超聲基礎知識第一頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五物體的機械振動是產生波的源泉,波的頻率取決于物體的振動頻率。頻率范圍在20～20000Hz內的波稱為可聽聲波,頻率范圍在20Hz內的波稱為次聲波,頻率范圍在2×104～108Hz的波稱為超聲波,頻率范圍在108～1012Hz的波稱為特超聲波。次聲波、可聽聲波、超聲波、特超聲波統稱聲波。可見，整個聲波頻譜是比較寬的，其中只有可聽聲波才能為人耳所聽到，而次聲、超聲、特超聲雖然屬于聲波卻不能為人耳所察覺。第二頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五在自然界存在著多種多樣的超聲波,如某些昆蟲和哺乳動物就能發出超聲波,又如風聲、海浪聲、噴氣飛機的噪聲中都含有超聲波成分。在醫學診斷上所使用的超聲波是由壓電晶體一類的材料制成的超聲探頭產生的。眼科方面所使用的超聲頻率在5～15MHz范圍內,心和腹部所使用的超聲頻率在2～10MHz范圍內。第三頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五2.超聲波的特性超聲波和可聽聲波一樣,也是一種機械波,它是由介質中的質點受到機械力的作用而發生周期性振動產生的。依據質點振動方向與波的傳播方向的關系,超聲波亦有縱波和橫波之分。由超聲診斷儀所發射的超聲波,在人體組織中是以縱波的方式傳播的。就是因為人體軟組織基本無切變彈性,橫波在人體組織中不能傳播。第四頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五與普通聲波(可聞波)相比,超聲波具有許多特性,其中最突出的有:①由于超聲波的頻率高,因而波長很短,它可以像光線那樣沿直線傳播,使我們有可能只向某一確定的方向發射超聲波;②由超聲波所引起的媒質微粒的振動,即使振幅很小,加速度也非常大,因此可以產生很大的力量。第五頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五超聲波的這些特性,使它在近代科學研究、工業生產和醫學領域等方面得到日益廣泛的應用。例如,我們可以利用超聲波來測量海底的深度和探索魚群、暗礁、潛水艇等。在工業上,則可以用超聲波來檢測金屬內部的氣泡、傷痕、裂隙等缺陷。在醫學領域則可以用超聲波來滅菌、清洗,更重要的用途是做成各種超聲波治療和診斷儀器。第六頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五二．超聲波的物理基礎振動是聲學的基礎，只有聲源的振動才能發射出聲波。超聲波與普通聲波一樣，是振動在彈性介質中的傳播。因此機械振動源和彈性介質是超聲波產生的物理基礎。第七頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五機械振動中最簡單的形式是一個自由度振動系統，如圖2-1，一個彈簧振子，質量元件的質量為m，置于無摩擦的表面上，彈簧的彈性系數為k。如果系統具有一初始位移量，則必然有一個彈性力使系統產生振動。根據虎克定律，彈性力Fk=-kξ。即是說，在彈簧的彈性限度內，彈性力Fk的變化與位移量的變化成正比，彈性力的方向與位移方向相反。第八頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五2-1彈性質點振動系統在振動過程中，它只是自身做能量的轉換，由勢能轉化為動能。在平衡位置處，動能最大，勢能為零；在最大振幅處，勢能最大，動能為零。對于無阻尼的自由振動來說，振子的勢能和動能的和保持恒定值，所以孤立質點的振動不會發生能量的傳遞。但是，在連續的彈性介質中，當某一質點受到外界作用而在其平衡位置做機械振動時，通過質點間的彈性力作用，就會把這個振動傳給與它相鄰的質點，使后者也在自己的平衡位置附近振動，第九頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五如此繼續下去，機械振動就在整個媒質中傳播開來。換句話說，機械振動的能量在彈性介質中傳播開來，這就形成機械波。如超聲波，由超聲換能器產生振動，引起接觸器的振動，接觸劑的振動又引起人體皮膚、脂肪及內臟的振動，超聲波能量就這樣進入了人體。由此可見，獲得超聲波要有兩個條件：（1）一個做機械振動的物體，以持續的提供能量，即波源或振源；（2）必須有能傳播這種振動的彈性媒質，固體、流體、氣體都是彈性介質，都可以傳播超聲波，真空中沒有介質存在，所以不能傳播機械波，包括超聲波。第十頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五三．超聲波的分類1、按質點振動方向和波傳播方向的關系分類相對于波的傳播方向，質點的振動方向可以不同。縱波是質點的振動方向與波的傳播方向相同的波。例如音叉在空氣介質中振動所產生的聲波,空氣介質中的質點沿水平方向振動,振動的方向與聲波的傳播方向一致,傳播時介質的質點發生疏密的變化。縱波可以在固體、液體、氣體介質中傳播。第十一頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五橫波是質點振動方向與波的傳播方向垂直的波。一個典型的例子便是軟繩上的波,我們不妨把軟繩看成密集質點的集合,如果不斷地擺動軟繩的一頭,則一系列的橫向振動的波就由繩子的左端向右端移去,而繩上各質點并不隨波的傳播方向移去,只是在各自的平衡位置附近作橫向(剪切形式)的振動。不能在液體及氣體介質中傳播,這是因為液體和氣體無切變彈性。第十二頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五2-2波的傳遞2、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面。顯然波面有無數個，最前面的一個波面也就是波源最初振動狀態傳播的各點組成的面，通常又叫波陣面。波面有各種形狀，波面為平面的波稱為平面波，波面為球面的波稱為球面波，波面為柱面的波稱為柱面波。第十三頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五2-3平面波球面波柱面波平面波對于研究問題來說最為簡單，超聲診斷中，探頭發射的超聲波在近場可視為平面波，在遠場可視為球面波（或球面的一部分）。但為了方便起見，我們把它都視為平面波。超聲波與人體內微小障礙物（如紅細胞）發生作用時，障礙物散射的超聲波是球面波。第十四頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五3、按發射超聲的類型分類可分為連續波和脈沖波。連續波目前只在連續波多普勒血流儀中采用，A型、M型、B型及脈沖多普勒血流儀均采用脈沖波。第十五頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五四．超聲波的基本物理量1.聲速聲波在介質中單位時間內傳播的距離,稱為聲速。用符號c表示,單位為m／s(米／秒)。聲波的傳播過程實質上是能量的傳遞過程,它不僅需要一定時間,而且其傳遞速度的快慢還與介質的密度、彈性以及波動的類型有關。對于縱向傳播的平面波,其聲速為c=/k/ρ式中:ρ為介質密度，k為介質的體積彈性模量。第十六頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五又由于彈性模量與溫度有關,因而聲速還受溫度的影響。例如,空氣的溫度在0℃時,聲速為332m/s,氣溫每升高1℃,則聲速增加0.6m/s,至15℃時,則為341m/s。表2-1給出了在人體組織器官中與超聲診斷有關的介質中的聲速。第十七頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五介質空氣(0℃)腎臟

石蠟油(33.5℃)肝臟

海水(30℃)頭顱骨生理鹽水

鞏膜傳播速度(m/s)3321560142015701545336015341604介質人體軟組織(平均值)角膜

血液

房水腦組織水晶體脂肪玻璃體肌肉(平均值)傳播速度(m/s)1540155015701532154016411476153215682-1在有關介質中的超聲速度第十八頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五2.周期和頻率

介質中的質點在平衡位置往返振動1次所需要的時間叫周期,用T表示，單位是秒s；在1s的時間內完成振動的次數稱為頻率,用f表示,單位為周/s，又稱作Hz(Hz)。周期與頻率成互為倒數關系,以下式表示：f=1／T

超聲診斷常用的頻率范圍在0.8～15MHz之間,而最常用的為2.5～10MHz。第十九頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五3.波長在一個周期內,聲波所傳播的距離就是一個波長,用λ表示。對于縱波,等于兩相鄰密集點(或稀疏點)間的距離,如圖2-4(a)所示;對于橫波,則是從一個波峰(或波谷)到相鄰波峰(波谷)的距離,如圖2-4(b)所示。第二十頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五波長的定義波長λ、聲速c與頻率f之間滿足以下關系：λ＝c/f

頻率和波長在超聲成像中是兩個極為重要的參數,波長決定了成像的極限分辨率,而頻率則決定了可成像的組織深度。表2-2給出了醫學超聲診斷常用的幾種超聲波頻率與其波長、周期和極限分辨力的關系。第二十一頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五2-2波長、周期與極限分辨力之間的關系注：取超聲波在人體中傳播的平均聲速c=1540m/s作為換算標準頻率(MHz)波長(mm)周期(μs)極限分辨力(mm)11.510.7520.750.50.3752.50.60.40.330.50.330.253.50.430.290.2250.30.130.17.50.20.130.1100.150.10.075150.10.060.05第二十二頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五4.聲壓縱波在彈性媒質內傳播過程中,媒質質點的壓強是隨時間變化的,媒質質點的密度時密時疏,從而使平衡區的壓力時強時弱,結果導致有波動時壓強(PW)與無波動時壓強(PO)之間有一定額壓強差(PW－PO),這一波動壓強稱為聲壓。第二十三頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五對于一無吸收媒質的平面波,有波動時壓強的最大值與沒有波動作用時各點壓強的差值稱為壓強振幅(Pm),它可由下式確定：Pm=ρcVm即：聲壓振幅Pm與媒質密度ρ、質點運動速度的最大值Vm及波速c成正比。聲壓有效值為：P=Pm//2第二十四頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五5.聲強聲強是表示聲的客觀強弱的物理量,它用每秒鐘通過垂直于聲波傳播方向的1平方厘米面積的能量來度量,它的單位是焦耳／(秒·平方厘米)［J/(s·cm2)］。第二十五頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五聲強與聲源的振幅有關,振幅越大,聲強也越大;振幅越小,聲強也越小。當聲源發出的聲波向各個方向傳播時,其聲強將隨著距離的增大而逐漸減弱。這是由于聲源在單位時間內發出的能量是一定的,離開聲源的距離越遠,能量的分布面也越大,因此通過單位面積的能量就越小。第二十六頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五基于這一原理,在超聲診斷探頭發射超聲時,必須考慮波束的聚焦,它可以減小聲能的分散,使聲能向一個比較集中的方向傳播,因而可以增加診斷探測的深度。第二十七頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五6.聲阻抗率聲阻抗率是描述彈性媒質傳播聲波的一個重要物理量。對于各向同性的均勻媒質中無衰減的平面自由行波來說,媒質中某點有效聲壓P與振動質點速度有效值V之比稱為聲阻抗率,它用Zs表示：Zs=P／V=ρc第二十八頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五實際上,聲壓與質點振速不一定同相位,所以聲阻抗率是2個同頻率、但不同相的余弦量的比值,并不是一個恒量。對于無衰減的平面行波,聲壓和振速可視為同相,媒質各點的聲阻抗率是同一個恒量ρc,對一定頻率的聲波來說,它只決定于媒質密度ρ和波速c的乘積。第二十九頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五聲阻抗率和電學中一個無限長、無損耗傳輸線的特性阻抗相似,其中聲壓相當于電壓,振速相當于電流強度,聲阻抗率相當于電阻。通常聲阻抗率是一個復數,其實部稱為聲阻率,虛部稱為聲抗率。人體正常組織的聲阻抗率的平均值約為1.5×106牛頓·秒/米3(N·s／m3),而與超聲測量有關材料的密度和聲阻抗率則如表2-3所示。第三十頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五介質

空氣(0℃)水(37℃)生理鹽水(37℃)石蠟油(33.5℃)血液

腦脊水密度(g／cm3)0.001290.99341.0020.8351.0551.000聲阻抗率(×106N·s／m3)0.0004281.5131.5371.1861.6561.522第三十一頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五介質

羊水肝臟

肌肉(平均值)軟組織(平均值)脂肪顱骨水晶體密度(g／cm3)1.0131.0501.0741.0160.9551.6581.136聲阻抗率(×106N·s／m3)1.4931.6481.6841.5241.415.571.874第三十二頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五五．超聲波的傳播特性

超聲波在人體組織內傳播不僅有衰減,同時還存在著反射、折射與透射現象。在人體均質性組織內傳播時,超聲波只沿其傳播方向前進,此時不存在反射、折射問題。如果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的不同,在聲阻抗改變的分界面上便會產生反射、折射與透射。第三十三頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五2-5超聲在不同介質中的反射、入射與折射原介質中的超聲波稱為入射波,在分界面處入射波的能量一部分將產生反射,另一部分能量將通過界面后繼續傳播，這就是透射。透射的超聲波傳播方向與入射波的傳播方向不同,因而這部分透射過的超聲波又稱折射波。入射波與界面法線的夾角叫入射角θ1,反射波與界面法線的夾角叫反射角θ1′,入射角與反射角是相等的,即θ1=θ1'。第三十四頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五這被稱作超聲波的反射定律。若入射波與界面是垂直的,則反射波即按入射波方向反射,故可以在超聲波診斷儀器中用一個探頭，既發射超聲波又接收反射波(回波)。折射波與界面法線的夾角稱為折射角θ2，入射角θ1的正弦與折射角θ2的正弦之比，等于入射波在介質1中的聲速c1與折射波在介質2中的聲速c2之比(sinθ1／sinθ2=c1/c2)，這被稱作超聲波的折射定律。若入射波與界面垂直，透過界面的超聲波的傳播方向與入射波方向一致，即不產生折射。第三十五頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五反射波的能量除取決于兩種介質的聲阻抗差別外，還取決于界面的大小，反射界面越大，反射波的能量也越強，當反射界面的尺寸遠小于超聲波波長λ時，可以認為不產生反射。第三十六頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五當被探查的人體組織結構很小，與入射超聲波的波長相差不多時，會產生波的衍射現象。當被探查的組織結構小于入射波波長時，就會產生波的散射。第三十七頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五六超聲波在生物組織中的衰減（醫學應用基礎）當超聲波在生物組織中傳播時,作為傳播介質的生物組織對超聲的衰減機制是十分復雜的。除組織對超聲波的反射、散射等引起的能量的分散之外,組織對超聲能量的吸收而造成的衰減亦不可忽視。在生物組織中,造成吸收衰減的內在原因主要有介質質點的粘滯性、導熱系數和溫度等因素,而這些因素造成對超聲衰減的大小又與超聲的頻率有關,超聲衰減在人體中與傳播距離成正比。超聲傳播到其強度減弱一半的距離叫半價層,因此,可以用半價層來表明生物組織吸收的大小。人體組織、器官的超聲半價層第三十八頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五人體組織、器官的超聲半價值血液的半價層最大,這說明血液對超聲的衰減最小。在人體中,不同的組織由于具有不同的介質密度和性質,也往往表現出對超聲不同的衰減系數。實測結果表明,人體中血液和眼球玻璃體液吸收聲能最小,肌肉組織吸收稍強,纖維組織及軟骨吸收聲能較大,而骨骼對超聲的吸收最大。第三十九頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五表2-5列出了人體主要組織成分對不同頻率超聲的衰減系數。人體組織眼球玻璃體液血液脂肪延髓(順纖維)腦組織

衰減系數(dB·cm-1·MHz-1)0.10.180.630.80.85頻率范圍(MHz)6～30100.8～7.01.7～3.40.9～3.4第四十頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五人體組織肝臟腎臟

脊髓肌肉(順纖維)顱骨肺

衰減系數(dB·cm-1·MHz-1)0.941.001.001.320.0041.00頻率范圍(MHz)0.3～3.40.3～4.51.000.8～4.51.61.0第四十一頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五由于超聲在人體中的衰減與超聲頻率有關,因此,研究超聲衰減與頻率的關系,對超聲儀器的設計和使用都頗具意義。實驗結果表明,在1～15MHz超聲頻率范圍內,人體組織對超聲波的吸收衰減系數幾乎與頻率成正比。人體軟組織對超聲的平均衰減系數約為0.81dB·cm－1·MHz－1,其含義是超聲波頻率每增加1MHz或超聲傳播距離每增加1cm,則組織對超聲的衰減增加0.81dB。因此,對一個3MHz聲束,當其在人體軟組織中傳播10cm時,則聲強衰減可達:第四十二頁，