醫(yī)學(xué)影像成像理論第8章超聲成像第二節(jié)超聲探測(cè)的物理基礎(chǔ)

1、第二節(jié) 超聲探測(cè)的物理基礎(chǔ)一、超聲的發(fā)射與接收產(chǎn)生超聲波的具體方法很多，在醫(yī)學(xué)超聲診斷中大多采用壓電晶片的超聲換能方法來產(chǎn)生超聲波.（一）壓電效應(yīng)1880年法國物理學(xué)家居里兄弟發(fā)現(xiàn)。壓電效應(yīng)（piezoelectric effect）：機(jī)械能與電能相互轉(zhuǎn)換的物理現(xiàn)象。 正壓電效應(yīng) 當(dāng)在壓電材料兩端加一壓力時(shí)，則在此材料的兩個(gè)電極面上將產(chǎn)生電荷，將機(jī)械能變成電能。這種效應(yīng)稱為正壓電效應(yīng)。 +-F+ + + + + + +- - - - - - - - -+ + + + + + +- - - - - - - - - -+-FF機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能形變產(chǎn)生電壓形變消失電壓消失逆壓電效應(yīng) 當(dāng)在壓電材料兩端

2、加一交變電場時(shí)，則壓電材料出現(xiàn)與交變電場同樣頻率的機(jī)械振動(dòng)，將電能變?yōu)闄C(jī)械能。這種效應(yīng)稱負(fù)壓電效應(yīng)。+-+ + + + + + +- - - - - - - - -+-+ + + + + + +- - - - - - - - -超聲波發(fā)射將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能施加電壓則產(chǎn)生形變消除外加電壓則形變相應(yīng)消失醫(yī)用壓電材料的分類醫(yī)用壓電材料壓電單晶體壓電多晶體復(fù)合壓電材料壓電高分子聚合物壓電陶瓷完美的晶格結(jié)構(gòu), 晶粒一致，100%極化排列(倍放大)鋯鈦酸鉛（PZT）純凈波晶體不完整的晶格結(jié)構(gòu), 多種結(jié)晶，隨機(jī)排列晶粒，最大70%偶極子極化排列壓電晶體壓電體壓電振子極化電極外加頻率=固有頻率，振動(dòng)最強(qiáng)。（二

3、）超聲探頭在醫(yī)學(xué)超聲中，能實(shí)現(xiàn)電能與聲能相互轉(zhuǎn)換的裝置稱為換能器（transducer），又稱探頭（probe）。其作用是產(chǎn)生和接收超聲。使用最多的是壓電式超聲換能器，利用逆壓電效應(yīng)將電能轉(zhuǎn)化為晶體振動(dòng)的機(jī)械能，使晶體振動(dòng)而產(chǎn)生超聲波，發(fā)射至需要檢測(cè)的人體組織內(nèi)。 接收超聲時(shí)，利用正壓電效應(yīng)將從人體組織返回的超聲接收，并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，由接收電路進(jìn)行信息處理。實(shí)際工作中大多采用間歇脈沖工作方式，因此，同一探頭可以分別完成發(fā)生和接收功能。 結(jié)構(gòu)單晶片探頭是最基本的結(jié)構(gòu)：主體和殼體組成1、探頭主體 發(fā)射和接收超聲的功能部分，由壓電晶體、面材及背材構(gòu)成。性能主要取決于晶片材料、晶片直徑與厚度、面材前保

4、護(hù)層的耦合、背材的阻尼吸收等。（1）面材（保護(hù)層）：作用是防止壓電元件與人體組織經(jīng)常直接接觸導(dǎo)致磨損、碰壞或氧化等。探頭與人體組織接觸的端面加有保護(hù)層。選用衰減小、高耐磨、柔順性好的材料，其聲阻抗應(yīng)接近人體組織的聲阻抗。 通常將保護(hù)層兼作為聲阻抗匹配層，其厚度為/4。（2）壓電晶片（壓電振子）：探頭的關(guān)鍵元件，決定探頭電能與聲能的互換能力。材料：多采用鋯鈦酸鉛，近年新材料聚氟乙烯用來制成薄膜探頭。晶片幾何形狀和尺寸根據(jù)臨床需要來確定。晶片厚度與工作頻率相關(guān)，晶片越薄，頻率越高。頻率在110MHz時(shí)，一般單晶片圓形探頭壓電體的直徑812mm左右，兩面有涂銀薄層，焊接導(dǎo)線作為電極。（3）背材（阻尼

5、吸聲塊）：作用是吸收背向輻射的聲能，最好使背向輻射的超聲全部透進(jìn)吸聲塊中并衰減掉，不再反射回壓電元件。背材由耐磨的環(huán)氧樹脂薄膜、鎢粉、二氧化鉬、鐵氧體、橡膠粉組成。 （4）聲隔離：通常在壓電晶片、吸聲塊和殼體之間加軟木、橡皮、尼龍等材料進(jìn)行聲隔離，消除金屬制成的殼體與晶片之間產(chǎn)生的振動(dòng)耦合對(duì)超聲能量輻射的影響。2、殼體起支撐、密封、絕緣、承壓、屏蔽以及保護(hù)壓電元件的作用，也是探頭與儀器的電氣信號(hào)連接的插接部件。（三）超聲場能量的空間分布不同的超聲源、不同的傳播條件將形成不同的超聲能量分布。超聲場（ultrasound field ）：在醫(yī)學(xué)超聲診斷中，將超聲源能量作用的彈性介質(zhì)空間稱為超聲場，

6、用以描述波動(dòng)狀態(tài)。超聲治療主要利用大功率的連續(xù)超聲波。醫(yī)學(xué)診斷中常用脈沖超聲波。脈沖超聲波易于發(fā)射和接收，同時(shí)脈沖波的檢測(cè)可以基本避免發(fā)射信號(hào)和反射信號(hào)的影響，提高了檢測(cè)的靈敏度。二、超聲脈沖回波成像原理醫(yī)學(xué)診斷中超聲脈沖回波成像：利用超聲波在傳播路徑上遇到不均勻介質(zhì)界面發(fā)生反射的物理特性。向人體內(nèi)發(fā)射超聲波脈沖，當(dāng)超聲遇到人體組織和臟器界面時(shí)即有反射回波，檢測(cè)這些回波信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行接收放大和信號(hào)處理，最后在顯示器上出現(xiàn)。超聲脈沖回波法：把幾兆赫至幾十兆赫的高頻超聲脈沖發(fā)射到生物體內(nèi)再接收來自生物體內(nèi)的反射波（回波）超聲脈沖回波法，通過檢測(cè)回波脈沖就可以獲得有關(guān)超聲脈沖在介質(zhì)內(nèi)反射界面的位置信

7、息和方位信息。（一）基本原理人體組織和臟器具有不同的聲速和聲阻抗，因而在界面上會(huì)反射超聲波（又稱回波）。這些分界面兩邊介質(zhì)的聲學(xué)差異不大，所以大部分超聲將穿過界面繼續(xù)前進(jìn)。當(dāng)遇到第二個(gè)界面時(shí)，又將產(chǎn)生回波，并仍有很大部分超聲能量穿過第二個(gè)界面繼續(xù)前進(jìn)；這樣可以產(chǎn)生第三個(gè)、第四個(gè)回波。超聲在組織中衰減，因此接收回波個(gè)數(shù)有限。為了能分清回波個(gè)數(shù)和發(fā)射的先后次序，超聲回波使用脈沖波束，即每發(fā)射一個(gè)脈沖接收幾個(gè)回波，這種成像方法稱為脈沖回波法。脈沖回波系統(tǒng)發(fā)射脈沖接收回波時(shí)間軸abc脈沖寬度a、b、c代表在人體組織中不同深度的反射體發(fā)射脈沖的重復(fù)周期脈沖回波測(cè)距：測(cè)定發(fā)射脈沖與回波之間的時(shí)間間隔t，算出反射界面與探頭之間的距離。由于聲脈沖通過同一路徑一往一返，這時(shí)距離S即為：c受頻率的影響很小，通常忽略不計(jì)，生物組織取其平均值為1540m/s。運(yùn)用這個(gè)原理，將探頭的掃