超聲波物理基礎

超聲波物理基礎

冀敏復旦大學物理系超聲波物理基礎前言第一節(jié)超聲波基本概念第二節(jié)超聲波的一般性質第三節(jié)超聲波與物質的作用第四節(jié)超聲波的產生與探測前言

1793年意大利生物學家斯帕拉捷通過對蝙蝠的飛行觀察而發(fā)現(xiàn)超聲波.1917年法國物理學家Langevin研制出超聲發(fā)射器,并用于航海.1922年德國最早獲超聲治療專利.1946年Firstone提出A型診斷技術

英國唐納德醫(yī)生首先把超聲應用于產科診斷.1949年第一次醫(yī)學超聲波學術國際會議.

前言1950年獲得腦腫瘤反射波1952年開始B型超聲研究,1956年D型超聲研究1958年我國第一臺超聲診斷儀在上海誕生,復旦大學附屬中山醫(yī)院內科醫(yī)生徐智章,上海市第六人民醫(yī)院周永昌提出并參與研究.(A型)1967年適時B型超聲診斷儀誕生第一節(jié)超聲波的基本概念

1超聲波的頻率:20KHz—500MHz.機械縱波

醫(yī)用超聲頻率:2MH—5MH,與聲波傳播速度相同.

可產生聲壓,聲壓幅值

Pm=ρc

ωΑ

媒質的聲阻抗:Z=ρc(軟組織Z=1.524×105瑞利)3超聲波的強度I(與機械波強度定義相同)

超聲波強度與振幅的平方成正比,與頻率的平方成正比.

強度I=ρc

ω2Α2

/2

第二節(jié)超聲波的性質一.超聲波的一般性質

在媒質中傳播時:

產生反射,折射,干涉,衍射現(xiàn)象

兩媒質交界面處-反射強度與入射強度的關系:

Ir=(z2-z1/z2+z1)2Ii

折射強度與入射強度的關系:It=4z2z1Ii/(z2+z1)2

第二節(jié)超聲波的性質二.超聲波的特性

1方向性好

因頻率高波長短,衍射現(xiàn)象不明顯,易定向發(fā)射

2強度大(或能量密度大)

與頻率有關,穿透性較強功率:幾百瓦----幾千瓦聲壓:可達數(shù)千大氣壓;高能量超聲治癌.碎石

3聲阻抗差較大的兩媒質界面反射能量大使用時在人體表面涂耦合劑的作用?

空氣中的吸收比在液體或固體中大得多(不顯示肺)

4穿透能力隨頻率增大而減小?第三節(jié)超聲波與物質的作用一.超聲波的衰減規(guī)律

I=I0e-2μx

(μ為媒質的聲衰減系數(shù),x為在媒質中傳播厚度)

μ=(2π2ν2/C3)[(3η/ρ)+K(1-1/γ)/ρ]

μ與頻率平方成正比,與聲速的3次方成反比.*頻率越大衰減越快.所以探察深部組織時需用較低聲頻.*聲速越快,在媒質中衰減越慢.第三節(jié)超聲波與物質的作用二.超聲波與物質作用的微觀機制

1.黏滯吸收

2.熱傳導吸收

3.馳豫吸收

三.超聲波與物質相互作用的效應1.機械作用

媒質中粒子做高頻機械振動,其加速度可達g的幾十萬~幾百萬倍,強烈的機械動能破壞物質的力學結構.粉碎細胞.引起組織化學性質改變.

可用于切割,攪拌,鉆孔,清洗,乳化.等,2.空化作用

產生在液體中.因縱波引起液體疏密變化.液體局部被拉斷形成空腔,當此處為正聲壓時,空腔迅速閉合,瞬間產生局部高壓,高溫和放電現(xiàn)象.此作用用于清洗,霧化,乳化,促進化學反應等.空化作用可破壞組織.3.熱作用

因媒質吸收的部分超聲能量轉化為熱量,引起媒質溫度升高的現(xiàn)象.4.超聲的生物作用

適當能量:*對生物大分子;*對細胞;*對人體組織(升溫,增加血管通透性和促進血液循環(huán),增強細胞代謝功能和活力,消炎鎮(zhèn)痛)

較高能量:細胞生長受到抑制,分子鍵斷裂,生物組織壞死等安全劑量:聲強值10-40mW/cm2,與照射時間也有關.

第四節(jié)超聲波的產生和探測一.超聲波的產生

(一)壓電效應

1壓電晶體

壓電材料(如石英,鈦酸鋇,硫酸鋰等)摻雜配方,在1200-1600度高溫絕緣油中加3500-6000v/m的電場中極化30分鐘,緩慢冷卻除去電場.形狀一般為半圓片狀,厚度為超聲波的半波長.2壓電效應

當壓電晶體兩面受壓或受拉厚度變化時,晶體兩表面分別出現(xiàn)等量異號電荷的現(xiàn)象.(拉力或壓力越大,兩表面間電壓也越大)3逆壓電效應

若把某一規(guī)律的交變電壓加在晶體兩表面上,兩表面就會做相應規(guī)律的機械振動,此現(xiàn)象即---.

(二)超聲波的產生與探測1.超聲波的產生

利用逆壓電效應把超聲頻交變電壓>壓電晶體>>機械振動>>超聲波2.超聲波的探測

利用正壓電效應

超聲波>>機械振動>>壓電晶體>>產生交變電壓超聲波的發(fā)射和探測可以共用同一探頭.怎樣工作呢?