超声 第一章.ppt

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1、超声超声 第一章第一章 弹性介质中质点机械振动状态的传播过程。弹性介质中质点机械振动状态的传播过程。其实是机械振动能量的传播过程。其实是机械振动能量的传播过程。二、声波按频率的分类及医用超声的范围二、声波按频率的分类及医用超声的范围1.1.声波按频率声波按频率(f)(f)的分类的分类一、声波的定义一、声波的定义一、声波的定义一、声波的定义简单的分类简单的分类简单的分类简单的分类:f f16 Hz 16 Hz 称：称：次声波次声波 16 Hzf20 kHz 16 Hzf20 kHz 称：称：可听声波可听声波 f f20 kHz 20 kHz 称：称：超声波超声波2.2.医学超声仪的频率范围：医学

2、超声仪的频率范围：200 kHz200 kHz40 MHz40 MHz3.3.超声诊断仪的频率范围：超声诊断仪的频率范围：1 MHz1 MHz10 MHz10 MHz 相应的波长：相应的波长：1.5mm1.5mm0.15mm0.15mm三、超声波（最突出）的特性三、超声波（最突出）的特性1.1.方向性好方向性好用于探测、诊断。用于探测、诊断。2.2.能量大能量大 用于清洗、灭菌、手术。用于清洗、灭菌、手术。1.1.声速声速c c 声波在单位时间内传播的距离称声速，用声波在单位时间内传播的距离称声速，用c c表示。声表示。声速速c c与质点振动速度与质点振动速度v v是不同的。是不同的。c c与

3、以下因素有关：与以下因素有关：（1 1）c c与与波类型波类型有关。横波有关。横波c c纵波纵波c c。（2 2）在流体与气体介质中（平面纵波）：）在流体与气体介质中（平面纵波）：B B介质的体积弹性系数介质的体积弹性系数 介质的密度介质的密度 （3 3）c c与与温度温度有关有关因因B B与温度有关。与温度有关。如：空气中一定温度内每升高如：空气中一定温度内每升高11，声速约增加，声速约增加 0.6m/S 0.6m/S。（4 4）c c与频率无关，即无频散（色散）现象。与频率无关，即无频散（色散）现象。二、波参数二、波参数二、波参数二、波参数与超声诊断有关的各种介质的声速与超声诊断有关的各种

4、介质的声速与超声诊断有关的各种介质的声速与超声诊断有关的各种介质的声速 重要声速参数重要声速参数重要声速参数重要声速参数 人体软组织中：人体软组织中：c1540 m/S c1540 m/S 在人体各种软组织中在人体各种软组织中,声速都很接近，可按此估算。声速都很接近，可按此估算。人体骨组织中：人体骨组织中：c4000 m/S c4000 m/S 空气空气(22)(22)中：中：c c 345 m/S 345 m/S5.5.5.5.声阻抗率声阻抗率声阻抗率声阻抗率Z Z Z Z（1 1）定义）定义 声场中某点的声压与该质点振动速度之比称声阻抗率声场中某点的声压与该质点振动速度之比称声阻抗率Z Z

5、P/vP/v 对于平面波，可求得：对于平面波，可求得：Z ZP/vP/vcc 在水和空气中在水和空气中,还可得：还可得：Z ZP/vP/vcc(B)(B)1/21/2 式中：式中：介质密度，介质密度，c c 声速，声速，BB体积弹性系数体积弹性系数 （2 2）说明）说明 Z Z只与介质本身声学特性有关，又称特性阻抗；只与介质本身声学特性有关，又称特性阻抗；Z Z的单位是瑞利，的单位是瑞利，1 1瑞利瑞利1g/cm1g/cm2 2SS；声阻抗率越大，超声纵波速度越快。声阻抗率越大，超声纵波速度越快。（3 3 3 3）人体组织按声阻抗率大致可分成三类）人体组织按声阻抗率大致可分成三类）人体组织按声

6、阻抗率大致可分成三类）人体组织按声阻抗率大致可分成三类 体液及软组织：体液及软组织：Z1.510 Z1.5105 5 瑞利瑞利 气体及充气的肺组织：气体及充气的肺组织：Z0.0004-0.2610Z0.0004-0.26105 5 瑞利瑞利 骨及钙化了的组织：骨及钙化了的组织：Z5.57-8.310 Z5.57-8.3105 5 瑞利瑞利（4 4）关于声阻抗名称）关于声阻抗名称 声阻抗是声阻抗是“机机-电类比电类比”中，与电阻抗相类比而称的。中，与电阻抗相类比而称的。“机机-电类比电类比”是用电学的理论、手段研究声学问题的方是用电学的理论、手段研究声学问题的方法。因为许多声学系统与相应的电学系

7、统有相同的微分法。因为许多声学系统与相应的电学系统有相同的微分方程方程 声学：声学：Z ZP/vP/v，电学：电学：R RU/IU/I，类比：类比：Z ZR R，P PU U，V VI I 超声成像只能用于那些有液体和软组织的、超声成像只能用于那些有液体和软组织的、且声波传播通路上没有气体或骨骼阻挡的那些且声波传播通路上没有气体或骨骼阻挡的那些区域。区域。在液体和软组织中，声速和声阻抗变化不在液体和软组织中，声速和声阻抗变化不大，使得声反射量适中，既保证了界面回波的大，使得声反射量适中，既保证了界面回波的显像观察，亦保证了声波可穿透足够的深度。显像观察，亦保证了声波可穿透足够的深度。此外，接收

8、回波的时延与目标深度成近似的正此外，接收回波的时延与目标深度成近似的正比关系，这是比关系，这是B超诊断图像成功应用必要的物超诊断图像成功应用必要的物理基础。理基础。（3 3 3 3）超声波垂直入射界面时的力学特性）超声波垂直入射界面时的力学特性）超声波垂直入射界面时的力学特性）超声波垂直入射界面时的力学特性 介质介质1介质介质2透射波透射波反射波反射波入射波入射波界面界面Pt,ItPi,IiPr,Ir 其中：其中：其中：其中：，（4 4 4 4）讨论）讨论）讨论）讨论 则则 有反射，有透射；有反射，有透射；则则 无反射，全透射；无反射，全透射；则则 几乎全反射，无透射；几乎全反射，无透射；则则

9、 几乎全反射，无透射。几乎全反射，无透射。反射超声能量的大小取决于两种介质的声阻抗率差反射超声能量的大小取决于两种介质的声阻抗率差 超声垂直入射时：超声垂直入射时：在空气软组织交界面上，声强反射系数为在空气软组织交界面上，声强反射系数为0.99890.9989；在软组织颅骨交界面上，声强反射系数为在软组织颅骨交界面上，声强反射系数为0.320.32。即在这。即在这两种界面上，有两种界面上，有99.999.9和和3232的超声能量被反射回来。的超声能量被反射回来。这就是为什么超声诊断仪不能检查含气体的脏器及对头这就是为什么超声诊断仪不能检查含气体的脏器及对头颅检查困难的原因。颅检查困难的原因。超

10、声诊断仪检查时声波通路上必须避开骨和空气。超声诊断仪检查时声波通路上必须避开骨和空气。二、透过薄层的波二、透过薄层的波二、透过薄层的波二、透过薄层的波 在超声换能器中，超声要通过几层特性阻抗不同在超声换能器中，超声要通过几层特性阻抗不同的介质进行传播。的介质进行传播。这里只讨论最简单的情况，即假设平面超声波垂这里只讨论最简单的情况，即假设平面超声波垂直入射，通过三层介质。如图：直入射，通过三层介质。如图：可以求得：可以求得：式中：式中：I I1 1 第一层介质中的入射波能量第一层介质中的入射波能量I I3 3 第三层介质中的透射波能量第三层介质中的透射波能量 介质介质2 2中的波数中的波数L

11、L2 2 中间层厚度中间层厚度 （1 1）当）当 ，n=1,2,n=1,2,（L L2 2为半波长的整数倍为半波长的整数倍)时时 或或 ，且非，且非Z Z2 2ZZ1 1,Z,Z2 2ZZ3 3（L L2 2薄薄,且且Z Z2 2非疏非疏)时时 可得：可得：（或（或）即此时声波透过中间层传播的能量仅与即此时声波透过中间层传播的能量仅与Z Z1 1,Z Z3 3有关有关,而与中间层材料的特性而与中间层材料的特性Z Z2 2无关无关。因此，在超声诊断中耦合层的厚度应尽可能因此，在超声诊断中耦合层的厚度应尽可能薄，只要把探头与皮肤间的气泡排除即可。超声薄，只要把探头与皮肤间的气泡排除即可。超声换能器

12、辐射面上的保护膜厚度也要按这个关系选换能器辐射面上的保护膜厚度也要按这个关系选用。用。（2 2）当）当 ，n=1,2,n=1,2,，且，且 时时 可得：可得：可见，当中间层可见，当中间层厚度等于厚度等于穿过其中的超声波穿过其中的超声波波长的波长的四分之一的奇数倍四分之一的奇数倍，且，且特性阻抗等于其它两种介质特性特性阻抗等于其它两种介质特性阻抗的几何平均值阻抗的几何平均值时，声波在三种不同介质中能完全透时，声波在三种不同介质中能完全透射，而无反射。此时，称为匹配。这个中间层称为射，而无反射。此时，称为匹配。这个中间层称为匹配层匹配层。这一结论对制造超声换能器特别有用。晶体这一结论对制造超声换能

13、器特别有用。晶体如直接与皮肤接触，由于两者声阻抗率相差较大，如直接与皮肤接触，由于两者声阻抗率相差较大，超声能量将有相当一部分反射回来，进入人体的超声能量将有相当一部分反射回来，进入人体的只是一部分。为此，在晶体表面增加一层匹配层，只是一部分。为此，在晶体表面增加一层匹配层，其厚度为其厚度为 ，声阻抗等于晶体和皮肤声阻抗，声阻抗等于晶体和皮肤声阻抗的几何平均，则超声能量就能全部透过匹配层进的几何平均，则超声能量就能全部透过匹配层进入人体。入人体。三、三、三、三、超声衰减规律超声衰减规律超声衰减规律超声衰减规律（1 1）平面波在均匀生物组织中传播时，有指数型关系）平面波在均匀生物组织中传播时，有指数型关系 式中，式中，I I0 0,P,P0 0 x=0 x=0处的声强、声压有效值处的声强、声压有效值 介质的声压衰减系数介质的声压衰减系数 （2 2）声压衰减系数）声压衰减系数 与扩散、散射、吸收等因素有关。一般与扩散、散射、吸收等因素有关。一般 在人体软组织，并诊断用超声频率范围内在人体软组织，并诊断用超声频率范围内式中，式中，介质的超声衰减常数。可查表得。介质的超声衰减常数。可查表得。单位：单位：(mm)(mm)-1-1,s/mm,s/mm,fMHz.fMHz.