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何彩云超声成像的物理原理学习目标一、掌握：超声波的定义、C=f×λ超声的产生（正、逆压电效应）二、熟悉：人体组织与入射声束的相互作用超声诊断的安全性、注意事项三、了解：超声的特性、超声诊断仪的一些主要部件一、超声成像的物理基础1.超声波的定义：超声波：机械波纵波可于介质中传播频率大小：次声波＜可听声波＜超声波16~20000Hz超声诊断原理：利用特定频率的超声波作为信息载体，将人体内部组织结构的声学特性以图形、曲线、其他数据的形式表现出来，用于临床分析及诊断。临床诊断用频率：0.5~60MHz；常用：2~14MHz2.超声波的特性纵波◆传导性：超声波可在气体、液体、固体等介质中传播；◆方向性：超声波可以朝一个方向传递很强的能量；◆超声波在传播过程中会产生反射、折射、散射、绕射、干涉、共振、多普勒效应等现象；◆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。3.超声的产生与接收1）.压电效应是电能与声能相互转换的过程。2）.超声的产生：逆压电效应（电能→声能）电场作用到特定的材料两端引起振动，在周围介质中传播形成超声，是逆压电效应过程。3）.超声的接收：正压电效应（声能→电能）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。4）.压电材料能够产生压电效应的材料。◆无机材料：压电陶瓷构成主要包括钛酸钡、钛酸铅、锆钛酸铅等。◆有机材料主要由聚偏氟乙烯（PVDF）构成，材料声阻抗与人体接近。◆混合材料由压电陶瓷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。5）.换能器（探头）◆结构面材（匹配层/保护层）、压电材料、背材，核心是压电材料。◆种类1、体表检查用探头：凸阵探头（腹部、妇产科检查），线阵探头（外周血管、浅表小器官）相控阵探头(心脏），容积探头（三维、四维）2、手术用探头；3、体腔检查用探头：环阵扇形探头。4.超声的传播1）.声速（c）：超声在介质中的传播速度。由传播介质决定，与介质的密度及弹性系数有关。与密度成正比。不同人体组织器官的声速不同，平均声速为1540米/秒，其中空气最小（350米/秒），骨骼最大（3850米/秒）。2）.超声频率（f）：声源在单位时间内振动的次数。由探头中压电材料决定，在2.5～10兆赫兹范围。3）.超声波长（λ）：在波的传播方向上相邻两个波峰的距离。超声波长与声速和频率满足关系式：fc4）超声声束的空间分布：声场声束在一个有限的立体角内传播的超声。声轴声束的中心线。近程区：近场靠近探头区域，声束等宽近场区L=r2/λ远程区：远场远离探头区域，声束发散•超声声束空间分布示意图：远程区近程区*--------------*轴向分辨力横向分辨力*-----*5）分辨力概念：超声能够发现最小障碍物的能力，称之。评价声像图质量的重要技术指标◆空间分辨力：能够辨别两个细小目标空间位置的能力。◆纵向/轴向分辨力：调节脉冲宽度提高；深浅精度◆横向分辨力：增加换能器直接和采取声透镜方式提高；切面真实度◆侧向分辨力（厚度分辨力）：电子聚焦方法提高。◆对比度分辨力：在灰阶或亮度上分辨不同目标的能力。取决于信噪比和像素大小。采取低噪音高增益放大电路等提高。图像层次二、人体组织对超声的作用1、声阻抗及界面：1）声阻抗（声特性阻抗z）介质的密度(ρ)与声速(c)的乘积，不同组织的声特性阻抗不一样。z=ρc千分之一2）界面两种具有不同声阻抗的介质的接触面；大界面：界面尺寸大于超声波长反射折射小界面：界面尺寸小于超声波长反射散射人体软组织及脏器结构声阻抗的差异→多界面→折射、散射→各层组织回声信息→声像图2.反射与折射1）反射：入射声束与大界面的作用，一部分超声能量会返回到原来的介质中◆三个条件：同一平面位于法线两侧入射角与反射角相等◆界面的反射信号是声像图的主要组成部分•反射的示意图2）折射：入射声束与大界面作用时，一部分进入的另一面的介质◆三个条件：同一平面、位于法线两侧、入射角与折射角满足下列条件：入射角和折射角的正弦之比为一常数，等于界面两侧介质的声速比；◆注意：第二种介质的声速大于第一种时，则折射角大于入射角；如果折射角大于90°时，入射声能全部返回，称全反射。全反射对声像图的影响：折射声影/侧后声影，全反射在胃肠及肺探测时，难辨别脏器声像图。折射声束可作为入射声束进入下一种介质，多次折射过程会产生折射声影效应，此时产生的声像图与实际情况有误差。•折射的示意图3）散射超声波在传播中遇到粗糙面或极小的障碍物时，将有一部分能力被散射散射波可组合，等频同相波叠加后能量增加，等频反向波叠加后能量减弱。入射声束与小界面的作用红细胞是散射体，其背向散射是多普勒超声诊断的基础。4）绕射入射声束与界面（界面尺寸与超声波长大小相当）的作用，又称衍射。绕射使入射声束发生方向偏转散射示意图5）衰减超声在介质内的传播过程中，声波能量随传播距离的增大而逐渐减少的现象，称之。◆主要原因：大界面的反射小界面的散射介质的吸收声束的扩散◆不同组织，吸收系数不同，衰减程度不同。蛋白质衰减比水大，含水多的组织衰减小；◆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；。。。。◆仪器调节时，可以调节“深度增益补偿。”三、超声对人体组织的作用1、超声生物效应：P10概念：超声波在生物体内传播超声→←生物组织，→→生物体的功能、结构、状态变化1）热效应2）机械效应3）空化机制4）化学作用1）热效应超声在介质中传播时，会有一部分能量被介质吸收而转化为热量，引起介质温度升高，称之。超声声能转换成生物组织的热能理疗、加温治癌2）机械效应在超声传播过程中，所经过的生物组织会在声场作用下产生剧烈机械运动，由此对生物组织的结构、功能、生理活动产生影响，称之。超声声能转换成生物组织的机械能3）空化机制超声声能使生物组织中的气泡活性改变，从而产生局部高压、高温、放电现象，称之。造影4）化学作用增加化学反应速度，促进氧化、分解。超声生物效应，会导致人体组织的损伤。低声强长辐照时间————热效应高声强短辐照时间————空化效应两者之间————机械效应2.超声诊断的安全性非电离辐射能量作用于人体产生作用1）.超声强度的计算方式空间平均时间平均声强；空间峰值时间平均声强；为多个国家和组织采用空间平均时间峰值声强；空间峰值时间峰值声强。2）.安全声强（美国FDA，我国超声标准化委员会推荐）空间峰值时间平均声强：小于100毫瓦/平方厘米3.超声诊断的注意事项(1)只有在医学上具有明确理由时，才对人体使用诊断超声；(2)以商业显示和获得实验图像为目的时，不应把超声用于辐照人体，特别是辐照孕妇；(3)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出强度尽可能小。⑷超声探测应遵循一定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术•在超声诊断过程中，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，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•对早孕胚胎不做或少做超声探测，对3个月以上的胎儿定期超声探测时，应控制在3～5分钟之内完成（5）超声探测的注意事项•成人超声探测每一固定切面持续检查时间颅脑——2min眼球——0.5min卵巢、睾丸——1min•产科超声探测1.＜3M(早孕)孕妇——不作为常规检查；2.习惯性流产/先兆流产症状者，3个月内不建议做超声探测；必须要进行超声探测时，应控制时间（1min）；3.＞3M胎儿——脑、心、眼、脊髓（2分钟），其他脏器可适当延长。检查时不断移动探头。•新生儿超声探测颅脑——1min心脏——2min小结•知识点：超声波的定义正压电效应逆压电效应衰减•重点：超声对人体的作用超声安全性问题•难点：人体组织对超声的作用课后思考一、超声的产生和接收二、波长、频率、声速的关系三、衰减、多普勒效应、超声生物效应的概念超声生物效应包括哪些内容？四、超声探测注意事项？——时间限制。。。fc