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1、第二章第二章 医学超声的物理基础医学超声的物理基础 超声波的一般概念超声波的一般概念 超声波在介质中的传播特性超声波在介质中的传播特性 多普勒效应多普勒效应目录目录 超声波的生物效应超声波的生物效应2 21 1超声波的一般概念超声波的一般概念 目前，医用超声的频率范围目前，医用超声的频率范围一般在一般在200kHz40MHz，而诊断用超声频率范，而诊断用超声频率范围多在围多在215MHz。从理论上讲，频率越高、波长越短，超声诊断的分辨率越高。从理论上讲，频率越高、波长越短，超声诊断的分辨率越高。一一 超声波的分类超声波的分类 超声波超声波为频率高于为频率高于20000Hz的高频机械波。超声波具
2、有频率高、方向性好、的高频机械波。超声波具有频率高、方向性好、能量高、对人体危害小等特点，因此在临床上被广泛应用于医学诊断和治疗。能量高、对人体危害小等特点，因此在临床上被广泛应用于医学诊断和治疗。按波传播过程中质点振动方向和波传播方向的关系可分为：按波传播过程中质点振动方向和波传播方向的关系可分为：横波、纵波、横波、纵波、表面波及板波表面波及板波。纵波纵波是超声诊断和治疗中常用的波型。是超声诊断和治疗中常用的波型。临床上一般按照频率高低将其分为四类：临床上一般按照频率高低将其分为四类：低频低频超声：超声：12.75MHz 中频中频超声：超声：310MHz（常规用）（常规用）高频高频超声：超声
3、：12 20MHz 超高频超高频超声：超声：40MHz 如果按照发射方式还可分为如果按照发射方式还可分为连续波连续波和和脉冲波脉冲波。连续波目前只在连续波多普。连续波目前只在连续波多普勒血流仪中采用，勒血流仪中采用，A型、型、B型、型、M型及脉冲多普勒血流仪均采用脉冲波。型及脉冲多普勒血流仪均采用脉冲波。2 21 1超声波的一般概念超声波的一般概念二二 超声波的重要物理参数超声波的重要物理参数 声速声速 在各向同性的均匀介质中传播，声速是一个恒量；在各向异性的介质中传在各向同性的均匀介质中传播，声速是一个恒量；在各向异性的介质中传播，沿各个方向传播的声速不同；在非均匀介质中，各部分介质的声速也
4、是不播，沿各个方向传播的声速不同；在非均匀介质中，各部分介质的声速也是不同的。同的。平面波在固体介质中传播：平面波在固体介质中传播：纵波纵波Ec横波横波GcBc液体和气体只存在体积形变，只能传播纵波，其声速为：液体和气体只存在体积形变，只能传播纵波，其声速为：其中，其中，为介质的平均密度，为介质的平均密度，E为杨氏模量，为杨氏模量，G为切变模量，为切变模量，B为体积模量。为体积模量。由于人体的绝大部分组织属于软组织，其声学性质与水相近，所以超声在软由于人体的绝大部分组织属于软组织，其声学性质与水相近，所以超声在软组织中的传播速度近似等于组织中的传播速度近似等于1540ms-1，约为骨骼中的三分
5、之一。，约为骨骼中的三分之一。c固固c液液c气气表表2-2 超声在生物组织及有关物质中的传播速度超声在生物组织及有关物质中的传播速度2 21 1超声波的一般概念超声波的一般概念 波长、频率波长、频率/cfTc或=/波长和频率在超声成像中是两个极为重要的参数，其中波长和频率在超声成像中是两个极为重要的参数，其中波长决定了成像的波长决定了成像的极限分辨率，而频率决定了可成像的组织深度极限分辨率，而频率决定了可成像的组织深度。声压、声强与声阻抗声压、声强与声阻抗 声压（声压（P）：超声波在介质中传播时，介质的质点密度时疏时密，从而使：超声波在介质中传播时，介质的质点密度时疏时密，从而使平衡区的压力时
6、弱时强，因此产生了一个周期性变化的压力。我们将单位面平衡区的压力时弱时强，因此产生了一个周期性变化的压力。我们将单位面积上介质受到的压力称为为声压。积上介质受到的压力称为为声压。对于平面波间谐波，声压可表示为：对于平面波间谐波，声压可表示为：sin()PvccAtkx式中，式中，为介质的密度为介质的密度 v为质点振动速度，为质点振动速度，c为声速。为声速。mPc A 2 21 1超声波的一般概念超声波的一般概念 声强声强(I)：单位时间内，垂直于传播方向上单位面积的超声能量。：单位时间内，垂直于传播方向上单位面积的超声能量。对于平面波，则平均声强为对于平面波，则平均声强为:222122mPIc
7、AZPZcv 声阻抗声阻抗(Z)：介质的声阻抗是声介质的力学量，定义为声压和介质振动速度之比，：介质的声阻抗是声介质的力学量，定义为声压和介质振动速度之比，声阻抗在声波的传播中起着重要的作用，表示超声场中介质对质点振动的阻碍作用。声阻抗在声波的传播中起着重要的作用，表示超声场中介质对质点振动的阻碍作用。由于声速由于声速c与温度有关，故声阻抗与温度有关，故声阻抗Z也与温度有关。声阻抗的实用单位为瑞利。也与温度有关。声阻抗的实用单位为瑞利。211gmsc瑞利1表表2-3 人体组织及某些材料的声阻抗人体组织及某些材料的声阻抗2 21 1超声波的一般概念超声波的一般概念由表可以看出，人体组织可以分为三
8、大类：由表可以看出，人体组织可以分为三大类：低声阻抗的气体或者充气组织低声阻抗的气体或者充气组织，如肺部组织，如肺部组织 中等声阻抗的液体和软组织中等声阻抗的液体和软组织，如肌肉，如肌肉 高声阻抗的矿物组织高声阻抗的矿物组织，如骨骼，如骨骼 当超声波通过声阻抗相差当超声波通过声阻抗相差1的介质时，就可在其交界面上发生相应的反的介质时，就可在其交界面上发生相应的反射。上述三类组织的声阻抗相差很大，界面反射太强，因此彼此之间几乎无射。上述三类组织的声阻抗相差很大，界面反射太强，因此彼此之间几乎无法传播超声波。法传播超声波。平时所说的超声检测主要适用于第二类组织。在该类组织中，声阻抗相差平时所说的超
9、声检测主要适用于第二类组织。在该类组织中，声阻抗相差不大，声速大致相等，可保证超声波在组织内几乎沿直线传播；又可利用不不大，声速大致相等，可保证超声波在组织内几乎沿直线传播；又可利用不同类组织间声阻抗差异造成的声波反射、散射来识别不同软组织和器官的形同类组织间声阻抗差异造成的声波反射、散射来识别不同软组织和器官的形态和性质，这是超声成像及读片的基本物理依据。态和性质，这是超声成像及读片的基本物理依据。2 21 1超声波的一般概念超声波的一般概念010lg()IILdBI 声强级声强级(LI)：声压级声压级(LP)：020lgPPLP 声强级与声压级声强级与声压级1B(贝尔贝尔)=10dB（分贝
10、）（分贝）I0=10-12Wm-21000Hz时，时，引起人耳听引起人耳听觉的最低声觉的最低声强强定义声强级的生理学及物理学依据定义声强级的生理学及物理学依据:（1）人耳感觉声音强弱与声强的对）人耳感觉声音强弱与声强的对数成正比（数成正比（2）人耳对声音感觉的强度范围很大。）人耳对声音感觉的强度范围很大。由于声强正比与声压的平方由于声强正比与声压的平方,因此因此22000/10lg10lg20lg/IPIPZPLLIPZP声压级和声强级在数值上是一样的，只是表现形式不同。声压级和声强级在数值上是一样的，只是表现形式不同。2 22 2 超声波在介质中的传播特性超声波在介质中的传播特性一一 超声波
11、的的数学描述超声波的的数学描述波动方程波动方程超声波传播过程中，介质之间的相互作用力取决于介质的形变程度。超声波传播过程中，介质之间的相互作用力取决于介质的形变程度。设设P1、P2为为x轴上两相邻质点的平衡位置，轴上两相邻质点的平衡位置，P1点与原点的距离为点与原点的距离为x，P2与与原点的距离则为原点的距离则为xd x，两点无限靠近。当纵波传播时，质点在其平衡位置，两点无限靠近。当纵波传播时，质点在其平衡位置附近振动。附近振动。P1P2dx+dx 假设某一时刻假设某一时刻t，x处质点离开平衡位置的位移为处质点离开平衡位置的位移为，xdx处质点离开平衡位处质点离开平衡位置的位移为置的位移为d，
12、这时两质点的相对位移为，这时两质点的相对位移为d，即，即P1P2间的介质元发生了形变，间的介质元发生了形变，伸长量为伸长量为d。P1P2间介质的伸长量间介质的伸长量d与原来长度与原来长度dx之比之比d/dx称为介质元称为介质元P1P2的相对形变。的相对形变。由胡克定律，通过单位面积由胡克定律，通过单位面积作用在介质元作用在介质元P1P2上的力与相上的力与相对形变量成正比，即对形变量成正比，即1fdAdx式中式中为弹性系数。为弹性系数。介质元的相对形变介质元的相对形变2 22 2 超声波在介质中的传播特性超声波在介质中的传播特性介质元受力介质元受力 对于一段长度为对于一段长度为x的介质，其左端截
13、面的平衡位置为的介质，其左端截面的平衡位置为x，右端截面为，右端截面为xx，则，则左右两端的所受力的大小为：左右两端的所受力的大小为：1211(),()xxxddfAfAdxdx则这段介质所受的合力为则这段介质所受的合力为：212211()()1xxxddffAAdxdxdAxdx2 22 2 超声波在介质中的传播特性超声波在介质中的传播特性再由牛顿第二定律可得再由牛顿第二定律可得 2212dffmaA xdt22221ddA xAxdtdx22221dddtdx2 22 2 超声波在介质中的传播特性超声波在介质中的传播特性当纵波在无限长的截面均匀的棒中传播时，可知当纵波在无限长的截面均匀的棒
14、中传播时，可知1E22221tx杨氏模量波动方程波动方程2222Etx2 22 2 超声波在介质中的传播特性超声波在介质中的传播特性 声学介质是以声学介质是以声阻抗声阻抗来划分的，声波分界面就是声阻抗不同的介质分界面。来划分的，声波分界面就是声阻抗不同的介质分界面。在声学介质中，尽管两物质的物理性质不同，或由不同的原子、分子组成，但如在声学介质中，尽管两物质的物理性质不同，或由不同的原子、分子组成，但如果其声阻抗相同，则可认为它们是声学的同种均匀介质，不存在界面。果其声阻抗相同，则可认为它们是声学的同种均匀介质，不存在界面。二二 超声波的反射和折射超声波的反射和折射 超声波在介质中传播时，一般
15、遵循超声波在介质中传播时，一般遵循几何声学的原则几何声学的原则：以直线传播以直线传播 遇到大界面会发生反射和折射。遇到大界面会发生反射和折射。临床上反射回声将带来脏器轮廓、包临床上反射回声将带来脏器轮廓、包膜、大小型管道管壁及其它大界面信息。膜、大小型管道管壁及其它大界面信息。超声波在界面发生反射或者折射的条件：超声波在界面发生反射或者折射的条件：介质的声阻抗在界面处发生突变，或者说介质的声阻抗在界面处发生突变，或者说“不连续不连续”；界面的线度（尺寸）远大于声波波长及声束的直径，否则会发生衍界面的线度（尺寸）远大于声波波长及声束的直径，否则会发生衍射。射。界面连续条件界面连续条件:(1)界面
16、上界面上声压连续声压连续（界面两侧声压相等）；（界面两侧声压相等）；(2)法向法向速度连续速度连续（质点的振动速度在垂直界面的分量相等）（质点的振动速度在垂直界面的分量相等）（基本依据）（基本依据）2 22 2 超声波在介质中的传播特性超声波在介质中的传播特性 声波的反射与折射定律声波的反射与折射定律声波的反射、折射定律与光的反射、折射定律相同。声波的反射、折射定律与光的反射、折射定律相同。声波的反射定律声波的反射定律声波的折射定律声波的折射定律ir12sinsinitcc式中，式中，c1,c2分别为介质中的声速。分别为介质中的声速。2 22 2 超声波在介质中的传播特性超声波在介质中的传播特性 声压的反射系数声压的反射系数声压的反射系数由反射声压声压的反射系数由反射声压Pr和入射声压和入射声压Pi之比来表示。设之比来表示。设Pt为透射声压为透射声压考虑纵波，则质点的振动速度与声波传播方向相同，规定向下为正方向。考虑纵波，则质点的振动速度与声波传播方向相同，规定向下为正方向。由界面连续条件可得：由界面连续条件可得：coscoscosirtiirrttPPPvvv112,itrirtPP
