教材第四章 超声(1)讲义

第三节
超声波的分类
一、按质点振动方向和波传播方向的关系分类
1. 横波 质点振动方向垂直于波的传播方向的波。 由介质的切变弹性引起，亦称切变波。 横波仅在固体中传播。 2. 纵波 质点振动方向平行于波的传播方向的波。 由介质的压缩弹性引起，亦称疏密波或压缩波。 纵波能在固体、液体和气体中传播。
由于人体软组织无切变弹性，横波在人体软组织 中不能传播，而只能以纵波的方式传播，所以纵波是 超声诊断和治疗的常用波型。
式中，I0,P0 —x=0处的声强、声压有效值 — 介质的声压衰减系数
（2）声压衰减系数 ① 与扩散、散射、吸收等因素有关。一般
F f
② 在人体软组织，并诊断用超声频率范围内
f
式中，β —介质的超声衰减常数。可查表得。 —(mm)-1, β —μ s/mm, f—MHz. ③ 单位：
二、温热效应
由于生物组织对超声有吸收作用，一部分声能转化 为热能，使生物组织产生温升。 利用：① 能使局部血管扩张，加快血液循环，促进病 理产物的吸收消散。 ② 局部加热至43oC，配合放射化疗治疗癌症。 注意：强度适当。
三、空化效应
因超声波作用而在软组织和液体中形成的空泡，会 随着材料各处压力的变化而改变其大小，在一定超声压 力情况下，气泡会破裂而产生冲击，引起材料的破碎或 位移，这就是空化效应。空化有很大的破坏作用。 利用：可制成超声手术刀。 注意：避免强超声照射眼睛、怀孕子宫
四、化学效应
因局部压力和温度的升高，发生常温常压下不可能 发生的化学反应，这是超声的化学效应。
五、安全剂量
以上几种超声效应在一定剂量上，都不同程度地对 人体组织有伤害作用，因此必须重视安全剂量。 安全阈值：100mW/cm2。与照射时间密切相关。 一般认为：在诊断的安全剂量内，不产生可检出的 生物效应，对人体是安全无损的, 也无 剂量积累。 在超声生物效应这个领域，目前还有很多问题尚未弄清。
① 体液及软组织： Z≈1.5×105 瑞利 ② 气体及充气的肺组织：Z≈0.0004-0.26×105 瑞利 ③ 骨及钙化了的组织： Z≈5.57-8.3×105 瑞利 （4）关于声阻抗名称 声阻抗是“机-电类比”中，与电阻抗相类比而称的。 “机-电类比”是用电学的理论、手段研究声学问题的方 法。因为许多声学系统与相应的电学系统有相同的微分 方程 声学：Z＝P/v， 电学：R＝U/I， 类比：Z－R，P－U，V－I
第七节
超声的生物效应
超声波是一种依靠介质来传播的声波，它具有机械 能。因此传播过程中将不可避免地与介质相互作用，产 生各种效应。
一、机械效应
声波能量作用于介质，会引起质点高速细微的振动， 产生速度、加速度、声压、声强等力学量的变化，从而 引起机械效应。 利用：引起细胞的摩擦，能促进新陈代谢。 注意：必须控制适当的强度。
，且非Z2<<Z1, Z2<<Z3（L2薄,且Z2
可得：
（或≈）
即此时声波透过中间层传播的能量仅与Z1, Z3有关,
因此，在超声诊断中耦合层的厚度应尽可能 薄，只要把探头与皮肤间的气泡排除即可。超声 换能器辐射面上的保护膜厚度也要按这个关系选 用。
（2）当 L2 2n 1 4 时 I3 1 可得： I1
与超声诊断有关的各种介质的声速
重要声速参数
① 人体软组织中：
② 人体骨组织中： ③ 空气(22℃)中：
c≈1540 m/S
c≈4000 m/S c≈ 345 m/S
在人体各种软组织中,声速都很接近，可按此估算。
5. 声阻抗率Z （1）定义
声场中某点的声压与该质点振动速度之比称声阻抗率 Z＝P/v
Байду номын сангаас
二、波参数
1. 声速c 声波在单位时间内传播的距离称声速，用c表示。 声速c与质点振动速度v是不同的。c与以下因素有关： （1）c与波类型有关。横波c＞纵波c。 （2）在流体与气体介质中（平面纵波）：c B－介质的体积弹性系数 ρ －介质的密度
B/
（3）c与温度有关——因B与温度有关。 如：空气中一定温度内每升高1℃，声速约增加 0.6m/S。 （4）c与频率无关，即无频散（色散）现象。
教材第四章 超声 （1） 医学超声学基础
第一节
波类型 传播条件
超声波的定义及特性
传播能量 电磁能 机械能 传播速度 波实例
波，根据其性质可分为两大类：
电磁波 真空、介质 机械波 介质
约3×108 无线电波、光波、 X、γ射线 m／ s 几百至几千 水波、地震波、 声波 m／ s
一、声波的定义
弹性介质中质点机械振动状态的传播过程。 其实是机械振动能量的传播过程。
2
K 2 L2
式中：I1 ——第一层介质中的入射波能量 I3 ——第三层介质中的透射波能量 K 2 2 / 2 ——介质2中的波数 L2 ——中间层厚度 （1）当 L2 n 2 ，n=1,2,· · · （L2为半波长的整数 2 倍)时
4 或 非疏)时 I 3 L2
2
I1
4 Z 3 Z1 2 Z3 Z1
aIt
Z2 Z1
4Z 2 Z1
2
其中： Z2 2c2
， Z1 1c1
（4）讨论
① Z 2 Z1 aI r 则 0, 射，有透射； aI r 0, Z 2 Z1 ②Z 2 Z1 a 则 I r 1, 射，全透射； Z 2 Z1 aI r 1, ③ 则 乎全反射，无透射； ④ 则 全反射，无透射。
三、散射和绕射
前面讨论的反射和折射，有一个重要条件，即反射 界面对于超声波波长来说是无限大的：d>>λ 。 当d与λ 可比，则发生绕射。例如胆结石。 当d<<λ ，则发生散射。例如红细胞。
1. 散射 ① ② ③ ④ 条件：d<<λ ； 现象：小障碍物变成新的波源，并向四周发射超声波； 回波：散射信号的回波大小与入射角无明显关系； 应用：运动的红细胞散射——超声多普勒血流仪； 脏器内小结构散射——B超脏器结构性质显像。
超声成像只能用于那些有液体和软组织的、 且声波传播通路上没有气体或骨骼阻挡的那些 区域。 在液体和软组织中，声速和声阻抗变化不 大，使得声反射量适中，既保证了界面回波的 显像观察，亦保证了声波可穿透足够的深度。 此外，接收回波的时延与目标深度成近似的正 比关系，这是B超诊断图像成功应用必要的物 理基础。
二、透过薄层的波
在超声换能器中，超声要通过几层特性阻抗不同 的介质进行传播。 这里只讨论最简单的情况，即假设平面超声波垂 直入射，通过三层介质。如图：
可以求得： I3 I1 Z3 Z1 2 c o s
4Z3Z1 2 2 K 2 L2 Z 2 Z3Z1 / Z 2 s n i
aIt 0, aI 1,
t
有反 无反 几
aIt 0, aIt 0,
几乎
反射超声能量的大小取决于两种介质的声阻抗率差 超声垂直入射时： 在空气－软组织交界面上，声强反射系数为0.9989； 在软组织－颅骨交界面上，声强反射系数为0.32。即在这 两种界面上，有99.9％和32％的超声能量被反射回来。 这就是为什么超声诊断仪不能检查含气体的脏器及对头
二、声波按频率的分类及医用超声的范围
1. 声波按频率(f)的分类
简单的分类: f＜16 Hz 称：次声波 16 Hz≤f≤20 kHz 称：可听声波 f＞20 kHz 称：超声波
2. 医学超声仪的频率范围：200 kHz－40 MHz 3. 超声诊断仪的频率范围：
1 MHz－10 MHz 相应的波长： 1.5mm－0.15mm
（3）超声波垂直入射界面时的力学特性 Pr, Ir 反射波 入射波 透射波
Z 2 Z1 aI r Z Z 2 1
2
介质1
介质2
aPr aPt
i r t 0
界面
Pi, Ii Pt, It
Z 2 Z1 Z 2 Z1 2Z 2 Z 2 Z1
2
，n =1,2, · · ，Z1Z且 Z2 · 3
可见，当中间层厚度等于穿过其中的超声波波长的 四分之一的奇数倍，且特性阻抗等于其它两种介质特性 阻抗的几何平均值时，声波在三种不同介质中能完全透 射，而无反射。此时，称为匹配。这个中间层称为匹配层。
这一结论对制造超声换能器特别有用。晶体 如直接与皮肤接触，由于两者声阻抗率相差较大， 超声能量将有相当一部分反射回来，进入人体的 只是一部分。为此，在晶体表面增加一层匹配层， 其厚度为 ，声阻抗等于晶体和皮肤声阻 2 / 4 抗的几何平均，则超声能量就能全部透过匹配层 进入人体。
2. 绕射 ① 条件：d与λ 接近； ② 现象：障碍物边缘超声波绕过障碍物继续前进； ③ 应用：胆结石边缘发生绕射，在其后方形成声影， 以此判别是否胆结石。
第六节
超声在生物组织中的衰减
一、超声衰减的定义
超声强度随传播距离增加而减弱的现象，称超声衰减。
二、超声衰减的原因
① 扩散
② 散射 ③ 吸收
声束扩散，使声波原方向声强减弱。
对于平面波，可求得： Z＝P/v＝ρ c
在水和空气中,还可得：Z＝P/v＝ρ c＝(Bρ )1/2
式中：ρ —介质密度，c —声速，B—体积弹性系数
（2）说明 ① Z只与介质本身声学特性有关，又称特性阻抗； ② Z的单位是瑞利，1瑞利＝1g/cm2· S； ③ 声阻抗率越大，超声纵波速度越快。
（3）人体组织按声阻抗率大致可分成三类
三、超声波（最突出）的特性
1. 方向性好——用于探测、诊断。 2. 能量大 ——用于清洗、灭菌、手术。
二、机械波产生的过程
连续弹性介质中，某一质点的振动，通过弹 性力的作用，传递给与它相邻的质点，后者也振 动，并继续传递……能量传播，形成机械波。