超声学基础.

第一章医学超声学基础第一节超声波的定义及特性波类型传播条件传播能量传播速度波实例电磁波真空、介质电磁能约3×108m／s无线电波、光波、X、γ射线机械波介质机械能几百至几千m／s水波、地震波、声波波，根据其性质可分为两大类：弹性介质中质点机械振动状态的传播过程。其实是机械振动能量的传播过程。二、声波按频率的分类及医用超声的范围1.声波按频率(f)的分类一、声波的定义简单的分类:f＜16Hz称：次声波16Hz≤f≤20kHz称：可听声波f＞20kHz称：超声波2.医学超声仪的频率范围：200kHz－40MHz3.超声诊断仪的频率范围：1MHz－10MHz相应的波长：1.5mm－0.15mm三、超声波（最突出）的特性1.方向性好——用于探测、诊断。2.能量大——用于清洗、灭菌、手术。二、机械波产生的过程连续弹性介质中，某一质点的振动，通过弹性力的作用，传递给与它相邻的质点，后者也振动，并继续传递……能量传播，形成机械波。三、超声波的产生及传播由超声换能器产生振动，引起接触剂的振动，接触剂的振动又引起人体皮肤、脂肪及内脏的振动，超声波能量就这样进入了人体。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1.横波质点振动方向垂直于波的传播方向的波。由介质的切变弹性引起，亦称切变波。横波仅在固体中传播。2.纵波质点振动方向平行于波的传播方向的波。由介质的压缩弹性引起，亦称疏密波或压缩波。纵波能在固体、液体和气体中传播。由于人体软组织无切变弹性，横波在人体软组织中不能传播，而只能以纵波的方式传播，所以纵波是超声诊断和治疗的常用波型。1.声速c声波在单位时间内传播的距离称声速，用c表示。声速c与质点振动速度v是不同的。c与以下因素有关：（1）c与波类型有关。横波c＞纵波c。（2）在流体与气体介质中（平面纵波）：B－介质的体积弹性系数ρ－介质的密度（3）c与温度有关——因B与温度有关。如：空气中一定温度内每升高1℃，声速约增加0.6m/S。（4）c与频率无关，即无频散（色散）现象。二、波参数/Bc与超声诊断有关的各种介质的声速重要声速参数①人体软组织中：c≈1540m/S在人体各种软组织中,声速都很接近，可按此估算。②人体骨组织中：c≈4000m/S③空气(22℃)中：c≈345m/S5.声阻抗率Z（1）定义声场中某点的声压与该质点振动速度之比称声阻抗率Z＝P/v对于平面波，可求得：Z＝P/v＝ρc在水和空气中,还可得：Z＝P/v＝ρc＝(Bρ)1/2式中：ρ—介质密度，c—声速，B—体积弹性系数（2）说明①Z只与介质本身声学特性有关，又称特性阻抗；②Z的单位是瑞利，1瑞利＝1g/cm2·S；③声阻抗率越大，超声纵波速度越快。（3）人体组织按声阻抗率大致可分成三类①体液及软组织：Z≈1.5×105瑞利②气体及充气的肺组织：Z≈0.0004-0.26×105瑞利③骨及钙化了的组织：Z≈5.57-8.3×105瑞利（4）关于声阻抗名称声阻抗是“机-电类比”中，与电阻抗相类比而称的。“机-电类比”是用电学的理论、手段研究声学问题的方法。因为许多声学系统与相应的电学系统有相同的微分方程声学：Z＝P/v，电学：R＝U/I，类比：Z－R，P－U，V－I超声成像只能用于那些有液体和软组织的、且声波传播通路上没有气体或骨骼阻挡的那些区域。在液体和软组织中，声速和声阻抗变化不大，使得声反射量适中，既保证了界面回波的显像观察，亦保证了声波可穿透足够的深度。此外，接收回波的时延与目标深度成近似的正比关系，这是B超诊断图像成功应用必要的物理基础。（3）超声波垂直入射界面时的力学特性221r21IZZaZZ介质1介质2透射波反射波入射波界面Pt,ItPi,IiPr,Ir0tri21Pr21ZZaZZ2212PtZaZZ其中：111Zc222Zc，212214ItZZaZZ（4）讨论①则有反射，有透射；②则无反射，全透射；③则几乎全反射，无透射；④则几乎全反射，无透射。反射超声能量的大小取决于两种介质的声阻抗率差超声垂直入射时：在空气－软组织交界面上，声强反射系数为0.9989；在软组织－颅骨交界面上，声强反射系数为0.32。即在这两种界面上，有99.9％和32％的超声能量被反射回来。这就是为什么超声诊断仪不能检查含气体的脏器及对头颅检查困难的原因。超声诊断仪检查时声波通路上必须避开骨和空气。12ZZ12ZZ12ZZ12ZZ,0,0trIIaa,1,0trIIaa,0,1tIrIaa,0,1tIrIaa二、透过薄层的波在超声换能器中，超声要通过几层特性阻抗不同的介质进行传播。这里只讨论最简单的情况，即假设平面超声波垂直入射，通过三层介质。如图：因此，在超声诊断中耦合层的厚度应尽可能薄，只要把探头与皮肤间的气泡排除即可。超声换能器辐射面上的保护膜厚度也要按这个关系选用。（2）当，n=1,2,···，且时可得：可见，当中间层厚度等于穿过其中的超声波波长的四分之一的奇数倍，且特性阻抗等于其它两种介质特性阻抗的几何平均值时，声波在三种不同介质中能完全透射，而无反射。此时，称为匹配。这个中间层称为匹配层。41222nL312ZZZ113II这一结论对制造超声换能器特别有用。晶体如直接与皮肤接触，由于两者声阻抗率相差较大，超声能量将有相当一部分反射回来，进入人体的只是一部分。为此，在晶体表面增加一层匹配层，其厚度为，声阻抗等于晶体和皮肤声阻抗的几何平均，则超声能量就能全部透过匹配层进入人体。2/4三、散射和绕射前面讨论的反射和折射，有一个重要条件，即反射界面对于超声波波长来说是无限大的：dλ。当d与λ可比，则发生绕射。例如胆结石。当dλ，则发生散射。例如红细胞。1.散射①条件：dλ；②现象：小障碍物变成新的波源，并向四周发射超声波；③回波：散射信号的回波大小与入射角无明显关系；④应用：运动的红细胞散射——超声多普勒血流仪；脏器内小结构散射——B超脏器结构性质显像。2.绕射①条件：d与λ接近；②现象：障碍物边缘超声波绕过障碍物继续前进；③应用：胆结石边缘发生绕射，在其后方形成声影，以此判别是否胆结石。第六节超声在生物组织中的衰减一、超声衰减的定义超声强度随传播距离增加而减弱的现象，称超声衰减。二、超声衰减的原因①扩散声束扩散，使声波原方向声强减弱。②散射介质散射，也使声波原方向声强减弱。③吸收介质的吸收将声能转化为热能，超声能量减少。(ａ)粘滞吸收：介质质点运动时相互摩擦；(ｂ)弛豫吸收：介质的传导造成热能辐射。三、超声衰减规律（1）平面波在均匀生物组织中传播时，有指数型关系式中，I0,P0—x=0处的声强、声压有效值—介质的声压衰减系数（2）声压衰减系数①与扩散、散射、吸收等因素有关。一般②在人体软组织，并诊断用超声频率范围内式中，β—介质的超声衰减常数。可查表得。③单位：—(mm)-1,β—μs/mm,f—MHz.xeIxI20xePxP0fFf习题一、是非题（如错，请改正）1.超声波是声速超过可听声的声波。3.介质的声阻抗率越大，其中的声速越低。4.在两层介质之间加一匹配层，其厚度与超声频率无关。5.超声波是介质中质点振动能量的传播过程。6.横波由介质的压缩弹性引起。7.纵波是一种疏密波。8.在人体软组织中超声波以横波方式传播。9.人体中超声传播速度与超声频率有关。10.介质的声阻抗率越大，其中的声波衰减越快。12.脉冲回波法成像的基础是声速在人体软组织各层介质中都近似相等。13.利用超声回波可以测量距离，所以可以利用超声测量地球到月球的距离。14.超声波的声速随频率的不同而略有不同。15.在人体软组织和骨骼中，超声波的声速相同。16.用B超检查时，在胆结石的后方出现“声影”，这是由超声的散射效应引起的。三、选择题2.两束声波相遇叠加时_______。A．质点振动频率相加；B．质点振动相位相加；C．声速矢量相加；D．声压矢量相加。3.声传播时声强衰减的原因之一是：声波的____。A．绕射B．散射C．衍射D．干涉