第一章物理基础选编课件

,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,*,*,2024/9/16,1,超声医学的物理基础,2024/9/16,2,声波的定义,2024/9/16,3,一、定义,定义：,物体的机械性振动在具有质点和弹性的媒介中,的传播现象称为波动，而能引起听觉器官有声,音感觉的波动则称为声波。,振源 ：,声带、音叉、鼓面,介质：,空气、人体组织,接收：,鼓膜、换能器,分类：,纵波、横波,2024/9/16,4,二、纵波,定义：即介质中质点沿传播方向运动的波。,介质发生周期性疏密,变化，为胀缩波。,存在于理想流体（气,体和液体,),中。,除骨路、肺外人体组,均以纵波传播。,诊断与治疗的超声主,要是纵波传播。,2024/9/16,5,三、横波,定义：是指介质中的质点都垂直于传播方向运动的波,只能使介质形变，不,能体变，为畸变波,存在于高粘滞液体或,固体。,人体骨骼不但传播纵,波，还传播横波。,2024/9/16,6,第二节,声波的物理参数,2024/9/16,7,一、频率与周期,定义：,介质在每秒钟内振动的次数为频率（,f,）,单位,为,Hz,，而在平衡位置来回振动一次的时间则称,为周期（,T,）。,20000,Hz,：,超声波,医用常为：,2,10MHz,2024/9/16,8,二、声速,定义：,指声波在传播介质中的运行速度，用,c,表示。,在不同的介质中声速有所差别，它取决于介质的弹性（,k,）和密度（,）。通常，弹性（）密度（,）比大的物体声波传播的速度高，反之则低，即：,2024/9/16,9,二、声速,从声波传播速度考虑，人体组织可分类：,软组织：约,1541m/s,气 体：约,350m/s,骨 骼：约,3852m/s,医 用：以软组织的,平均声速,t,组织厚度,=, 2,可通过声速测量软组织的厚度,2024/9/16,10,三、波长,定义：声波在完成一次完全振动的时间内所传播的距,离称为波长，以,表示。,超声在同一介质中传播时，由于声速已确定不变，频率与波长间的关系为：频率愈高则波长愈短；频率愈低则波长愈长，两者间呈反比。,2024/9/16,11,综上所述,频率、声速与波长间的关系如下：,c =,或,c=f f,周期,(T),为频率的倒数，即：, ,故：, 或 ,2024/9/16,12,四、声阻抗,定义：介质中某点的声压,P,与质点振动速度,V,之间比为,该点的声阻抗（,Z,）。,意义：表示介质传播超,声波能力的重要,物理量。,数值：决定与介质密度,与该介质中的,声速,C,。,Z=C,单位为,Kg,m2s,2024/9/16,13,第三节,超声波的特性,2024/9/16,14,一、声反射,定义：声波传播到两种阻抗不同的介质界面上，,如界面尺寸远大于波长时，便会引起部,分或全部声能的返回。,反射波的声压与入射波的声压成正比，并与两种介质的声特性阻抗、声速和入射角等因素有关。,2024/9/16,15,一、声反射,反射定律：入射角,i,的正弦与反射角,r,的正弦之比，等于入射波在第一介质中的声速,Cl,与反射波在同一介质中的声速,C1,之比。,Sini,Cl,Sinr C1,2024/9/16,16,一、声反射,两种介质的声特性阻抗相差越悬殊，声反射就越强烈；反之，声反射就弱，其强弱可用反射系数,Kp,来表示。,Kp,与界面两边介质的声阻抗,Z1,和,Z2,的关系公式如左：,Z1,Z2Kp, cos Z1,Z2,2024/9/16,17,一、声反射,当超声波垂直入射界面时，即,i,r,0,时，则反射系数,Kp,为：,Z1,Z2 Kp,Z1,Z2,2024/9/16,18,一、声反射,当,Z1,Z2,时，,p,0,， 无反射,当,Z1Z2,或,Z1Z2,时， 有反射,如,Z1Z2,或,Z1Z2,时， 全反射,利用反射，提取信息，进行诊断,皮肤与空气声阻差大，用耦合剂,不适肺、肠、骨等组织器官检查,结论：,超声波在界面上反射的大小取决于,界面两边介质的声阻差。,2024/9/16,19,二、折射,定义：因介质中声速的空间分布而引起的声传,播方向改变的过程。,折射定律：入射角,i,的正弦与折射角,t,的正弦之比，等于入射波在第一介质中的声速,cl,与折射波在第二介质中的声速,c2,之比，即：,Sini Cl,Sint,C2,2024/9/16,20,二、折射,使折射角为,90,时的入射角称为临界角，当入射角超过临界角时，相应的折射波消失，出现全反射。,侧方声影误诊；,错位影响穿刺；,全反射无法检查。,作超声检查时，需尽可能将声束垂直于界面，否则将会引起：,2024/9/16,21,二、折射,当声波从一种小声速介质向大声速固体介质入射时，声波经过这两种介质的分界面后出现折射波，而且其折射角大于入射角，反之亦然。,2024/9/16,22,三、绕射,超声波在介质中传播过程中，遇到尺寸相当于声波波长的声阻抗界面时，声波将绕过此界面，继续向前传播，致使超声波无法检测到该障碍物，这种现象称为声波的绕射。,2024/9/16,23,四、散射,定义：超声波在介质中传播过程中，如遇到尺寸远小于,声波波长的声阻抗界面时，则声波将使其成为新,的声源，使得声波能量向四面八方发射，这种现,象称为声波的散射。,超声仪收到的声波是背向,散射。,血流中的红细胞是多普勒,超声检测血流的基础。,各种软组织从微观的角度,看都非均匀组织，均可产,生超声波的散射。,2024/9/16,24,四、散射,散射的强弱不仅取决于界面的声阻差，而且还与障碍物的大小和数量有关，此外还与声波的频率有着密切的关系，通常散射强度与声波频率呈正比。,散射发生在人体内软组织内的微小界面；,反射产生与体内大器官的界面；,散射与反射均为声波能量衰减的重要因素；,反射与散射均是回波型超声仪的物理基础。,2024/9/16,25,五、衰减,定义：,声波在介质内的传播过程中，随着传播距,离的增大，声波的能量逐渐减少，这一现,象称为声波衰减。,影响因素：,吸收：,组织特性使声能转换为热能；,反射：,声波的反射使得能量减弱；,散射：,声波的散射使得能量减弱；,频率：,超声衰减与超声频率呈正比；,声束扩散：,单位面积内的能量减少。,2024/9/16,26,六、惠更斯原理,定义：,声介质中波动传到的各点都可看作是发射,子波的波源，这些子波的包迹就决定了新,的波阵面。,平面波,球面波,2024/9/16,27,六、惠更斯原理,临床应用：,通过相位控制，使发射波束左右偏转，获得扇形图像；亦可使声束聚焦，以提高横向分辨力。,2024/9/16,28,七、多普勒效应,定义：,声源与接收器在连续介质中存在着相对运,动时声波频率将发生改变。,当声源与接收器作相对运动时，接收器接收到的声波频率高于声源所发出频率，如两者作相反运动时，则低于发出频率，两者的频率差（频移）与相对运动速度成正比。,2024/9/16,29,七、多普勒效应,在超声医学诊断中，超声多普勒技术可用于检测心血管内的血流方向、流速和湍流程度、横膈的活动以及胎儿的呼吸等。,探头工作时，换能器发出超声波，由运动着的红细胞发出散射回波，再由接收换能器接收此回波。因收换能器所收到的超声回波的频率经两次多普勒效应，多普勒频移的表达式为：,2vcos fd,：声波波长，,v,：血流速度,：声波方向与血流方向夹角,2024/9/16,30,七、多普勒效应,由此可见：当血流流向换能器时，,fd,为正值,(,接收频率高于发射频率,),；当血流流离换能器时，,fd,为负值。当,角为,2,时，,fd,0,。,频谱多普勒超声仪上通常将正频移设为正向波，负频移为负向波。而彩色多普勒则将正频移设为红色，负频移为蓝色。,2024/9/16,31,第四节,超声波的发生与接收,2024/9/16,32,一、压电效应,定义：,对某些非对称结晶材料进行一定方向的加压或拉伸时，其表面将会出现符号相反的电荷，这种现象称为压电效应。,具有此性质的材料称为压电材料，分为压电晶体、极化陶瓷、高分子聚合物和复合材料等。,2024/9/16,33,1,、正压电效应,定义：,由外力作用引起的电介质表面荷电效应，,称为正压电效应。,结晶受到特定反向的加压或拉伸而发生形变时，在其两个受力界面上引起内部正负电荷中心相对位移，,在两个界面产生等量异号电荷,，其电荷密度与所施加的外力成正比。,2024/9/16,34,2,、逆压电效应,定义：,由在外场作用下，晶体将产生几何变形，,称为正压电效应,(,亦称电致伸缩效应,),。,沿一定方向在晶体表面施加一电场，则在电场力的作用下，引起电介质内部正负电荷中心发生位移，这一极化位移导致了晶体的,几何应变,，这是一种相反的压电效应。,2024/9/16,35,3,、超声换能器,定义：,利用逆压电效应将电能转换成超声能发射,超声，利用正压电效应将超声能量转换成,电能接收超声。,将压电晶片置于交变电场内，该晶片即进入振动状态，振动频率与激励交变电场频率相同。当频率大于,20kHz,时，便成了超声源。同样，该压电晶体片亦可接收超声波，它通过压电效应把超声波转变为电信号，以供分析检测。,2024/9/16,36,二、声场,定义：,超声场是介质中有声波能量存在的空间范,围。其,强弱是用声压和声强来表示。,不同的超声源和传播条件将形成不同的声波能量的空间分布。,在接近声源的一段距离称为近场，离声源距离较远的声场称为远场。,2024/9/16,37,1,、声压,定义：,声压,(P),是有声波时介质中的压力与静压,的差值，单位为,Pa,。,声压与介质的密度,(),介质质点的振动速度,(v),，以及超声波在该介质中的传播速度,(c),呈正比，即：,P,vc,2024/9/16,38,2,、声强,定义：,声强,(I),是在单位时间内，通过与声波传,播方向垂直的单位面积上的平均能量，单,位是,W/m2,。,声强和声压的平方呈正比，与介质密度和声速之和反比，即：,P2 I,2c,2024/9/16,39,3,、功率,定义：,超声功率指在单位时间内通过介质的能量。,单位是瓦,(W),或毫瓦,(mW),。,超声仪发射的超声能量用超声功率表示，仪器的发射功率高，仪器的灵敏度也高，但安全性却降低了。,安全剂量,10W/cm2,2024/9/16,40,4,、近场,定义：,对于一个圆形的超声换能器,(,声源,),，在接近声源的一段距离,(,称为近场,),，声束的直径略小于换能器的直径，呈圆柱形。,近场区内声压、声强起伏变化很大，是超声诊断中的死区。,近场的长度与声源的尺寸、频率和介质声速有关，即：,r2,L(,近场,),2024/9/16,41,5,、远场,定义：,离声源距离较远的声场，声束则会产生扩,散而呈喇叭形，此时的声场称为远场。,远场的瞬时声压与瞬时质点速度同相，故其声压分布是随距离增加而单调地下降，较平稳。,声束在远场的扩散由扩散角,所决定，扩散角,的大小亦与,呈正比，与呈反比，即：,Sin,0.61 r,2024/9/16,42,6,、指向性,定义：,声源在远场形成波束的这种方向特性称为,指向性。,同一换能器在不同频率下工作，其指向,性将随频率的提高而趋明显。,指向性差的声束不仅横向分辨力差，且,灵敏度低和易引入伪像。,常采用聚焦法改善声束的特性。,2024/9/16,43,7,、指向性图案,指向性通常用指向性图案表示。中间离声束轴线最近的两极小方向间的声束部分称主瓣。在两相邻的极小方向间存有一较主瓣小的声束，称为旁瓣。,主瓣内聚集了大部分能量，故主瓣的立体角小，能量较集中。,旁瓣的高度越高，所占立体角越大，故主瓣以外能量多，能量较分散，它是产生伪像的原因之一。,2024/9/16,44,三、分辨力,定义：仪器或肉眼及其它感官对两个非常靠近,的物点或量值刚能加以识别的限度。,超声仪的分辨力是指能够分辨有一定间距的个界面的能力，通常用可分辨的两个界面间的最小距离来表示。也可用在单位距离内可分辩的点数来表示，后者是前者的倒数，称为“分辨率”。,分类：,轴向分辨力,横向分辨力,厚度分辨力,2024/9/16,45,1,、轴向分辨力,定义：又称“纵向分辨力”。指沿声束轴方向不,同深度超声仪可区分的两个点目标的最,小距离。,取决于,超声频率、脉冲长度,高分辨力,超声频率高、脉冲窄,高频探头,小儿、浅表器官,2024/9/16,46,2,、横向分辨力,定义：是指在垂直于超声波束轴的平面上可区,分两个点目标的最小距离。,取决于,声束的宽度,声束越窄，分辨力越高,聚焦提高横向分辨力,2024/9/16,47,3,、厚度分辨力,定义：厚度分辨力就是区分探头在厚度方向的,横向分辨力。,探头有一定厚度，故图像,为断层信息的叠加。,它与探头的曲面聚焦及距,换能器的距离有关。,厚度分辨力越好，组织的,切面情况越真实。,人有了知识，就会具备各种分析能力，,明辨是非的能力。,所以我们要勤恳读书，广泛阅读，,古人说“书中自有黄金屋。,”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，,培养逻辑思维能力；,通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，,培养文学情趣；,通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。,有许多书籍还能培养我们的道德情操，,给我们巨大的精神力量，,鼓舞我们前进,。,