超聲成像的物理原理

1、超聲診斷學(xué)超聲診斷學(xué)高職高專衛(wèi)生部規(guī)劃教材高職高專衛(wèi)生部規(guī)劃教材超聲診斷學(xué)超聲診斷學(xué)高職高專衛(wèi)生部規(guī)劃教材高職高專衛(wèi)生部規(guī)劃教材 醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)超聲診斷學(xué)超聲診斷學(xué)CAICAI課件課件第二章第二章 超聲成像的物理原理超聲成像的物理原理包頭醫(yī)學(xué)院第一附屬醫(yī)院包頭醫(yī)學(xué)院第一附屬醫(yī)院 閆國珍閆國珍學(xué)習(xí)目標(biāo)學(xué)習(xí)目標(biāo)1. 掌握超聲的定義及超聲傳播中頻率、掌握超聲的定義及超聲傳播中頻率、 聲速、波聲速、波長三者之間的關(guān)系。長三者之間的關(guān)系。2. 熟悉人體組織對入射聲束的作用熟悉人體組織對入射聲束的作用;入射超聲對人入射超聲對人體組織的作用。體組織的作用。3. 了解超聲診斷的安全性及注意事

2、項(xiàng)。了解超聲診斷的安全性及注意事項(xiàng)。 第一節(jié)第一節(jié) 超聲成像的物理基礎(chǔ)超聲成像的物理基礎(chǔ)一、超聲波的定義一、超聲波的定義 聲源振動頻率聲源振動頻率2000020000HzHz的機(jī)械波為超聲波。的機(jī)械波為超聲波。超聲診斷使用的頻率范圍超聲診斷使用的頻率范圍: 0.5-60MHz ，常用，常用 2-14MHz。次聲波次聲波 20Hz 20Hz 20000Hz 20000Hz 超聲波超聲波 （聲波）（聲波）二、超聲波的特性二、超聲波的特性 超聲在彈性介質(zhì)中以縱波形式傳播，遵守聲超聲在彈性介質(zhì)中以縱波形式傳播，遵守聲波的物理特性，即束射、反射、折射、繞射、散波的物理特性，即束射、反射、折射、繞射、散射

3、、吸收、衰減和多普勒效應(yīng)等特性。射、吸收、衰減和多普勒效應(yīng)等特性。三、超聲波的發(fā)生三、超聲波的發(fā)生正壓電效應(yīng)：正壓電效應(yīng)：由外力作用引起材料表面產(chǎn)生電荷，形由外力作用引起材料表面產(chǎn)生電荷，形成電場，稱為正壓電效應(yīng)；成電場，稱為正壓電效應(yīng)；逆壓電效應(yīng)：逆壓電效應(yīng)：在材料兩端施加一個電壓時，晶體將在材料兩端施加一個電壓時，晶體將產(chǎn)生幾何變形，稱為逆壓電效應(yīng)。產(chǎn)生幾何變形，稱為逆壓電效應(yīng)。 變形變形 電場電場電場電場 變形變形三、超聲波的發(fā)生三、超聲波的發(fā)生 在臨床工作中，利用逆壓電效應(yīng)形成超聲在臨床工作中，利用逆壓電效應(yīng)形成超聲發(fā)生器；利用正壓電效應(yīng)形成回聲接收器。發(fā)生器；利用正壓電效應(yīng)形成回聲接

4、收器。常用的超聲探頭與臨床應(yīng)用：常用的超聲探頭與臨床應(yīng)用：1 1、凸陣探頭：主要用于腹部、婦產(chǎn)科；、凸陣探頭：主要用于腹部、婦產(chǎn)科；2 2、線陣探頭：主要用于外周血管、小器官；、線陣探頭：主要用于外周血管、小器官；3 3、機(jī)械扇形掃描探頭：主要用于心臟檢查；、機(jī)械扇形掃描探頭：主要用于心臟檢查；4 4、環(huán)陣扇形探頭：主要用于腔內(nèi)檢查。、環(huán)陣扇形探頭：主要用于腔內(nèi)檢查。四、超聲波的傳播四、超聲波的傳播超聲波的三個基本物理量超聲波的三個基本物理量 1 1、波長、波長()()：在波的傳播方向上，質(zhì)點(diǎn)完成一次振動的距離，：在波的傳播方向上，質(zhì)點(diǎn)完成一次振動的距離，單位：單位：mmmm；2 2、頻率、頻

5、率(f)(f)：單位時間內(nèi)質(zhì)點(diǎn)完成一個振動過程的次數(shù)，：單位時間內(nèi)質(zhì)點(diǎn)完成一個振動過程的次數(shù)，單位：單位：HzHz； 3 3、聲速、聲速(c)(c)：單位時間內(nèi)聲波在介質(zhì)中的傳播距離：單位時間內(nèi)聲波在介質(zhì)中的傳播距離, , 單位：單位：m/sm/s。目前醫(yī)用超聲儀一般將軟組織聲速的平均值定為。目前醫(yī)用超聲儀一般將軟組織聲速的平均值定為1540m/s1540m/s。 三者的關(guān)系：三者的關(guān)系：=c/f 超聲波在固體中傳播速度最快，在氣體中最慢：骨超聲波在固體中傳播速度最快，在氣體中最慢：骨與軟骨中聲速約為與軟骨中聲速約為4500m/s；軟組織；軟組織(肝、膽、胰等肝、膽、胰等)平均平均聲速約為聲速

6、約為1540m/s；肺、胃腸道等含氣臟器中聲速為；肺、胃腸道等含氣臟器中聲速為350m/s。 近場近場遠(yuǎn)場遠(yuǎn)場D 1/2 1/2D D聲源直徑聲源直徑 擴(kuò)散角擴(kuò)散角4 4、聲場、聲場5 5、分辨力：、分辨力： 超聲能夠發(fā)現(xiàn)最小障礙物的能力，稱為分辨力，超聲能夠發(fā)現(xiàn)最小障礙物的能力，稱為分辨力，包括：包括：（1）空間分辨力）空間分辨力：能夠辨別兩個細(xì)小目標(biāo)空間位置：能夠辨別兩個細(xì)小目標(biāo)空間位置的能力，分為軸向分辨力、橫向分辨力和側(cè)向分辨力；的能力，分為軸向分辨力、橫向分辨力和側(cè)向分辨力；（2）對比分辨力）對比分辨力：在灰階或亮度上分辨不同目標(biāo)的：在灰階或亮度上分辨不同目標(biāo)的能力能力 。 空間分辨

7、力空間分辨力第二節(jié)第二節(jié) 人體組織對超聲的作用人體組織對超聲的作用一、聲阻抗與界面一、聲阻抗與界面1 1、聲阻抗、聲阻抗：系密度與聲速的乘積，單位為瑞利；：系密度與聲速的乘積，單位為瑞利；2 2、界面、界面：兩種聲阻抗不同物體接觸在一起時，形成：兩種聲阻抗不同物體接觸在一起時，形成一個界面，尺寸小于波長時稱小界面，反之稱為大一個界面，尺寸小于波長時稱小界面，反之稱為大界面。界面。 二、反射與折射二、反射與折射 1、反射：、反射：在超聲的傳播過程中，如果聲束遇到大界面，在超聲的傳播過程中，如果聲束遇到大界面，則一部分超聲能量會返回到原來的介質(zhì)中，形成反射。則一部分超聲能量會返回到原來的介質(zhì)中，形

8、成反射。2、折射：、折射：在超聲的傳播過程中，當(dāng)分界面兩邊的聲速不在超聲的傳播過程中，當(dāng)分界面兩邊的聲速不同時，超聲波透入第二種介質(zhì)后，其傳播方向?qū)l(fā)生改變同時，超聲波透入第二種介質(zhì)后，其傳播方向?qū)l(fā)生改變，產(chǎn)生折射。，產(chǎn)生折射。反射與折射反射與折射 三、散射三、散射 超聲波在傳播中遇到粗糙面或極小的障礙物時，將有超聲波在傳播中遇到粗糙面或極小的障礙物時，將有一部分能量被散射，向各個空間方向分散輻射。散射來自一部分能量被散射，向各個空間方向分散輻射。散射來自臟器內(nèi)的細(xì)小結(jié)構(gòu)，紅細(xì)胞的背向散射是多普勒超聲診斷臟器內(nèi)的細(xì)小結(jié)構(gòu)，紅細(xì)胞的背向散射是多普勒超聲診斷的基礎(chǔ)。的基礎(chǔ)。 散射散射 四、繞射四

9、、繞射 當(dāng)入射聲束遇到同超聲波長大小接近的界面時；當(dāng)入射聲束遇到同超聲波長大小接近的界面時；或者當(dāng)入射聲束經(jīng)過界面的邊緣，并且聲束邊緣與界或者當(dāng)入射聲束經(jīng)過界面的邊緣，并且聲束邊緣與界面邊緣的距離小于面邊緣的距離小于1 12 2個超聲波長時，聲束就會在界個超聲波長時，聲束就會在界面邊緣處發(fā)生彎曲，繞過該障礙物而繼續(xù)前進(jìn)，反射面邊緣處發(fā)生彎曲，繞過該障礙物而繼續(xù)前進(jìn)，反射很少，這種現(xiàn)象稱為繞射，亦稱衍射。很少，這種現(xiàn)象稱為繞射，亦稱衍射。 繞射繞射 五、衰減五、衰減 超聲波在介質(zhì)內(nèi)的傳播過程中，隨著傳播距離的增大，聲超聲波在介質(zhì)內(nèi)的傳播過程中，隨著傳播距離的增大，聲波能量逐漸減少的現(xiàn)象，稱為衰減

10、。波能量逐漸減少的現(xiàn)象，稱為衰減。 造成衰減的主要原因：反射、散射、吸收、聲束發(fā)散。造成衰減的主要原因：反射、散射、吸收、聲束發(fā)散。 衰減衰減 第三節(jié)第三節(jié) 超聲對人體組織的作用超聲對人體組織的作用 一、超聲的生物效應(yīng)一、超聲的生物效應(yīng) 超聲波是帶有一定能量的機(jī)械波，當(dāng)一定劑量的超聲波是帶有一定能量的機(jī)械波，當(dāng)一定劑量的超聲波在生物體內(nèi)傳播時，通過超聲與生物組織的相超聲波在生物體內(nèi)傳播時，通過超聲與生物組織的相互作用，可以引起生物體的功能、結(jié)構(gòu)或狀態(tài)的變化互作用，可以引起生物體的功能、結(jié)構(gòu)或狀態(tài)的變化，這就是超聲生物效應(yīng)。，這就是超聲生物效應(yīng)。一、超聲的生物效應(yīng)一、超聲的生物效應(yīng) 產(chǎn)生超聲生物

11、效應(yīng)的主要機(jī)制有：熱效應(yīng)、機(jī)械效應(yīng)、產(chǎn)生超聲生物效應(yīng)的主要機(jī)制有：熱效應(yīng)、機(jī)械效應(yīng)、空化效應(yīng)、化學(xué)作用。當(dāng)超聲劑量超出規(guī)定，將造成若干生空化效應(yīng)、化學(xué)作用。當(dāng)超聲劑量超出規(guī)定，將造成若干生物效應(yīng)。物效應(yīng)。 二、超聲診斷的安全性二、超聲診斷的安全性診斷用超聲劑量（聲強(qiáng)）的限定值：診斷用超聲劑量（聲強(qiáng)）的限定值：Ispta100mW/cmIspta100mW/cm2 2，一次超聲照射時間，一次超聲照射時間10-2010-20分鐘。分鐘。1、超聲波是聲源振動頻率大于、超聲波是聲源振動頻率大于20000Hz的機(jī)械波，可以通的機(jī)械波，可以通過換能器的正、逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生和接收，醫(yī)用超聲診過換能器的正、逆壓

12、電效應(yīng)產(chǎn)生和接收，醫(yī)用超聲診斷頻率最常選用在斷頻率最常選用在2-14MHz頻率范圍內(nèi)；頻率范圍內(nèi)；2、不同組織的超聲速度和聲特性阻抗不同，超聲探測是利、不同組織的超聲速度和聲特性阻抗不同，超聲探測是利用聲束的反射、折射、散射、繞射、衰減等傳播特性用聲束的反射、折射、散射、繞射、衰減等傳播特性，通過與生物組織的相互作用進(jìn)行臨床分析和診斷。，通過與生物組織的相互作用進(jìn)行臨床分析和診斷。3、超聲對生物組織具有熱效應(yīng)、機(jī)械效應(yīng)和空化效應(yīng)，在、超聲對生物組織具有熱效應(yīng)、機(jī)械效應(yīng)和空化效應(yīng)，在進(jìn)行超聲探測時須控制安全劑量并遵循檢查、操作規(guī)進(jìn)行超聲探測時須控制安全劑量并遵循檢查、操作規(guī)程。程。 課后小結(jié)課后小結(jié)