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超声基础知识.docx
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超声根底局部
.何谓超声波诊断用超声波是如何产生的
人耳能感知的声波频率围为 。低于 者称为雌声波,高于
者称为超声波。医用诊断用超声波的围多在 。
超声波是机械波。可由多种能量通过换能器转变而成。医用超声波是由压电晶体〔压电瓷
等〕产生。压电晶体在交变电场的作用下发生厚度的交替改变,即机械振动。其振动频率
与交变电场的变化频率一样。当电场交变电频率等于压电晶片的固有频率时其电能转换为
声能〔电—声〕效率最高,即振幅最大。
压电晶体只有两种可逆的能量转变效应。上述在交变电场的作用下,由电能转换为声能,
称为逆压电效应。相反,在声波机械压力交替变化的作用下,晶体变形而外表产生正负电
位交替变化,称压电效应。
超声探头换能器中的压电晶片在连接电极电压交替变化的作用下产生逆压电效应称为超
声发生器而在超声波机械压力下产生压电效应又成为超声波接收器。这是超声波产生和
接收的物理学原理。
.超声波物理特性与其在介质中传播的主要物理量有哪些?它们之间有何关系?
〔〕频率〔〕:质点单位时间振动的次数称为频率〔〕。
〔〕周期〔〕:波动传播一个波长的时间或一个整波长通过某一点的时间〔〕。
〔〕波长〔〕:声波在同一传播方向上,两个相邻的相位相差 的质点间
的距离为波长〔 〕。
〔!〕振幅〔"#$%〕&振动质点离开平衡位置的最大位移称振幅,或波幅〔'〕。
〔〕声速〔($)()*(%*(%)($〕&单位时间,声波在介质中传播的距离
称声速〔+〕。介质不同,超声在介质中的声速度也不同,但是在同一介质中,诊断频段
超声波的声速可认为一样。声波在介质中的传播速度与介质的弹性系数〔,〕和介质密度
〔-〕有关。其声速与 , 和 - 比值的平方根成正比,即
式中 + 为声速,. 为式模量。
根据物理学意义,、、、 之间有以下关系:
=/,= = /), =/)
超声在人体软组织〔包括血液、体液〕中的声速约为 !"/*;骨与软骨中的声速约为
软组织中的 0 倍;而在气体中的声速仅为 !"/* 左右。
近年来的研究发现,不仅离体组织与活体组织有较大的声速差异,而且使用不同的固定溶
液、固定速度也常影响声速。此外,声速尚与组织温度有关。通常,非脂肪组织的声速随
温度上升而增快,脂肪组织的声速随温度上升而减慢。当脂肪组织由 ( 升到 !( 时,
声速可下降 %之多。在进展精细的研究工作时,这些因素必须予以注意。
〔1〕超声能量与能量密度:当超声波在介质中传播时,声波能到达之处的质点发生机械
振动和位移。前者产生动能而后者产生弹性势能。动能和势能之和组成波动质点的总能量
也即超声波的能量。声波在介质中传播的过程,也是能量在介质中传递的过程。
设介质的密度为 -声波传播到的质点体积元为△2,其位移为 3,△2 将鞠有的动能为
4,,产生的势能为 4#。那么:
4,=4#=/-'5〔△2〕*$5〔-3/〕
62 具有的总能量为:
4=4,7)4#=-'5〔△2〕*$5〔-3/〕
从表达式中可以看出超声波传播过程中总能量传递方式为:①介质振动质点的动能和势能
随时间同时发生周期性变化。②振动质点以获得能量又向下一质点放出〔传递〕能量的方
式传递声波。
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在超声波的传播中,表示单位体积介质中所具有的能量称为能量密度〔 〕。即:=
△/62=-'5*$5〔-3/〕
由前所述可知, 也时随时间而变化的。在一个周期中,其平均值为: =/-'5
〔单位:焦耳/厘米 ,8/"〕
即平均能量密度与振幅的平方、角频率的平方和介质密度成正比。因此,在能量密度一定
的情况下,,介质密度越小,振幅越大。
〔9〕声压:声压指声波在介质中传播时,介质单位截面积所产生的压力变化,也即介质
中有声波传播时的压强与无声波传播时的压强之差。根据声波传播的特点,声压也周期性
变化于正常值与负值之间,一个振动周期的声压为: :"=-+'5〔单位:;/"〕
即声强与介质密度〔-〕、振动幅度〔'〕、振动速度〔5〕和传播速度〔+〕成正比。
〔<〕声强与声强级别〔分贝〕:超声波在介质中传播时,单位时间通过与传播方向垂直
的单位面积的能量,称为超声强度,简称声强〔=〕。单位为瓦/厘米 〔4/","4/
" 〕 。 声 强 与 声 场 中 的 能 量 密 度 〔 〕 和 超 声 传 播 速 度 〔 + 〕 成 正 比 , 即 :
=>-+'5/
也即声强与振幅的平方、角频率的平方、介质的密度成正比。
声强可以小到每平方厘米数维瓦,也可以大到每平方厘米数千瓦。人耳对声强变化的分辨
能力较差,声强每增加 倍,人耳主观感觉只增加 倍。为了解决声强很大差异在表示
中的不便,在时间应用中,一般采用声强的自然数来表示声强的级别,称其为声强级
〔?〕,单位为贝尔〔@〕。实际应用中以贝尔的 / 为单位,称为分贝〔%@〕。按规定
以一个最低可闻声强〔=〕为基准来度量实际声强,即:?==/=〔%@〕
人耳能感受的声强围为 A4/-4/",即声强的级别为 -)%@。
〔B〕声功率:声功率指单位时间通过介质某一截面的声能量。单位为 8/*,即瓦特
〔4〕。
.什么叫声场、扩散角?
介质中有声波存在的区域称声场。声源小,频率低的声波呈球面状传播,称为球面波。如
人耳可闻之声波。声源足够大时,声波呈直线传播称为平面波。超声探头振动晶片的直径
为其振动波长的 倍以上。缺乏以形成完全的平面波,而是具有平面波和球面波的中间
性质,集中在一个狭小的立体角发射,即具有指向性。直径为 C 的圆盘振子发射的超声波
以距离声源 C/ 〔 为波长〕为界,近声源侧近似平面波,称为近场,而远声源侧近似球
面波,称为远场。
在近场,因干预而形成复杂的声场,称 D* 区。近场区长度 ?〔单位 ""〕可以从以
下公式计算:
?=/ 或 ?=?=/0〔在人体软组织中〕
其中 为声源半径〔""〕) 为频率〔〕; 为该介质中波长〔""〕。
例如,探头直径为 "" 时,发射频率为 ),那么近场区长度约为 0""。
紧接近场区后的远场区,声波开场向周围空间扩散。扩散声场两侧边缘所形成的角称扩散
角〔E〕。扩散角与声源半径与波长有关,表达式为:
*$E=01 /
可见,探头孔径愈大,扩散角愈小,声束扩散愈小。
注意:近场和远场有其严格的定义。商用仪器 ; 和 D 调节钮所表示的只是近程和远
程增益的调节,不能称其为近场和远场调节。
!.什么叫声轴、声束和束宽?
声轴〔F")3$*〕为声波传播方向的曲线。通常与声波发出后介质中声强或声压最大的
区带一致,也即声能量密度最大的区带。
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声束:〔F"〕指声轴周围-1%F〔-%〕围的声场分布区。
束宽:〔F")$%〕指声束横断面的直径。
宽声束〔声束较大〕时,横向、侧向分辨力差。非聚焦的声束,横向分辨力等于或大于声
源的直径,不能分辨小结构。为了增加分辨力,@ 型超声仪器采用声透镜、动态电子聚焦、
凹面晶片聚焦发射和接收等多种方式使声束变窄。经过聚焦的声束,称为聚焦声束。
.何谓声特性阻抗?它与声压、声强有何关系?
声特性阻抗〔(*$)$*$)$"#%〕是反映介质密度和弹性的物理量,
用 G 表示。定义为介质密度 - 和介质中声传播速度 + 的乘积,即 G=-+
对于纵波,也可表达为
G=√@-〔@ 为介质的弹性模量〕
声特性阻抗的单位为瑞利, 瑞利=B<%*A"A
))))))))))))))))))))))))))))))=*A"A
特性阻抗与声强与声压存在如下关系:
==:"/G>:"/-+
1.何谓声特性阻抗差、声学界面?如何分类?
两种不同特性阻抗的介质的特性阻抗差值称为这两种介质的声特性阻抗差。其接触面称声
学界面。根据大小,分为大界面和小界面。由于屡次聚焦超声束的焦区束宽 -",所
以通常习惯把直径小于 "" 的组织结构界面视为小界面。对大界面,根据其光滑程度,
又可分为光滑界面和粗糙界面,前者也称镜面,后者也称非镜面。
当两种介质的声特性阻抗差大于 0%时,入射声波即在其界面发生反射和折射。对于入
射声束,界面使其发生反射、折射和/或散射。此时,界面相当于一个新的声源,称其为二
次声源。
9.声反射、声折射、声透射、声散射和声绕射的物理意义是什么?
声反射〔(*$)H$(〕指声波入射到界面上时引起声波局部或全部返回的过程。
反射的条件是界面线度远大于波长。反射声波的强度和方向与构成界面介质的特性阻抗,
入射波声压、入射角等因素有关。构成界面的两种介质特性阻抗相差〔声特性阻抗差〕愈
大,反射愈强。入射角等于反射角。反射的强弱以反射系数表示。反射系数等于反射波的
能量与入射波的能量之比。在不考虑声能吸收的条件下,声压反射系数〔I#〕为:
I#= G-G
))))))))G+G
声强反射系数〔I$〕为:
I$=))))))))G-G))))))))))))))))
))))))))G+G)))))))))))))))
式中 G、G 分别为构成反射界面的两种介质声特性阻抗。因为存在反射,所以透射入深
层介质的声波能量减少。
声折射〔(*$)$(〕指声波在通过不同传播速度的介质传播的过程中发生空间
传播方向改变的过程。
声波在大界面上的折射服从折射定律:即入射角的正弦与折射角的正弦之比,等于界面两
侧介质的声束之比,即
J$K))))))))>))))))))+
J$E))))))))))))))))+
式中 K、E 分别为入射角与折射角,+、+ 分别为第一层和第二层介质的声速。
由表达式可知,入射角声波垂直于界面时,不发生折射。两种介质的声传播速度决定了折
射角的大小。在 +L+ 时,随着入射角的增大,折射角也增大。假设入射角到达 F 值时,
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折射角到达 B(,那么入射声波在界面上发生全反射。无透射波进入深层介质。此时入射
角 F 值称为临界角。
声波经液体入射人体皮肤,临界角为 9(-<(,即入射角超过 <(,那么无透射声波。
声透射〔(*$)*"$**$(〕指声波穿过介质界面向深层的传播过程。
假定超声波垂直入射,经过三层介质,每层介质的声特性阻抗分别为 G、G、和 G,第
二层介质的厚度为 ?,波长为 那么,超声通过第二层介质后的强度透射系数〔〕为:
= !GG
))))))))〔G7G〕(*E+ ))))))))G7))))))))GG))))))))))))))))))))))))*$E
))))))))))))))))))))))))))))))))G))))))))))))))))))))))))
式中 E=?/ ,当 ? 极薄时,E 很小,*$EM,(*EM,所以
M))))))))!GG
))))))))〔G+G〕
))))))))G7))))))))GG))))))))))))))))
))))))))))))))))G)))))))))))))))
当 G>G 时,>。当中间层极薄时,声波通过的声能损失很小。超声诊断中涂布极薄
的耦合剂,有利于减少声能的损失。在中间介质的厚度 ? 恰好是声波半波长的整数时,E
=,*$EM,(*EM,只要 G>G 也等于 。声能通过时损失同样很少。但是,
如果中间层的 G 很小,如空气,即是 ? 极薄,E 很小,由于
变得很大, 必然很小。此时,声能丧失太大,难以进入第三层介质。如果中间层的 G
=GG,而且其厚度为四分之一波长的奇数倍,即 ?=〔7〕 /!那么 E=7
/也即 *$E=,(*E=;那么由 表达式可知
= !GG
))))))))))))))))G7))))))))GG))))))))))))))))
))))))))))))))))))))))))G)))))))))))))))
= !GG
))))))))))))))))NGG7))))))))GG))))))))))))))))
))))))))))))))))))))))))NGG)))))))))))))))
=
由此可见,在第二和第三层之间匹配以某种能满足上述厚度和声特性阻抗要求的介质,就
能使超声能量很少损失地进入第三层介质。此为超声换能器使用匹配层的原理和要求。
体各层界面的反射带来各层组织的声特性阻抗信息。超声诊断装置从回声强度的上下中提
取信息所构成的超声图像,其实只是反映体不同组织间声特性阻抗差的空间分布,并非独
立的生理参量或物理量,这是超声图像诊断的特异性受到很大限制的主要原因。
人体界面复杂,入射超声波并不都与体多层界面垂直入射,透射波或多或少都有折射,即
超声探头发出的入射超声波由浅而深地通过体各层界面并非直线传播,然而由反射带回的
信息却被超声诊断装置设定为直线构成图像。因体各软组织之间的声速和密度相差不大,
一般不致产生显著的误差,但当偶尔遇到阻抗差较大的界面时,可能出现折射伪差。
声散射〔(*$)*$〕:超声波在传播过程中,遇到界面大小远小于波长的微小
粒子,超声波与微粒互相作用后,大局部超声能量继续向前传播,小局部能量激发微粒振
动,形成新的点状声源以球面波方式向各个方向发散传播,称为散射。此时的声场,实际
是探头发射后超声波声场与障碍微粒散射波声场的混合。探头可以在任何角度接收到散射
波。声像图背景中的大量像素即是由散射波造成的。
人体组织的微粒结构在超声场中发生散射,是形成脏器部图像的另一声学根底。多普勒血
流仪即是利用血液中的红细胞在声场有较强的散射,从而获得人体血流的多普勒频移信号。
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声衍射〔(*$)%$O$(〕:超声波通过界面大小与波长相近的障碍物或不连接的
介质时发生散射。散射波又与入射波叠加,形成衍射,导致入射波的波前畸变,或超声波
的传播方向偏离,声波绕过障碍物后,仍按直线方向传播,又称绕射。绕射使得超声波能
够到达沿直线传播不能到达的区域。
<.何谓声衰减?导致声衰减的主要原因有那些?
超声波在介质中传播时,入射的声能随着传播距离的增加而减少,称为声衰减。导致声衰
减的主要原因为扩散、散射和吸收。
扩散衰减指声波随着传播距离的增加向声轴周围扩散而引起的单位面积声能的减少,即声
强减弱。
散射衰减是入射的声能发生分散,改变了传播方向,以致原超声波入射方向中的声能减少
散射衰减与频率的四次方成正比。因而高频声波衰减很快,穿透力较差。
吸收衰减主要由于介质的粘滞性在声场中产生部摩擦、弹性迟滞、热传导和弛豫吸收等原
因所致。所以在气体和液体中,吸收衰减主要由部摩擦和热传导造成,不存在弹性迟滞。
超声波传播中的能量衰减可以用以下公式表示:=3==-K3
式中 = 为最初的声强,=3 为声波经过 P 距离后的声强;K 为衰减系数,其单位是奈倍
〔;#〕, 奈倍=<01<1%@/"; 为自然对数的底数。
超声能量吸收主要与超声频率和传播距离有关。在医学上,常用半值层来说明生物组织对
声波吸收的特性。由于体软组织的吸收衰减与频率呈近似的线性关系,即在超声诊断技术
使用的频率围,吸收衰减系数 K 与频率 之比,大致是常数。假设以分贝/〔厘米兆赫〕
Q%@/"R作为单位来表示,颇为方便。
人体不同组织对入射声能的衰减不同。组织中以蛋白质对声能的衰减最大,特别是胶原蛋
白与纤维组织、瘢痕组织更大。水分衰减最小,故凡含水量较多的组织对超声衰减减低。
随着超声诊断医学的开展,人们试图通过超声衰减系数的测量,来实现组织定性,但至今
进展缓慢。
B.何谓惠更斯原理?如何用惠更斯原理解释 球面波和平面波的传播?
波动传播至介质中一些质点时,这些质点同时以一样的相位开场振动,连接这些质点所构
成的面称为波阵面或称波前。波阵面上各点的相位一样,所以波阵面是同相面。起始于振
源并与波动方向一致的直线称为波线或波阵面的法线,波线垂直于波阵面。
即在自由声场中传播的超声。惠更斯原理认为:介质中波动传播到达的各个质点被激发产
生振动后,这些质点都可视为发射子波的振源,子波的包迹就是随后时刻的新波阵面。惠
更斯原理于 1B 年提出,是分析和描述声波传播方式最根本原理。
球面波:指波阵面为同心圆面的波动。如波动自振源以速度 + 向所有方向传播,在 时刻
的波阵面是以 I=+ 为半径的球面 J。经过△ 时间,它的新波阵面可依惠更斯原理求得。
J 面上的每一质点作为子波振源,以半径 =+6 划出许多半球形子波,如图 所示,再作
公切于各子波的包络面就得到新的波阵面 J,显然,J 就是以 I=+〔76〕为半径的
球面。声波就是沿着球面的法线方向离心发散传播。在自由声场中,球面波某点的声压与
该点至声源中心的距离成反比,离声源中心越远,质点振动的声压越小。
平面波:平面型压电晶片产生的超声波,原始波阵面就是晶体的外表 J,假设 J 上的各质
点同时同相振动,经过△ 时间后,J 上每一质点以半径 =+6 划出许多球面的子波,作
公切于子波的包络面就是新的与 J 平行的波阵面 J,平面波依此逐层向前传播,传播方向
' 与 J 垂直〔图 '〕。假设 J 上的相邻质点 、F、、% 依次延迟△ 振动,那么各质点
的前半径分别为 !+6、+6、+6、+6。子波包络面所形成的波阵面为 JF,其传播
方向为与 JF 垂直的 @。与 J 相比,JF 发生偏移,传播方向发生改变〔图 @〕。同理假
设 J 上的 %、、F、 依次延迟△ 振动,那么形成图 + 所示的波阵面 J。所以,控制
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xxiang85
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