第七章超声波物理

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,第七章 超声波物理,超声波是一种高频机械波。它的声源振动频率超过,2,兆,Hz,。诊断用超声频率在,1,兆,Hz,至,100,兆,Hz,之间。它的特点是频率高、波长短、方向性强、能量大、危害小。 之所以称为超声波是因为我们人耳感觉不到它，超出了人耳的感觉范围。人耳能够感知到的机械波频率是,2020000Hz,，该波段称为声波。 通常机械波的频率划分为三个波段：,次声波,、,声波,、,超声波,。,次声波,：频率在,0,至,20Hz,波段。次声波是一种每秒钟振动数很少，人耳听不到的声波次声的声波频率很低，一般均在20赫兹以下，波长却很长，传播距离也很远地震、火山爆发、风暴、海浪冲击、枪炮发射、热核爆炸等都会产生次声波。它比一般的声波、光波和无线电波都要传得远例如，频率低于1赫的次声波，可以传到几千以至上万公里以外的地方1960年，南美洲的智利发生大地震，地震时产生的次声波传遍了全世界的每一个角落！1961年，苏联在北极圈内进行了一次核爆炸，产生的次声波竟绕地球转了5圈之后才消失！次声波具有极强的穿透力，不仅可以穿透大气、海水、土壤，而且还能穿透坚固的钢筋水泥构成的建筑物，甚至连坦克、军舰、潜艇和飞机都不在话下次声穿透人体时，不仅能使人产生头晕、烦躁、耳鸣、恶心、心悸、视物模糊，吞咽困难、胃痛、肝功能失调、四肢麻木，而且还可能破坏大脑神经系统，造成大脑组织的重大损伤次声波对心脏影响最为严重，可导致死亡。 人体内脏固有的振动频率和次声频率相近似（0.0120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“共振”，从而使人产生上面提到的头晕、烦躁、耳鸣、恶心等等一系列症状特别是当人的腹腔、胸腔等固有的振动频率与外来次声频率一致时，更易引起人体内脏的共振，使人体内脏受损而丧命。,声波,：频率在,20,至,20000Hz,波段，又称可听声。人耳感知在该频段内的灵敏度也有区别。,超声波,：频率大于,20000Hz,的机械波。它方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，在密度较大的固体及液体中传播距离远，可用于测距、工业探伤、医用超声（,A,、,B,、,M,、,D,）、清洗、焊接、钻孔、碎石、杀菌消毒等。 目前，医生们应用的超声诊断方法有不同的形式，可分为,A型、B型、M型及D型四大类,。,A型,：是以波形来显示组织特征的方法，主要用于测量器官的径线，以判定其大小。可用来鉴别病变组织的一些物理特性，如实质性、液体或是气体是否存在等。,B型,：用平面图形的形式来显示被探查组织的具体情况。检查时，首先将人体界面的反射信号转变为强弱不同的光点，这些光点可通过荧光屏显现出来，这种方法直观性好，重复性强，可供前后对比，所以广泛用于妇产科、泌尿、消化及心血管等系统疾病的诊断。,M型,：是用于观察活动界面时间变化的一种方法。最适用于检查心脏的活动情况，其曲线的动态改变称为超声心动图，可以用来观察心脏各层结构的位置、活动状态、结构的状况等，多用于辅助心脏及大血管疫病的诊断。,D型,：是专门用来检测血液流动和器官活动的一种超声诊断方法，又称为多普勒超声诊断法。可确定血管是否通畅、管腔是否狭窄、闭塞以及病变部位。新一代的D型超声波还能定量地测定管腔内血液的流量。近几年来科学家又发展了彩色编码多普勒系统，可在超声心动图解剖标志的指示下，以不同颜色显示血流的方向，色泽的深浅代表血流的流速。现在还有立体超声显象、超声CT、超声内窥镜等超声技术，并且还可以与其他检查仪器结合使用，使疾病的诊断准确率大大提高。,第一节 超声波的基本性质,一、超声波的分类,超声波按振动方式分类,：纵波和横波。在固体中声振动可以传播纵波和横波，但一般在液体和气体中，由于介质没有切变弹性，只能传播纵波。人耳只能感受纵波。,超声波在临床按频率分类,：,1,、低频超声,12.75MHz,频段；,2,、中频超声,310MHz,；,3,、高频超声,1220MHz,；,4,、超高频超声,20MHz,以上。,超声波按发射方式分类,：连续和脉冲两类。连续超声波一般为正弦波，它的频率和振幅都不随时间变化而变化。如图：脉冲式超声波，一般为阻尼衰减振荡波，如图,7-1,。临床使用的超声波就是脉冲式超声波。,脉冲式超声波的几个重要物理量：,1,、,脉冲宽度,，即振动持续的时间。每个脉冲所占据的时间。临床常用是,1.55us,之间。,2,、,脉冲重复周期,T,，是指两个脉冲前沿相隔的时间。,3,、,脉冲重复的频率,f,，每秒钟内脉冲重复出现的次数。常用的是,502000Hz.,f=1/T,4,、,间歇期,Tr,，指相邻脉冲之间的间歇时间，又叫静止期。,5,、,占空因子,S,，指脉冲宽度与间歇期之比。通常在,0.0075%1%,之间。,6,、,峰值功率,P,，脉冲发射期间的最大功率。,7,、,平均功率,A,，单位时间内输出的功率。它等于脉冲占空因子和峰值功率之积。,二、超声波产生的机制,产生超声波有两个,重要的条件,：高频声源和传播超声的介质。临床实现超声的发射和接收是通过超声探头来实现。其核心部件就是一种压电陶瓷。自然界中有些电介质具有压电效应，所谓压电效应是指某些电介质在受到某一方向的外力作用而发生形变（包括弯曲和伸缩形变）时，由于内部电荷的极化现象，会在其表面产生电荷的现象。压电材料 它可分为压电单晶、压电多晶和有机压电材料，这些材料具有以下特性：,1,、,电致伸缩效应,由电场作用引起材料内部正负电荷重心发生相对位移，使材料内部产生应力导致宏观几何变形，这种电能转变成机械能的效应称为电致伸缩效应。产生机制：介质内部存在极化现象，具有类似于铁磁体的磁畴样的电畴，这些电畴在介质中（如压电陶瓷）自发存在并形成一种分子集团，自发产生一定的电场。电畴长度在电场方向上有差别。外加电场时，电畴发生转到，介质内电场与外电场方向一致，介质的几何长度随之发生变化。由此介质将随外电场的变化而发生几何变化，即机械振动。而在介质中产生机械波，其频率与外加电场频率一致。超声探头就是利用电致伸缩效应将电压转变为声压，向人体发射超声。,2,、,压电效应,某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。,3,、,压电材料的选择,压电陶瓷是一种多晶材料，如果温度发生变化，晶体内部结构也发生变化。当温度高于某一临界值,Tc,时，电畴结构完全解体，压电效应也自行消失，物理学成这一临界温度为材料的居里点。例如锆钛酸铅（,PZT),大约在,300388,，钛酸钡为,120,。,4,、,压电效应的主要参数,：,压电接收常数,g,它是指压电片单位形变所产生的电位移，表示换能器接收性能的好坏，其单位是,V.M.N,-1,表示。,g,越大越好。压电发射常数,d,它是指应力不变时，由电场变化引起的应变的变化。,d,越大越好。,三、声速、声压、声强与声阻抗,1,、声速（音速） 声在弹性介质中传播时，单位时间内传播的距离称为声速。用符合,C,表示，单位,ms,-1,。声音可以在气体、液体、固体中传播，受到压强、密度、温度影响。超声的传播速度与一般音速相同，其大小与介质的弹性、密度、波动的类型有关。,在固体中平面波的声速为：,其中，,Y,是杨氏模量；,G,是切变模量；,p,是介质的平均密度。,在医用频率内，液体、气体只能传播纵波。设人体的体积弹性模量为,B,，,介质的密度为,p,则人体内的声速为,:,超声波在人体软组织的传播速度约为,1500ms,-1,。在骨骼中的速度约为软组织的,3,倍。,2,、声压,指在某一瞬时压强相对于无声波时的压强,P,0,变化（改变量）。符号P，单位N/ (牛顿/平方米 ) ，或Pa(帕斯卡）。超声在介质中传播，介质的密度随之做周期性变化，介质中的压强也就随之变化。由声波的动力学方程可知，声压的表达式是：,3,、声强,声传播时也伴随着能量的传播,用单位时间内通过垂直于声波传播方向的单位面积的能量(声波的能量流密度)表示,声强的单位是瓦/平方米声强的大小与声速成正比，与声波的频率的平方、振幅的平方成正比超声波的声强大是因为其频率很高，炸弹爆炸的声强大是因为振幅大 声音强度由振动幅度的大小决定，以能量来计算称声强,。,声强（I）与声压（P）的关系为：,4,、声阻抗 声波传导时介质位移需要克服的阻力。是声学介质的重要物理量，因介质的密度为,，声速为,c,则声阻抗,:Z=.c,，单位是,N.s.m,-3,。常见的人体组织的声阻抗见表,7-1,人体组织的声阻抗可分为三类：,低声阻的气体或充气组织。如：肺部组织 中等声阻抗的液体和软组织。如：肌肉 高声阻抗的矿物组织。如骨骼。声阻抗相差,1%,的组织都能得到回声波而被测量和诊断。,5,、,声强级和声压级,由于人耳对声音强度的感知范围巨大，比较两个不同声强的声波时就带来不便。研究发现，人耳对声强的感知与声强的对数成一定的比例关系。所以在声学中常用声强比的对数来比较两个声音的大小。以,1000Hz,的声音为标准，,声强级定义为,：,L,I,=10lgI/I,0,(dB) ,其中,I,0,为基准声强，取,I,0,=10,-12,W.m,-2,。声强级的单位是贝尔（,B,）或分贝（,dB,），,1,贝尔,=10,分贝。,声压级,声压级定义,为：,L,P,=20lgp/p,0,因为声强正比于声压的平方所以，,L,I,=L,p,二者在数值上相等。只是表现形式不同。,临床常常使用声强级来表示仪器探测的灵敏度。设仪器的灵敏度为,H,，则,H=10lgI,1,/I,2,其中，,I,1,为探头发出的始波声音强度，,I,2,为仪器可以探测的最小声音强度。,H,又可表达为：,H=20lgU,1,/U,2,或,H=20lgA,1,/A,2,U,1,U,2,分别表示输入、输出电压；,A1 A,2,为相应的声压信号幅值。,H,又称为仪器的增益。,第二节 超声场,超声场是指超声在弹性介质中传播时，超声能量在空间分布状态的描述。常用声强分布或声压分布来描述。,一、圆形单晶片声源的超声场,1,、,超声场轴线上声压的分布,在圆形单晶片声源的超声场中，轴线上,近场区声压分布,并不是均匀的，有极大值和极小值随声程,x,的变化而变化。范围在,02P,0,。其分布规律可用公式,7-14,来表达。极大值和极小值沿声程,x,的分布如图,7-3,。晶体直径,d,越大，频率越高，则近场声压分布就越不均匀。在圆形晶片的,远场区,，声压呈单值变化。,2,、,超声场的角分布,圆形活塞辐射器的声压分布除了在中心轴线上的分布不均匀以外，在中心轴的声压分布也是不均匀的。其特点是中心部分出现一个主瓣，在主瓣两边出现许多付瓣，这个现象被称为,换能器的指向性,。如图,7-4,二、声束的聚焦,在超声诊断中，探头辐射的声束宽度是限制横向分辨率的主要原因。为了减小声束宽度，常采用的方法之一是使用声聚焦探头。在超声治疗中，可使声束在聚焦区域有最大的强度，以集中治疗肿瘤组织等，而聚焦区以外的正常组织不被破坏。,1,、超声聚焦原理,超声束可以像光束一样，利用透镜使之聚焦。在声程,x,大于晶片半径,a,及焦距,f,大于晶片半径,a,的情况下，聚焦声束轴线上的声压幅值可以近似为：,临床应用时，希望焦点直径,d,越小越好，而焦距,f,大一些好。由上式可知：这是矛盾的。所以，要根据使用环境综合考虑。,2,、声聚焦的方法,目前常用的声聚焦方法有如下几种：,声透镜聚焦,就像光束一样，利用声透镜使之聚焦。原理是：透镜材料（固体）中声速大于镜外液体或人体组织中的声速，用凹透镜实现聚焦。,曲面换能器,将换能器制作成凹形球面，由压电晶体发出聚焦的超声波。又称聚焦晶片探头。,电子聚焦,是,B,型超声广泛使用聚焦方式。,采用多晶片线阵模式，如图,7-5,所示。 多晶片电子聚焦换能器把压电晶片排列成线型阵列，激励脉冲电压在电子开关控制下按一定的延迟时序激励晶片。,第三节 超声在介质中的传播,在声学中介质的分类是以声阻抗来划分的。声波介质界面就是声阻抗不同的介质分界面。即：只要声阻抗相同，不管其构成，都是相同的声学介质。超声可以在不同的介质中传播。,一、反射与透射,超声波在介质中传播时，一般遵循几何声学的原则：,以直线传播,遇到界面时会发生反射和透射。如图,7-6,发生反射和折射的条件,是,：,1,、界面的线度远大于声波波长及声束的直径；,2,、介质的声阻抗在在界面处发生突变。两个连续条件：在界面上,声压连续,，即界面两侧的声压相等。 在界面上,法向速度连续,，即质点的振动速度在垂直界面的分量相等。在临床上检测的就是反射回声即反射波，它携带了体内脏器轮廓、包膜、大小、壁厚、长度等信息。如,B,超的断面成像原理,1,、,反射系数,。超声在不同介质中反射能量的大小可由反射系数来衡量。设声压反射系数为,r,p,由声压连续性可知：,p,i,+p,r,=p,t,其中，,p,i,为入射声压，,p,r,为反射声压，,p,t,为透射声压。由声速、声压、声阻抗的关系可知：讨论：当,Z,2,Z,1,时，,r,p,1,声波几乎全部被反射。如空气和水，软组织和骨骼。当,Z,2,Z,1,时，,r,p,-1,，这相当于发生全反射，反射波与入射波相位改变,，即半波损失。当,Z,1,=Z,2,时，,r,p,=0,超声无反射，即全透射。当,z,1,Z,2,时，则反射系数,r,p,0,，反射波与入射波处于反相状态。声强反射系数定义为反射声强与入射声强之比，则有,r,I,=r,p,2,也可用对数表示。,L,I,=10lgI,i,/I,r,=-20Lgr,p,。,2,、全反射 超声波的折射定律与光波的折射定律相同,，,这个角对于超声诊断设备的使用来说是很有意义的。在诊断过程中要避免产生全反射而增强超声波的使用效率。探头与皮肤之间如果是水，临界角是,76,0,30,；如果是石蜡（超声耦合剂成分之一），临界角是,67,0,10,。实际操作是探测角不会超过正负,24,0,。全反射不会发生。,3,、透射系数,超声在不同介质中透射能量的大小可以由透射系数来衡量。声压的透射系数,tp,由透射声压,pt,和入射声压,pi,之比来表示。,tp=pt/pi,。因界面上声压连续和法向速度连续条件及反射定律可知：,二、衍射与散射,超声波在传播过程中遇到障碍物的线度尺寸可以和超声波波长相比拟时，超声就会发生衍射和散射现象，,1,、,衍射,绕过障碍物而传播的现象就叫衍射。由于衍射的产生与障碍物的线度有关，声波遇到障碍物时会发生两种现象：（,1,）声影：由于障碍物线度相对较大，声波在绕过障碍物时，在障碍物之后会有不能到达的空间，该空间称为声影。在临床诊断中，声影表现为暗区，是探测盲区，如下图胆结石。 （,2,）与波长相仿的病灶探测不到。由于存在反向散射，由此判断病灶的性质，如脂肪肝。,2,、,散射,超声波在传播过程中遇到界面或障碍物的线度小于且接近超声波波长时，超声将发生散射现象。散射无方向性。利用散射现象测量液体中固体物的浓度。,三、声波在介质中的衰减规律,1,、,衰减的概念,声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，其声强逐渐减弱的现象称为声波的衰减。导致衰减的原因主要有以下几个方面：（,1,）,扩散衰减,：声波在传播过程中因空间扩散造成的能量分布变化而产生的衰减。与介质无关。（,2,）,散射衰减,：声波在传播过程中因介质散射而造成传播方向的能量降低产生的衰减。（,3,）,吸收衰减,：声波在传播过程中因介质吸收使传播能量下降的的现象，与介质的粘度、密度、温度 、有关。,2,、,介质吸收衰减规律,设超声沿,X,轴正向传入均匀介质。在,X=0,处强度幅值为,I,0,，在薄层,dx,内，强度衰减了,-dI,则有：,-dI=,Idx,积分得：,I=I,0,e,-x,。介质中任意一点，在,t,时刻的吸收规律为：,3,、,生物组织的主要声学参数,（,1,）衰减系数,，由吸收系数和衰减系数两部分组成（,2,）半径层超声强度衰减到一半时传播的距离（,3,）混响时间：声源停止后，声场某点仍存在声波的延续时间。,第四节 多普勒效应,多普勒效应是为纪念奥地利物理学家及数学家克里斯琴约翰多普勒（Christian Johann Doppler）而命名的，他于1843年首先提出了这一理论。主要内容为：物体辐射的波长因为波源和观测者的相对运动而产生变化。在运动的波源前面，波被压缩，波长变得较短，频率变得较高 （蓝移blue shift）；当运动在波源后面时，会产生相反的效应。波长变得较长，频率变得较低 （红移red shift）。波源的速度越高，所产生的效应越大。根据波红（蓝）移的程度，可以计算出波源循着观测方向运动的速度。,一、声波的多普勒效应,当声源或接收体或两者同时相对介质运动时，接收体接收到的声波频率发生变化的现象，称作声波的多普勒效应。,1,、,波源和接收体的相对运动发生在两者的连线上,。设波源的频率是,f,，波长为,，波速为,c,，周期是,T,，波源相对于介质的运动速度为,u,，接收体相对于介质的运动速度为,v,则接收到的频率：,2,、,波源与接收体的相对运动方向成一定角度,。将速度分解后，只考虑有关的分速度即可。设波源相对于介质的运动方向的夹角是，接收体相对于介质运动运动方向的夹角是，则：,二、多普勒频移的数学表示,1,、,多普勒频移公式,。 如图,7-13,是利用超声多普勒效应测量血液流速的示意图。设入射波的频率、声速、波长分别是,f,0,、,c,、和,i,，（,-,i,）是入射波与运动目标速度矢量夹角。反射波与速度矢量夹角为,r,。图示说明，这里产生了两次频移。第一次是发射探头到血液，第二次是血液到接收探头。根据上述多普勒频移公式得：,三、频移信号的采集,1,、,血流方向的判定,：当血流方向朝向发射探头及接收探头时，此方向为速度矢量的正方向；相反，当血流方向背离发射探头及接收探头时，速度矢量方向为负。将其带入上述多普勒频移公式即可求得血液的流动方向，即,f,d,的正负就代表了血液流动的方向。,2,、,最大频移信号的取得,：由多普勒频移公式可知，当声束与血流方向平行时，频移最大。考虑到损耗和效率等问题，临床常常采用,45,0,。,3,、,测量高速血流,多普勒频移,f,d,的大小与探头频率成,f,0,正比，与声速,c,成反比。由多普勒频移公式表明，对于定值,f,d,来说，,f,0,越小，测得的流速,V,就越大。因此，要测量高速血流就尽可能使用低频探头。,4,、,K,值（探头定标系数）,由多普勒频移公式得,v,=f,d,c/2f,0,cos,，临床应用时，,f,0,是定值，声速,c,是定值，令,K=c/2f,0,（定标系数），则,v=k(f,d,/cos),如平行于血液流速，则,V=Kf,d,。,在新型超声设备中，已经自动转换为血流速度了。,