[臨床醫(yī)學(xué)]71超聲波

1、利用某種待測的非聲量與某些描述媒質(zhì)聲利用某種待測的非聲量與某些描述媒質(zhì)聲學(xué)特性的超聲量之間存在著的直接或間接的關(guān)系。學(xué)特性的超聲量之間存在著的直接或間接的關(guān)系。密度、流量、液位、厚度、缺陷等密度、流量、液位、厚度、缺陷等基于反射原理的示意圖基于反射原理的示意圖一、概述一、概述7.1 超聲波傳感器超聲波傳感器v波（動(dòng)）：振動(dòng)在彈性介質(zhì)內(nèi)的傳播稱為波動(dòng)。波（動(dòng)）：振動(dòng)在彈性介質(zhì)內(nèi)的傳播稱為波動(dòng)。 頻率：次聲波、聲波、超聲波、微波頻率：次聲波、聲波、超聲波、微波次聲波：次聲波：低于低于16 hz的機(jī)械波；的機(jī)械波；聲波：聲波：其頻率在其頻率在162104 hz之間，能為人耳所聞的機(jī)械波；之間，能為人

2、耳所聞的機(jī)械波；超聲波：超聲波：高于高于2104 hz的機(jī)械波；的機(jī)械波；微波：微波：頻率在頻率在310831011 hz之間的波；之間的波；v縱波：縱波：質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向一致。與波的傳播方向一致。（固、液、氣）（固、液、氣）v橫波：橫波：質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向垂直于波的傳播方向。垂直于波的傳播方向。（固）（固） v表面波：表面波：質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)介于縱波和橫波之間，介于縱波和橫波之間，沿著表面?zhèn)鞑?，振幅隨沿著表面?zhèn)鞑ィ穹S深度增加而迅速衰減。深度增加而迅速衰減。（固體表面）（固體表面）l 1界面界面介質(zhì)介質(zhì)1介質(zhì)介質(zhì)2 2l1l2s1s2l入射縱波；入射

3、縱波； l1 反射縱波；反射縱波； l2 折射縱波折射縱波 s1 反射橫波；反射橫波； s2折射橫波。折射橫波。超聲波的傳播速度超聲波的傳播速度取決于介質(zhì)的彈性常數(shù)及介質(zhì)的密度，與自身頻率無關(guān)。取決于介質(zhì)的彈性常數(shù)及介質(zhì)的密度，與自身頻率無關(guān)。密度彈性率聲速在固體介質(zhì)中，縱波、橫波、表面波三者的聲速分別為在固體介質(zhì)中，縱波、橫波、表面波三者的聲速分別為橫表面橫縱cgcgecec9 . 09 . 0)1 (21)21)(1 (1e 楊氏模量；楊氏模量； 泊松比；泊松比；g 剪切彈性模量。剪切彈性模量。3、超聲波的反射和折射、超聲波的反射和折射當(dāng)波速一致時(shí)當(dāng)波速一致時(shí)入射波入射波 界面界面介質(zhì)介質(zhì)

4、1介質(zhì)介質(zhì)2反射波反射波折射波折射波（2）折射定律）折射定律21sinsinccc1入射聲波速；入射聲波速； c2折射聲波速折射聲波速（1）反射定律）反射定律4、聲波的衰減、聲波的衰減 超聲波在一種介質(zhì)中傳播時(shí)，隨著距離的增加，能超聲波在一種介質(zhì)中傳播時(shí)，隨著距離的增加，能量逐漸衰減。其聲壓和聲強(qiáng)的衰減規(guī)律為量逐漸衰減。其聲壓和聲強(qiáng)的衰減規(guī)律為xxeiiepp200p p0 0、i i0 0 聲波在聲波在x x=0=0處的聲壓和聲強(qiáng)；處的聲壓和聲強(qiáng)；p p、i i 聲波在聲波在x x處的聲壓和聲強(qiáng)；處的聲壓和聲強(qiáng)； 衰減系數(shù)。衰減系數(shù)。v應(yīng)用：工件的厚度、球墨鑄鐵的球化程度、泥漿應(yīng)用：工件的厚

5、度、球墨鑄鐵的球化程度、泥漿 的濃度等。的濃度等。超聲波的衰減程度與介質(zhì)及超聲波的頻率超聲波的衰減程度與介質(zhì)及超聲波的頻率有關(guān)。有關(guān)。v與介質(zhì)有關(guān)與介質(zhì)有關(guān) 氣體對超聲波吸收最強(qiáng)而衰減最大，液體次之，固體氣體對超聲波吸收最強(qiáng)而衰減最大，液體次之，固體吸收最小而衰減最小。吸收最小而衰減最小。v與超聲波的頻率有關(guān)與超聲波的頻率有關(guān) 頻率越高，衰減越大，因此超聲波比其他聲波在傳播頻率越高，衰減越大，因此超聲波比其他聲波在傳播時(shí)的衰減更明顯。時(shí)的衰減更明顯。二、超聲波傳感器二、超聲波傳感器1、定義：、定義： 能夠完成產(chǎn)生超聲波和接收超聲波功能的裝置就是超能夠完成產(chǎn)生超聲波和接收超聲波功能的裝置就是超聲

6、波傳感器，也稱為超聲波換能器或超聲波探頭。聲波傳感器，也稱為超聲波換能器或超聲波探頭。v應(yīng)用：應(yīng)用：超聲波傳播時(shí)間傳感器、目標(biāo)探測、流量測量、超聲波傳播時(shí)間傳感器、目標(biāo)探測、流量測量、液位測量、超聲清洗、超聲醫(yī)療等。液位測量、超聲清洗、超聲醫(yī)療等。v特點(diǎn)：特點(diǎn)：精度高，被測物體不受影響。精度高，被測物體不受影響。2、分類、分類v結(jié)構(gòu)：直探頭、斜探頭、雙探頭和液浸探頭結(jié)構(gòu)：直探頭、斜探頭、雙探頭和液浸探頭v工作原理：工作原理：壓電式壓電式、磁致伸縮式、電磁式、磁致伸縮式、電磁式3、壓電式傳感器、壓電式傳感器v超聲波傳感器大多數(shù)利用壓電材料制成，超聲波傳感器大多數(shù)利用壓電材料制成，逆壓電逆壓電效應(yīng)

7、效應(yīng)將電振動(dòng)轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生超聲波，作為將電振動(dòng)轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生超聲波，作為發(fā)射探頭發(fā)射探頭；正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)將超聲波轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，將超聲波轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，作為作為接收探頭接收探頭。v壓電探頭主要通過壓電探頭主要通過壓電晶片壓電晶片將超聲振動(dòng)轉(zhuǎn)換為電將超聲振動(dòng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)信號(hào)三、超聲波傳感器的應(yīng)用三、超聲波傳感器的應(yīng)用1、超聲波測厚、超聲波測厚 脈沖回波法：脈沖回波法：續(xù)：超聲波測厚續(xù)：超聲波測厚主控制器主控制器脈沖發(fā)送電路脈沖發(fā)送電路接收電路接收電路探頭探頭標(biāo)準(zhǔn)振蕩電路標(biāo)準(zhǔn)振蕩電路計(jì)數(shù)電路計(jì)數(shù)電路2、液位測量、液位測量通過測量發(fā)射和接收信號(hào)之間的時(shí)間差測距離。通過測量發(fā)射和接收信號(hào)之間

8、的時(shí)間差測距離。液位計(jì)液位計(jì)3、超聲波探傷、超聲波探傷 v穿透法探傷：穿透法探傷： 穿透法探傷是根據(jù)超聲波穿透工件后能量穿透法探傷是根據(jù)超聲波穿透工件后能量的變化情況來判斷工件內(nèi)部質(zhì)量。的變化情況來判斷工件內(nèi)部質(zhì)量。 v反射法探傷反射法探傷： 反射法探傷是根據(jù)超聲波在工件中反射情反射法探傷是根據(jù)超聲波在工件中反射情況的不同來探測工件內(nèi)部是否有缺陷。它又分況的不同來探測工件內(nèi)部是否有缺陷。它又分為為一次脈沖反射法一次脈沖反射法和和多次脈沖反射法多次脈沖反射法兩種。兩種。（1）穿透法探傷）穿透法探傷 v優(yōu)點(diǎn)：指示簡單，優(yōu)點(diǎn)：指示簡單，適用于自動(dòng)探傷；適用于自動(dòng)探傷；可避免盲區(qū)，適宜可避免盲區(qū)，適宜

9、探測薄板。探測薄板。v缺點(diǎn)：探測靈敏度缺點(diǎn)：探測靈敏度較低，不能發(fā)現(xiàn)小較低，不能發(fā)現(xiàn)小缺陷；根據(jù)能量的缺陷；根據(jù)能量的變化可判斷有無缺變化可判斷有無缺陷，但不能定位；陷，但不能定位；對兩探頭的相對位對兩探頭的相對位置要求較高。置要求較高。 穿透法探傷原理穿透法探傷原理 （2 2）一次脈沖反射法）一次脈沖反射法 一次脈沖反射法探傷原理一次脈沖反射法探傷原理 （3 3）多次脈沖反射法）多次脈沖反射法 多次脈沖反射法探傷原理多次脈沖反射法探傷原理 4、超聲流量計(jì)、超聲流量計(jì)v理論基礎(chǔ)：理論基礎(chǔ)：超聲波在流體中的傳播速度與流體超聲波在流體中的傳播速度與流體的流動(dòng)速度有關(guān)。的流動(dòng)速度有關(guān)。v特點(diǎn)：特點(diǎn)：

10、超聲非接觸測量；無壓力損失；適合于大超聲非接觸測量；無壓力損失；適合于大型管道等。型管道等。v測量方法：測量方法：時(shí)差法、相位差法；頻率差法等。時(shí)差法、相位差法；頻率差法等。在被測管道上下游的一定距離上，分別安裝兩對超聲波發(fā)射和在被測管道上下游的一定距離上，分別安裝兩對超聲波發(fā)射和接收探頭（接收探頭（f1f1，t1t1）、（）、（f2f2，t2t2）。其中（）。其中（f1f1，t1t1）的超聲波）的超聲波是順流傳播的，而（是順流傳播的，而（f2f2，t2t2）的超聲波是逆流傳播的。根據(jù)這）的超聲波是逆流傳播的。根據(jù)這兩束超聲波在液體中傳播速度的不同，采用測量兩接收探頭上兩束超聲波在液體中傳播速

11、度的不同，采用測量兩接收探頭上超聲波傳播的時(shí)間差超聲波傳播的時(shí)間差 t t、相位差、相位差 或頻率差或頻率差 f f等方法，可測等方法，可測量出流體的平均速度及流量。量出流體的平均速度及流量。 超聲波流量傳感器工作原理超聲波流量傳感器工作原理時(shí)差法時(shí)差法超聲波傳感器安裝位置超聲波傳感器安裝位置c 超聲在流體中的速度；超聲在流體中的速度；v 流體的平均流速。流體的平均流速。傳感器傳感器1 1傳感器傳感器2 2vd l（1）時(shí)差法測流量）時(shí)差法測流量 （3）頻率差法測流量）頻率差法測流量 （2）相位差法測流量）相位差法測流量b型超聲波型超聲波診斷儀診斷儀zzxb超的電子扇形掃描超的電子扇形掃描手動(dòng)

12、移動(dòng)掃描位置手動(dòng)移動(dòng)掃描位置 超聲波診斷儀超聲波診斷儀 超聲波診斷儀是通過向人體內(nèi)發(fā)射超聲波超聲波診斷儀是通過向人體內(nèi)發(fā)射超聲波( (主要采用縱波主要采用縱波) )，然后接，然后接收經(jīng)人體各組織反射回來的超聲波信號(hào)并加以處理和顯示，根據(jù)超聲波收經(jīng)人體各組織反射回來的超聲波信號(hào)并加以處理和顯示，根據(jù)超聲波在人體不同組織中傳播特性的差異進(jìn)行診斷的。超聲波診斷儀最常用的在人體不同組織中傳播特性的差異進(jìn)行診斷的。超聲波診斷儀最常用的有有a a型超聲波診斷儀、型超聲波診斷儀、m m型超聲波心電圖儀和型超聲波心電圖儀和b b型超聲波斷層顯像儀等。型超聲波斷層顯像儀等。 a a型超聲波診斷儀（腦中線測量、眼

13、科）型超聲波診斷儀（腦中線測量、眼科） a a型超聲波診斷儀又稱為振幅型超聲波診斷儀又稱為振幅(amplitude)(amplitude)型診斷儀，其原理類似示型診斷儀，其原理類似示波器，所不同的是在波器，所不同的是在垂直通道垂直通道中增加了檢波器，以便把正負(fù)交變的脈沖中增加了檢波器，以便把正負(fù)交變的脈沖調(diào)制信號(hào)變成單向的視頻脈沖信號(hào)。調(diào)制信號(hào)變成單向的視頻脈沖信號(hào)。 同步電路產(chǎn)生同步電路產(chǎn)生50hz50hz20khz20khz的同步脈沖，該脈沖觸發(fā)掃描電路產(chǎn)生的同步脈沖，該脈沖觸發(fā)掃描電路產(chǎn)生鋸齒波電壓信號(hào)，齒波電壓信號(hào)的頻率與超聲波的頻率相同，而且與視鋸齒波電壓信號(hào)，齒波電壓信號(hào)的頻率與超

14、聲波的頻率相同，而且與視頻信號(hào)同步。頻信號(hào)同步。 發(fā)射電路在同步脈沖發(fā)射電路在同步脈沖作用下，產(chǎn)生一高頻調(diào)幅作用下，產(chǎn)生一高頻調(diào)幅振蕩，即產(chǎn)生幅度調(diào)制波振蕩，即產(chǎn)生幅度調(diào)制波( (正弦填充脈沖正弦填充脈沖) )。 發(fā)射電路一方面將調(diào)幅波送入高頻放大器放大，使發(fā)射電路一方面將調(diào)幅波送入高頻放大器放大，使熒光屏上顯示發(fā)射脈沖熒光屏上顯示發(fā)射脈沖( (如熒光屏上的第一個(gè)脈沖如熒光屏上的第一個(gè)脈沖) )，另，另一方面將調(diào)幅波送到超聲波探頭激勵(lì)探頭產(chǎn)生一次超聲一方面將調(diào)幅波送到超聲波探頭激勵(lì)探頭產(chǎn)生一次超聲振蕩，超聲波進(jìn)入人體后的反射波由探頭接收并轉(zhuǎn)換成振蕩，超聲波進(jìn)入人體后的反射波由探頭接收并轉(zhuǎn)換成電

15、壓信號(hào)，該電壓信號(hào)經(jīng)高頻放大器放大、檢波、功率電壓信號(hào)，該電壓信號(hào)經(jīng)高頻放大器放大、檢波、功率放大，在熒光屏上將顯示出一系列的回波，它們代表著放大，在熒光屏上將顯示出一系列的回波，它們代表著各組織的特性和狀況。各組織的特性和狀況。 m m型超聲波診斷儀型超聲波診斷儀 m m型超聲波診斷儀主要用于運(yùn)動(dòng)型超聲波診斷儀主要用于運(yùn)動(dòng)(motion)(motion)器官的診斷，常用于心臟疾器官的診斷，常用于心臟疾病的診斷，故又稱為超聲波心電圖儀。它是在病的診斷，故又稱為超聲波心電圖儀。它是在a a型超聲波診斷儀的基礎(chǔ)上型超聲波診斷儀的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種發(fā)展起來的一種輝度調(diào)制式儀器輝度調(diào)制式儀器。它與。

16、它與a a型超聲波診斷儀的不同點(diǎn)是型超聲波診斷儀的不同點(diǎn)是m m型型的發(fā)射波和回波信號(hào)不是加到示波管的垂直偏轉(zhuǎn)板上，而是加到示波管的發(fā)射波和回波信號(hào)不是加到示波管的垂直偏轉(zhuǎn)板上，而是加到示波管的柵極或陰極上來控制到達(dá)示波管的電子束的強(qiáng)度。脈沖信號(hào)幅度高，的柵極或陰極上來控制到達(dá)示波管的電子束的強(qiáng)度。脈沖信號(hào)幅度高，熒光屏的光點(diǎn)亮；反之，光點(diǎn)暗。光點(diǎn)的縱坐標(biāo)代表與回波信號(hào)相對應(yīng)熒光屏的光點(diǎn)亮；反之，光點(diǎn)暗。光點(diǎn)的縱坐標(biāo)代表與回波信號(hào)相對應(yīng)的點(diǎn)到體表的距離，橫坐標(biāo)則表示不同時(shí)刻。這種顯示方式最適用于觀的點(diǎn)到體表的距離，橫坐標(biāo)則表示不同時(shí)刻。這種顯示方式最適用于觀察運(yùn)動(dòng)器官的動(dòng)作情況。察運(yùn)動(dòng)器官的動(dòng)

17、作情況。 各層組織與探頭的距離不同，各層組織與探頭的距離不同，在熒光屏上會(huì)呈現(xiàn)隨心臟搏在熒光屏上會(huì)呈現(xiàn)隨心臟搏動(dòng)而上下擺動(dòng)的一系列光點(diǎn)，動(dòng)而上下擺動(dòng)的一系列光點(diǎn)，當(dāng)代表時(shí)間的掃描線沿水平當(dāng)代表時(shí)間的掃描線沿水平方向從左至右等速移動(dòng)時(shí)，方向從左至右等速移動(dòng)時(shí)，上下擺動(dòng)的光點(diǎn)便橫向展開，上下擺動(dòng)的光點(diǎn)便橫向展開，得到心動(dòng)周期、心臟各層組得到心動(dòng)周期、心臟各層組織結(jié)構(gòu)隨時(shí)間變化的活動(dòng)曲織結(jié)構(gòu)隨時(shí)間變化的活動(dòng)曲線，這就是超聲心電圖。線，這就是超聲心電圖。 實(shí)際操作時(shí)，將探頭固定在某一部位，如心臟部位。由于心臟搏動(dòng)，實(shí)際操作時(shí)，將探頭固定在某一部位，如心臟部位。由于心臟搏動(dòng)， 由由m m型顯示得到的位移

18、曲線，對時(shí)間微分可以得到速度曲線和型顯示得到的位移曲線，對時(shí)間微分可以得到速度曲線和加速度曲線，如下圖所示。利用這些成套曲線，比較容易判斷某些加速度曲線，如下圖所示。利用這些成套曲線，比較容易判斷某些運(yùn)動(dòng)器有疾病。運(yùn)動(dòng)器有疾病。 b b型超聲波診斷儀型超聲波診斷儀 b b型超聲波診斷儀型超聲波診斷儀( (簡稱為簡稱為b b超，其成像超，其成像方式稱為方式稱為b b型成像方式型成像方式) )是在是在m m型診斷儀的基型診斷儀的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的礎(chǔ)上發(fā)展起來的輝度調(diào)制輝度調(diào)制(brightness (brightness modulation)modulation)式診斷儀。式診斷儀。b b型成像方

19、式所得型成像方式所得到的是與聲束傳播方向垂直的物體斷面的到的是與聲束傳播方向垂直的物體斷面的圖像，聲束沿圖像，聲束沿z z方向傳播，沿方向傳播，沿x x方向掃描，方向掃描，逐次照射物體的不同區(qū)域，并接收聲束所逐次照射物體的不同區(qū)域，并接收聲束所zzxb超的電子扇形掃描超的電子扇形掃描手動(dòng)移動(dòng)掃描位置手動(dòng)移動(dòng)掃描位置達(dá)區(qū)域內(nèi)物體的散射聲信號(hào)，將聲信號(hào)幅度調(diào)制成熒光屏上相應(yīng)位置的達(dá)區(qū)域內(nèi)物體的散射聲信號(hào)，將聲信號(hào)幅度調(diào)制成熒光屏上相應(yīng)位置的光點(diǎn)亮度，從而獲得聲束掃描斷面內(nèi)與聲散射信號(hào)幅度光點(diǎn)亮度，從而獲得聲束掃描斷面內(nèi)與聲散射信號(hào)幅度 對應(yīng)的圖像。掃描方式主要有線掃描和扇形掃描兩種。對應(yīng)的圖像。掃

20、描方式主要有線掃描和扇形掃描兩種。 b b超所使用的換能器多為線陣聚焦超所使用的換能器多為線陣聚焦/ /掃描型，典型陣元數(shù)為掃描型，典型陣元數(shù)為256256，外形，外形如右下圖所示。如右下圖所示。 b超換能器外形圖超換能器外形圖腎臟的腎臟的b超圖像超圖像左下圖是腎臟的左下圖是腎臟的b b超圖像超圖像 雖然雖然b b型和型和m m型診斷同屬輝度調(diào)制式儀器，但是存在兩個(gè)顯著的不型診斷同屬輝度調(diào)制式儀器，但是存在兩個(gè)顯著的不同點(diǎn)：同點(diǎn)： (1) (1) 當(dāng)當(dāng)m m型超聲波診斷儀工作時(shí)，探頭固定在某一點(diǎn)，超聲波定型超聲波診斷儀工作時(shí)，探頭固定在某一點(diǎn)，超聲波定向發(fā)射；而向發(fā)射；而b b型超聲波診斷儀工作時(shí)，探頭是連續(xù)移動(dòng)，或者探頭不型超聲波診斷儀工作時(shí)，探頭是連續(xù)移動(dòng)，或者探頭不動(dòng)而發(fā)射的超聲波束不斷地變動(dòng)傳播方向。探頭由人手移動(dòng)的稱之為動(dòng)而發(fā)射的超聲波束不斷地變動(dòng)傳播方向。探頭由人手移動(dòng)的稱之為手動(dòng)掃描，用機(jī)械移動(dòng)的稱之為機(jī)械