超聲影像學(xué)(超聲成像的物理原理)

超聲影像學(xué)(超聲成像的物理原理)第一頁，編輯于星期日：四點(diǎn)四分。教學(xué)目標(biāo)1.掌握超聲的定義、特性及產(chǎn)生機(jī)制2.掌握超聲傳播中頻率、聲速、波長三者之間的關(guān)系3.熟悉生物組織對入射聲束的作用4.熟悉入射超聲對生物組織的作用5.了解超聲診斷的安全性及注意事項(xiàng)第二頁，編輯于星期日：四點(diǎn)四分。波：分橫波和縱波，聲波是縱波；橫波：波的傳播方向和振動方向垂直；縱波：波的傳播方向和振動方向垂直；第三頁，編輯于星期日：四點(diǎn)四分。第一節(jié)超聲成像的物理基礎(chǔ)一、定義

1.超聲

是一種機(jī)械波，其頻率在20千赫茲以上。

2.醫(yī)學(xué)診斷用超聲頻率在2.5～10兆赫茲范圍的超聲。

3.超聲的特性

◆傳導(dǎo)性：超聲波可在氣體、液體、固體等介質(zhì)中傳播；

◆放向性：超聲波可以朝一個(gè)方向傳遞很強(qiáng)的能量；

◆超聲波在傳播過程中會產(chǎn)生反射、折射、散射、繞射、干涉等現(xiàn)象；

◆超聲波在液體介質(zhì)中傳播時(shí)，會在界面產(chǎn)生沖擊（超聲潔牙）和空化現(xiàn)象。第四頁，編輯于星期日：四點(diǎn)四分。第一節(jié)超聲成像的物理基礎(chǔ)超聲波是機(jī)械波，縱波，能在介質(zhì)中傳導(dǎo)。第五頁，編輯于星期日：四點(diǎn)四分。第一節(jié)超聲成像的物理基礎(chǔ)二、超聲的產(chǎn)生與接收

1.壓電效應(yīng)

是電能與聲能相互轉(zhuǎn)換的過程。2.超聲的產(chǎn)生：逆壓電效應(yīng)電場作用到特定的材料兩端引起振動，在周圍介質(zhì)中傳播形成超聲，是逆壓電效應(yīng)過程。3.超聲的接收：正壓電效應(yīng)聲場作用到特定的材料兩端產(chǎn)生電位差，通過接收器轉(zhuǎn)換成電信號，是正壓電效應(yīng)過程。

第六頁，編輯于星期日：四點(diǎn)四分。第一節(jié)超聲成像的物理基礎(chǔ)壓電效應(yīng)與逆壓電效應(yīng)示意圖第七頁，編輯于星期日：四點(diǎn)四分。第一節(jié)超聲成像的物理基礎(chǔ)

4.壓電材料

能夠產(chǎn)生壓電效應(yīng)的材料。

◆無機(jī)材料：壓電陶瓷構(gòu)成主要包括鈦酸鋇、鈦酸鉛、鋯鈦酸鉛等?！粲袡C(jī)材料主要由聚偏氟乙烯（PVDF）構(gòu)成，材料聲阻抗與人體接近?！艋旌喜牧嫌蓧弘娞沾珊陀袡C(jī)壓電材料混合構(gòu)成，機(jī)電耦合系數(shù)大，適宜制作寬帶換能器。第八頁，編輯于星期日：四點(diǎn)四分。第一節(jié)超聲成像的物理基礎(chǔ)

5.換能器（探頭）

◆結(jié)構(gòu)

面材、壓電材料、背材，核心是壓電材料。

◆種類

體表檢查用探頭；手術(shù)用探頭；體腔檢查用探頭。

第九頁，編輯于星期日：四點(diǎn)四分。第一節(jié)超聲成像的物理基礎(chǔ)探頭第十頁，編輯于星期日：四點(diǎn)四分。第一節(jié)超聲成像的物理基礎(chǔ)探頭第十一頁，編輯于星期日：四點(diǎn)四分。第一節(jié)超聲成像的物理基礎(chǔ)探頭第十二頁，編輯于星期日：四點(diǎn)四分。第一節(jié)超聲成像的物理基礎(chǔ)

柱形單振元探頭結(jié)構(gòu)剖面第十三頁，編輯于星期日：四點(diǎn)四分。第一節(jié)超聲成像的物理基礎(chǔ)相控陣探頭結(jié)構(gòu)示意第十四頁，編輯于星期日：四點(diǎn)四分。第一節(jié)超聲成像的物理基礎(chǔ)電子線陣探頭剖面示意

第十五頁，編輯于星期日：四點(diǎn)四分。第一節(jié)超聲成像的物理基礎(chǔ)三、超聲的傳播1.聲速（c）：超聲在介質(zhì)中的傳播速度。由傳播介質(zhì)決定，與介質(zhì)的密度及彈性系數(shù)有關(guān)。與密度成正比。不同人體組織器官的聲速不同，平均聲速為1540米/秒，其中空氣最?。?50米/秒），骨骼最大（3850米/秒）。2.超聲頻率（f）：聲源在單位時(shí)間內(nèi)振動的次數(shù)。由探頭中壓電材料決定，在2.5～10兆赫茲范圍。3.超聲波長（λ）：一個(gè)完整波的波長。超聲波長與聲速和頻率滿足關(guān)系式：第十六頁，編輯于星期日：四點(diǎn)四分。第一節(jié)超聲成像的物理基礎(chǔ)四、超聲聲束的空間分布：聲場

1.聲束

在一個(gè)有限的立體角內(nèi)傳播的超聲

。2.聲軸聲束的中心線。3.近程區(qū)：近場靠近探頭區(qū)域，聲束等寬4.遠(yuǎn)程區(qū)：遠(yuǎn)場遠(yuǎn)離探頭區(qū)域，聲束發(fā)散第十七頁，編輯于星期日：四點(diǎn)四分。第一節(jié)超聲成像的物理基礎(chǔ)

超聲聲束空間分布示意圖遠(yuǎn)程區(qū)近程區(qū)*--------------*軸向分辨力橫向分辨力*-----*第十八頁，編輯于星期日：四點(diǎn)四分。第二節(jié)超聲與生物組織間的相互作用（六）分辨力評價(jià)聲像圖質(zhì)量的重要技術(shù)指標(biāo)

◆空間分辨力：◆縱向分辨力：調(diào)節(jié)脈沖寬度提高；◆橫向分辨力：增加換能器直接和采取聲透鏡方式提高；◆側(cè)向分辨力（厚度分辨力）：電子聚焦方法提高。

◆對比度分辨力：灰階或亮度。取決于信噪比和像素大小。采取低噪音高增益放大電路等提高。

第十九頁，編輯于星期日：四點(diǎn)四分。第二節(jié)超聲與生物組織間的相互作用一、生物組織對入射超聲的作用（一）兩個(gè)基本概念◆聲阻抗（聲特性阻抗，特性聲阻抗）介質(zhì)的密度(ρ)與聲速(c)的乘積，不同組織的聲特性阻抗不一樣。z=ρc

◆界面

兩種具有不同聲阻抗的介質(zhì)的接觸面；大界面：界面尺寸大于超聲波長；小界面：界面尺寸小于超聲波長；◆人體有各種組織，各種組織都是介質(zhì)，介質(zhì)組成不同，就有不同的聲阻抗，由于有介質(zhì)不同的聲阻抗才能產(chǎn)生界面，有界面才能反射，才能收到回聲信息，才能形成聲像圖。第二十頁，編輯于星期日：四點(diǎn)四分。第二節(jié)超聲與生物組織間的相互作用

（二）反射與折射反射：入射聲束與大界面的作用，一部分超聲能量會返回到原來的介質(zhì)中◆三個(gè)條件：同一平面、位于法線兩側(cè)、入射角與反射角相等◆界面的反射信號是聲像圖的主要組成部分折射：入射聲束與大界面作用時(shí)，一部分進(jìn)入的另一面的介質(zhì)◆三個(gè)條件：同一平面、位于法線兩側(cè)、入射角與折射角滿足下列條件：入射角和折射角的正弦之比為一常數(shù)，等于界面兩側(cè)介質(zhì)的聲速比；sinθI

◆注意：第二種介質(zhì)的聲速大于第一種時(shí)，則折射角大于入射角，如果折射角大于90°時(shí)，入射聲能全部返回，稱全反射。全反射對聲像圖的影響：折射聲影，側(cè)后聲影，全反射在胃腸及肺探測時(shí)，難辨別臟器聲像圖。第二十一頁，編輯于星期日：四點(diǎn)四分。

反射與折射的示意圖第二節(jié)超聲與生物組織間的相互作用第二十二頁，編輯于星期日：四點(diǎn)四分。第二節(jié)超聲與生物組織間的相互作用散射第二十三頁，編輯于星期日：四點(diǎn)四分。第二節(jié)超聲與生物組織間的相互作用

（三）散射入射聲束與小界面的作用◆散射回聲強(qiáng)度低

（四）繞射入射聲束與界面（界面尺寸與超聲波長大小相當(dāng)）的作用◆繞射使入射聲束發(fā)生方向偏轉(zhuǎn)第二十四頁，編輯于星期日：四點(diǎn)四分。第二節(jié)超聲與生物組織間的相互作用

（五）衰減超聲在介質(zhì)中傳播其強(qiáng)度隨傳播距離的增加而逐漸減弱的現(xiàn)象。

◆主要原因：反射、散射、吸收、擴(kuò)散◆不同組織，吸收系數(shù)不同，衰減程度不同蛋白質(zhì)衰減比水大，含水多的組織衰減小；◆相同組織，入射深度越大，衰減越大；

◆相同組織，入射超聲頻率越高，衰減越大；◆儀器調(diào)節(jié)時(shí)，可以調(diào)節(jié)“深度增益補(bǔ)償?！保┒嗥绽招?yīng)第二十五頁，編輯于星期日：四點(diǎn)四分。第二節(jié)超聲與生物組織間的相互作用第二十六頁，編輯于星期日：四點(diǎn)四分。第二節(jié)超聲與生物組織間的相互作用二、入射超聲對生物組織的作用◆超聲的生物效應(yīng)

當(dāng)一定劑量的超聲波在生物體內(nèi)傳播時(shí)，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1.熱機(jī)制

超聲聲能轉(zhuǎn)換成生物組織的熱能2.機(jī)械機(jī)制

超聲聲能轉(zhuǎn)換成生物組織的機(jī)械能

3.空化機(jī)制

超聲聲能使生物組織中的氣泡活性改變第二十七頁，編輯于星期日：四點(diǎn)四分。第二節(jié)超聲與生物組織間的相互作用◆損傷主要由機(jī)械機(jī)制為主：

◆低聲強(qiáng)長時(shí)間作用以熱機(jī)械為主

◆高聲強(qiáng)短輻射作用以空化機(jī)制為主◆聲強(qiáng)的表示以多用空間峰值時(shí)間平均聲強(qiáng)作為標(biāo)準(zhǔn)。第二十八頁，編輯于星期日：四點(diǎn)四分。第二節(jié)超聲與生物組織間的相互作用三、超聲診斷的安全性及注意事項(xiàng)

1.超聲強(qiáng)度的計(jì)算方式空間平均時(shí)間平均聲強(qiáng)；空間峰值時(shí)間平均聲強(qiáng)；為多個(gè)國家和組織采用空間平均時(shí)間峰值聲強(qiáng)；空間峰值時(shí)間峰值聲強(qiáng)。2.安全聲強(qiáng)（美國FDA，我國超聲標(biāo)準(zhǔn)化委員會推薦）

空間峰值時(shí)間平均聲強(qiáng)：小于100毫瓦/平方厘米第二十九頁，編輯于星期日：四點(diǎn)四分。第二節(jié)超聲與生物組織間的相互作用

3.超聲探測的安全性（世界衛(wèi)生組織建議）

(1)只有在醫(yī)學(xué)上具有明確理由時(shí)，才對人體使用診斷超聲；(2)以商業(yè)顯示和獲得實(shí)驗(yàn)圖像為目的時(shí)，不應(yīng)把超聲用于輻照人體，特別是輻照孕婦；(3)在保證獲得良好圖像質(zhì)量和取得必要的診斷信息前提下，應(yīng)使超聲診斷設(shè)備的輸出強(qiáng)度盡可能小。

第三十頁，編輯于星期日：四點(diǎn)四分。第二節(jié)超聲與生物組織間的相互作用

4.超聲探測應(yīng)遵循的原則在明確診斷目的的情況下，應(yīng)積極使用超聲診斷技術(shù)。在超聲診斷過程中，必須堅(jiān)持最小劑量原則。即在保證獲得必要診斷信息的前提下，應(yīng)采用最小超聲強(qiáng)度和最短輻照時(shí)間。拒絕一切與診斷無關(guān)的胎兒超聲顯像。對早孕胚胎不做或少做超聲探測，對3個(gè)月以上的胎兒定期超聲探測時(shí)，應(yīng)控制在3～5分鐘之內(nèi)完成。第三十一頁，編輯于星期日：四點(diǎn)四分。第二節(jié)超聲與生物組織間的相互作用

5.超聲探測的注意事項(xiàng)成人超聲探測

顱腦檢查時(shí)每一固定切面持續(xù)檢查時(shí)間控制在2分鐘以內(nèi)；

眼球檢查時(shí)每一固定切面持續(xù)檢查時(shí)間不應(yīng)超過半分鐘；

卵巢、睪丸檢查時(shí)每一固定切面持續(xù)檢查時(shí)間不應(yīng)超過1分鐘。第三十二頁，編輯于星期日：四點(diǎn)四分。第二節(jié)超聲與生物組織間的相互作用產(chǎn)科超聲探測

對不足3個(gè)月的早孕孕婦盡量不用超聲進(jìn)行常規(guī)檢查；

對于有習(xí)慣性流產(chǎn)或已有先兆流產(chǎn)癥狀者3個(gè)月內(nèi)不建議做超聲探測。必須要進(jìn)行超聲探測時(shí)，應(yīng)控制每一固定切面檢查持續(xù)時(shí)間在1分鐘以內(nèi)；

對3個(gè)月以上胎兒在腦、心、眼、脊髓等臟器檢查時(shí)，每一固定切面持續(xù)時(shí)間不應(yīng)超過2分鐘，其他臟器可適當(dāng)延長檢查時(shí)間。檢查時(shí)應(yīng)不斷移動探頭。第三十三頁，編輯于星期日：四點(diǎn)四分。第二節(jié)超