f超声成像的物理原理

超声成像的物理原理 学习目标一、掌握： 超声波的定义、C=f 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 1620000Hz 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：0.560MHz；常用：214MHz 2.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 2.510兆 赫 兹 范 围 。 3） .超 声 波 长 （ ） ： 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 ： fc 4） 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/ 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 ( )与 声 速 (c)的 乘 积 ， 不 同 组 织 的 声 特 性 阻 抗 不 一 样 。 z= c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 。 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 35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