超声影像学(超声成像的物理原理)课件

高职高专卫生部规划教材高职高专卫生部规划教材 医学影像技术专业医学影像技术专业超声诊断学超声诊断学CAI课件课件第二章第二章第二章第二章 超声成像的物理原理超声成像的物理原理超声成像的物理原理超声成像的物理原理 教学目标教学目标1.掌握超声的定义、特性及产生机制2.掌握超声传播中频率、声速、波长三者之间的关系3.熟悉生物组织对入射声束的作用4.熟悉入射超声对生物组织的作用5.了解超声诊断的安全性及注意事项1v波：分横波和纵波，声波是纵波；v横波：波的传播方向和振动方向垂直；v纵波：波的传播方向和振动方向垂直；1第一节 超声成像的物理基础一、定义一、定义 1.1.超声超声 是一种机械波，其频率在20千赫兹以上。2 2.医学诊断用超声医学诊断用超声 频率在2.510兆赫兹范围的超声。3.3.超声的特性超声的特性 传导性：超声波可在气体、液体、固体等介质中传播；放向性：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、干涉等现象；超声波在液体介质中传播时，会在界面产生冲击（超声洁牙）和空化现象。1第一节 超声成像的物理基础超声波是机械波，纵波，能在介质中传导。1第一节 超声成像的物理基础二、超声的产生与接收二、超声的产生与接收 1.1.压电效应压电效应 是电能与声能相互转换的过程。2.超声的产生：超声的产生：逆压电效应逆压电效应 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：超声的接收：正压电效应正压电效应 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。1第一节 超声成像的物理基础压电效应与逆压电效应示意图1第一节 超声成像的物理基础 4.4.压电材料压电材料 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。1第一节 超声成像的物理基础 5.5.换能器换能器（探头）结构面材、压电材料、背材，核心是压电材料。种类 体表检查用探头；手术用探头；体腔检查用探头。1第一节 超声成像的物理基础探头1第一节 超声成像的物理基础探头1第一节 超声成像的物理基础探头1第一节 超声成像的物理基础柱形单振元探头结构剖面1第一节 超声成像的物理基础相控阵探头结构示意1第一节 超声成像的物理基础电子线阵探头剖面示意1第一节 超声成像的物理基础三、超声的传播三、超声的传播 1.1.声速声速（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.超声波长超声波长（）：一个完整波的波长。超声波长与声速和频率满足关系式：1第一节 超声成像的物理基础四、超声声束的空间分布：声场四、超声声束的空间分布：声场 1.1.声束声束 在一个有限的立体角内传播的超声。2.声轴声轴 声束的中心线。3.近程区：近场近程区：近场 靠近探头区域，声束等宽 4.远程区：远场远程区：远场 远离探头区域，声束发散1第一节 超声成像的物理基础v 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*-*1第二节 超声与生物组织间的相互作用（六）分辨力（六）分辨力 评价声像图质量的重要技术指标评价声像图质量的重要技术指标空间分辨力：空间分辨力：纵向分辨力：调节脉冲宽度提高；横向分辨力：增加换能器直接和采取声透镜方式提高；侧向分辨力（厚度分辨力）：电子聚焦方法提高。对对比比度度分分辨辨力力：灰阶或亮度。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。v1第二节 超声与生物组织间的相互作用一、生物组织对入射超声的作用一、生物组织对入射超声的作用 （一）两个基本概念（一）两个基本概念 声阻抗（声特性阻抗，特性声阻抗）声阻抗（声特性阻抗，特性声阻抗）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界面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；小界面：界面尺寸小于超声波长；人人体体有有各各种种组组织织，各各种种组组织织都都是是介介质质，介介质质组组成成不不同同，就就有有不不同同的的声声阻阻抗抗，由由于于有有介介质质不不同同的的声声阻阻抗抗才才能能产产生生界界面面，有有界界面面才才能能反反射射，才才能能收收到到回回声信息，才能形成声像图。声信息，才能形成声像图。1第二节 超声与生物组织间的相互作用 （二）反射与折射（二）反射与折射 反反射射：入入射射声声束束与与大大界界面面的的作作用用，一一部部分分超超声声能能量量会会返返回回到原来的介质中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 折折射射：入入射射声声束束与与大大界界面面作作用用时时，一一部部分分进进入入的的另另一一面面的的介质介质三个条件：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；sinI 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。1 v反射与折射的示意图第二节 超声与生物组织间的相互作用1第二节 超声与生物组织间的相互作用散射1第二节 超声与生物组织间的相互作用 （三）散射（三）散射 入射声束与小界面的作用入射声束与小界面的作用散射回声强度低（四）绕射（四）绕射 入入射射声声束束与与界界面面（界界面面尺尺寸寸与与超超声声波波长长大大小相当）的作用小相当）的作用绕射使入射声束发生方向偏转1第二节 超声与生物组织间的相互作用 （五）衰减五）衰减 超超声声在在介介质质中中传传播播其其强强度度随随传传播播距距离离的增加而逐渐减弱的现象。的增加而逐渐减弱的现象。主要原因：反射、散射、吸收、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。”（六）多普勒效应（六）多普勒效应1第二节 超声与生物组织间的相互作用1第二节 超声与生物组织间的相互作用二、入射超声对生物组织的作用二、入射超声对生物组织的作用超声的生物效应超声的生物效应 当一定剂量的超声波在生物体内传播时，通过超声与生物组织的相互作用，可以引起生物体的功能、结构或状态的变化 1.1.热机制热机制 超声声能转换成生物组织的热能 2.2.机械机制机械机制 超声声能转换成生物组织的机械能 3.3.空化机制空化机制 超声声能使生物组织中的气泡活性改变1第二节 超声与生物组织间的相互作用损伤主要由机械机制为主：损伤主要由机械机制为主：低声强长时间作用以热机械为主高声强短辐射作用以空化机制为主 声强的表示以多用空间峰值时间平 均声强作为标准。1第二节 超声与生物组织间的相互作用三、超声诊断的安全性及注意事项三、超声诊断的安全性及注意事项 1.1.超声强度的计算方式超声强度的计算方式 空间平均时间平均声强；空间平均时间平均声强；空间峰值时间平均声强；空间峰值时间平均声强；为多个国家和组织采用为多个国家和组织采用 空间平均时间峰值声强；空间平均时间峰值声强；空间峰值时间峰值声强。空间峰值时间峰值声强。2.2.安全声强（美国安全声强（美国FDAFDA，我国超声标准化委员会推荐），我国超声标准化委员会推荐）空间峰值时间平均声强：小于空间峰值时间平均声强：小于100毫瓦毫瓦/平方厘米平方厘米1第二节 超声与生物组织间的相互作用 3.3.超声探测的安全性（世界卫生组织建议）超声探测的安全性（世界卫生组织建议）(1)(1)只只有有在在医医学学上上具具有有明明确确理理由由时时，才才对对人人体体使使用诊断超声；用诊断超声；(2)(2)以以商商业业显显示示和和获获得得实实验验图图像像为为目目的的时时，不不应应把超声用于辐照人体，特别是辐照孕妇；把超声用于辐照人体，特别是辐照孕妇；(3)(3)在在保保证证获获得得良良好好图图像像质质量量和和取取得得必必要要的的诊诊断断信信息息前前提提下下，应应使使超超声声诊诊断断设设备备的的输输出出强强度度尽尽可可能能小。小。1第二节 超声与生物组织间的相互作用 4.4.超声探测应遵循的原则超声探测应遵循的原则v在明确诊断目的的情况下，应积极使用超声诊断在明确诊断目的的情况下，应积极使用超声诊断技术。技术。v在超声诊断过程中，必须坚持最小剂量原则。即在超声诊断过程中，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。超声强度和最短辐照时间。v拒绝一切与诊断无关的胎儿超声显像。拒绝一切与诊断无关的胎儿超声显像。v对早孕胚胎不做或少做超声探测，对对早孕胚胎不做或少做超声探测，对3 3个月以上的个月以上的胎儿定期超声探测时，应控制在胎儿定期超声探测时，应控制在3 35 5分钟之内完分钟之内完成。成。1第二节 超声与生物组织间的相互作用 5.5.超声探测的注意事项超声探测的注意事项v成人超声探测成人超声探测 颅脑检查时颅脑检查时 每一固定切面持续检查时间控制在每一固定切面持续检查时间控制在2 2分钟以内；分钟以内；眼球检查时眼球检查时 每一固定切面持续检查时间不应超过半分钟；每一固定切面持续检查时间不应超过半分钟；卵巢、睾丸检查时卵巢、睾丸检查时 每一固定切面持续检查时间不应超过每一固定切面持续检查时间不应超过1 1分钟。分钟。1第二节 超声与生物组织间的相互作用v产科超声探测产科超声探测 对不足对不足3 3个月的早孕孕妇个月的早孕孕妇 尽量不用超声进行常规检查；尽量不用超声进行常规检查；对于有习惯性流产或已有先兆流产症状者对于有习惯性流产或已有先兆流产症状者 3 3个月内不建议做超声探测。必须要进行超声探个月内不建议做超声探测。必须要进行超声探测时，应控制每一固定切面检查持续时间在测时，应控制每一固定切面检查持续时间在1 1分钟分钟以内；以内；对对3 3个月以上胎儿个月以上胎儿 在脑、心、眼、脊髓等脏器检查时，每一固定在脑、心、眼、脊髓等脏器检查时，每一固定切面持续时间不应超过切面持续时间不应超过2 2分钟，其他脏器可适当延分钟，其他脏器可适当延长检查时间。检查时应不断移动探头。长检查时间。检查时应不断移动探头。1第二节 超声与生物组织间的相互作用v新生儿超声探测新生儿超声探测 作颅脑检查时作颅脑检查时 每一固定切面持续检查时间不应超过每一固定切面持续检查时间不应超过1 1分钟；分钟；作心脏检查时作心脏检查时 每一固定切面持续检查时间不应超过每一固定切面持续检查时间不应超过2 2分钟。分钟。1v本章思考题1.什么是超声探测？超声探测中的换能器是如何工作的？2.生物组织对入射超声有哪些主要作用？3.超声对生物组织有什么作用？4.超声探测应遵循的原则和注意事项是什么？1