量在空间分布状态描述。惯用声强分布或声压分布来描述。

一、圆形单晶片声源超声场

1、超声场轴线上声压分布在圆形单晶片声源超声场中，轴线上近场区声压分布并不是均匀，有极大值和极小值随声程x改变而改变。范围在0~2P0。其分布规律可用公式7-14来表示。

极大值和极小值沿声程x分布如图7-3。晶体直径d越大，频率越高，则近场声压分布就越不均匀。

在圆形晶片远场区，声压呈单值改变。

2、超声场角分布圆形活塞辐射器声压分布除了在中心轴线上分布不均匀以外，在中心轴声压分布也是不均匀。其特点是中心部分出现一个主瓣，在主瓣两边出现许多付瓣，这个现象被称为换能器指向性。如图7-4超声波物理医学宣教专家讲座第8页

二、声束聚焦

在超声诊疗中，探头辐射声束宽度是限制横向分辨率主要原因。为了减小声束宽度，常采取方法之一是使用声聚焦探头。

在超声治疗中，可使声束在聚焦区域有最大强度，以集中治疗肿瘤组织等，而聚焦区以外正常组织不被破坏。

1、超声聚焦原理超声束能够像光束一样，利用透镜使之聚焦。在声程x大于晶片半径a及焦距f大于晶片半径a情况下，聚焦声束轴线上声压幅值能够近似为：临床应用时，希望焦点直径d越小越好，而焦距f大一些好。由上式可知：这是矛盾。所以，要依据使用环境综合考虑。超声波物理医学宣教专家讲座第9页2、声聚焦方法当前惯用声聚焦方法有以下几个：

声透镜聚焦就像光束一样，利用声透镜使之聚焦。原理是：透镜材料（固体）中声速大于镜外液体或人体组织中声速，用凹透镜实现聚焦。

曲面换能器将换能器制作成凹形球面，由压电晶体发出聚焦超声波。又称聚焦晶片探头。

电子聚焦是B型超声广泛使用聚焦方式。采取多晶片线阵模式，如图7-5所表示。

多晶片电子聚焦换能器把压电晶片排列成线型阵列，激励脉冲电压在电子开关控制下按一定延迟时序激励晶片。超声波物理医学宣教专家讲座第10页

第三节超声在介质中传输

在声学中介质分类是以声阻抗来划分。声波介质界面就是声阻抗不一样介质分界面。即：只要声阻抗相同，不论其组成，都是相同声学介质。超声能够在不一样介质中传输。

一、反射与透射

超声波在介质中传输时，普通遵照几何声学标准：以直线传输碰到界面时会发生反射和透射。如图7-6

发生反射和折射条件是：1、界面线度远大于声波波长及声束直径；

2、介质声阻抗在在界面处发生突变。

两个连续条件：在界面上声压连续，即界面两侧声压相等。

在界面上法向速度连续，即质点振动速度在垂直界面分量相等。

在临床上检测就是反射回声即反射波，它携带了体内脏器轮廓、包膜、大小、

壁厚、长度等信息。如B超断面成像原理超声波物理医学宣教专家讲座第11页1、反射系数。超声在不一样介质中反射能量大小可由反射系数来衡量。设声压反射系数为rp

由声压连续性可知：pi+pr=pt

其中，pi为入射声压，pr为反射声压，pt为透射声压。由声速、声压、声阻抗关系可知：

讨论：

当Z2>>Z1时，rp≈1,声波几乎全部被反射。如空气和水，软组织和骨骼。

当Z2>>Z1时，rp≈-1，这相当于发生全反射，反射波与入射波相位改变π，即半波损失。

当Z1=Z2时，rp=0超声无反射，即全透射。

当z1>Z2,时，则反射系数rp<0，反射波与入射波处于反相状态。

声强反射系数定义为反射声强与入射声强之比，则有rI=rp2,也可用对数表示。LI=10lgIi/Ir=-20Lgrp。

超声波物理医学宣教专家讲座第12页2、全反射超声波折射定律与光波折射定律相同，这个角对于超声诊疗设备使用来说是很有意义。在诊疗过程中要防止产生全反射而增强超声波使用效率。探头与皮肤之间假如是水，临界角是76030‘；假如是石蜡（超声耦合剂成份之一），临界角是67010’。实际操作是探测角不会超出正负240。全反射不会发生。超声波物理医学宣教专家讲座第13页3、透射系数超声在不一样介质中透射能量大小能够由透射系数来衡量。声压透射系数tp由透射声压pt和入射声压pi之比来表示。tp=pt/pi。因界面上声压连续和法向速度连续条件及反射定律可知：超声波物理医学宣教专家讲座第14页二、衍射与散射

超声波在传输过程中碰到障碍物线度尺寸能够和超声波波长相比拟时，超声就会发生衍射和散射现象，

1、衍射绕过障碍物而传输现象就叫衍射。因为衍射产生与障碍物线度相关，声波碰到障碍物时会发生两种现象：（1）声影：因为障碍物线度相对较大，声波在绕过障碍物时，在障碍物之后会有不能抵达空间，该空间称为声影。在临床诊疗中，声影表现为暗区，是探测盲区，以下列图胆结石。

（2）与波长相仿病灶探测不到。因为存在反向散射，由此判断病灶性质，如脂肪肝。

2、散射

超声波在传输过程中碰到界面或障碍物线度小于

且靠近超声波波长时，超声将发生散射现象。散射无方向性。

利用散射现象测量液体中固体物浓度。超声波物理医学宣教专家讲座第15页三、声波在介质中衰减规律

1、衰减概念声波在介质中传输时，伴随传输距离增加，其声强逐步减弱现象称为声波衰减。造成衰减原因主要有以下几个方面：

（1）扩散衰减：声波在传输过程中因空间扩散造成能量分布改变而产生衰减。与介质无关。

（2）散射衰减：声波在传输过程中因介质散射而造成传输方向能量降低产生衰减。