超声基础.doc
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参见附件(623kb)。
超声基础
图1-1-1 声波的产生
超声波的定义 物体的机械性振动在具有质点和弹性的媒介中的传播现象称为波动，而引起人耳听觉器官有声音感觉的波动则称为声波(Sonic wave, sound wave)(图1-1-1)。人耳的听阈范围，其振动频率为16赫(Hertz;Hz)~20千赫(KHz)。超过人耳听阈上限的声波，即大于20千赫的称超声波(Ultrasonic wave)简称超声，临床常用的超声频率在2～10 MHz之间。
第一节 超声的物理基础
一、超声波基本物理量
图1-1-2 声波的示意图
(一)超声波有三个基本物理量，即频率(f)，波长(λ)，声速(c)。频率(Frequency)就是在每秒钟内，介质所振动的次数，以f表示，单位为赫(Hz)；声速(Speed of sound) 指声波在传播介质中的传播速度，用c表示；波长(Wavelength为完成一次完全振动的时间内所传播的距离，以λ表示(图1-1-2)。三者的关系是：c=f·λ或λ=c/f，传播超声波的媒介物质叫做介质。
(二)相同频率的超声波在不同介质中传播，声速不相同。人体组织可分3类，即：软组织(包括血液、体液)，骨与软骨，及含气脏器(如肺、胃肠道)。软组织平均声速为1547m/s，骨骼声速约为软组织中的2.5倍。由于不同的软组织中声速有所差异，因此目前医用超声仪一般将软组织声速的平均值定为1541m/s(图1-1-3)。
通过该声速可测量软组织的厚度，公式为：
(三)声阻抗(Acoustic impedance) 是用来表示介质传播超声波能力的一个重要的物理量，其数值的大小由介质密度ρ与声波在该介质中的传播速度C的乘积所决定，即： Z=ρ·C ，单位为Kg/m2·s。
图1-1-3 不同组织中声速有所差异二、超声波的物理性能
(一)超声波在介质中传播时，遇到不同声阻抗的分界面且界面厚度远大于波长，会产生反射(Reflection)(图1-1-4)。人体软组织声阻抗差异很小，只要有1‰的声阻抗差，便可产生反射。由于人体软组织的声阻抗比空气的声阻抗大得多，超声波在该交界处几乎全部被反射，故超声的进行检查需用耦合剂，同样原因，超声一般不适合于检查肺、骨等与周围软组织声阻抗差别极大的脏器。超声诊断仪就是利用人体组织对超声波的反射作用，从声反射波中提取医学诊断信息的。
(二)当分界面两边的声速不同时，超声波透入第二种介质后，其传播方向将发生改变即产生折射(Refraction)(图1-1-4)。声波从一种小声速介质向大声速介质入射时，声波经过这两种介质的界面后出现折射波的折射角大于入射角。当入射角超过临界角(90°)时，相应的折射波消失，出现全反射。我们在进行超声检查时，需要尽可能地将声束垂直于界面，避免入射角过大，否则将会引起反射体的实际位置与显示位置发生错位，甚至出现全反射，从而导致超声无法检查该界面以下的组织器官。
图1-1-4 声波在界面上的反射与折射(三)当障碍物的直径等于或小于λ/2，超声波将绕过该障碍物而继续前进，这种现象称为绕射(Diffraction)(图1-1-5)，故超声波波长越短(即频率越高)，能发现障碍物越小，也就是说分辨力越好，超声图象也越清晰，不过对组织的穿透力较差。所以临床上高频探头多应用于儿童和浅表器官的检查。
图1-1-5 声波的绕射
图1-1-6 声波的散射(四)超声波在传播中遇到粗糙面或极小的障碍物(或一组小障碍物形式)时，将有一部分能量被散射(Scattering)(图1-1-6)。红细胞的直径比超声波要小得多，红细胞是一种散射体，声束内红细胞数量越多，背向散射强度就越大。红细胞的背向散射是多普勒超声诊断的基础。(五)超声波在介质内的传播过程中，随着传播距离的增大，声波的能量逐渐减少，这一现象称为声波衰减(Acoustic attenuation)。声波衰减与介质对声波的吸收(Acoustic absorption)、散射以及声束扩散等原因有关，其中吸收是衰减的主要因素。
(六)多普勒效应(Doppler effect) 为声源与接收器之间的相对运动而导致声波频率发生改变的现象(图1-1-7)。当声源与接收器作相向运动时，接收器所接收到的声波频率高于声源所发出的频率，如两者的运动方向相反时，则接收频率低于声源所发出的频率，两者的频率差为频移(Frequency shift)。
超声多普勒仪器的超声源和接收器均安装在探头(换能器)中，探头工作时，换能器发出超声波，由运动着的红细胞发出散射回波，再由接收换能器接收此回波。因此接收换能器所收到的超声回波的频率经过了两次多普勒效应过程，所以收发超声频率之差与血流相对于换能器运动速度的两倍成正比，多普勒频移的表达式为：
式中fd为多普勒频移，f0为入射频率，fR为反射频率，V为反射物体运动速度，C为声速，θ为运动方向与人射波间的夹角。
图1-1-7 多普勒效应第二节 超声仪器
一、 超声诊断仪的基本组成及构造
超声诊断仪均由三个组成部分组成：超声换能器(Ultrasonic transducer)部分、基本电路部分和显示部分(图1-2-1)。
(一)超声换能器
医用超声换能器是将电能转换成超声能，同时也可将声能转换成电能的一种器件，它是超声仪器中的重要部件。
图1-2-1 超声诊断仪的基本组成
图1-2-2 正压电效应
图1-2-3 逆压电效应 1、换能器的构成 换能器的核心是晶片，由它完成机械能与电能之间的转换。当在晶片上加一机械振动时，晶片材料将将机械能转变为电能(正压电效应Piezoelectric effect)(图1-2-2，当在晶片上加一交变电信号，则此材料将产生与交变信号同样频率的电能转变为机械能(逆压电效应Inverse Piezoelectric effect)(图1-2-3)。产生超声波就是晶体的逆压电效应。
2、换能器的类型与临床应用 线阵探头、凸阵探头：这类探头主要用于腹部、妇产、外围血管；机械扇形扫描探头：主要用于心脏(图1-2-4)；高频探头：当频率在40～100MHz范围时，称之为高频探头，主要用于皮肤成像，冠状动脉内成像及眼部成像，如：超声生物显微镜。 (二)基本电路(Basic Circuit)
超声诊断仪的基本结构大致相同，通常由主控电路、发射电路、高频信号放大电路、视频信号放大和扫描发生器组成。
(三)显示器(Diplayer)
从人体反射回来的超声信息最终是从显示器或记录仪上显示的图象中提取的。常见的显示器是阴极射线管，它由电子枪、偏转系统和荧光屏组成(图1-2-5)。
图1-2-5 显示器的组成 二、 超声诊断仪的类型
(一)A型超声诊断仪
在A型超声诊断仪的显示器上，以探头接收到的反射超声脉冲信号的幅度为纵坐标，而以超声脉冲的传播时间为横坐标的一种显示方式(图1-2-6)。 ......
超声基础
图1-1-1 声波的产生
超声波的定义 物体的机械性振动在具有质点和弹性的媒介中的传播现象称为波动，而引起人耳听觉器官有声音感觉的波动则称为声波(Sonic wave, sound wave)(图1-1-1)。人耳的听阈范围，其振动频率为16赫(Hertz;Hz)~20千赫(KHz)。超过人耳听阈上限的声波，即大于20千赫的称超声波(Ultrasonic wave)简称超声，临床常用的超声频率在2～10 MHz之间。
第一节 超声的物理基础
一、超声波基本物理量
图1-1-2 声波的示意图
(一)超声波有三个基本物理量，即频率(f)，波长(λ)，声速(c)。频率(Frequency)就是在每秒钟内，介质所振动的次数，以f表示，单位为赫(Hz)；声速(Speed of sound) 指声波在传播介质中的传播速度，用c表示；波长(Wavelength为完成一次完全振动的时间内所传播的距离，以λ表示(图1-1-2)。三者的关系是：c=f·λ或λ=c/f，传播超声波的媒介物质叫做介质。
(二)相同频率的超声波在不同介质中传播，声速不相同。人体组织可分3类，即：软组织(包括血液、体液)，骨与软骨，及含气脏器(如肺、胃肠道)。软组织平均声速为1547m/s，骨骼声速约为软组织中的2.5倍。由于不同的软组织中声速有所差异，因此目前医用超声仪一般将软组织声速的平均值定为1541m/s(图1-1-3)。
通过该声速可测量软组织的厚度，公式为：
(三)声阻抗(Acoustic impedance) 是用来表示介质传播超声波能力的一个重要的物理量，其数值的大小由介质密度ρ与声波在该介质中的传播速度C的乘积所决定，即： Z=ρ·C ，单位为Kg/m2·s。
图1-1-3 不同组织中声速有所差异二、超声波的物理性能
(一)超声波在介质中传播时，遇到不同声阻抗的分界面且界面厚度远大于波长，会产生反射(Reflection)(图1-1-4)。人体软组织声阻抗差异很小，只要有1‰的声阻抗差，便可产生反射。由于人体软组织的声阻抗比空气的声阻抗大得多，超声波在该交界处几乎全部被反射，故超声的进行检查需用耦合剂，同样原因，超声一般不适合于检查肺、骨等与周围软组织声阻抗差别极大的脏器。超声诊断仪就是利用人体组织对超声波的反射作用，从声反射波中提取医学诊断信息的。
(二)当分界面两边的声速不同时，超声波透入第二种介质后，其传播方向将发生改变即产生折射(Refraction)(图1-1-4)。声波从一种小声速介质向大声速介质入射时，声波经过这两种介质的界面后出现折射波的折射角大于入射角。当入射角超过临界角(90°)时，相应的折射波消失，出现全反射。我们在进行超声检查时，需要尽可能地将声束垂直于界面，避免入射角过大，否则将会引起反射体的实际位置与显示位置发生错位，甚至出现全反射，从而导致超声无法检查该界面以下的组织器官。
图1-1-4 声波在界面上的反射与折射(三)当障碍物的直径等于或小于λ/2，超声波将绕过该障碍物而继续前进，这种现象称为绕射(Diffraction)(图1-1-5)，故超声波波长越短(即频率越高)，能发现障碍物越小，也就是说分辨力越好，超声图象也越清晰，不过对组织的穿透力较差。所以临床上高频探头多应用于儿童和浅表器官的检查。
图1-1-5 声波的绕射
图1-1-6 声波的散射(四)超声波在传播中遇到粗糙面或极小的障碍物(或一组小障碍物形式)时，将有一部分能量被散射(Scattering)(图1-1-6)。红细胞的直径比超声波要小得多，红细胞是一种散射体，声束内红细胞数量越多，背向散射强度就越大。红细胞的背向散射是多普勒超声诊断的基础。(五)超声波在介质内的传播过程中，随着传播距离的增大，声波的能量逐渐减少，这一现象称为声波衰减(Acoustic attenuation)。声波衰减与介质对声波的吸收(Acoustic absorption)、散射以及声束扩散等原因有关，其中吸收是衰减的主要因素。
(六)多普勒效应(Doppler effect) 为声源与接收器之间的相对运动而导致声波频率发生改变的现象(图1-1-7)。当声源与接收器作相向运动时，接收器所接收到的声波频率高于声源所发出的频率，如两者的运动方向相反时，则接收频率低于声源所发出的频率，两者的频率差为频移(Frequency shift)。
超声多普勒仪器的超声源和接收器均安装在探头(换能器)中，探头工作时，换能器发出超声波，由运动着的红细胞发出散射回波，再由接收换能器接收此回波。因此接收换能器所收到的超声回波的频率经过了两次多普勒效应过程，所以收发超声频率之差与血流相对于换能器运动速度的两倍成正比，多普勒频移的表达式为：
式中fd为多普勒频移，f0为入射频率，fR为反射频率，V为反射物体运动速度，C为声速，θ为运动方向与人射波间的夹角。
图1-1-7 多普勒效应第二节 超声仪器
一、 超声诊断仪的基本组成及构造
超声诊断仪均由三个组成部分组成：超声换能器(Ultrasonic transducer)部分、基本电路部分和显示部分(图1-2-1)。
(一)超声换能器
医用超声换能器是将电能转换成超声能，同时也可将声能转换成电能的一种器件，它是超声仪器中的重要部件。
图1-2-1 超声诊断仪的基本组成
图1-2-2 正压电效应
图1-2-3 逆压电效应 1、换能器的构成 换能器的核心是晶片，由它完成机械能与电能之间的转换。当在晶片上加一机械振动时，晶片材料将将机械能转变为电能(正压电效应Piezoelectric effect)(图1-2-2，当在晶片上加一交变电信号，则此材料将产生与交变信号同样频率的电能转变为机械能(逆压电效应Inverse Piezoelectric effect)(图1-2-3)。产生超声波就是晶体的逆压电效应。
2、换能器的类型与临床应用 线阵探头、凸阵探头：这类探头主要用于腹部、妇产、外围血管；机械扇形扫描探头：主要用于心脏(图1-2-4)；高频探头：当频率在40～100MHz范围时，称之为高频探头，主要用于皮肤成像，冠状动脉内成像及眼部成像，如：超声生物显微镜。 (二)基本电路(Basic Circuit)
超声诊断仪的基本结构大致相同，通常由主控电路、发射电路、高频信号放大电路、视频信号放大和扫描发生器组成。
(三)显示器(Diplayer)
从人体反射回来的超声信息最终是从显示器或记录仪上显示的图象中提取的。常见的显示器是阴极射线管，它由电子枪、偏转系统和荧光屏组成(图1-2-5)。
图1-2-5 显示器的组成 二、 超声诊断仪的类型
(一)A型超声诊断仪
在A型超声诊断仪的显示器上，以探头接收到的反射超声脉冲信号的幅度为纵坐标，而以超声脉冲的传播时间为横坐标的一种显示方式(图1-2-6)。 ......
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