超声医学的物理基础-医学课件

,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,*,*,超声医学的物理基础-医学课件,第一节,声波的定义,12/1/2024,2,一、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,12/1/2024,3,二、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。,12/1/2024,4,三、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。,12/1/2024,5,第二节,声波的物理参数,12/1/2024,6,一、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）。,20000Hz,：,超声波,医用常为：,210MHz,12/1/2024,7,二、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：,12/1/2024,8,二、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,12/1/2024,9,三、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。,12/1/2024,10,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 ,12/1/2024,11,四、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Kgm2s,12/1/2024,12,第三节,超声波的特性,12/1/2024,13,一、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。,12/1/2024,14,一、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 C1,12/1/2024,15,一、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：,Z1Z2Kp cos Z1Z2,12/1/2024,16,一、声反射,当超声波垂直入射界面时，即ir0 时，则反射系数Kp为：,Z1Z2 Kp,Z1Z2,12/1/2024,17,一、声反射,当Z1Z2时，p0，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。,12/1/2024,18,二、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 C2,12/1/2024,19,二、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：,12/1/2024,20,二、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。,12/1/2024,21,三、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。,12/1/2024,22,四、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。,12/1/2024,23,四、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。,12/1/2024,24,五、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。,12/1/2024,25,六、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,12/1/2024,26,六、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。,12/1/2024,27,七、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。,12/1/2024,28,七、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,12/1/2024,29,七、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，fd0。,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。,12/1/2024,30,第四节,超声波的发生与接收,12/1/2024,31,一、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。,12/1/2024,32,1、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。,12/1/2024,33,2、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。,12/1/2024,34,3、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。,12/1/2024,35,二、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。,12/1/2024,36,1、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：,Pvc,12/1/2024,37,2、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,12/1/2024,38,3、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/cm2,12/1/2024,39,4、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),12/1/2024,40,5、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：,Sin0.61 r,12/1/2024,41,6、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。,12/1/2024,42,7、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。,12/1/2024,43,三、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,12/1/2024,44,1、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,12/1/2024,45,2、横向分辨力,定义：是指在垂直于超声波束轴的平面上可区,