1、 醫學課件 1超聲醫學原理與應用醫學課件 2緒 論 ?生物醫學超聲工程學基礎理論研究、儀器工程開發、生物醫學應用 以研究超聲波與生物組織媒質互作用規律和生物效應為理論基礎,以研制先進的生物醫學超聲儀器為工具,應用于診斷、康復、監護和普查人體疾病。醫學課件 3?醫學超聲測量技術的特點?超聲波的頻率范圍和聲強范圍較廣,醫學上可根據需要選擇?超聲波為機械波,低聲強時無電離輻射,對組織無損傷;高聲強聚焦時可破壞病變組織。?超聲脈沖回聲檢測法檢測靈敏度高,與計算機技術和圖像處理技術相結合后,容易檢測和識別微小病變。?超聲診斷為非侵入式方法,可解決許多軟組織疾病的診斷。?超聲診斷和治療技術易掌握,對環境要

2、求不高。?醫學超聲診斷技術的不足?超聲診斷回聲技術中,可選用超聲頻率不夠高,分辨力較低?超聲在不同聲界面之間會產生折射,使圖像彎曲失真。?超聲的一些物理特性會產生圖像的偽差。?氣體及骨骼下方,超聲幾乎無法透入?對操作人員的經驗和手法要求比較高醫學課件 4第一章 醫用超聲學基礎第一節 超聲波的定義及特性一、超聲的本質 ?頻率超出人耳聽覺范圍的機械波的能量形式物體的機械振動是產生超聲的源泉聲頻振動的傳播稱為聲波能夠引起聽覺的聲波稱為可聽聲,頻率在202×104Hz之間低于可聽聲頻率范圍的聲波為次聲,頻率在10-420Hz之間高于可聽聲頻率范圍的聲波為超聲,2×1045×

3、;108 Hz之間醫學課件 5超聲波特性:超聲波是依靠介質來傳播的聲波,具有機械能。能量集中于聲束內傳播,指向性好,穿透能力強,為定向探測提供方便。超聲波頻率高,故即使振幅很小,超聲傳遞給媒質的能量也比可聽聲大很多,故超聲與物體能產生很強的機構作用,能使媒質粒子作高頻振動,從而產生凝聚、擊碎、加熱等作用。超聲在醫學領域可以進行超聲滅菌、超聲清洗、超聲霧化、超聲診斷、超聲治療等應用醫學課件 6二、超聲技術發展史1880 法國科學家皮埃爾和雅克居里發現了壓電效應? 1917 法國科學家朗之萬應用壓電效應進行超聲探測? 1921 聲納SONAR,即聲探測與定位技術用于探測潛艇? 1928 金屬探傷技

4、術出現,超聲頻率提高到MHz量級? 1928 德國出現超聲治療機專利? 1942 奧地利科學家使用A超,用穿透法探測顱腦疾病? 1952 美國/.ry研究超聲顯像法? 1954 B超應用于臨床? 1955 /.d用平面位置顯示器作直腸內的體腔檢查? 1956 日本里村茂夫利用連續多普勒法判斷心臟瓣膜病? 1958 鮑姆等開始對眼球進行掃查法檢查? 1958 英國人唐納德用BP型超聲診斷盆腔腫物和妊娠子宮? 1967 電子掃描法、相控陣掃描法、雙晶片旋轉式探頭出現? 1968 P./.ls提出時間增益控制(TGC)補償原理醫學課件 71968 /0>.將計算機技術應用于B超? 1972 G

5、.Kossoff提出灰度回聲圖概念? 1972 /.m制成穿刺活檢探頭? 1973 J.Plummer提出恒深度型超聲顯像法? 70中后期 灰階及數字變換掃描技術應用,圖像質量明顯改善,實時超聲顯像開始受到重視? 80年代 B超發展最迅速,彩色多普勒血流顯示技術、3D超聲成像技術得到應用? 90年代 彩色多普勒組織圖CDTI、彩色多普勒能量圖CDE、對比諧波成像CHI技術、組織諧波成像THI技術、實時3D成像技術等新技術出現醫學課件 8第二節 超聲波的產生一、電磁波由電場和磁場的變化所表征的波,即交變電磁場在空間的傳播過程。醫學課件 9二、機械波波源和介質是形成機械波的必要條件。機械波從振源向

6、外傳播的是能量,媒質本身并不移動。上式表明,該質點的運動是一個周期性的振動過程,質點加速度總是與離開固定點的距離成正比,而其方向是指向固定點。這說明該點在簡諧運動。180cos 020tAa omkf ?210系統的固有頻率醫學課件 10第三節 超聲波的分類一、按質點振動方向和波傳播方向的關系分類(一)橫波?質點振動方向與波的傳播方向垂直 (二)縱波?質點的振動方向與波的傳播方向相同 醫學課件 11?縱波可以在固體、液體、氣體介質中傳播; ?橫波只能在固體中傳播,因為液體和氣體無切變彈性; ?由超聲診斷儀所發射的超聲波,在人體組織中以縱波的方式傳播; ?人體軟組織基本無切變彈性,橫波在人體組織

7、中不能傳播。醫學課件 12(三)表面波?沿媒質表面傳播的波,能量集中在媒質自由表面層或在兩種媒質的分界面附近振動。縱波 橫波 表面波波傳播方向縱波、橫波和表面波的質點振動示意圖醫學課件 13二、按波陣面的形狀分類?波從波源出發,在介質中向各個方向傳播,在某一時刻介質中周相相同的各點組成的面為波陣面。?在各向同性的媒質中,波的傳播方向與波陣面垂直的線稱為波射線。 醫學課件 14三、按發射超聲的類型分類?連續波?波源無間斷地振動所發出的波?脈沖波?波源振動時間很短,間歇輻射出的波 第四節 波動方程與波參數一、聲波波動方程?聲波波動方程是聲學參量的時間和空間關系的描述,對其求解可以建立各種聲波參量間

8、的數學關系。?聲波波動方程的數學描述建立在三個基本物理定律基礎上?牛頓動力學定律?質量守恒定律?絕熱時的物態方程醫學課件 15二、波參數1、聲速?波在彈性媒質中傳播時,單位時間內波所傳播的距離稱為波的傳播速度(波速)?波陣面在單位時間內行進的距離,也就是聲波傳播的速度,即聲速。波在固體中的傳播速度波在液體中的傳播速度?媒質的彈性系數,一般1/E;?媒質的平均密度;E?媒質的揚民彈性模量;B?容變彈性模量,在絕熱過程中,BP(氣體定壓比熱與定容比熱的比值;P氣體內部的常壓力)?媒質的泊松比2111? ECLBCL醫學課件 16注意?聲速與質點振動速度是完全兩個不同的概念,且對小振幅聲波而言,兩者

9、之比u/c01。?聲速隨溫度變化而變化,對氣體而言c0正比于溫度T的平方根值;對水而言,在室溫附近,溫度每升高1度,聲速增加34m。?固體媒質的彈性性能愈強,密度愈小,聲波傳播速度愈高。醫學課件 17、波長、周期和頻率?波長?兩個相鄰相同相位(相同振動狀態)的振動點之間的距離?周期和頻率 介質中的質點在平衡位置往返振動 次所需要的時間叫周期 用 表示周期與頻率成互為倒數關系。T 1/ f /c醫學課件 18醫用超聲的頻率和波長醫學課件 193、聲壓和聲強?聲壓定義為聲波作用時,媒質中壓力P與靜壓P0的差值,即?聲壓是空間和時間的函數,通常儀器測量的聲壓是有效聲壓,是瞬時聲壓均放根值?聲強定義為

10、單位時間內垂直通過單位面積的聲能0PPp Te dtpTp 0 21cPI ?/2?醫學課件 204、聲壓級和聲強級?標準聲強?頻率等于1000Hz時能引起聽覺的最小聲強。?聲壓級?聲強級?功率級2162120 /10/10 cmWmWI0lg20 PPLP0lg10 IILI0lg10 WWLW醫學課件 215、聲阻抗和聲特性阻抗?聲阻抗定義為聲壓 與體積速度 的復數比?聲阻抗率定義為媒質中某點處的聲壓與該處質點振動速度的比?在均勻媒質中,平面形波的聲阻抗率稱為聲特性阻抗注意:聲特性阻抗在媒質情況復雜時,常常反映出媒質的特性,被用來作為分析傳聲媒質結構的一個重要手段aaa jXRUpZ?vp

11、Z s00cpZe醫學課件 22第五節 超聲波的傳播特性?超聲波是一種機械波,可在固體、液體、氣體介質中傳播。?超聲波在人體軟組織中是以縱波(質點的振動方向與波的傳播方向相同)方式傳播。?超聲波在非均質性組織內傳播或從一種組織傳播到另一種組織,由于兩種組織聲阻抗率的不同,在改變的分界面上便會產生反射、折射與透射。?當被檢體組織結構遠小于入射波波長時,就會產生波的散射。醫學課件 23?超聲在人體內傳播時,在兩種不同組織的界面處產生反射和折射,在同一組織內傳播,由于人體組織的不均勻性而發生散射。超聲通過不同器官和組織產生不同的反射與散射規律,儀器利用這些反射和散射信號,顯示出臟器的界面和組織內部的

12、細微結構,作為診斷的依據。 ?按照聲學特性,人體組織大體上可分為軟組織和骨骼兩大類,軟組織的聲阻與水近似,骨骼則屬固體。人體不同組織的聲速、聲阻抗、聲吸收系數、衰減系數等基本聲學特性不同。醫學課件 24一、聲學界面條件超聲波在非均質性組織內傳播或從一種組織傳播到另一種組織,由于兩種組織聲阻抗率的不同而形成一個聲學界面。?一個平面界面兩側的兩種媒質中的聲壓在邊界面處是連續的,即聲壓相等。?邊界上的質點法向速度只能是一個數值。醫學課件 25二、反射和折射?凡超聲束所遇界面的直徑大于超聲波波長(稱大界面)時,產生反射與折射。成角入射,反射角等于入射角,反射聲束與入射聲束方向相反。垂直入射時,產生垂直

13、反射與透射。反射聲強取決于兩介質的聲阻差異及入射角的大小。垂直入射時,反射聲強最大。反射聲能愈強則折射或透射聲能愈弱。進入第二介質的超聲繼續往前傳播,遇不同聲阻抗的介質時,再產生反射,依次類推,被檢測的物體密度越不均勻,界面越多,則產生的反射也愈多。醫學課件 26、反射和折射定律?反射定律:超聲波向界面的入射角等于反射角?折射定律:超聲波向界面入射角的正弦值與折射角的正弦值之比等于兩種媒質中的聲速之比。ri1221sinsin nccti醫學課件 272、反射系數和折射系數?超聲波垂直入射到界面上的反、折射 超聲波在不同組織界面處的反射系數取決于聲阻抗Z的變化,而聲阻抗Z又與聲壓及質點的運動速

14、度有關。根據聲學邊界條件,在x0的界面處有:根據反射和折射定律可得:Zvp21221212ZZZppZZZZppriAtApiArApcZtArAiAtArAiAvvvppp醫學課件 28討論:(1)全透射:當Z1Z2時,反射率為0,透射率為1,這說明雖然存在不同媒質,但只需它們的聲特性阻抗相同,則界面不存在,超聲波全透射過去。(2)軟邊界(Z2Z1): 反射波聲壓與入射波聲壓相位差180°,反射波的質點速度與入射波的質點速度同位相。(3)硬邊界(Z2Z1):反射波聲壓與入射波聲壓同位相,反射波質點振動速度與入射波質點振動速度相位差180°。(4)剛性界面(Z2Z1):實際

15、上就是全反射,媒質II中無聲波傳播。醫學課件 29?斜入射 超聲波在兩種媒質的界面上的反射與透射是與入射角度、聲特性阻抗、折射狀態有關,也就是說超聲波入射到界面上的角度對于反射聲壓以及回聲檢測有影響。tiitrptitiirpZZZppZZZZpprcoscoscos2coscoscoscos1221212?醫學課件 30三、超聲波通過中間層傳播?聲壓反射系數?聲壓透射系數?聲強透射系數ttttdjkdjkdjkdjkpr eZZZZeZZZZeZZZZeZZZZa22222222cos3221cos3221cos3221cos3221tt djkdjkpt eZZZZeZZZZZZa2222

16、 cos3221cos3221214dkZZZZdkZZZZaIt22221322222131sin/cos4醫學課件 31?無限薄層全透射。當Z1Z3時,若k2d1,即d2/2時,這一層媒質對聲波的全透射波沒有影響。?半波長層全透射。當k2dn,即dn2/2時,全透射。?匹配層全透射。當三層媒質的聲阻抗都不相等時,則只要在I和III中插入一個d為1/4波長的奇數倍的介質層,并令Z2(Z1Z3)1/2,則全透射。醫學課件 32四、散射和繞射?超聲在傳播時,遇到與超聲波波長近似或小于波長(小界面)的介質時,產生散射與繞射。?散射為小介質向四周發散超聲,又成為新的聲源。?繞射是超聲繞過障礙物的邊緣

17、,繼續向前傳播。五、超聲波的疊加原理?在同一介質中,幾列波在傳播時相遇,相遇處質點的振動時各列波引起的分振動的合成,任一時刻該質點的位移是各列波引起的分位移的矢量和。?相遇后的各列波仍保持各自特性不變,并按原來方向繼續前進。醫學課件 33第六節 超聲在生物組織中的衰減一、衰減(attenuation)超聲在媒質中傳播時,其聲強將隨著距離的增加而減弱的現象。?聲束本身的擴散,使單位面積中的能量下降,超聲的反射、折射與散射的結果使能量不再沿著原來的方向傳播,從而使原來傳播方向上的聲強減弱。?傳播過程中,由于媒質的吸收,使聲能減少。醫學課件 34?衰減系數衰減系數一般是頻率的函數,而且為線性關系(軟

18、組織中)的單位為mm-1,為衰減常數s/mm,f為頻率MHz隨著頻率和距離的增加,衰減迅速增加,其快慢程度常用dB/MHz?cm。?半值層(半價層) ?聲強下降到初始強度一半時所經過的傳播距離就是半價層的數值。半價層值與衰減系數成正比MHzf?醫學課件 35二、衰減相互作用(一)吸收三個因素會影響超聲的吸收?媒質的黏性?由于媒質具有黏滯性,質點運動時相互產生彈性摩擦,使一部分聲能轉化為熱能。?松弛時間?質點被超聲推動之后回到其平衡位置所需的時間。時間短意味著質點能很快回到原來位置,通常是在下一個壓縮波到來之前。否則就要額外的能量停止質點朝原點移動并改變其運動方向。額外能量被轉化為熱能。?頻率

19、?當頻率較高時,分子振動加快,將導致黏性媒質中產生更多熱能;頻率較高時,分子可能沒有足夠時間建立新平衡,從而導致吸收更多的熱能。醫學課件 36垂直入射時,人體各組織界面的聲壓反射系數0醫學課件 37超聲波在人體組織中的平均衰減系數頻率范圍MHz平均衰減系數dB/cm?MHz人體組織醫學課件 38第七節 超聲的生物效應一、超聲的生物效應 ?超聲對生物組織產生的作用,與超聲波的聲強、頻率及生物組織本身的性質有關,且在聲強低的情況下效應是可逆的,而聲強超過一定閾值時則會產生不可逆效應。醫學課件 391、熱效應?由于生物組織的聲吸收特性,超聲能量射入組織后,部分超聲能量將會變成熱能,并使其溫度升高的一種效應。醫學課件 402、空化效應 ?充有水氣或水蒸汽的空腔在外場作用下發生振蕩的任何現象,可使液體分子產生斷裂而迅速形成近似真空的空穴(微氣泡)并消失,可使局部產生高溫高壓。?穩態空化?空化泡半徑不超過原半徑的75%的動力學過程,這時聲壓在一個大氣壓以下。?瞬態空化?空化氣泡半徑