超声医学的物理基础医学课件

第一章

超声医学的物理基础

2/27/20261第一节

声波的定义2/27/20262一、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2/27/20263

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传播。诊断与治疗的超声主要是纵波传播。2/27/20264

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。2/27/20265二、声速

定义：指声波在传播介质中的运行速度，用c表示。在不同的介质中声速有所差别，它取决于介质的弹性（k）和密度（ρ）。通常，弹性（Ｋ）／密度（ρ）比大的物体声波传播的速度高，反之则低，即：

Ｋ

Ｃ＝───

ρ2/27/20268二、声速

从声波传播速度考虑，人体组织可分３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=Ｃ·───

2

可通过声速测量软组织的厚度2/27/20269三、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λ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。2/27/202610综上所述

频率、声速与波长间的关系如下：

c

λ=──或c=fλ

f

周期(T)为频率的倒数，即：

１

Ｔ＝───

ｆ

λ

故：λ＝Ｃ·Ｔ或Ｃ＝───

Ｔ

2/27/202611四、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ρ与该介质中的声速C。

Z=ρ·C

单位为Kg／m2·s2/27/202612第三节

超声波的特性2/27/202613一、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。2/27/202614一、声反射

反射定律：入射角θi的正弦与反射角θr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。

SinθiCl

───＝──

SinθrC1'2/27/202615一、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：

Z1－Z2

Kp＝────·cosα

Z1＋Z2

2/27/202616一、声反射

当超声波垂直入射界面时，即θi＝θr＝0时，则反射系数Kp为：

Z1－Z2

Kp＝────Z1＋Z22/27/202617一、声反射

当Z1＝Z2时，p＝0，无反射当Z1〉Z2或Z1〈Z2时，有反射如Z1》Z2或Z1《Z2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：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。2/27/202618二、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θi的正弦与折射角θt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：

SinθiCl

───＝──

SinθtC2

2/27/202619二、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：2/27/202620二、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。2/27/202621三、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，致使超声波无法检测到该障碍物，这种现象称为声波的绕射。2/27/202622四、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。2/27/202623四、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。2/27/202624五、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。2/27/202625六、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2/27/202626六、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。2/27/202627七、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。2/27/202628七、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：

2vcosθ

fd＝────

λλ：声波波长，v：血流速度θ：声波方向与血流方向夹角2/27/202629七、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θ角为π／2时，fd＝0。

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。2/27/202630第四节

超声波的发生与接收2/27/202631一、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。2/27/2026321、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。2/27/2026332、逆压电效应

定义：由在外场作用下，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。2/27/2026343、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。2/27/202635二、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。

2/27/2026361、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(ρ),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＝ρ·v·c

2/27/2026372、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＝─────2·ρ·c

2/27/2026383、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10W/cm22/27/2026394、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、频率和介质声速有关，即：

r2L(近场)＝──λ

2/27/2026405、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θ所决定，扩散角θ的大小亦与λ呈正比，与ｒ呈反比，即：λ

Sinθ＝0.61──

r

2/27/2026416、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