超声波超声诊断仪的物理原理

大家好大家好1返回返回返回返回1.重点掌握声强和声强级、等响曲线、多普勒效应的意义重点掌握声强和声强级、等响曲线、多普勒效应的意义 2.了解超声在介质中传播与衰减吸收的规律了解超声在介质中传播与衰减吸收的规律;3.了解响度和响度级、声与超声的基本性质和数学表达式、超声的产生和超声场基本特征了解响度和响度级、声与超声的基本性质和数学表达式、超声的产生和超声场基本特征;4.了解声压、声阻、听力曲线、超声波的成像原理与超声诊断仪了解声压、声阻、听力曲线、超声波的成像原理与超声诊断仪.返回返回返回返回返回返回10-4 100 104 108 1012 )(Hz次声波次声波地震地震海啸海啸核爆炸核爆炸可闻声波可闻声波超声波超声波特超声波特超声波语言语言音乐音乐自然界自然界老鼠老鼠蝙蝠蝙蝠海豚海豚分子热振动分子热振动返回返回 声波的传播速度与介质性质有关声波的传播速度与介质性质有关,也和介质的温度有关也和介质的温度有关.2731332tu（m/s）返回返回 可闻声波频率范围内可闻声波频率范围内,能引起听觉的最小声强刺激量能引起听觉的最小声强刺激量,称为称为. 人耳可容忍的最大声强刺激量叫人耳可容忍的最大声强刺激量叫返回返回20 40 100 200 400 1000 2000 4000 10000 2000021 频率频率 （Hz） 110-1210-1010-810-610-210-4声声强强W/m2120060204080100声声强强级级dB120方方060204080 100响度级响度级返回返回dBlg100IILI2120W/m10I其中其中分贝（dB）描述声音强弱的物理量描述声音强弱的物理量返回返回 人耳主观感觉到的声音的响亮程度称为人耳主观感觉到的声音的响亮程度称为. 规定规定1000Hz纯音的响度级在数值上就等于它的声强级纯音的响度级在数值上就等于它的声强级.方方返回返回 18901890年，年， 一艘名叫一艘名叫“马尔波罗号马尔波罗号”帆船在从新西兰驶往英国的途中，突然神秘地失踪了。帆船在从新西兰驶往英国的途中，突然神秘地失踪了。 19481948年初，一艘荷兰货船在通过马六甲海峡时，一场风暴过后，全船海员莫明其妙地死光；上述惨案，引年初，一艘荷兰货船在通过马六甲海峡时，一场风暴过后，全船海员莫明其妙地死光；上述惨案，引起了科学家们的普遍关注，其中不少人还对船员的遇难原因进行了长期的研究。起了科学家们的普遍关注，其中不少人还对船员的遇难原因进行了长期的研究。返回返回 经过反复调查，终于弄清了制造上述惨案的经过反复调查，终于弄清了制造上述惨案的“凶手凶手”，是一种为人们所不很了解的次声的声波。，是一种为人们所不很了解的次声的声波。 人体内脏固有的振动频率和次声频率相近似（人体内脏固有的振动频率和次声频率相近似（0.00010.00012020赫），倘若外来的次声频率与体内脏的振动频赫），倘若外来的次声频率与体内脏的振动频率相似或相同，就会引起人体内脏的率相似或相同，就会引起人体内脏的 共振共振 ，从而使人产生上面提到的头晕、烦躁、耳鸣、恶心等等一系列，从而使人产生上面提到的头晕、烦躁、耳鸣、恶心等等一系列症状。症状。返回返回返回返回声速表达式为声速表达式为Ec 同理可得在固体中传播的超声波横波波速为同理可得在固体中传播的超声波横波波速为Gc 返回返回Kc 管状流体中的纵波波速表达式为管状流体中的纵波波速表达式为返回返回返回返回（1）介质的声特性阻抗在界面处发生突变）介质的声特性阻抗在界面处发生突变,或者说或者说“不连续不连续”;（2）界面的线度远大于声波波长与声束横截面积的直径）界面的线度远大于声波波长与声束横截面积的直径.返回返回 当超声传播遇到障碍物时当超声传播遇到障碍物时,在一定条件下可以绕过障碍物的边缘传播在一定条件下可以绕过障碍物的边缘传播,即即.如果超声的波长与声阑线度相仿或大如果超声的波长与声阑线度相仿或大于声阑线度于声阑线度,衍射现象较为明显衍射现象较为明显,由于衍射与障碍物的线度有关由于衍射与障碍物的线度有关,声波遇到障碍物时会发生两种现象声波遇到障碍物时会发生两种现象:返回返回声影声影. 由于障碍物线度较大由于障碍物线度较大,超声波不能完全绕过障碍物超声波不能完全绕过障碍物,因而在障碍物之后因而在障碍物之后,存在声波不能到达的空间存在声波不能到达的空间,称之为声影称之为声影.声声影在超声图象上表现为暗色影在超声图象上表现为暗色,是探测不到的盲区是探测不到的盲区.与波长相仿的病灶探测不到与波长相仿的病灶探测不到.返回返回 如果介质中存在许多悬浮粒子如果介质中存在许多悬浮粒子,当超声传到这些障碍物上时当超声传到这些障碍物上时,这些粒子又将成为新的波源而向四周发射超声这些粒子又将成为新的波源而向四周发射超声,其中其中有一部分声能就要偏离原来的传播方向有一部分声能就要偏离原来的传播方向.这一现象就叫这一现象就叫.一般用散射截面一般用散射截面定量描述散射程度定量描述散射程度:2mIWi其中其中W为总散射功率为总散射功率,Ii为入射声强为入射声强.返回返回当散射物体线度当散射物体线度d 时时,散射不明显散射不明显,主要是反射主要是反射;如果如果d ,散射明显散射明显,散射场强度均匀分布散射场强度均匀分布,散射声强正比于散射声强正比于1/ 4 ;如果如果d ,散射场强度分布复杂散射场强度分布复杂,与散射物的阻抗与散射物的阻抗,几何尺寸相关几何尺寸相关,表现为一定的角分布表现为一定的角分布.由上式可以得出由上式可以得出:返回返回返回返回导致声波衰减的主要原因有以下几种：导致声波衰减的主要原因有以下几种： 这是声波在空间传输中由于能量分布的改变造成的衰减这是声波在空间传输中由于能量分布的改变造成的衰减2200rrII 返回返回 这是声波与众多的散射中心多次相互作用的过程这是声波与众多的散射中心多次相互作用的过程,作用的结果是部分声能转化为热能而散失掉作用的结果是部分声能转化为热能而散失掉. 吸收衰减的本质是声能转变为其他形式的能量吸收衰减的本质是声能转变为其他形式的能量,包括人能与其他形式的机械能等等包括人能与其他形式的机械能等等.返回返回由于介质的粘滞性而产生的粘滞吸收由于介质的粘滞性而产生的粘滞吸收;以热相互作用为特征的热传导和热辐射吸收以热相互作用为特征的热传导和热辐射吸收;弛豫吸收弛豫吸收,是指介质吸收声能后分子势能增加是指介质吸收声能后分子势能增加,经一段时间后再以声波形式向外发射的过程经一段时间后再以声波形式向外发射的过程,吸收与声波频率关系吸收与声波频率关系甚大甚大,介质性质对声波的吸收亦有影响介质性质对声波的吸收亦有影响.返回返回 被组织吸收的超声波对分子产生作用会导致两种基本的结果：被组织吸收的超声波对分子产生作用会导致两种基本的结果：分子振动和转动能量可逆转性增加分子振动和转动能量可逆转性增加,使介质温度上升使介质温度上升分子结构永久性地被改变分子结构永久性地被改变返回返回 声空化可以定义为充有气体或水蒸气的空腔在超声场作用下发生震荡的各种现象声空化可以定义为充有气体或水蒸气的空腔在超声场作用下发生震荡的各种现象. 超声波在人体中传播时的振动和压力会对细胞和组织结构产生直接的效应超声波在人体中传播时的振动和压力会对细胞和组织结构产生直接的效应.返回返回返回返回高频脉冲发生器高频脉冲发生器高频脉冲发生器高频脉冲发生器压电晶体压电晶体超声波超声波返回返回返回返回 （1）声束在介质中以直线传播）声束在介质中以直线传播;（2）在各种介质中声速均匀一致）在各种介质中声速均匀一致;（3）在各种介质中介质的吸收系数均匀一致）在各种介质中介质的吸收系数均匀一致.返回返回（1）换能器）换能器（2）信号处理部分）信号处理部分（3）显示和记录部分）显示和记录部分返回返回超声成像原理与超声成像仪 Medison SONOACE 9900 Medison SONOACE 8000 返回返回超声模式分类： A模式 B模式 M模式 D模式 返回返回1、 A型超声也称示波诊断法，是一种振幅的模式。它在显示上形成垂直偏转的曲线图。也称示波诊断法，是一种振幅的模式。它在显示上形成垂直偏转的曲线图。 横坐标表示回声强弱 纵坐标表示回声时间（距离）回波振幅探头一维返回返回取样线返回返回2、B型超声 是一种亮度的模式。其图像由不同亮度的点所组成的直线构成。点的亮度代表接收到回声的振幅。是一种亮度的模式。其图像由不同亮度的点所组成的直线构成。点的亮度代表接收到回声的振幅。 通过连续扫描，二维的剖面图像不断地被更新，这就是实时通过连续扫描，二维的剖面图像不断地被更新，这就是实时B模式。模式。二维返回返回返回返回3、M型超声 M模式中的模式中的M表示运动，表示运动，M模式通过模式通过B模式图像来显示一个光标，然后在以时间为轴线的波形图上表示其运动状模式图像来显示一个光标，然后在以时间为轴线的波形图上表示其运动状态。态。 通常通常M模式用于检测心脏与胎儿的心率。模式用于检测心脏与胎儿的心率。纵坐标表示超声扫描传播时间，回声代表被测结构的深度。纵坐标表示超声扫描传播时间，回声代表被测结构的深度。 横坐标表示光点慢扫描时间横坐标表示光点慢扫描时间返回返回TransducerTransducerTransducerTransducerLine 45 t1Line 45 t2Line 45 t3Line 45 t4t 1 2 3 4 5 6 7.返回返回M型取样线返回返回4、 D型超声 应用多普勒效应原理，当探头与反射体之间有相对运动，回声频率发生改变，称为频移。应用多普勒效应原理，当探头与反射体之间有相对运动，回声频率发生改变，称为频移。 频移的变化可以用检波器测量多普勒信号音和曲线图，用频谱显示。频移的变化可以用检波器测量多普勒信号音和曲线图，用频谱显示。返回返回多普勒（Doppler） 主要用于检测心脏、血管内血液的流向、流速与流量。主要用于检测心脏、血管内血液的流向、流速与流量。包括以下两种：包括以下两种：- 频谱多普勒频谱多普勒 - 彩色多普勒彩色多普勒 返回返回返回返回5、CDFI（彩色超声诊断） 采用自相关技术获取血流差额信息，经伪彩编码后叠加于二维图像上。 红-黄色代表对向探头的血流 蓝蓝-绿色代表背离探头的血流绿色代表背离探头的血流返回返回返回返回肾脏返回返回心脏返回返回30周胎儿的脸返回返回I am angry返回返回唇裂的胎儿返回返回唇裂的胎儿返回返回返回返回返回返回胎儿的手指返回返回主要常用名词解释主要常用名词解释一台超声设备硬件组成主要有哪几部分？主机主机 探头探头 显示器显示器返回返回1、全数字化 数字化数字化处理处理 A/D放大放大处理处理显示显示放大放大滤波滤波 数字化数字化处理处理 A/D 前端数字化全数字化前端数字化全数字化 后端数字化部分数字化后端数字化部分数字化返回返回2、动态范围 允许仪器接收回声信号幅度的变化范围。动态范围大，所显示图象的层次就越丰富。如果太大，图象较朦允许仪器接收回声信号幅度的变化范围。动态范围大，所显示图象的层次就越丰富。如果太大，图象较朦胧，如果太小，图象较粗。胧，如果太小，图象较粗。单位为分贝（单位为分贝（dB）返回返回分辨率是指对两个靠近物体的识别能力，即对图象的区分。分辨率分辨率几何分辨率几何分辨率灰度分辨率灰度分辨率轴向分辨率轴向分辨率侧向分辨率侧向分辨率3、分辨率（1）返回返回3、分辨率（2）纵向分辨率：表示在声束轴线方向上，对相邻回声图象的分辨能力可以用两回声点之间的最小可辨距离来表示，纵向分辨率：表示在声束轴线方向上，对相邻回声图象的分辨能力可以用两回声点之间的最小可辨距离来表示，其值越小纵向分辨率越高，主要与超声发射频率有关，频率越高，纵向分辨率越高。其值越小纵向分辨率越高，主要与超声发射频率有关，频率越高，纵向分辨率越高。横向分辨率：表示在垂直于声束轴线的平面上，对相邻回声图象的分辨能力，它可以用此平面上两回声点之间横向分辨率：表示在垂直于声束轴线的平面上，对相邻回声图象的分辨能力，它可以用此平面上两回声点之间的最小可辩距来表示，其值越小，横向分辨率越高，主要与声束直径有关声束越细，横向分辨率越高。的最小可辩距来表示，其值越小，横向分辨率越高，主要与声束直径有关声束越细，横向分辨率越高。返回返回灰度（对比度）分辨率：灰度（对比度）分辨率： 是指对两个相似密度的物体的识别能力。是指对两个相似密度的物体的识别能力。灰度分辨率灰度分辨率几何分辨率几何分辨率平衡平衡3、分辨率（3）返回返回探测深度探测深度 指仪器发射的超声波束可以穿透并能显示出图象的被测介质的深度。指仪器发射的超声波束可以穿透并能显示出图象的被测介质的深度。要提高仪器的探测深度，可以减低工作频率或加大发射功率。要提高仪器的探测深度，可以减低工作频率或加大发射功率。 返回返回灰阶度灰阶度 回声信号以不同亮度的亮度象素进行显示，灰阶度是把黑白之间的灰度区等分为回声信号以不同亮度的亮度象素进行显示，灰阶度是把黑白之间的灰度区等分为16，32，64，128或或256个个灰阶级。仪器的灰阶度越高，其显示回声图的层次感越强，图象的清晰度就越高。灰阶级。仪器的灰阶度越高，其显示回声图的层次感越强，图象的清晰度就越高。返回返回图象帧频图象帧频 指仪器每秒钟内可成像的帧数，帧频的升高会使图象质量降低指仪器每秒钟内可成像的帧数，帧频的升高会使图象质量降低时间增益控制（时间增益控制（TGC），超声强度随探测深度的增加而减弱，致使不同深度的发射回波强弱不等，），超声强度随探测深度的增加而减弱，致使不同深度的发射回波强弱不等，TGC就就是对来自不同深度的回声给予不同的增益补偿，也称为灵敏度时间控制是对来自不同深度的回声给予不同的增益补偿，也称为灵敏度时间控制(STC)。 返回返回后处理后处理 对于灰度分布不均匀图象进行灰度修正或灰度变换对于灰度分布不均匀图象进行灰度修正或灰度变换返回返回帧相关帧相关 帧相关处理是指对图象帧与帧之间对应象素灰度的平滑处理帧相关处理是指对图象帧与帧之间对应象素灰度的平滑处理,能得到减低噪声能得到减低噪声,图象平整的效果图象平整的效果 返回返回边缘增强边缘增强 其目的是加强图象景物的轮廓，提高了图象的视觉尖锐度。其目的是加强图象景物的轮廓，提高了图象的视觉尖锐度。 返回返回发射动态聚焦发射动态聚焦 一般为分段动态电子聚焦，使得在整个探测深度波束都有良好的会聚，但是分段动态电子聚焦的缺点是大一般为分段动态电子聚焦，使得在整个探测深度波束都有良好的会聚，但是分段动态电子聚焦的缺点是大大降低了图象的帧频。大降低了图象的帧频。返回返回接收可变孔径接收可变孔径 由于采用动态电子聚焦，导致声束在近场区增大，使得近场分辨力下降所以采用可变孔径进行接收，由浅由于采用动态电子聚焦，导致声束在近场区增大，使得近场分辨力下降所以采用可变孔径进行接收，由浅至深逐步扩大有效孔径，保证了远、中、近场都有较好的横向分辨力。至深逐步扩大有效孔径，保证了远、中、近场都有较好的横向分辨力。返回返回探头的种类与功能返回返回一、 以扫描方式分1、机械扫描式：复合式、机械扫描式：复合式 摆动式摆动式 旋转式旋转式2、电子扫描式：线阵型、电子扫描式：线阵型 凸阵型凸阵型 相控阵型相控阵型 3、复合扫描式：环阵型、复合扫描式：环阵型返回返回二、根据用途不同二、根据用途不同 腹部检查探头腹部检查探头 2.53.5MHZ2.53.5MHZ心脏检查探头心脏检查探头 25 MHZ25 MHZ浅表组织检查浅表组织检查 510 MHZ510 MHZ其他特殊用途其他特殊用途: : 心脏食道探头心脏食道探头 术中探头术中探头 穿刺探头穿刺探头 腔内探头腔内探头 血管探头血管探头返回返回超声常用术语（1）穿透：声波通过界面从一个介质到另一介质穿透：声波通过界面从一个介质到另一介质散射：声波朝多个不同方向的反射、折射和反射散射：声波朝多个不同方向的反射、折射和反射频散：声速随频率变化频散：声速随频率变化衰减：在介质中传播时声能量减少衰减：在介质中传播时声能量减少旁瓣（旁瓣（Side Lobe）：合成声场中，主方向或目标方向以外发生的声束）：合成声场中，主方向或目标方向以外发生的声束返回返回超声常用术语（2）近场：声源附近，声压与质点速度不相同的声场近场：声源附近，声压与质点速度不相同的声场远场：声源远处，声压与质点速度相同的声场远场：声源远处，声压与质点速度相同的声场声窗：具有良好透声性能的介质，如水囊声窗：具有良好透声性能的介质，如水囊回声（回声（ECHO）：从被检测体发射返回的超声波形成图像的原始信息）：从被检测体发射返回的超声波形成图像的原始信息深度（深度（Depth）：）：18-24cm返回返回超声常用术语（3）多普勒效应（多普勒效应（Doppler）：声源与观测目标之间声传播的距离，因观测目标随时间变化而导致声音频率改变的）：声源与观测目标之间声传播的距离，因观测目标随时间变化而导致声音频率改变的现象。现象。脉冲波（脉冲波（PW）：间歇发射调制脉冲的方式。具有深度定位能力。）：间歇发射调制脉冲的方式。具有深度定位能力。连续波（连续波（CW）：连续发射和接收多普勒效应信号，测速范围大，但没有深度分辨力。）：连续发射和接收多普勒效应信号，测速范围大，但没有深度分辨力。返回返回超声常用术语（4）探头（探头（Probe）：超声诊断仪上，包含发射、接收信号的换能器与附属。）：超声诊断仪上，包含发射、接收信号的换能器与附属。线阵（线阵（Linear）：晶片以直线排列，直线扫描，获得方形图像。）：晶片以直线排列，直线扫描，获得方形图像。相控阵（相控阵（Phased）：晶片与延迟元件连接，改变相位差异，使声束偏转做扇形扫描。）：晶片与延迟元件连接，改变相位差异，使声束偏转做扇形扫描。凸阵（凸阵（Convex）：晶片以凸弧形排列，依次发射和接收超声。）：晶片以凸弧形排列，依次发射和接收超声。返回返回超声常用术语（5）*动态聚焦：通过延迟变化连续改变焦距和焦平面，用于提高横向分辨力动态聚焦：通过延迟变化连续改变焦距和焦平面，用于提高横向分辨力*动态范围：允许接收回声信号幅度的变化范围，单位为分贝（动态范围：允许接收回声信号幅度的变化范围，单位为分贝（dB）*可变孔径：随距离的增加，分段增加接收回声的晶片数（孔径大小），以改善近场分辨率可变孔径：随距离的增加，分段增加接收回声的晶片数（孔径大小），以改善近场分辨率*扫描线束：组成每幅图像的线数，受帧数、最大探测深度、声束的限定扫描线束：组成每幅图像的线数，受帧数、最大探测深度、声束的限定返回返回超声常用术语（6）分辨力：包括对比和空间分辨力，后者又包括横向、纵向（深度）、厚度分辨力。分辨力：包括对比和空间分辨力，后者又包括横向、纵向（深度）、厚度分辨力。滤波器：对频率成分起通过或断开的作用。滤波器：对频率成分起通过或断开的作用。帧频数（帧率）：单位时间（每秒）内成像的幅数。帧频数（帧率）：单位时间（每秒）内成像的幅数。实时图像：帧频数大于每秒实时图像：帧频数大于每秒24幅。受扫描角度、线数、深度、声速和扫描系统的制约。幅。受扫描角度、线数、深度、声速和扫描系统的制约。返回返回声波的基本性质；声波的基本性质；超声波的基本性质和数学表达的了解；超声波的基本性质和数学表达的了解；超声在介质中的传播规律和衰减规律了解；超声在介质中的传播规律和衰减规律了解；超声的产生和声场基本特征；超声的产生和声场基本特征；超声诊断仪的物理原理；超声诊断仪的物理原理；临床超声专业领域常用名词解释；临床超声专业领域常用名词解释；临床超声探头知识介绍。临床超声探头知识介绍。本次课总结本次课总结