医学超声原理-第四讲---超声波的反射透射

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第四讲 超声波的反射透射,指定教材,目前，关于生物医学超声的参考书很多；但是从教十年多来，一直很难找到一本非常适合本科生的教材。这也是编者下定决心编写本书的主要原因之一。本书的内容主要包括超声物理基础，压电效应与换能器技术，超声成像诊断原理，超声治疗技术，医学超声实验，医学超声的最新进展等。每章节都配置了一定量的练习与思考题，以帮助读者巩固书中的内容，并提高分析解决问题的能力。为配合双语教学，本书保留了关键专业词汇的中英文对照。,本书的特点是在注重基本概念，基本原理，基本方法的同时，兼顾一定的工程技术实用性，如包含声场的数值模拟，超声图像的,C,语言程序处理，超声波发射电路原理，换能器的匹配技术等。本书适合医学超声以及相关领域的本科生作教材，也可供该领域的研究生，科研及工程技术工作者参考。,主要内容：,一,、超声波垂直入射到平面界面上的反射和透射,二、超声波倾斜入射到平面界面上的反射和透射,三、超声波多层透射与声耦合,四、超声耦合剂,一、超声波垂直入射到平界面上的反射和透射,超声波从一种介质传播到另外一种介质时，在两种介质的分界面上，一部分能量反射回原介质内，称反射波；,另一部分能量透过界面在另一种介质内传播，称透射波,在界面上,声能（声压，声强,),的分配,和,传播方向,的变化部都遵循一定的规律。,课堂思考题：请分析超声波成像的物理基础，如果没有超声波的反射与透射能否成像？,指定教材,目前，关于生物医学超声的参考书很多；但是从教十年多来，一直很难找到一本非常适合本科生的教材。这也是编者下定决心编写本书的主要原因之一。本书的内容主要包括超声物理基础，压电效应与换能器技术，超声成像诊断原理，超声治疗技术，医学超声实验，医学超声的最新进展等。每章节都配置了一定量的练习与思考题，以帮助读者巩固书中的内容，并提高分析解决问题的能力。为配合双语教学，本书保留了关键专业词汇的中英文对照。,本书的特点是在注重基本概念，基本原理，基本方法的同时，兼顾一定的工程技术实用性，如包含声场的数值模拟，超声图像的,C,语言程序处理，超声波发射电路原理，换能器的匹配技术等。本书适合医学超声以及相关领域的本科生作教材，也可供该领域的研究生，科研及工程技术工作者参考。,一、超声波垂直入射到平界面上的反射和透射,1).,声波垂直入射在平面上的反射与透射,在生物医学领域内，所有的超声检测设备、超声成像设备都是基于声波在各种各样的物体中传播时所显示出的特性。,其中相当重要的就是声波在两种,特性阻抗不同,的界面上的反射。,1,c,1,2,c,2,p,i,p,r,p,t,O,z,当声波从一种特性阻抗的媒质进入另一种特性阻抗的媒质时，其一部分声能在界面被反射，其余的声能进入界面另一侧的媒质。被界面反射的这部分声波携带着界面位置和形状的重要信息，而透射进去的那一部分声波，则继续前进，探索组织更深处的奥秘。,一、超声波垂直入射到平界面上的反射和透射,设入射波的声压为,p,0,，反射波的声压为,p,r,，透射波的声压为,p,t,。定义声压反射率,r,与声压透射率,t,。（可参考,声学基础,）,（,1,）,（,2,）,Z,1,，,Z,2,是两种不同介质的特征阻抗。,一、超声波垂直入射到平界面上的反射和透射,定义声强反射率,R,与声强透射率,T,（,3,）,（,4,）,一、超声波垂直入射到平界面上的反射和透射,讨论：,1) Z,1, Z,2,2) Z,2, Z,1,3) Z,2, Z,1,，,r,1,，,t 2,。形成驻波，波速的波节（为,0,），声压的波腹（两倍的入射声压）。,4) Z,1, Z,2,5) Z,1,Z,2,作业：请分析在上述各种情况下声压反射率，透射率的结果以及所表示的物理含义？,一、超声波垂直入射到平界面上的反射和透射,讨论上述情况下，,R,与,T,的变化？,R,T,1,，,t=1+r,反映什么样的物理规律？,从上式可以看出，在平面声波垂直入射时。声波在两种媒质界面的反射与透射的大小仅取决于两种媒质的特性阻抗。上述关系式虽根据平面正弦波导出，但其它平面波，也能得到同样的结果。所以上述结论不仅对于平面正弦波，对于任意形状的平面波都适用。,斜入射时的的反射与透射与什么有关？,镜面反射与漫反射,声波反射声像图,图,2-4-3,左是胫骨（,Tibia,）的超声图像，（黄色）箭头所指就是镜面反射的很好的一个例子。大面积平整光滑的骨骼界面，由于其与周围软组织的声阻抗率差异很大，引起明显的镜面反射。,图,2-4-3,右是胸大肌（,pectoris major muscle,）的声像图，箭头所指的位置是很好的漫反射例子。,二、超声波斜入射到平界面上的反射和透射,2).,超声波斜入射到平面时的的反射与透射,二、超声波斜入射到平界面上的反射和透射,入射波，反射波，透射波的数学表达式：,(5),(6),(7),入射角与折射角的关系,(9),声折射定律,(10),二、超声波斜入射到平界面上的反射和透射,斜入射，超声折射示意图：,二、超声波斜入射到平界面上的反射和透射,斜入射情况下的声压反射率与折射率,(11),(12),讨论？,二、超声波斜入射到平界面上的反射和透射,结论：,当入射角为,0,的时候，为垂直入射；,入射与折射不仅与介质的声学参量有关，还与入射角有关；,全透射，当,反射率为,0,，入射波全透射；,全反射，当 折射角大于,90,0,，,折射波全部返回原来的介质，为全反射；,Refraction,Refraction,is governed by Snells Law and describes reflection where sound strikes the boundary of two tissues at an oblique angle. The reflections generated do not return directly back to the transducer. The angle of refraction is dependent on two things; the angle the sound wave strikes the boundary between the two tissues and the difference in their propagation velocities. If the propagation velocity is greater in the first medium, refraction occurs towards the center, or perpendicular (A). If the velocity is greater in the second medium, refraction occurs away from the originating beam (B). Because sound is not reflected directly back to the transducer, the image being depicted may not be clear, or potentially altered, “confusing” the ultrasound system since it assumes that sound travels in a straight line.,折射引起的超声伪差,图,2-4-7,折射引起的伪差,指定教材,目前，关于生物医学超声的参考书很多；但是从教十年多来，一直很难找到一本非常适合本科生的教材。这也是编者下定决心编写本书的主要原因之一。本书的内容主要包括超声物理基础，压电效应与换能器技术，超声成像诊断原理，超声治疗技术，医学超声实验，医学超声的最新进展等。每章节都配置了一定量的练习与思考题，以帮助读者巩固书中的内容，并提高分析解决问题的能力。为配合双语教学，本书保留了关键专业词汇的中英文对照。,本书的特点是在注重基本概念，基本原理，基本方法的同时，兼顾一定的工程技术实用性，如包含声场的数值模拟，超声图像的,C,语言程序处理，超声波发射电路原理，换能器的匹配技术等。本书适合医学超声以及相关领域的本科生作教材，也可供该领域的研究生，科研及工程技术工作者参考。,三、超声波多层透射与声耦合,三、超声波多层透射与声耦合,超声波在特征阻抗相差很大的两种介质的界面传播，会发生很强的反射。解决的办法，就是增加一层超声耦合剂。如：油或者石蜡等。,Z,2,Z,1,Z,3,p,i,p,ri,p,t2,p,r2,p,t3,I,t3,I,i1,l,2,d,多层介质中的透射与反射,三、超声波多层透射与声耦合,声强透射系数：,(13),l,2,为中间薄层厚度，,k,为波数,=2/,三、超声波多层透射与声耦合,分情况讨论,l,2,相当于没有耦合剂,l,2,n,/2,与上相似,l,2,（,2n,1,）,/4,，即,1/4,波长的奇数倍。且,Z,2,等于,Z,1,Z,3,的平方根的时候，也发生声波的全透射。,(,请详细推导如上三种情况,),四、超声耦合剂,耦合剂是一种由新一代水性高分子凝胶组成的医用产品。,PH,值为中性，对人体无毒无害，不易干燥，不易酸败，超声显像清晰，粘稠性适宜，无油腻性，探头易于滑动，可湿润皮肤，消除皮肤表面空气，润滑性能好，易于展开；,对超声探头无腐蚀、无损伤；,对皮肤无刺激、无过敏反应，且易擦除,具有良好触变性且不流淌,操作容易掌握；,不污染衣物，易于清洗；,稳定性好，不受气候变化影响。,超声耦合剂的成分,本讲思考题,1,、多（三）层介质的超声传播模型，在满足一定的条件下，会发生全透射。这一结果是否与超声波在不同介质界面上的反射定律相矛盾？为什么？该如何解释？,注：超声反射定律：超声波遇到声阻抗率不同的两种介质,Z1,，,Z2,的界面时，会发生反射。声压反射率只与介质的特性阻抗有关。难道在三层介质模型全透射情况下，超声波从介质,Z1,传播到到介质,Z2,没有发生反射吗？如何解释这一矛盾？,指定教材,目前，关于生物医学超声的参考书很多；但是从教十年多来，一直很难找到一本非常适合本科生的教材。这也是编者下定决心编写本书的主要原因之一。本书的内容主要包括超声物理基础，压电效应与换能器技术，超声成像诊断原理，超声治疗技术，医学超声实验，医学超声的最新进展等。每章节都配置了一定量的练习与思考题，以帮助读者巩固书中的内容，并提高分析解决问题的能力。为配合双语教学，本书保留了关键专业词汇的中英文对照。,本书的特点是在注重基本概念，基本原理，基本方法的同时，兼顾一定的工程技术实用性，如包含声场的数值模拟，超声图像的,C,语言程序处理，超声波发射电路原理，换能器的匹配技术等。本书适合医学超声以及相关领域的本科生作教材，也可供该领域的研究生，科研及工程技术工作者参考。,本讲思考题,2,、在,B,超诊断过程中，耦合剂的厚度是如何控制的？应该如何解释？,3,、请详细推导三层介质模型下，什么情况下发生全透射，什么情况下发生全反射,?,