1、第二章第二章 超聲成像的物理原理超聲成像的物理原理 教學目標教學目標1. 掌握超聲的定義、特性及產生機制2. 掌握超聲傳播中頻率、聲速、波長三者之間的關系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 第一節 超聲成像的物理基礎一、定義一、定義 1.1.超聲超聲 是一種機械波，其頻率在20千赫茲以上。 2 2.醫學診斷用超聲醫學診斷用超聲 頻率在2.510兆赫茲范圍的超聲。 3.3.超聲的特性超聲的特性 超聲波可在氣體、液體、固體等介質中傳播 超聲波可以傳遞很強的能量 超聲波在傳播過程中會產生反射、折射、散射、繞射、干涉等現象 超聲波

2、在液體介質中傳播時，會在界面產生沖擊和空化現象 次聲波次聲波 20Hz 20Hz 20000Hz 20000Hz 超聲波超聲波 （聲波）（聲波）第一節 超聲成像的物理基礎二、超聲的產生與接收二、超聲的產生與接收 1.1.壓電效應壓電效應 是電能與聲能相互轉換的過程。 2.超聲的產生超聲的產生 電場作用到特定的材料兩端引起振動，在周圍介質中傳播形成超聲，是逆壓電效應過程。 3.超聲的接收超聲的接收 聲場作用到特定的材料兩端產生電位差，通過接收器轉換成電信號，是正壓電效應過程。 第一節 超聲成像的物理基礎 4.4.壓電材料壓電材料 能夠產生壓電效應的材料。 無機材料 主要包括鈦酸鋇、鈦酸鉛、鋯鈦酸

3、鉛等。 有機材料 主要由聚偏氟乙烯（PVDF）構成，材料聲阻抗與人體接近。 混合材料 由壓電陶瓷和有機壓電材料混合構成，機電耦合系數大，適宜制作寬帶換能器。第一節 超聲成像的物理基礎 5.5.換能器換能器 （探頭） 結構 面材、壓電材料、背材 ，核心是壓電材料。 種類 體表檢查用探頭； 手術用探頭； 體腔檢查用探頭。 v各種探頭第一節 超聲成像的物理基礎三、超聲的傳播三、超聲的傳播 1. 1.傳播速度傳播速度 （c）：單位時間內聲波在介質中的傳播單位時間內聲波在介質中的傳播距離距離, , 單位：單位：m/sm/s。 由傳播介質決定，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

4、最小（350米/秒），骨骼最大（3850米/秒）。 2.超聲頻率超聲頻率 （f）：單位時間內質點完成一個振動過單位時間內質點完成一個振動過程的次數，單位：程的次數，單位：HzHz； 由探頭中壓電材料決定，在2.510兆赫茲范圍。 3.超聲波長超聲波長 （）：在波的傳播方向上，質點完成一在波的傳播方向上，質點完成一次振動的距離，單位：次振動的距離，單位：mmmm； 超聲波長與聲速和頻率滿足關系式：fc第一節 超聲成像的物理基礎四、超聲聲束的空間分布四、超聲聲束的空間分布 1.1.聲束聲束 在一個有限的立體角內傳播的超聲 。 2.聲軸聲軸 聲束的中心線。 3.近程區近程區 靠近探頭區域，聲束等寬

5、4.遠程區遠程區 遠離探頭區域，聲束發散第一節 超聲成像的物理基礎v 超聲聲束空間分布示意圖近場近場遠場遠場D 1/2 1/2D D聲源直徑聲源直徑 擴散角擴散角5 5、分辨力：、分辨力： 超聲能夠發現最小障礙物的能力，稱為分辨力，超聲能夠發現最小障礙物的能力，稱為分辨力，包括：包括：（1）空間分辨力）空間分辨力：能夠辨別兩個細小目標空間位置：能夠辨別兩個細小目標空間位置的能力，分為軸向分辨力、橫向分辨力和側向分辨力；的能力，分為軸向分辨力、橫向分辨力和側向分辨力；（2）對比分辨力）對比分辨力：在灰階或亮度上分辨不同目標的：在灰階或亮度上分辨不同目標的能力能力 。 空間分辨力空間分辨力第二節

6、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、生物組織對入射超聲的作用 （一）兩個基本概念（一）兩個基本概念 聲特性阻抗 介質的密度()與聲速(c)的乘積，不同組織的聲特性阻抗不一樣。 界面 兩種具有不同聲阻抗的介質的接觸面。 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第二節 超聲與生物組織間的相互作用 （二）反射與折射（二）反射與折射 入射聲束與大界面的作用入射聲束與大界面的作用 三個條件 方向、截面、角度 全反射 兩種介質的聲速關系 入射角度 界面的反射信號是聲像圖的主要組成部 分反射與折射反射與折射第二節 超聲與生物組織間的相互作用 （三）散射（三）散射 入射

7、聲束與小界面的作用入射聲束與小界面的作用 散射回聲強度低 （四）繞射（四）繞射 入射聲束與界面（界面尺寸與超聲波長大入射聲束與界面（界面尺寸與超聲波長大小相當）的作用小相當）的作用 繞射使入射聲束發生方向偏轉 散射散射 繞射繞射第二節 超聲與生物組織間的相互作用 （五）衰減（五）衰減 由于組織對超聲的吸收造成聲能的減小。由于組織對超聲的吸收造成聲能的減小。 不同組織，吸收系數不同，衰減程度不同； 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。 xfxeAA)(0 xfxeAA)(0 衰減衰減第二節 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二、入射超聲對

8、生物組織的作用 1.1.超聲的生物效應超聲的生物效應 當一定劑量的超聲波在生物體內傳播時，通當一定劑量的超聲波在生物體內傳播時，通過超聲與生物組織的相互作用，可以引起生過超聲與生物組織的相互作用，可以引起生物體的功能、結構或狀態的變化物體的功能、結構或狀態的變化 2.2.熱機制熱機制 超聲聲能轉換成生物組織的熱能超聲聲能轉換成生物組織的熱能第二節 超聲與生物組織間的相互作用 3.3.機械機制機械機制 超聲聲能轉換成生物組織的機械能超聲聲能轉換成生物組織的機械能 4.4.空化機制空化機制 超聲聲能使生物組織中的氣泡活性改變超聲聲能使生物組織中的氣泡活性改變 低聲強長時間作用以熱機制為主低聲強長時

9、間作用以熱機制為主 高聲強短時間作用以空化機制為主高聲強短時間作用以空化機制為主第二節 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三、超聲診斷的安全性及注意事項 1.1.超聲強度的計算方式超聲強度的計算方式 空間平均時間平均；空間平均時間平均； 空間峰值時間平均；空間峰值時間平均； 為多個國家和組織采用為多個國家和組織采用 空間平均時間峰值；空間平均時間峰值； 空間峰值時間峰值。空間峰值時間峰值。 2. 2.安全聲強（美國安全聲強（美國FDAFDA，我國超聲標準化委員會推，我國超聲標準化委員會推薦）薦） 空間峰值時間平均聲強：小于空間峰值時間平均聲強：小于100毫瓦毫瓦/平方厘米

10、平方厘米第二節 超聲與生物組織間的相互作用 3.3.超聲探測的安全性（世界衛生組織建議）超聲探測的安全性（世界衛生組織建議） (1) (1) 只有在醫學上具有明確理由時，才對人體只有在醫學上具有明確理由時，才對人體使用診斷超聲；使用診斷超聲； (2) (2) 以商業顯示和獲得實驗圖像為目的時，不以商業顯示和獲得實驗圖像為目的時，不應把超聲用于輻照人體，特別是輻照孕婦；應把超聲用于輻照人體，特別是輻照孕婦； (3) (3) 在保證獲得良好圖像質量和取得必要的診在保證獲得良好圖像質量和取得必要的診斷信息前提下，應使超聲診斷設備的輸出強度盡斷信息前提下，應使超聲診斷設備的輸出強度盡可能小。可能小。

11、第二節 超聲與生物組織間的相互作用 4.4.超聲探測應遵循的原則超聲探測應遵循的原則v 在明確診斷目的的情況下，應積極使用超聲診斷在明確診斷目的的情況下，應積極使用超聲診斷技術。技術。v 在超聲診斷過程中，必須堅持最小劑量原則。即在超聲診斷過程中，必須堅持最小劑量原則。即在保證獲得必要診斷信息的前提下，應采用最小在保證獲得必要診斷信息的前提下，應采用最小超聲強度和最短輻照時間。超聲強度和最短輻照時間。v 拒絕一切與診斷無關的胎兒超聲顯像。拒絕一切與診斷無關的胎兒超聲顯像。v 對早孕胚胎不做或少做超聲探測，對對早孕胚胎不做或少做超聲探測，對3 3個月以上個月以上的胎兒定期超聲探測時，應控制在的胎

12、兒定期超聲探測時，應控制在3 35 5分鐘之內分鐘之內完成。完成。第二節 超聲與生物組織間的相互作用 5.5.超聲探測的注意事項超聲探測的注意事項v 成人超聲探測成人超聲探測 顱腦檢查時顱腦檢查時 每一固定切面持續檢查時間控制在每一固定切面持續檢查時間控制在2 2分鐘以內；分鐘以內； 眼球檢查時眼球檢查時 每一固定切面持續檢查時間不應超過半分鐘；每一固定切面持續檢查時間不應超過半分鐘； 卵巢、睪丸檢查時卵巢、睪丸檢查時 每一固定切面持續檢查時間不應超過每一固定切面持續檢查時間不應超過1 1分鐘。分鐘。第二節 超聲與生物組織間的相互作用v 產科超聲探測產科超聲探測 對不足對不足3 3個月的早孕孕

13、婦個月的早孕孕婦 盡量不用超聲進行常規檢查；盡量不用超聲進行常規檢查； 對于有習慣性流產或已有先兆流產癥狀者對于有習慣性流產或已有先兆流產癥狀者 3 3個月內不建議做超聲探測。必須要進行超聲個月內不建議做超聲探測。必須要進行超聲探測時，應控制每一固定切面檢查持續時間在探測時，應控制每一固定切面檢查持續時間在1 1分鐘以內；分鐘以內； 對對3 3個月以上胎兒個月以上胎兒 在腦、心、眼、脊髓等臟器檢查時，每一固定在腦、心、眼、脊髓等臟器檢查時，每一固定切面持續時間不應超過切面持續時間不應超過2 2分鐘，其他臟器可適當分鐘，其他臟器可適當延長檢查時間。檢查時應不斷移動探頭。延長檢查時間。檢查時應不斷移動探頭。第二節 超聲與生物組織間的相互作用v 新生兒超聲探