醫(yī)學影像物理學第六章學習指南.doc

1、第六章超聲成像教學大綱要求了解聲強、 聲壓、聲強級的基本概念，聲波在媒質(zhì)中的傳播規(guī)律，掌握超聲成像的基本原理，了解超聲波的特性及其在醫(yī)學中的應用，了解各種超聲診斷儀。重點和難點聲波在媒質(zhì)中的傳播規(guī)律， 超聲成像的基本原理和基本規(guī)律， B 超和多普勒彩超技術(shù)的成像特點。教學要點一、聲波1 聲波的基本概念（ 1）聲波（ sound wave）、超聲波、次聲波頻率為 20 20000 Hz 的機械縱波（液體和氣體中傳播時）可以引起人的聽覺，稱為聲波；頻率高于20000 Hz 的機械波稱為超聲波；頻率低于20Hz 的機械波稱為次聲波。（ 2）聲壓（ sound wave）當聲波在介質(zhì)中傳播時，介質(zhì)的密

2、度作周期性變化，稠密時壓強大，稀疏時壓強小，在某一時刻，介質(zhì)中某一點的壓強與無聲波通過時的壓強之差，稱為該點的瞬時聲壓。用P表示，對于平面簡諧波而言，t 時刻的聲壓為PcAcos( tx )c2式中， PmcA稱為聲壓幅值。（ 3）聲阻（ acoustic impedance）聲壓與聲速的比值，表征介質(zhì)聲學特性的一個重要物理量，其大小取決于介質(zhì)密度與聲速，即PmcAZcm A（ 4）聲強（ intensity level ）單位時間內(nèi)通過垂直于聲波傳播方向的單位面積的聲波能量，用I 表示1cA2 2Pm2Ic或 I22Z（ 5）聲強級（ intensity of sound ）是用對數(shù)的標尺量

3、度聲強的物理量。取 1000 Hz 聲音的聽閾值I 0 10 12 W.m 2為國際標準聲強，則聲強級定義為L10 lg I dBI 0（ 6）多普勒效應（ Doppler effect ）當聲源與接收者相對與媒質(zhì)發(fā)生相對運動時， 接收者收到的聲波頻率與聲源發(fā)出的聲波頻率出現(xiàn)不相同的現(xiàn)象，稱為多普勒效應。（ 7）多普勒效應頻率公式ccos0cu cosc 為聲速， u 為聲源運動其中 為接收者收到的聲波頻率，為聲源發(fā)出聲波的頻率，0速度， 為接收者運動速度，為聲源運動方向與接收者和聲源連線方向間的夾角，為接收者運動方向與接收者和聲源連線方向間的夾角， 分子中的加號和分母中的減號適用于接收者和聲

4、源相對運動的情況，而分子中的減號和分母中的加號則適用于二者背離運動的情況。（ 8）多普勒頻移發(fā)射頻率與接收頻率之差稱為頻移?？杀硎緸?2 聲波在介質(zhì)中的傳播（ 1）聲強反射系數(shù)rI 和透射系數(shù) t I ，聲波垂直入射時有rII r(Z1Z2 )2；t II t4Z1Z2I i( Z1Z2 )2I i(Z1 Z2)2式中， Z1Z 2 時， rI0， t I1發(fā)生全透射；當Z1 Z2 時， t I 0， rI1發(fā)生全反射。（ 2）衍射與散射1）聲影（ acoustic shadowing）由于障礙物線度較大，聲波不能完全繞過障礙物，在障礙物之后，存在聲波不能達到的空間， 稱為聲影。聲影在圖像上表

5、現(xiàn)為暗區(qū)，是探測不到的盲區(qū)。2）散射當聲波傳到障礙物上時，如果介質(zhì)中存在許多懸浮粒子，這些粒子又將成為新的波源而向四周發(fā)射超聲波，有一部分聲能就要偏離原來的傳播方向，這種現(xiàn)象， 稱為聲波的散射。（ 3）干涉與駐波聲波的干涉（interference of sound wave ）當兩列相干聲波在媒質(zhì)中相遇時，有些質(zhì)點因為兩個聲波的疊加而使振幅增加， 有些質(zhì)點則因聲波的疊加而使振幅減弱， 因此在媒質(zhì)中形成一個強弱穩(wěn)定分布的聲場，這種現(xiàn)象稱為聲波的干涉。駐波（ standing wave）頻率相同，振動方向相同，相差恒定，傳播方向相反的兩列相干聲波疊加而成。 主要特點是在駐波區(qū)域沒有能量的傳播，

6、只有質(zhì)點的振動。 形成駐波時，駐波場是一個振動體，其頻率與入射波頻率相同，但最大振幅增值一倍。（ 4）駐波比r表示駐波的發(fā)生程度，可表示為PmiPmrrPmrPmi其中， Pmi 和 Pmr 分別表示入射波和反射波的聲壓幅值。當Pmr 0 ， r =1 駐波不存在；當 PmiPmr ， r ，駐波比為無窮大，即全反射駐波。（ 5）聲通量反射系數(shù)r 和透射系數(shù) trr cosirI cosrrI2rpittt I cosi costicosi Z1t 2pcosi Z 2其中 rI 為聲強反射系數(shù)，t p 為聲壓透射系數(shù)，Zl、 Z2 分別為界面兩側(cè)介質(zhì)的聲阻抗，顯然，聲通量的透射系數(shù)與聲強的不

7、一樣。3聲波在介質(zhì)中的衰減規(guī)律（ 1）聲波的衰減（ attenuation of sound wave ）聲波在介質(zhì)中傳播時，隨著距離的增加，其聲強逐漸減弱，這種現(xiàn)象稱為聲波的衰減。（ 2）聲波衰減的主要原因1）擴散衰減 由于聲波在空間傳輸中由能量分布的改變造成的衰減，如反射、折射、波陣面表面的擴大造成單位截面積通過的聲能減少。2）散射衰減 散射過程可以看成是聲波與眾多的散射中心的多次相互作用的過程，作用的結(jié)果是部分聲能轉(zhuǎn)化為熱能而散失掉。3）吸收衰減 吸收衰減的本質(zhì)是聲能轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪芰浚崮芗捌渌问降臋C械能等。（ 3）球面波擴散衰減公式I r02I 0r 2（ 4）吸收衰減公式I

8、 I 0 e ax式中， I0 為 x =0 處入射波聲強，a 為介質(zhì)的衰減系數(shù)，x 為傳播距離。二、超聲波1超聲與物質(zhì)的相互作用（ 1）超聲與物質(zhì)的相互作用1）機械作用高頻超聲波通過介質(zhì)時，使介質(zhì)中粒子作受迫高頻振動，其加速度可達重力加速度的幾十萬至幾百萬倍，這種強烈的機械振動能破壞物質(zhì)的力學結(jié)構(gòu)。2）空化作用高頻大功率超聲通過液體時，液體中產(chǎn)生疏密變化，稠區(qū)受壓，稀區(qū)受拉。在受拉時， 因為液體承受拉力的能力很差， 特別是在含有雜質(zhì)和氣泡處， 液體將被拉斷，形成空腔。在受壓時，使空腔迅速閉合，從而產(chǎn)生局部高壓、高溫和放電現(xiàn)象，稱為空化作用?？栈饔每杀挥脕砬逑淳軆x器的內(nèi)部、霧化、乳化以及促

9、進化學反應發(fā)生等多方面。3）熱作用 當超聲波在介質(zhì)中傳播時，將會有一部分能量被介質(zhì)吸收而轉(zhuǎn)化為熱量，引起介質(zhì)溫度升高，稱為熱效應或熱作用。超聲波的熱效應可以用于臨床理療。（ 2）壓電效應（ piezoelectric effect ）當壓電晶體的兩個表面受到壓力或拉力時，它的厚度將發(fā)生變化，在晶體的兩個表面出現(xiàn)等量異號電荷， 這種機械能轉(zhuǎn)變成電能的現(xiàn)象稱為壓電效應； 反之，在晶體表面施加交變電場，晶體的厚度將沿著電場的方向而變化， 在媒質(zhì)中出現(xiàn)伸縮， 這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應。（ 3）超聲探頭超聲探頭又稱作超聲換能器，由壓電晶體構(gòu)成。有單晶片、多晶片、 旋轉(zhuǎn)探頭和多普勒探頭。2超聲場軸線上的聲壓

10、分布（ 1）超聲場軸線上的聲壓分布（圓形活塞聲源）P2P0 sinD 2X 2XsintD4式中 P0 為圓形晶體表面的聲壓幅值，D 為晶體直徑， 為超聲波長。其中聲壓幅值為Pm 2 P0 sinD 2X2X4（ 2）近場區(qū)（ near field region ）內(nèi)的聲壓分布1）聲壓極小值D 2(2n)20 ，即 nD （取正整數(shù)）2D2）聲壓極大值D 2(2m1)220 ，即 m（取正整數(shù)）23）近場長度D 2a 2晶片半徑）L（ a4（ 3）遠場區(qū)（ far field region ）內(nèi)的聲壓幅值分布Pm2P0A1P0A 1sinXX2聲壓隨聲程距離X 作單值變化。3超聲場的角分布（

11、1）聲壓的空間角度分布A2J1 ( kasin)PP0rkasin其中 r 為圓片中心到場點的距離，為 r 與軸線之間的夾角，J1 為第一類貝塞爾函數(shù)。（ 2）指向性因數(shù)D c距晶片中心距離為r 并與聲場的中軸線成角處的聲壓與中心軸線上同樣距離r 處的聲壓之比，用公式表示為P(r , )2J1 (ka sin)D cka sinP(r ,0)（ 3）半擴散角sin 1 1.22（圓形晶片直徑D）D4聲束聚焦聚焦聲束軸上的聲壓幅值（x a， f a）Pm2P0 sinB f 1x1x2xff其中 Ba2L ，當 x f 時， p = p0B，說明聚焦距離愈短，聲壓上升幅度越高，聚焦ff效果愈好。

12、但焦距不能比近場距離小得太多，否則焦點后面聲束迅速擴散，無法探測信息。三、超聲成像的基本方法1超聲成像簡介超聲是超過正常人耳能聽到的聲波，頻率在20000 赫茲（ Hertz ，Hz ）以上。超聲檢查是利用超聲的物理特性和人體器官組織聲學性質(zhì)上的差異，以波形、曲線或圖像的形式顯示和記錄，借以進行疾病診斷的檢查方法。20 世紀 40 年代初就已探索利用超聲檢查人體，50年代已研究、使用超聲使器官構(gòu)成超聲層面圖像，70 年代初又發(fā)展了實時超聲技術(shù)，可觀察心臟及胎兒活動。超聲診斷由于設(shè)備不似CT 或 MRI 設(shè)備那樣昂貴，可獲得器官的任意斷面圖像，還可觀察運動器官的活動情況，成像快，診斷及時，無痛苦

13、與危險，屬于非損傷性檢查，因此， 在臨床上應用已普及，是醫(yī)學影像學中的重要組成部分。不足之處在于圖像的對比分辨力和空間分辨力不如CT 和 MRI 高。2 USG 的成像基本原理（ 1）超聲的物理特性超聲是機械波， 由物體機械振動產(chǎn)生。具有波長、頻率和傳播速度等物理量。 用于醫(yī)學上的超聲頻率為 2.5 10MHz ，常用的是 2.5 5 MHz 。超聲在介質(zhì)中傳播的速度因介質(zhì)不同而異，在固體中最快，液體中次之，氣體中最慢。在人體軟組織中約為1500 m s 1 。介質(zhì)有一定的聲阻抗，聲阻抗等于該介質(zhì)密度與超聲速度的乘積。1）超聲在介質(zhì)中以直線傳播有良好的指向性，這是可以用超聲對人體器官進行探測的

14、基礎(chǔ)。當超聲傳經(jīng)兩種聲阻抗不同相鄰介質(zhì)的界面時其聲阻抗差大于0.1，而界面又明顯大于波長， 即大界面時， 則發(fā)生反射，一部分聲能在界面后方的相鄰介質(zhì)中產(chǎn)生折射，超聲繼續(xù)傳播， 遇到另一個界面再產(chǎn)生反射， 直至聲能耗竭。 反射回來的超聲為回聲。 聲阻抗差越大，則反射越強，如果界面比波長小，即小界面時，則發(fā)生散射。2）超聲在介質(zhì)中傳播還發(fā)生衰減， 即振幅與強度減小。 衰減與介質(zhì)的衰減系數(shù)成正比，與距離平方成反比， 還與介質(zhì)的吸收及散射有關(guān)。 超聲還有多普勒效應， 活動的界面對聲源作相對運動可改變反射回聲的頻率。 這種效應使超聲能探查心臟活動和胎兒活動以及血流狀態(tài)。（ 2）超聲成像的物理假定1）聲束

15、在介質(zhì)中以直線傳播。2）聲波在各種介質(zhì)中聲速均勻一致（溫度一定）。3）在各種介質(zhì)中介質(zhì)的吸收系數(shù)均勻一致。（ 3）超聲的成像基本原理人體結(jié)構(gòu)對超聲而言是一個復雜的介質(zhì)，各種器官與組織， 包括病理組織有它特定的聲阻抗和衰減特性。因而構(gòu)成聲阻抗上的差別和衰減上的差異（見表6.1）。超聲射入體內(nèi)，由表面到深部， 將經(jīng)過不同聲阻抗和不同衰減特性的器官與組織，從而產(chǎn)生不同的反射與衰減。這種不同的反射與衰減是構(gòu)成超聲圖像的基礎(chǔ)。將接收到的回聲， 根據(jù)回聲強弱， 用明暗不同的光點依次顯示在熒屏上，則可顯出人體的斷面超聲圖像，這就是聲像圖（sonogram 或echogram）。表 6.1人體不同介質(zhì)的聲速與

16、聲阻抗介質(zhì)密度（ gcmg-3 ） 超聲縱波速度（ ms-1 ） 特征阻抗（ 105R* ）測試頻率（MHz ）空氣0.0012933320.0004292.9水0.993415231.5132.9血液1.05515701.6561.0軟組織1.01615001.5241.0肌肉1.07415681.6841.0骨1.65838605.5711.0脂肪0.95514761.4101.0肝1.05015701.6481.0*R （ Rayls） =1kg m-2s-1人體器官表面有被膜包繞， 被膜同其下方組織的聲阻抗差較大， 形成良好界面反射， 聲像圖上出現(xiàn)完整而清晰的周邊回聲， 從而顯出器官的

17、輪廓。 根據(jù)周邊回聲能判斷器官的形狀與大小。（ 4）回聲強度超聲經(jīng)過不同正常器官或病變的內(nèi)部， 其內(nèi)部回聲可以是無回聲、 低回聲或不同程度的強回聲。1）無回聲 是超聲經(jīng)過的區(qū)域沒有反射， 成為無回聲的暗區(qū)（黑影） ，可能由下述情況造成：液性暗區(qū) 由均質(zhì)的液體構(gòu)成， 聲阻抗無差別或相差很小， 不構(gòu)成反射界面， 形成液性暗區(qū)，如血液、膽汁、尿和羊水等。這樣，血管、膽囊、膀胱和羊膜腔等即呈液性暗區(qū)。病理情況下，如胸腔積液、心包積液、腹水、膿液、腎盂積水以及含液體的囊性腫物及包蟲囊腫等也呈液性暗區(qū)，成為良好遺聲區(qū)。在暗區(qū)下方常見回聲增強，出現(xiàn)亮的光帶（白影）。衰減暗區(qū) 由于腫瘤（如巨塊型癌）對超聲的吸

18、收，造成明顯衰減，而沒有回聲，出現(xiàn)衰減暗區(qū)。實質(zhì)暗區(qū) 是均質(zhì)的實質(zhì)，聲阻抗差別小， 可出現(xiàn)無回聲暗區(qū)。 腎實質(zhì)、脾等正常組織和腎癌及透明性變等病變組織可表現(xiàn)為實質(zhì)暗區(qū)。2）低回聲實質(zhì)器官如肝，內(nèi)部回聲為分布均勻的點狀回聲，在發(fā)生急性炎癥，出現(xiàn)滲出時，其聲阻抗比正常組織小，透聲增高，而出現(xiàn)低回聲區(qū)（灰影）。3）強回聲可以是較強回聲、強回聲和極強回聲：較強回聲實質(zhì)器官內(nèi)組織致密或血管增多的腫瘤，聲阻抗差別大，反射界面增多，使局部回聲增強，呈密集的光點或光團（灰白影），如癌、肌瘤及血管瘤等。強回聲介質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密， 與鄰近的軟組織或液體有明顯的聲阻抗差，引起強反射。例如骨質(zhì)、結(jié)石、鈣化，可出現(xiàn)帶狀或

19、塊狀強回聲區(qū)（白影），由于透聲差，下方聲能衰減，而出現(xiàn)無回聲暗區(qū)，即聲影（acoustic shadow）。極強回聲，含氣器官如肺、充氣的胃腸，因與鄰近軟組織之聲阻抗差別極大，聲能幾乎全部被反射回來，不能透射，而出現(xiàn)極強的光帶。（ 5）時間增益補償1）在不同深度上的回波脈沖幅度由于其聲程不同，造成的吸收程度也不同，這使回波脈沖幅度的差異很大，而回波幅度又決定了像點的亮度（灰度），同樣聲學性質(zhì)的介質(zhì)，在不同深度上， 由于吸收衰減使回波亮度有很大差異，給成像造成困難，因此必須對不同深度上的回波進行增益補償，使從深度部位聲界面反射的回波信號的放大倍數(shù)較大，而距離換能器較近的反射信號，也就是時間上較早達到的回波信號的放大倍數(shù)較小。由此進行的幅度補償稱為時間增益補償（ time gain compensation, TGC ），也稱深度增益補償（ DGC ）或靈敏度時間補償（ STC）。2）深度衰減規(guī)律（ 6）USG 圖像特點1）回聲強弱 聲像圖是以明（白）暗（黑）之間不同的灰度來反映回聲之有無和強弱，無回聲則為暗區(qū)（黑影） ，強回聲則為亮區(qū)（白影）