1、 醫(yī)學(xué)課件 1超聲醫(yī)學(xué)原理與應(yīng)用醫(yī)學(xué)課件 2緒 論 ?生物醫(yī)學(xué)超聲工程學(xué)基礎(chǔ)理論研究、儀器工程開發(fā)、生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用 以研究超聲波與生物組織媒質(zhì)互作用規(guī)律和生物效應(yīng)為理論基礎(chǔ),以研制先進(jìn)的生物醫(yī)學(xué)超聲儀器為工具,應(yīng)用于診斷、康復(fù)、監(jiān)護(hù)和普查人體疾病。醫(yī)學(xué)課件 3?醫(yī)學(xué)超聲測(cè)量技術(shù)的特點(diǎn)?超聲波的頻率范圍和聲強(qiáng)范圍較廣,醫(yī)學(xué)上可根據(jù)需要選擇?超聲波為機(jī)械波,低聲強(qiáng)時(shí)無電離輻射,對(duì)組織無損傷;高聲強(qiáng)聚焦時(shí)可破壞病變組織。?超聲脈沖回聲檢測(cè)法檢測(cè)靈敏度高,與計(jì)算機(jī)技術(shù)和圖像處理技術(shù)相結(jié)合后,容易檢測(cè)和識(shí)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(shù)易掌握,對(duì)環(huán)境要

2、求不高。?醫(yī)學(xué)超聲診斷技術(shù)的不足?超聲診斷回聲技術(shù)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(huì)產(chǎn)生折射,使圖像彎曲失真。?超聲的一些物理特性會(huì)產(chǎn)生圖像的偽差。?氣體及骨骼下方,超聲幾乎無法透入?對(duì)操作人員的經(jīng)驗(yàn)和手法要求比較高醫(yī)學(xué)課件 4第一章 醫(yī)用超聲學(xué)基礎(chǔ)第一節(jié) 超聲波的定義及特性一、超聲的本質(zhì) ?頻率超出人耳聽覺范圍的機(jī)械波的能量形式物體的機(jī)械振動(dòng)是產(chǎn)生超聲的源泉聲頻振動(dòng)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(yī)學(xué)課件 5超聲波特性:超聲波是依靠介質(zhì)來傳播的聲波,具有機(jī)械能。能量集中于聲束內(nèi)傳播,指向性好,穿透能力強(qiáng),為定向探測(cè)提供方便。超聲波頻率高,故即使振幅很小,超聲傳遞給媒質(zhì)的能量也比可聽聲大很多,故超聲與物體能產(chǎn)生很強(qiáng)的機(jī)構(gòu)作用,能使媒質(zhì)粒子作高頻振動(dòng),從而產(chǎn)生凝聚、擊碎、加熱等作用。超聲在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域可以進(jìn)行超聲滅菌、超聲清洗、超聲霧化、超聲診斷、超聲治療等應(yīng)用醫(yī)學(xué)課件 6二、超聲技術(shù)發(fā)展史1880 法國(guó)科學(xué)家皮埃爾和雅克居里發(fā)現(xiàn)了壓電效應(yīng)? 1917 法國(guó)科學(xué)家朗之萬應(yīng)用壓電效應(yīng)進(jìn)行超聲探測(cè)? 1921 聲納SONAR,即聲探測(cè)與定位技術(shù)用于探測(cè)潛艇? 1928 金屬探傷技

4、術(shù)出現(xiàn),超聲頻率提高到MHz量級(jí)? 1928 德國(guó)出現(xiàn)超聲治療機(jī)專利? 1942 奧地利科學(xué)家使用A超,用穿透法探測(cè)顱腦疾病? 1952 美國(guó)/.ry研究超聲顯像法? 1954 B超應(yīng)用于臨床? 1955 /.d用平面位置顯示器作直腸內(nèi)的體腔檢查? 1956 日本里村茂夫利用連續(xù)多普勒法判斷心臟瓣膜病? 1958 鮑姆等開始對(duì)眼球進(jìn)行掃查法檢查? 1958 英國(guó)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(zhuǎn)式探頭出現(xiàn)? 1968 P./.ls提出時(shí)間增益控制(TGC)補(bǔ)償原理醫(yī)學(xué)課件 71968 /0>.將計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)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(shù)字變換掃描技術(shù)應(yīng)用,圖像質(zhì)量明顯改善,實(shí)時(shí)超聲顯像開始受到重視? 80年代 B超發(fā)展最迅速,彩色多普勒血流顯示技術(shù)、3D超聲成像技術(shù)得到應(yīng)用? 90年代 彩色多普勒組織圖CDTI、彩色多普勒能量圖CDE、對(duì)比諧波成像CHI技術(shù)、組織諧波成像THI技術(shù)、實(shí)時(shí)3D成像技術(shù)等新技術(shù)出現(xiàn)醫(yī)學(xué)課件 8第二節(jié) 超聲波的產(chǎn)生一、電磁波由電場(chǎng)和磁場(chǎng)的變化所表征的波,即交變電磁場(chǎng)在空間的傳播過程。醫(yī)學(xué)課件 9二、機(jī)械波波源和介質(zhì)是形成機(jī)械波的必要條件。機(jī)械波從振源向

6、外傳播的是能量,媒質(zhì)本身并不移動(dòng)。上式表明,該質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)是一個(gè)周期性的振動(dòng)過程,質(zhì)點(diǎn)加速度總是與離開固定點(diǎn)的距離成正比,而其方向是指向固定點(diǎn)。這說明該點(diǎn)在簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)。180cos 020tAa omkf ?210系統(tǒng)的固有頻率醫(yī)學(xué)課件 10第三節(jié) 超聲波的分類一、按質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向和波傳播方向的關(guān)系分類(一)橫波?質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與波的傳播方向垂直 (二)縱波?質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向相同 醫(yī)學(xué)課件 11?縱波可以在固體、液體、氣體介質(zhì)中傳播; ?橫波只能在固體中傳播,因?yàn)橐后w和氣體無切變彈性; ?由超聲診斷儀所發(fā)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(yī)學(xué)課件 12(三)表面波?沿媒質(zhì)表面?zhèn)鞑サ牟?能量集中在媒質(zhì)自由表面層或在兩種媒質(zhì)的分界面附近振動(dòng)。縱波 橫波 表面波波傳播方向縱波、橫波和表面波的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)示意圖醫(yī)學(xué)課件 13二、按波陣面的形狀分類?波從波源出發(fā),在介質(zhì)中向各個(gè)方向傳播,在某一時(shí)刻介質(zhì)中周相相同的各點(diǎn)組成的面為波陣面。?在各向同性的媒質(zhì)中,波的傳播方向與波陣面垂直的線稱為波射線。 醫(yī)學(xué)課件 14三、按發(fā)射超聲的類型分類?連續(xù)波?波源無間斷地振動(dòng)所發(fā)出的波?脈沖波?波源振動(dòng)時(shí)間很短,間歇輻射出的波 第四節(jié) 波動(dòng)方程與波參數(shù)一、聲波波動(dòng)方程?聲波波動(dòng)方程是聲學(xué)參量的時(shí)間和空間關(guān)系的描述,對(duì)其求解可以建立各種聲波參量間

8、的數(shù)學(xué)關(guān)系。?聲波波動(dòng)方程的數(shù)學(xué)描述建立在三個(gè)基本物理定律基礎(chǔ)上?牛頓動(dòng)力學(xué)定律?質(zhì)量守恒定律?絕熱時(shí)的物態(tài)方程醫(yī)學(xué)課件 15二、波參數(shù)1、聲速?波在彈性媒質(zhì)中傳播時(shí),單位時(shí)間內(nèi)波所傳播的距離稱為波的傳播速度(波速)?波陣面在單位時(shí)間內(nèi)行進(jìn)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(zhì)的彈性系數(shù),一般1/E;?媒質(zhì)的平均密度;E?媒質(zhì)的揚(yáng)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(nèi)部的常壓力)?媒質(zhì)的泊松比2111? ECLBCL醫(yī)學(xué)課件 16注意?聲速與質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度是完全兩個(gè)不同的概念,且對(duì)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(duì)氣體而言c0正比于溫度T的平方根值;對(duì)水而言,在室溫附近,溫度每升高1度,聲速增加34m。?固體媒質(zhì)的彈性性能愈強(qiáng),密度愈小,聲波傳播速度愈高。醫(yī)學(xué)課件 17、波長(zhǎng)、周期和頻率?波長(zhǎng)?兩個(gè)相鄰相同相位(相同振動(dòng)狀態(tài))的振動(dòng)點(diǎn)之間的距離?周期和頻率 介質(zhì)中的質(zhì)點(diǎn)在平衡位置往返振動(dòng) 次所需要的時(shí)間叫周期 用 表示周期與頻率成互為倒數(shù)關(guān)系。T 1/ f /c醫(yī)學(xué)課件 18醫(yī)用超聲的頻率和波長(zhǎng)醫(yī)學(xué)課件 193、聲壓和聲強(qiáng)?聲壓定義為聲波作用時(shí),媒質(zhì)中壓力P與靜壓P0的差值,即?聲壓是空間和時(shí)間的函數(shù),通常儀器測(cè)量的聲壓是有效聲壓,是瞬時(shí)聲壓均放根值?聲強(qiáng)定義為

10、單位時(shí)間內(nèi)垂直通過單位面積的聲能0PPp Te dtpTp 0 21cPI ?/2?醫(yī)學(xué)課件 204、聲壓級(jí)和聲強(qiáng)級(jí)?標(biāo)準(zhǔn)聲強(qiáng)?頻率等于1000Hz時(shí)能引起聽覺的最小聲強(qiáng)。?聲壓級(jí)?聲強(qiáng)級(jí)?功率級(jí)2162120 /10/10 cmWmWI0lg20 PPLP0lg10 IILI0lg10 WWLW醫(yī)學(xué)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(fù)數(shù)比?聲阻抗率定義為媒質(zhì)中某點(diǎn)處的聲壓與該處質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度的比?在均勻媒質(zhì)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(zhì)情況復(fù)雜時(shí),常常反映出媒質(zhì)的特性,被用來作為分析傳聲媒質(zhì)結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要手段aaa jXRUpZ?vp

11、Z s00cpZe醫(yī)學(xué)課件 22第五節(jié) 超聲波的傳播特性?超聲波是一種機(jī)械波,可在固體、液體、氣體介質(zhì)中傳播。?超聲波在人體軟組織中是以縱波(質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向相同)方式傳播。?超聲波在非均質(zhì)性組織內(nèi)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(huì)產(chǎn)生反射、折射與透射。?當(dāng)被檢體組織結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)小于入射波波長(zhǎng)時(shí),就會(huì)產(chǎn)生波的散射。醫(yī)學(xué)課件 23?超聲在人體內(nèi)傳播時(shí),在兩種不同組織的界面處產(chǎn)生反射和折射,在同一組織內(nèi)傳播,由于人體組織的不均勻性而發(fā)生散射。超聲通過不同器官和組織產(chǎn)生不同的反射與散射規(guī)律,儀器利用這些反射和散射信號(hào),顯示出臟器的界面和組織內(nèi)部的

12、細(xì)微結(jié)構(gòu),作為診斷的依據(jù)。 ?按照聲學(xué)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(shù)、衰減系數(shù)等基本聲學(xué)特性不同。醫(yī)學(xué)課件 24一、聲學(xué)界面條件超聲波在非均質(zhì)性組織內(nèi)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(gè)聲學(xué)界面。?一個(gè)平面界面兩側(cè)的兩種媒質(zhì)中的聲壓在邊界面處是連續(xù)的,即聲壓相等。?邊界上的質(zhì)點(diǎn)法向速度只能是一個(gè)數(shù)值。醫(yī)學(xué)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(zhǎng)(稱大界面)時(shí),產(chǎn)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(shí),產(chǎn)生垂直

13、反射與透射。反射聲強(qiáng)取決于兩介質(zhì)的聲阻差異及入射角的大小。垂直入射時(shí),反射聲強(qiáng)最大。反射聲能愈強(qiáng)則折射或透射聲能愈弱。進(jìn)入第二介質(zhì)的超聲繼續(xù)往前傳播,遇不同聲阻抗的介質(zhì)時(shí),再產(chǎn)生反射,依次類推,被檢測(cè)的物體密度越不均勻,界面越多,則產(chǎn)生的反射也愈多。醫(yī)學(xué)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(zhì)中的聲速之比。ri1221sinsin nccti醫(yī)學(xué)課件 272、反射系數(shù)和折射系數(shù)?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(shù)取決于聲阻抗Z的變化,而聲阻抗Z又與聲壓及質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速

14、度有關(guān)。根據(jù)聲學(xué)邊界條件,在x0的界面處有:根據(jù)反射和折射定律可得:Zvp21221212ZZZppZZZZppriAtApiArApcZtArAiAtArAiAvvvppp醫(yī)學(xué)課件 28討論:(1)全透射:當(dāng)Z1Z2時(shí),反射率為0,透射率為1,這說明雖然存在不同媒質(zhì),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(zhì)點(diǎn)速度與入射波的質(zhì)點(diǎn)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(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度與入射波質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度相位差180°。(4)剛性界面(Z2Z1):實(shí)際

15、上就是全反射,媒質(zhì)II中無聲波傳播。醫(yī)學(xué)課件 29?斜入射 超聲波在兩種媒質(zhì)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(tài)有關(guān),也就是說超聲波入射到界面上的角度對(duì)于反射聲壓以及回聲檢測(cè)有影響。tiitrptitiirpZZZppZZZZpprcoscoscos2coscoscoscos1221212?醫(yī)學(xué)課件 30三、超聲波通過中間層傳播?聲壓反射系數(shù)?聲壓透射系數(shù)?聲強(qiáng)透射系數(shù)ttttdjkdjkdjkdjkpr eZZZZeZZZZeZZZZeZZZZa22222222cos3221cos3221cos3221cos3221tt djkdjkpt eZZZZeZZZZZZa2222

16、 cos3221cos3221214dkZZZZdkZZZZaIt22221322222131sin/cos4醫(yī)學(xué)課件 31?無限薄層全透射。當(dāng)Z1Z3時(shí),若k2d1,即d2/2時(shí),這一層媒質(zhì)對(duì)聲波的全透射波沒有影響。?半波長(zhǎng)層全透射。當(dāng)k2dn,即dn2/2時(shí),全透射。?匹配層全透射。當(dāng)三層媒質(zhì)的聲阻抗都不相等時(shí),則只要在I和III中插入一個(gè)d為1/4波長(zhǎng)的奇數(shù)倍的介質(zhì)層,并令Z2(Z1Z3)1/2,則全透射。醫(yī)學(xué)課件 32四、散射和繞射?超聲在傳播時(shí),遇到與超聲波波長(zhǎng)近似或小于波長(zhǎng)(小界面)的介質(zhì)時(shí),產(chǎn)生散射與繞射。?散射為小介質(zhì)向四周發(fā)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(xù)向前傳播。五、超聲波的疊加原理?在同一介質(zhì)中,幾列波在傳播時(shí)相遇,相遇處質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)時(shí)各列波引起的分振動(dòng)的合成,任一時(shí)刻該質(zhì)點(diǎn)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(xù)前進(jìn)。醫(yī)學(xué)課件 33第六節(jié) 超聲在生物組織中的衰減一、衰減(attenuation)超聲在媒質(zhì)中傳播時(shí),其聲強(qiáng)將隨著距離的增加而減弱的現(xiàn)象。?聲束本身的擴(kuò)散,使單位面積中的能量下降,超聲的反射、折射與散射的結(jié)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(qiáng)減弱。?傳播過程中,由于媒質(zhì)的吸收,使聲能減少。醫(yī)學(xué)課件 34?衰減系數(shù)衰減系數(shù)一般是頻率的函數(shù),而且為線性關(guān)系(軟

18、組織中)的單位為mm-1,為衰減常數(shù)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(jià)層) ?聲強(qiáng)下降到初始強(qiáng)度一半時(shí)所經(jīng)過的傳播距離就是半價(jià)層的數(shù)值。半價(jià)層值與衰減系數(shù)成正比MHzf?醫(yī)學(xué)課件 35二、衰減相互作用(一)吸收三個(gè)因素會(huì)影響超聲的吸收?媒質(zhì)的黏性?由于媒質(zhì)具有黏滯性,質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)相互產(chǎn)生彈性摩擦,使一部分聲能轉(zhuǎn)化為熱能。?松弛時(shí)間?質(zhì)點(diǎn)被超聲推動(dòng)之后回到其平衡位置所需的時(shí)間。時(shí)間短意味著質(zhì)點(diǎn)能很快回到原來位置,通常是在下一個(gè)壓縮波到來之前。否則就要額外的能量停止質(zhì)點(diǎn)朝原點(diǎn)移動(dòng)并改變其運(yùn)動(dòng)方向。額外能量被轉(zhuǎn)化為熱能。?頻率

19、?當(dāng)頻率較高時(shí),分子振動(dòng)加快,將導(dǎo)致黏性媒質(zhì)中產(chǎn)生更多熱能;頻率較高時(shí),分子可能沒有足夠時(shí)間建立新平衡,從而導(dǎo)致吸收更多的熱能。醫(yī)學(xué)課件 36垂直入射時(shí),人體各組織界面的聲壓反射系數(shù)0醫(yī)學(xué)課件 37超聲波在人體組織中的平均衰減系數(shù)頻率范圍MHz平均衰減系數(shù)dB/cm?MHz人體組織醫(yī)學(xué)課件 38第七節(jié) 超聲的生物效應(yīng)一、超聲的生物效應(yīng) ?超聲對(duì)生物組織產(chǎn)生的作用,與超聲波的聲強(qiáng)、頻率及生物組織本身的性質(zhì)有關(guān),且在聲強(qiáng)低的情況下效應(yīng)是可逆的,而聲強(qiáng)超過一定閾值時(shí)則會(huì)產(chǎn)生不可逆效應(yīng)。醫(yī)學(xué)課件 391、熱效應(yīng)?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(huì)變成熱能,并使其溫度升高的一種效應(yīng)。醫(yī)學(xué)課件 402、空化效應(yīng) ?充有水氣或水蒸汽的空腔在外場(chǎng)作用下發(fā)生振蕩的任何現(xiàn)象,可使液體分子產(chǎn)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(chǎn)生高溫高壓。?穩(wěn)態(tài)空化?空化泡半徑不超過原半徑的75%的動(dòng)力學(xué)過程,這時(shí)聲壓在一個(gè)大氣壓以下。?瞬態(tài)空化?空化氣泡半徑