北航10系-1-超声测量基础课件.ppt

1、医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器第七章、生物医学超声测量与成像第七章、生物医学超声测量与成像生物与医学工程学院生物与医学工程学院医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器现代现代三大三大医学医学成像成像技术技术医学成像技术医学成像技术 X-CT MRI ULTRASOUND 生物医学工程学生物医学工程学重要的分支之一。重要的分支之一。医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器什么是超声波？什么是超声波？频率低于频率低于2020赫兹的机械波称为次声波。赫兹的机械波称为次声波。AudibleAudibleInfrasoundInfrasoundUltrasoundUltrasound20 Hz20 Hz2

2、0 kHz20 kHz大多数医学超声设备所用的频率在大多数医学超声设备所用的频率在0.5-15MHz0.5-15MHz之间。之间。超声波波长短，决定了其具有一些重要特性。超声波波长短，决定了其具有一些重要特性。可听声波，频率在可听声波，频率在20-2000020-20000赫兹之间。赫兹之间。频率高于频率高于2000020000赫兹称为超声波。赫兹称为超声波。医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器超声成像超声成像ultrasonograghyultrasonograghy定义：定义：利用利用超声波的物理特性超声波的物理特性和和人体组织器官人体组织器官的声学特性的声学特性相互作用而产生的信息，经相

3、互作用而产生的信息，经处理后形成图形和曲线，借此进行疾病处理后形成图形和曲线，借此进行疾病诊断的一种物理检查方法。诊断的一种物理检查方法。医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器超声波成像的特点和优点超声波成像的特点和优点特点：特点：对软组织的分辨能力强对软组织的分辨能力强 信息的显示有多种方法信息的显示有多种方法特别适用于腹部脏器、心脏、眼科和特别适用于腹部脏器、心脏、眼科和妇产科的诊断，而对骨骼或含气体的妇产科的诊断，而对骨骼或含气体的脏器组织如肺部，则不能较好地成像脏器组织如肺部，则不能较好地成像优点：优点：无损伤、无痛苦、无辐射无损伤、无痛苦、无辐射 实时、快捷、准确、方便实时、快捷、准确

4、、方便医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器生物医学超声测量与成像生物医学超声测量与成像本章内容本章内容l 绪论绪论 (医学超声基础、组成、发展、仪器分类等）l 医学超声测量仪器医学超声测量仪器 （A、B、D、M等型号超声仪器原理仪器原理）l 超声的物理基础超声的物理基础 (超声波的物理基础与基本物理量)l 超声波的产生与接收超声波的产生与接收 （压电效应、超声换能器构成及声场特性声场特性）l 生物组织的医学超声测量生物组织的医学超声测量 (超声参量(声速、声衰减、声特征阻抗等参量)的测量方法测量方法)l 现代超声成像技术现代超声成像技术 (着重介绍B超成像技术)医医学学超超声声测测量量与与仪仪

5、器器第第1 1节节 绪论绪论1.1.医学超声理论基础医学超声理论基础2.2.医学超声的组成医学超声的组成3.3.医学超声的发展医学超声的发展4.4.医学超声测量仪器的分类医学超声测量仪器的分类5.5.医学超声测量过程医学超声测量过程6.6.生物组织的医学超声成像生物组织的医学超声成像医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器1 1、医学超声的理论基础、医学超声的理论基础 医学超声医学超声是一门将声学中的是一门将声学中的超声学超声学与与医学医学应用结合起来形成的边缘学科。应用结合起来形成的边缘学科。8理论基础理论基础：振动与波动理论振动与波动理论1-1-绪论绪论医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器2

6、2、医学超声的组成、医学超声的组成医学超声物理医学超声物理研究超声波在研究超声波在生物组织中的生物组织中的传播特性和规传播特性和规律律医学超声医学超声医学超声工程医学超声工程应用生物组织中超应用生物组织中超声传播的规律，设声传播的规律，设计用于医学计用于医学诊断诊断和和治疗治疗的超声设备的超声设备医学超声医学超声诊断诊断医学超声医学超声治疗治疗绪论绪论医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器医学超声医学超声诊断诊断 超超 声声 透透 射射transmissiontransmission 反反 射射reflectionreflection 折折 射射refractionrefraction 衍衍 射

7、射difrationdifration 散散 射射scatteringscattering 衰衰 减减attenuationattenuation 吸吸 收收absorptionabsorption H U M A N B O D Y U L T R A S O U N D对应设备：医院中的普通对应设备：医院中的普通B超超/D超等等超等等绪论绪论医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器医学超声医学超声治疗治疗 超超 声声U UL LT TR RA AS SO OU UN ND D H U M A N B O D Y热机制热机制 力学机制力学机制空化机制空化机制对应设备：超声刀对应设备：超声刀绪论绪

8、论医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器3 3、医学超声的发展、医学超声的发展80年代以后年代以后5070年代年代40年代年代2030年代年代显微、弹性成像、生物效应显微、弹性成像、生物效应M超、全息、多普勒超等超、全息、多普勒超等B超超A超超法国科学家法国科学家朗之万朗之万绪论绪论医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器4 4、超声测量仪器的分类、超声测量仪器的分类 医学超声的包含有相当丰富。根据医学超声的包含有相当丰富。根据原理、任务和设原理、任务和设备体系备体系，可划分成很多类。，可划分成很多类。绪论绪论1.1.按按用途用途可分为可分为诊断超声和治疗超声诊断超声和治疗超声两大类。两大类。2.2

9、.按按波形波形分有分有连续波超声和脉冲波超声连续波超声和脉冲波超声设备。设备。3.3.按按物理特性物理特性分有分有回波式和透射式回波式和透射式超声诊断仪。超声诊断仪。4.4.按按医学超声设备的体系医学超声设备的体系分类分类A A型、型、M M型、型、型、型、C C型、型、D D型和型和F F型、超声型、超声CTCT、超声外、超声外科设备、超声全息诊断设备、超声显微镜、超声治科设备、超声全息诊断设备、超声显微镜、超声治疗设备。疗设备。医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器A A、B B型仪器主要给出了探查区域内有关解剖结构和组织型仪器主要给出了探查区域内有关解剖结构和组织特性的信息；特性的信息；M

10、M型仪器和多普勒型仪器和多普勒(D(D型型)超声仪器反映体内运动界面和血超声仪器反映体内运动界面和血液流动的动态变化。液流动的动态变化。3D 3D 三维超声三维超声l 目前医院最常用的设备主要包括：目前医院最常用的设备主要包括：A A型、型、B B型、型、MM型和型和D D型型 (多普勒多普勒)超声诊断仪，超声诊断仪，l 另外还有另外还有C C型、型、F F型、三维超声也开始有利用。型、三维超声也开始有利用。绪论绪论医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器5 5、医学超声成像过程、医学超声成像过程1.通过超声探头（换能器）产通过超声探头（换能器）产生压力波型（超声）生压力波型（超声）2.2.声波在

11、组织中传播声波在组织中传播3.3.接收换能器接收换能器“听听”反射波反射波4.4.利用算法进行回波处理并成像利用算法进行回波处理并成像绪论绪论医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器6 6、生物组织的医学超声特性、生物组织的医学超声特性 超声成像主要运用了超声传播特性与人体组织超声成像主要运用了超声传播特性与人体组织之间某些关系：之间某些关系：人体不同组织中传播速度人体不同组织中传播速度 不同组织中不同组织中声衰减系数，声衰减系数，不同组织界面间的反射率，不同组织界面间的反射率，非线性参量非线性参量等等。等等。后面的学习中我们会从理论角度详细介绍上述后面的学习中我们会从理论角度详细介绍上述关系。关

12、系。绪论绪论医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器第第2 2节节常用医学超声测量仪器常用医学超声测量仪器医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器1 1、A A型超声型超声(Amplitude modulation mode(Amplitude modulation mode）超声）超声即幅度调制型超声即幅度调制型超声l A A超超 利用超声波的利用超声波的反射特性反射特性，获得人体组织内，获得人体组织内有关信息，进行疾病诊断。有关信息，进行疾病诊断。1.1 1.1 诊断疾病方式诊断疾病方式医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器1.2 A1.2 A型超声诊断诊断原理型超声诊断诊断原理超声波超声波-人体组

13、织中传播人体组织中传播-不同声阻抗界面不同声阻抗界面 反射回声反射回声-波形显示。波形显示。界面介质的界面介质的声阻抗声阻抗差大差大-回波幅高；反之则低回波幅高；反之则低医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器1.1.根据回声波幅的高低、多根据回声波幅的高低、多少、形状等对组织状态作少、形状等对组织状态作为判断。为判断。1.3 A1.3 A型超声特点型超声特点2.2.临床上目前主要用此法测量组织界面的距离、临床上目前主要用此法测量组织界面的距离、脏器的直径，眼科及颅脑疾病的探查。脏器的直径，眼科及颅脑疾病的探查。3.3.同时同时A A型超声是实验室型超声是实验室 常用的研究方法。常用的研究方法。医

14、医学学超超声声测测量量与与仪仪器器我们实验室的我们实验室的A A型超声测量系统型超声测量系统 Sample Ultrasonic Pulser/Receiver A/D Computer Ultrasonic transducer 医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器1.4 A1.4 A型超声局限性型超声局限性 回波图只能体现局部组织信息，无法反映回波图只能体现局部组织信息，无法反映解剖形态。解剖形态。医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器2 2、M M型超声波诊断仪型超声波诊断仪M M型超声型超声 -(Motion mode)-(Motion mode)超声超声,带时间分辨特点的带时间分辨特点

15、的辉度型辉度型超声。超声。利用超声波的利用超声波的反射特性反射特性，获得人体组织内，获得人体组织内有关信息，进行疾病诊断。有关信息，进行疾病诊断。2.1 2.1 诊断疾病方式诊断疾病方式医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器2.2 M2.2 M型超声诊断诊断原理型超声诊断诊断原理l首先把超声回波幅度大小转换为辉度首先把超声回波幅度大小转换为辉度(辉度调制型辉度调制型)，然后根据辉度随时间的变化对组织状态作为判断。然后根据辉度随时间的变化对组织状态作为判断。医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器2.3 M2.3 M型的临床应用型的临床应用主要用于心脏及大血管检查，早期将之称为主要用于心脏及大血管检查

16、，早期将之称为M M型超型超声心动图。目前主要用于心脏疾病的诊断，尤其用声心动图。目前主要用于心脏疾病的诊断，尤其用于观察心脏瓣膜的活动情况于观察心脏瓣膜的活动情况医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器3 3、B B型超声诊断仪型超声诊断仪B B型超声型超声 -(Brightness modulated Mode).-(Brightness modulated Mode).因其成像方式采用辉度调制而得名。因其成像方式采用辉度调制而得名。主要利用超声波的主要利用超声波的反射特性反射特性，获得人体的，获得人体的解剖结构与组织内信息，进行疾病诊断。解剖结构与组织内信息，进行疾病诊断。3.1 3.1 诊

17、断疾病方式诊断疾病方式医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器a.a.幅度调制改为辉度幅度调制改为辉度调制调制;b.b.探头声束必须扫查探头声束必须扫查;c.c.得到的是人体切面得到的是人体切面声像图声像图l在在A A型之上建立的一种成像方式型之上建立的一种成像方式3.2 B3.2 B型超声原理型超声原理医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器 超超 目前使用最广泛的超声诊断仪，由于能得到人目前使用最广泛的超声诊断仪，由于能得到人体内部脏器和病变的断层面，对脏器进行实时体内部脏器和病变的断层面，对脏器进行实时动态观察，非常直观。动态观察，非常直观。B B超仪器超仪器心脏心脏B B超图像超图像医医学学超

18、超声声测测量量与与仪仪器器3.3 B3.3 B型超声的特点型超声的特点1.1.B B超图像与人体的解剖结构相似，能直观地显示超图像与人体的解剖结构相似，能直观地显示脏器的大小、形态、内部结构，并可区分组织内脏器的大小、形态、内部结构，并可区分组织内成分成分(固态、液态、气态固态、液态、气态)。2.2.B B超成像速度快，能够观察心脏的运动功能、胎超成像速度快，能够观察心脏的运动功能、胎心搏动，以及胃肠蠕动等。心搏动，以及胃肠蠕动等。3.3.超声根据组织间声阻抗不同成像，对软组织的分超声根据组织间声阻抗不同成像，对软组织的分辨力是辨力是X X射线的射线的100100倍以上。倍以上。医医学学超超声

19、声测测量量与与仪仪器器4 4、D D型超声型超声D D型超声型超声（Doppler Doppler）超声）超声 多普勒超声。多普勒超声。4.1 4.1 诊断方式诊断方式 多普勒效应：某一频率的波的波源与接收多普勒效应：某一频率的波的波源与接收系统产生相对运动时，所接收到的波的频率系统产生相对运动时，所接收到的波的频率会发生变化（即频移）。会发生变化（即频移）。医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器4.2 4.2 测量原理测量原理l 人体运动结构（心脏瓣膜）或散射子（血液红细胞）反射回人体运动结构（心脏瓣膜）或散射子（血液红细胞）反射回来的超声波发生多普勒频移。来的超声波发生多普勒频移。l 检测目

20、标的运动速度信息，分析显示人体内部器官运动状态。检测目标的运动速度信息，分析显示人体内部器官运动状态。医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器4.3 D4.3 D型超声在医学诊断中的应用型超声在医学诊断中的应用 超声多普勒应用临床以来，应用价值愈加明显，超声多普勒应用临床以来，应用价值愈加明显，以运动器官为主要研究对象的心血管科，成为以运动器官为主要研究对象的心血管科，成为不可或缺的诊断工具。不可或缺的诊断工具。医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器 数字数字B B超成像原理与设备结构图超成像原理与设备结构图关于数关于数字超声字超声设备各设备各部分的部分的原理与原理与实现方实现方法，法，我们在我们在

21、后面的后面的内容中内容中加以介加以介绍。绍。医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器第第3 3节节超声的物理基础超声的物理基础医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器3.1 3.1 超声波的一般概念超声波的一般概念 机械振动与机械波机械振动与机械波l 机械振动：物体沿着直线和曲线在某一平衡位置附机械振动：物体沿着直线和曲线在某一平衡位置附近作往复周期性的运动。近作往复周期性的运动。l 机械波：振动的传播过程称为波动。机械波：振动的传播过程称为波动。机械振动在弹机械振动在弹性介质中的传播过程称为机械波。性介质中的传播过程称为机械波。u产生机械波必须具备以下两个条件：产生机械波必须具备以下两个条件：1.1

22、.要有作机械振动的波源。要有作机械振动的波源。2.2.要有能传播机械振动的弹性介质。要有能传播机械振动的弹性介质。u超声波是一种机械波超声波是一种机械波超声的物理基础超声的物理基础医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器生物组织中的超声特性 人体结构对超声而言是一个复杂的介质，人体结构对超声而言是一个复杂的介质，各种器官与组织、包括病理组织，随组各种器官与组织、包括病理组织，随组织的类型和形状不同，织的类型和形状不同，生物组织的超声生物组织的超声特性存在差异特性存在差异。声反射、折射、透射、散射；以及声强、声反射、折射、透射、散射；以及声强、声阻抗、声速和声衰减等声阻抗、声速和声衰减等特性在确定医

23、特性在确定医学超声探测与成像技术的有用性方面起学超声探测与成像技术的有用性方面起了至关重要的作用了至关重要的作用 。36医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器3.2 3.2 描述超声波的传播特性描述超声波的传播特性l传播特性：传播特性：波的波的透射、反射与散射透射、反射与散射 叠加、干涉、绕射等叠加、干涉、绕射等 障碍物的尺寸小于或近似等于超障碍物的尺寸小于或近似等于超声波长时，发生散射。声波长时，发生散射。散射是使超声散射是使超声扫描成像得以实现的最基本现象。扫描成像得以实现的最基本现象。由由于散射波携带了被测介质的结构信息，于散射波携带了被测介质的结构信息，散射波的分析和屏幕显示就反映了组散

24、射波的分析和屏幕显示就反映了组织的结构状况。织的结构状况。超声的物理基础超声的物理基础医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器3.2.1 3.2.1 超声波的反射和折射超声波的反射和折射(透射透射)l 当波传播到两种介质的分界面时，一部分反射当波传播到两种介质的分界面时，一部分反射形成形成反射波反射波，另一部分进入介质形成，另一部分进入介质形成折射波折射波。38医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器反射和折射反射和折射(透射透射)1122itsincsinc超声的反射和折射声符合超声的反射和折射声符合反射定律反射定律(i i=r r)和和折射定律折射定律(斯涅儿定律斯涅儿定律)：声在入射介质中的传播

25、速声在入射介质中的传播速度与折射介质中的传播速度与折射介质中的传播速度之比，也就是度之比，也就是入射角和折射角的正弦之入射角和折射角的正弦之比为一常数比为一常数n n n=医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器3.2.2 3.2.2 散散 射射 当超声波遇到的障碍物的尺寸小于和近当超声波遇到的障碍物的尺寸小于和近似等于波长时，则要发生散射。似等于波长时，则要发生散射。散射散射是使超声扫描成像得以实现的最基是使超声扫描成像得以实现的最基本现象。本现象。正是由于散射波携带了被测介质的结构正是由于散射波携带了被测介质的结构信息，对散射波的分析和屏幕显示就反信息，对散射波的分析和屏幕显示就反映了组织的结

26、构状况。映了组织的结构状况。40医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器 在研究散射时，散射截面在研究散射时，散射截面S S是一个重要的是一个重要的概念。它定义为由障碍物所产生的总反概念。它定义为由障碍物所产生的总反射功率与入射强度之比。射功率与入射强度之比。41 一般有以下三种情况：一般有以下三种情况：医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器设障碍物的尺寸设障碍物的尺寸D D和波长的大小和波长的大小 当当DD时，时，散射截面散射截面S=1S=1，只反射无散射。，只反射无散射。选用诊断用超声波时，为了提高图像分辨率，选用诊断用超声波时，为了提高图像分辨率，常视所要探查的对象加以选用比探查对象小常视所要

27、探查的对象加以选用比探查对象小得多的波长，绕射不显著，分辨率高。得多的波长，绕射不显著，分辨率高。当当DD时，时，由散射形成的辐射范围分布在所由散射形成的辐射范围分布在所有方向上，入射波绕着设置障碍物被衍射，有方向上，入射波绕着设置障碍物被衍射，绕射现象明显。绕射现象明显。当当D D与与相当时，相当时，既反射又绕射，散射的辐射既反射又绕射，散射的辐射分布复杂。分布复杂。42医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器镜面反射和散射镜面反射和散射43医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器散射波的强度散射波的强度 在发生散射时，散射波的强度与障碍物的大小有在发生散射时，散射波的强度与障碍物的大小有关，随障碍

28、物直径与波长的比值增大而加强。关，随障碍物直径与波长的比值增大而加强。单一障碍物散射对于入射波能量消耗不致妨碍超单一障碍物散射对于入射波能量消耗不致妨碍超声检测；声检测；但有许多的散射中心时，入射波的能量将由此渐但有许多的散射中心时，入射波的能量将由此渐渐地被大量甚至全部散射殆尽。渐地被大量甚至全部散射殆尽。散射是引起超声衰减的重要因素之一。散射是引起超声衰减的重要因素之一。44医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器3.3 3.3 描述超声波的物理量描述超声波的物理量l声速声速C C、波长、波长、周期、周期T T、频率、频率f f、C=/T=fC=/T=fl声压l声强l声阻抗l声衰减超声的物理基

29、础超声的物理基础l下面主要介绍几个与人体组织超声测量与成下面主要介绍几个与人体组织超声测量与成像最相关的几个物理量。像最相关的几个物理量。医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器3.3.1 3.3.1 组织中的声速组织中的声速 超声波从声源通过介质向周围传播，介质可超声波从声源通过介质向周围传播，介质可以是固体、气体和液体，人体组织是超声波的以是固体、气体和液体，人体组织是超声波的传播介质。传播介质。4646l声波的传播过程实质上是能量的传递过程声波的传播过程实质上是能量的传递过程,其其传递速度的快慢与传递速度的快慢与介质的密度、弹性模量介质的密度、弹性模量有关。有关。l对一定的介质，弹性模量和密

30、度为常数，声速对一定的介质，弹性模量和密度为常数，声速也是常数。也是常数。l 声波在介质中单位时间内传播的距离声波在介质中单位时间内传播的距离,称为称为声速声速。医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器人体组织中的声速与相关因素人体组织中的声速与相关因素l人体组织中的声速与下列因素相关人体组织中的声速与下列因素相关 组织的平均密度组织的平均密度 组织的可压缩性组织的可压缩性 K K（弹性模量）（弹性模量）4701cK医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器 人体组织结构复杂，人体组织结构复杂，软组织软组织性质接近流体性质，性质接近流体性质，超声波在大多数软组织内的传播速度亦相差不超声波在大多数软组织内

31、的传播速度亦相差不大，超声波在流体中的传播速度，平均声速大，超声波在流体中的传播速度，平均声速C=1540m/sC=1540m/s。48 人体人体骨骼骨骼性质与固体相近，故其传播速度也相性质与固体相近，故其传播速度也相近，其声速为软组织中的三倍左右。在利用超近，其声速为软组织中的三倍左右。在利用超声回波定位测距时，声速在保证测距精度上是声回波定位测距时，声速在保证测距精度上是一重要因素。一重要因素。在我们实验室的研究中，声速是描述软骨的退在我们实验室的研究中，声速是描述软骨的退化和骨质疏松的重要指标。化和骨质疏松的重要指标。医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器超声波在人体超声波在人体各种组织中

32、的传播速度各种组织中的传播速度医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器3.3.2 3.3.2 声压声压 纵波在弹性媒质内传播过程中纵波在弹性媒质内传播过程中,媒质质点的媒质质点的压强是随时间变化的压强是随时间变化的,媒质质点的密度时密时疏媒质质点的密度时密时疏,从而使平衡区的压力时强时弱从而使平衡区的压力时强时弱,结果导致有波动结果导致有波动时压强时压强(Pw)(Pw)与无波动时压强与无波动时压强(P0)(P0)之间有一定额压之间有一定额压强差强差(Pw(PwP0),P0),这一波动压强称为这一波动压强称为声压声压。医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器 对于一无吸收媒质的平面波对于一无吸收媒质的平

33、面波,有波动时压强的有波动时压强的最大值与没有波动作用时各点压强的差值称为最大值与没有波动作用时各点压强的差值称为压强振幅压强振幅(Pm),(Pm),它可由下式确定：它可由下式确定：Pm=cVm Pm=cVm 即：声压振幅即：声压振幅PmPm与媒质密度与媒质密度、质点运动速度的、质点运动速度的最大值最大值V m V m 及波速及波速c c成正比。成正比。超声波由于其频率高，因而声压亦大。中等治超声波由于其频率高，因而声压亦大。中等治疗剂量的超声波在组织中产生的附加声压约为疗剂量的超声波在组织中产生的附加声压约为2.62.6个大气压。超声治疗、超声美容都利用个大气压。超声治疗、超声美容都利用了声

34、压。了声压。医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器3.3.3 3.3.3 反射率和透射率反射率和透射率 斯涅尔反射、折射定律斯涅尔反射、折射定律只讨论了超声波倾斜入只讨论了超声波倾斜入射到界面上时各种类型反射波和折射波的传播射到界面上时各种类型反射波和折射波的传播方向。方向。波的反射率和透射率波的反射率和透射率不仅与界面两侧介质的声不仅与界面两侧介质的声阻抗有关，而且还与入射波的类型及入射角的阻抗有关，而且还与入射波的类型及入射角的大小有关。大小有关。52医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器声压反射率和透射率声压反射率和透射率 超声波纵波倾斜入射到由声阻抗为超声波纵波倾斜入射到由声阻抗为Z Z1

35、 1和和Z Z2 2两种两种介质所构成的界面上时介质所构成的界面上时,532121coscoscoscosrLLoLLPZZrPZZ声压透射率为声压透射率为2212coscoscostLoLLPZtPZZL L为入射角，为入射角，L L为折射角为折射角,P,Pr r反射波声压，反射波声压，P Po o入射波声压，入射波声压，P Pt t透射波声压透射波声压声压反射率为声压反射率为医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器不同不同生物组织界面的反射率生物组织界面的反射率54医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器3.3.4 3.3.4 声声 强强声功率：声功率：单位时间内，声波沿传播方向通过某一单位时间内

36、，声波沿传播方向通过某一波阵面所传递的声能（单位：瓦）。波阵面所传递的声能（单位：瓦）。55 声强是表示声的客观强弱的物理量声强是表示声的客观强弱的物理量,它用每它用每秒钟通过垂直于声波传播方向的秒钟通过垂直于声波传播方向的1 1平方厘米面积平方厘米面积的能量来度量。的能量来度量。声强：声强：通过单位面积通过单位面积(垂直传过垂直传过)的声功率称为功的声功率称为功率密度或声强。用率密度或声强。用I I表示，常用单位为表示，常用单位为W/mW/m2 2（瓦（瓦/平方米）。平方米）。医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器 对于平面余弦波，其平均声强对于平面余弦波，其平均声强I I为为22221122

37、2mPIcAZVZ式中，式中，为介质的密度为介质的密度 ，c c为介质中的声速，为介质中的声速，A A为质点的振幅，为质点的振幅，为质点振动的圆频率为质点振动的圆频率,=2,=2f.f.V=AV=A为质点振动速度幅值为质点振动速度幅值声强与声压平方成正比声强与声压平方成正比,与频率平方成正比，与频率平方成正比，随着传播距离而衰减。随着传播距离而衰减。医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器 由于超声波的频率很高，故超声波的声强很大，由于超声波的频率很高，故超声波的声强很大，这是超声波能用于医学诊断与治疗的重要依据。这是超声波能用于医学诊断与治疗的重要依据。诊断超声诊断超声安全剂量安全剂量阈值阈值

38、诊断超声中，禁止使用过高的超声剂量以避免诊断超声中，禁止使用过高的超声剂量以避免损害人体组织。损害人体组织。当组织中超声剂量太小，小到接收信号不到检当组织中超声剂量太小，小到接收信号不到检测阈值时，超声探查则失去意义。测阈值时，超声探查则失去意义。超声诊断安全剂量有待进一步研究和统一。超声诊断安全剂量有待进一步研究和统一。医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器下表列出诊断超声安全剂量的分布范围下表列出诊断超声安全剂量的分布范围安全限制（安全限制（FDAFDA）58医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器3.3.5 3.3.5 声阻抗声阻抗声阻抗声阻抗是描述介质是描述介质(弹性媒质弹性媒质)的声学特性

39、的一个的声学特性的一个重要物理量重要物理量,表示超声场中介质对质点振动的表示超声场中介质对质点振动的阻碍作用阻碍作用.aPZcV 对于各向同性的均匀媒质中无衰减的平面自由对于各向同性的均匀媒质中无衰减的平面自由行波来说行波来说,媒质中某点有效声压媒质中某点有效声压P P与振动质点速与振动质点速度有效值度有效值V V之比称为声阻抗率之比称为声阻抗率,它用它用Z Z表示：表示：声阻抗在数值上等于介质的密度声阻抗在数值上等于介质的密度与介质中与介质中声速声速c c的乘积。的乘积。医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器 声阻抗率和电学中一个无限长、无损耗声阻抗率和电学中一个无限长、无损耗传输线的特性阻抗

40、相似传输线的特性阻抗相似,其中声压相当于其中声压相当于电压电压,振速相当于电流强度振速相当于电流强度,声阻抗率相声阻抗率相当于电阻。当于电阻。人体正常组织的声阻抗率的平均值约为人体正常组织的声阻抗率的平均值约为1.51.51010 6 6 牛顿牛顿秒秒/米米 3 3(Ns(Nsm m 3 3),),与超声测量有关材料的密度和声阻抗率与超声测量有关材料的密度和声阻抗率则如表所示。则如表所示。医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器 某些组织和材料中的声阻抗某些组织和材料中的声阻抗医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器3.3.6 3.3.6 超声衰减超声衰减 超声波在实际介质中传播时，声能随距超声波在实

41、际介质中传播时，声能随距离的增加而减少，能量的衰减不可避免。离的增加而减少，能量的衰减不可避免。62生物组织对超声的衰减机制十分复杂。生物组织对超声的衰减机制十分复杂。除组织对超声波的反射、散射等引起除组织对超声波的反射、散射等引起的能量的分散之外的能量的分散之外,组织对超声能量的组织对超声能量的吸收而造成的衰减不可忽视。吸收而造成的衰减不可忽视。医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器影响衰减的因素很多，主要分为两影响衰减的因素很多，主要分为两大类：大类：1.1.超声波在传播过程中在介质交界超声波在传播过程中在介质交界面发生反射、折射和散射超声面发生反射、折射和散射超声波波能量再分布能量再分布。

42、2.2.超声波在传播过程中部分超声波在传播过程中部分能量被能量被吸收转换吸收转换成热能等其他能量。成热能等其他能量。医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器人体组织中超声的衰减人体组织中超声的衰减 人体软组织对超声波的吸收不仅与介质的人体软组织对超声波的吸收不仅与介质的物理特性有关，而且与其生理状态有关。物理特性有关，而且与其生理状态有关。临床实验可知，正常组织与病变组织对超临床实验可知，正常组织与病变组织对超声的吸收不同，癌组织对超声的吸收大，声的吸收不同，癌组织对超声的吸收大，炎症组织次之，正常组织最小。炎症组织次之，正常组织最小。6464医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器衰减随超声波频率的

43、变化衰减随超声波频率的变化 研究表明，超声波在生物组织中传播时的衰减研究表明，超声波在生物组织中传播时的衰减不但决定于距离，还与频率有关。不但决定于距离，还与频率有关。当超声频率在当超声频率在1MHz1MHz15 MHz15 MHz范围内，超声波被范围内，超声波被人体组织吸收的系数几乎与频率成正比，其吸人体组织吸收的系数几乎与频率成正比，其吸收衰减系数为收衰减系数为0.5-3.5dB/(cmMHz)0.5-3.5dB/(cmMHz)。几乎几乎80%80%的超声波被胶原蛋白吸收。吸收衰减系的超声波被胶原蛋白吸收。吸收衰减系数主要由超声频率、组织粘滞性等决定。数主要由超声频率、组织粘滞性等决定。6

44、5医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器衰减规律描述衰减规律描述 规律复杂，但一般情况下规律可表示为：规律复杂，但一般情况下规律可表示为：A A0 0是波的变量（例如质点速度，声压）在是波的变量（例如质点速度，声压）在z=0z=0时的峰值。时的峰值。A Az z是相同的变量在是相同的变量在z z位置的位置的峰值。峰值。6600zZAAe医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器衰减系数0 0是媒质的幅度衰减系数，此处用每厘米是媒质的幅度衰减系数，此处用每厘米衰减多少奈培做单位，即衰减多少奈培做单位，即Np/cmNp/cm。因此。因此 通常用衰减系数描述衰减，表示每厘米通常用衰减系数描述衰减，表示每厘米

45、衰减多少奈培或分贝，即衰减多少奈培或分贝，即dB/cmdB/cm。671()ln()oozAzA/pNcm医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器人体组织对超声波的衰减系数人体组织对超声波的衰减系数医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器3.4 3.4 超声生物效应超声生物效应 近近2020年来，研究人员在器官、细胞、分子等水年来，研究人员在器官、细胞、分子等水平上对超声生物效应课题进行了广泛研究。平上对超声生物效应课题进行了广泛研究。超声生物效应问题十分复杂，取决于许多生物超声生物效应问题十分复杂，取决于许多生物物理方面因素。物理方面因素。这里仅对其基本的机理和规律加以简单阐述。这里仅对其基本的机理

46、和规律加以简单阐述。医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器超声波对人体组织的几种生物效应超声波对人体组织的几种生物效应1 1、热机制、热机制 被组织吸收的超声波对分子产生作用被组织吸收的超声波对分子产生作用会导致两种基本的结果会导致两种基本的结果:1.1.分子振动和转动能量发生可逆转性的增分子振动和转动能量发生可逆转性的增加，这一点由组织温度上升所体现；加，这一点由组织温度上升所体现；2.2.分子结构永久性地被改变。分子结构永久性地被改变。医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器2 2、机械机制、机械机制超声波在人体中传播时的振动和压力会对超声波在人体中传播时的振动和压力会对细胞和组织结构产生直接的

47、效应。如细胞和细细胞和组织结构产生直接的效应。如细胞和细胞器可以会被高强度超声波产生的剪切力所粉胞器可以会被高强度超声波产生的剪切力所粉碎。碎。3 3、空化机制、空化机制 声空化可以定义为充有气体和水蒸气的空声空化可以定义为充有气体和水蒸气的空腔在外场作用下发生振荡的任何现象。空化的腔在外场作用下发生振荡的任何现象。空化的机理相当复杂，在对声空化的研究中还有许多机理相当复杂，在对声空化的研究中还有许多未知的领域未知的领域 医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器 超声生物效应在很大的程度上取决于辐射超超声生物效应在很大的程度上取决于辐射超声的强度和持续时间。在一定的声的强度和持续时间。在一定的阈值

48、范围内阈值范围内，超声对人体的损伤可以忽略不计，或起到治超声对人体的损伤可以忽略不计，或起到治疗作用。疗作用。目前的实用技术目前的实用技术如：高强度聚焦超声治疗仪如：高强度聚焦超声治疗仪器、超声热疗治癌仪、超声手术刀、白内障器、超声热疗治癌仪、超声手术刀、白内障超声乳化仪靶向超声、超声造影等等超声乳化仪靶向超声、超声造影等等医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器作作 业业 查阅文献查阅文献1.1.什么叫超声显微镜？什么叫超声显微镜？2.2.超声显微镜的发展历程？超声显微镜的发展历程？3.3.目前最好的超声显微镜的分辨率？目前最好的超声显微镜的分辨率？4.4.超声显微镜在科研方面的用途？超声显微镜在科研方面的用途？医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器END