第七章 超声波物理.ppt
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1、1890年, 一艘名叫“马尔波罗号”帆船在从新西兰驶往英国的途中,突然神秘地失踪了。20年后,人们在火地岛海岸边发现了它奇怪的是:船上的开都原封未动完好如初船长航海日记的字迹仍然依稀可辨;就连那些死已多年的船员,也都“各在其位”,保持着当年在岗时的“姿势”; 1948年初,一艘荷兰货船在通过马六甲海峡时,一场风暴过后,全船海员莫明其妙地死光;上述惨案,引起了科学家们的普遍关注,其中不少人还对船员的遇难原因进行了长期的研究。,经过反复调查,终于弄清了制造上述惨案的“凶手”,是一种为人们所不很了解的次声的声波。,人体内脏固有的振动频率和次声频率相近似(0.000120赫),倘若外来的次声频率与体内
2、脏的振动频率相似或相同,就会引起人体内脏的“共振“,从而使人产生上面提到的头晕、烦躁、耳鸣、恶心等等一系列症状。,4,自然界的声音,20Hz,20KHz,次声波,可听声波,超声波,超声诊断仪所用波段1MHz14MHz,5,医学临床诊断学中用于心脏、血管、血流和胎儿心率等诊断。,超声基础知识超声的应用,声波,次声波,地震 海啸 核爆炸,可闻声波,超声波,特超声波,语言 音乐 自然界,老鼠 蝙蝠 海豚,分子热振动,第七章 超声波物理,超声(ultrosound,US),高频机械波,20000Hz1015Hz,人耳感觉不到超声波,20Hz20000Hz,诊断超声,频率高、波长短、方向性强、能量大、危
3、害小,人耳听阈,1MHz(106Hz)100MHz,10,超声成像系统,11,超声成像系统显示器,12,超声成像系统探头种类,凸阵探头,线阵探头,相控阵探头,穿刺探头,腔内探头,术中探头,经食道探头,4D探头,13,超声成像系统控制面板,14,超声成像系统扫描方式,20,超声基础知识声像图特征,液性,均质性,非均质性,钙化,第一节 超声波物理基本性质,第二节 超声场,第三节 声波在介质中的传播特性,第四节 多普勒效应,第五节 血流动力学效应,第七章 超声波物理,第一节 超声波的基本性质,一、超声波的分类,二、超声波的产生机制,三、声速、声压、声强与声阻抗,声源 我们把能发出声音的东西叫做声源。
4、振动是产生声波的根源。 在超声成像中,探头晶片发射时即产生超声,所以探头晶片就是声源。 介质 声源和接收声音之间的空间充满了气体(空气),或是液体,或是固体,即有种传播声音的媒介物介质。声波必须在介质中传播,在真空中声波是不能传播的。,一、超声波的分类,1.按振动形式分,纵波,横波,气体、液体、固体,固体,2.按频率分(临床用),低频超声,12.75MHz,中频(常规)超声,310MHz,高频超声,1220MHz,超高频超声, 20MHz,3.按发射方式分类,连续波,脉冲波,振动持续时间 1.55S,两个相邻脉冲前沿相隔时间, 脉冲宽度,T 脉冲重复周期(PRP),脉冲波特征量,一、超声波的分
5、类,脉冲波特征量,每秒内脉冲重复出现的次数,Tr + =T,f 脉冲重复频率(PRF),f =1/T 502000 Hz,Tr 间歇期,(静止期),相邻脉冲的间歇时间,一、超声波的分类,脉冲波特征量,脉冲发射期间最大输出功率,单位时间输出的功率,S= / Tr 0.00751,S 占空因子,脉冲宽度与静止期之比,W峰 峰值功率,平均功率,一、超声波的分类,超声探头应用压电式换能法发射和接收超声波,压电式换能法,电磁能量,机械振动,发射超声,接收超声,二、超声波的产生机制,传播介质,产生超声波必备条件,高频声源,超声换能器(transducer),1.压电效应,机械能转变成电能,超声接收换能器,
6、机械能转换为电能的现象。,二、超声波的产生机制,31,超声成像系统压电效应,负压电效应,正压电效应,2.电致伸缩效应,电场引起材料内部正负电荷重心相对位移,内部产生应力导致宏观上的几何形变。,电能转变成机械能,压电陶瓷,超声发射换能器,二、超声波的产生机制,超声波有三个基本物理量,即波长(wave length,),频率(f)和声速(velocity,C),它们之间的关系为: C=f 也就是=C/f,三、声速、声压、声强与声阻抗,固体中传播,纵波,Y杨氏模量 G切变模量 介质平均密度,横波,1. 声速(c),单位ms-1,超声单位时间传播的距离,B 体积弹性模量,流体和气体只能传播纵波,声速与
7、介质性质有关与频率基本无关,声速与温度成正比关系,20空气中 343 ms-1,水 中 1450 ms-1,骨骼中比软组织中快3倍以上,临床应用时超声速度在软组织中近似取1500ms-1, 介质密度,三、声速、声压、声强与声阻抗,1. 声速(c),蒸馏水在标准大气压下声速与温度变化曲线,三、声速、声压、声强与声阻抗,2.声压(p),压强瞬时值P与无超声传播时压强值 P0 之差,超声介质中传播,介质密度周期性变化,瞬时压强P变化,声压周期性变化,三、声速、声压、声强与声阻抗,3.声强(I),与声压关系,单位时间内通过单位横截面积的周期平均能量,声波传播过程是声源能量以声速传播出去的过程,三、声速
8、、声压、声强与声阻抗,4.声阻抗(Z),声压与声振动速度之比,当声压与振动速度同位相时,单位 瑞利(Rayleigh)(10-1kgm-2s-1),声阻抗与温度有关,三、声速、声压、声强与声阻抗,三、声速、声压、声强与声阻抗,三、声速、声压、声强与声阻抗,低声阻 气体或充气组织 如肺部组织 中等声 液体和软组织 如肌肉 高声阻 矿物组织 如骨骼,人体组织分成三大类,三类组织声阻相差甚大,彼此不能传播声波,超声检测主要 适用第二类组织,三、声速、声压、声强与声阻抗,第二类组织中,声阻抗相差不大,声速大致相等,又可利用不同类组织间的声阻抗造成的反射、散射识别不同软组织与器官的形态和性质。这是超声成
9、像及读片的基本物理依据。,超声通过声阻抗差达到1的 介质,可在其交界面上产生发射,三、声速、声压、声强与声阻抗,声强级单位,5.声强级(LI)与声压级(LP),比较相差甚大的两信号,声强比的对数,I0 基准声强 10-12Wm-2,贝尔( Bel、 B) 分贝(dB) 1B=10dB,声强级(LI),三、声速、声压、声强与声阻抗,描述声音强弱的物理量, 临床应用中用声强级概念表示仪器探测灵敏度,第二节 超 声 场,一、圆形单晶片声源的超声场,二、声束的聚焦,一、圆形单晶片声源的超声场,超声能量空间分布状态,用声压分布或声强分布描述,换能器可看成许多微小面积声源的叠加,超声场,声轴(sound
10、axis) 声束的中心轴线,它代表超声在声源发生后其传播的主方向 束宽 声束两侧边缘间的距离。,圆形晶片换能器沿中心法线上声压,1.超声场轴线上的声压分布,一、圆形单晶片声源的超声场,近场与远场,声束各处宽度不等。在邻近探头的一段距离内,束宽几乎相等,称为近场区,此区内声强高低起伏。 远方为远场区,声束开始扩散,远场区内声强分布均匀。,2.超声场的角分布,换能器指向性,即描述声束集中程度,声压不但随距离而变,=0 声压最大,在中心轴及其以外的声压不均匀分布 中心部出现一主瓣,主瓣旁出现许多副瓣。,还随方向角而变,表现为主瓣称主声束,一、圆形单晶片声源的超声场,单晶片的指向性, 半扩散角, 越小
11、,D 越大,L越大、越小,超声成束性越好、方向性好,一、圆形单晶片声源的超声场,近场内超声束平行度最高,反射界面与晶片垂直性最好,反射声强较高,失真度小,但在近场近晶片端,由于发射干扰可存在盲区,远场有声束扩散,声束不平行 反射声强较弱,失真度高,医学诊断要求超声束扩散角 在3.5以下,超声束截面积太大可使超声横向分辨力降低,一、圆形单晶片声源的超声场,二、声束的聚焦,声束宽度限制横向分辨力,使用声聚焦探头减小声束宽度,集中治疗肿瘤不损坏正常组织,2.声聚焦方法,声透镜聚焦,凹透镜,曲面换能器,聚焦晶片型探头,电子聚焦,多晶片电子聚焦换能器,两边延迟时间最小并对称,中央延迟线延迟时间最大,由两
12、边向中间依次振动形成圆形波阵面 圆心即聚焦点,二、声束的聚焦,电子聚焦,二、声束的聚焦,2.声聚焦方法,改变晶片间相对延迟时间,能改变声束的方向。对各晶片依次加上线性递变延迟激励脉冲,超声束方向偏转一个角度,不断改变这个角度,可得到扇形扫描超声束,即相控扇形扫描。为提高横向分辨力,常采用相控阵聚焦方法,用不同超声换能器实现线性扫描成像、扇形扫描成像及各种复合扫描成像。电子聚焦换能器是B超诊断仪采用的一种换能器。,二、声束的聚焦,一、反射与透射,二、衍射与散射,三、声波在介质中的衰减规律,五、声波通过介质薄层的特征,第三节 声波在介质中的传播特性,医用超声波的发射与接收,超声诊断仪主要由探头(换
13、能器)和主机构成 超声波的发射与接收均由换能器来完成 发射: 电讯号换能器超声波(逆效应) 接收: 反射波换能器电信号(正效应),声学中介质是以声阻抗划分,声波介质界面就是声阻抗不同的介质分界面。在声学介质中,两物质物理性质不同,或由不同的原子、分子组成,如果其声阻抗相同,则认为它们是声学的同种均匀介质,其间不存在界面。,一、反射与透射, 声特性阻抗 不同组织的声特性阻抗不一样。 界面 两种具有不同声阻抗的介质的接触面。 大界面:界面尺寸大于超声波长 小界面:界面尺寸小于超声波长,超声波传播遵循几何声学原则,反射或透射的条件,介质声阻抗界面处突变 “不连续”,界面线度远大于声波波长及声束直径,
14、直线传播,遇到界面发生反射和透射,临床上反射回声带来体内脏器及大界面信息,一、反射与透射,研究声波传播特性基本依据,声压连续,法向速度连续,能量守恒,界面两侧声压相等,质点振动速度在垂直界面的分量相等,一、反射与透射,1. 反射系数,反射声压pr和入射声压pi之比,pt 透射声压,质点振动速度与声传播方向相同,如图 向下方向定为正,两个连续,一、反射与透射,声压反射系数,结合速度、声压与声阻抗关系联立导出,一、反射与透射,1. 反射系数,声波垂直入射,Z2Z1,rpl,Z1Z2,半波损失 全反射且反射波与入射波位相突变,Z1=Z2,rp= 0,Z1Z2,rp0,rp-1,全反射无透射,全透射,
15、反射波与入射波反相,一、反射与透射,1. 反射系数,表7-2在生物介质不同界面超声垂直入射时的声压反射系数,一、反射与透射,1. 反射系数,查表 声波由水入脑的 r0.007,计算分贝,1. 反射系数,分贝(dB)表示,反射声强与入射声强之比,一、反射与透射,声强反射系数,2. 全反射,超声波透射定律,如图,clc2 透射角随入射角增大而增大,入射角达到b值 透射角增大至90,入射角大于b值 超声在界面全反射,b角称全反射临界角,一、反射与透射,2. 全反射,水作探头与皮肤间夹层,临界角 7630,石蜡油作夹层,临界角 6710,实际应用中探头探测角度不超24,全反射现象对超声诊断无意义,应尽
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