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1、全国大型医疗设备使用人员彩色多普勒技术考试辅导材料 第一章物理基础第一节超声波的概念一 基本概念1 人耳的听觉范围 20 20000Hz 2 超声波是频率大于20000Hz的机械波 3 超声波具有声波的共同物理性质 4 临床常用的超声频率在2MHz 10MHz之间 二 超声波基本物理量 1 超声波有三个基本物理量 即频率 f 波长 声速 c 它们的关系是 c f 或 c f 传播超声波的媒介物质叫做介质 不同频率的超声波在相同介质中传播时 声速基本相同 在人体软组织中声速为1540m s 2 相同频率的超声波在不同介质中传播 声速不相同 人体软组织中超声波速度总体差异约为5 利用超声方法进行测
2、距的误差也是5 左右 三 声场1 概念 发射超声在介质中传播时其能量所达到的空间称为声场 又称声束 2 声场特性 1 扫描声束随探头的形状 大小 阵元数及其排列 工作频率 有无聚焦以及聚焦方式不同而有很大差异 此外还受超声与人体组织间相互作用的影响 2 声束由一个大的主瓣和一些小的旁瓣组成 超声成像主要依靠探头发射高度指向性的主瓣并接收回声反射 旁瓣的方向总有偏差 容易产生伪像 3 声场分近场和远场 以圆形单晶片探头为例 近场声束集中 呈圆柱形 其直径接近探头直径 长度取决于超声频率和探头的半径 横断面上声能分布不均匀 远场声束扩散 呈喇叭形 横断面上声能分布比较均匀 声束向两侧扩散的角度称为
3、扩散角 扩散角越小 指向性越好 多振子探头的声场分布呈 花瓣 状 4 超声波指向性优劣的指标是近场长度和扩散角 3 声束聚焦与分辨力 聚焦后可使聚焦区超声束变细 减少远场声束扩散 改善图象的横向和侧向分辨力 1 聚焦的方式 固定式声透镜聚焦 电子相控阵聚焦 二维多阵元聚焦等 2 聚焦声束与非聚焦声束的比较 第二节超声的物理特性1 超声波在介质中传播时 遇到不同声阻的分界面 会产生反射和折射 反射的能量由Z2 Z12反射系数RI 决定 Z2 Z1Z1 Z2为两种介质的特性声阻抗 Z p c 密度 声速 当Z1 Z2 为均匀介质 则RI 0 无反射 当Z1 Z2 如水和气 则RI很大 产生强反射
4、当Z1 Z2 RI 0 则反射存在 2 人体软组织声阻抗差异很小 但只要有1 的声阻抗差 就会产生反射回波 所以超声波对软组织分辨力很高 3 当超声波垂直于不同声抗阻分界面入射时 可得到最佳的反射效果 4 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 5 超声波在介质中传播时 随着距离增加 声能将随之减弱 这就是衰减 与传播距离和频率有关 引起衰减的原因主要有 1 介质对超声的吸收 超声波机械能变为热能被组织 吸收 2 声束发散 能量的散射及反射 使得保持在介质中原始前进方向上的能量减小 3 能量被散射体散射掉 6 为了使深度回声信息清楚 在诊断中要使用D
5、CG TGC 调节 补偿声能的衰减 衰减用IX I0e 2 x来描述 IX是距离声源X点的声强 X是距离声源的距离 I0是X 0处的声强 为衰减的系数e为自然对数之底 e 2 71声强或声压的衰减吸收以分贝 dB 作单位 组织的衰减系数用dB cm表示 在人体组织中衰减程度一般规律是 骨组织 肝组织 血液若进一步细分 骨 或钙化 肌腱 或软骨 肝 或肾 脂肪 血液 尿液 或胆汁 组织中含胶原蛋白和钙质越多 声衰减越大 液体内含蛋白成分越多 声衰减越大 6 超声波在介质中传播时 显示器上能够区分声束中两个细小目标的能力或最小距离 称为分辨力 其受多种因素影响 如频率 脉冲宽度 声束宽度 声场远近
6、和能量分布 探头类型和仪器功能等 1 轴向分辨力 指在声束长轴上区分两个细小目标的能力 与波长密切相关 频率越高 轴向分辨力越好 从单纯理论上计算 轴向分辨力在数值上为1 2 但实际显示的分辨力要低于理论分辨力5 8倍 如遇声阻不同的障碍物 目标点 则声束方向和声强将发生改变 其改变程度与障碍物之大小及声阻抗有关 当障碍物的直径大于1 2 在该障碍物表面产生回声反射 当障碍物的直径等于或小于1 2 超声波将饶过该障碍物而继续前进 反射很少 这种现象称为衍射 故超声波波长越短 能发现障碍物越小 2 横向分辨力 与探头厚度方向上声束宽度和曲面的聚焦性能有关 在聚焦最佳区的横向分辨力最好 在其聚焦区
7、宽度一般小于2mm 3 侧向分辨力 与探头长轴方向上扫描声束的宽度有关 聚焦声束越细 侧向分辨能力越好 四 超声多普勒效应1 当声源与反射界面 或散射体 作相对运动时 由于超声波在一定介质中传播的速度是恒定的 故可看作超声的波长被压缩或扩展 波长的变化必将伴随着频率的移动 改变 它仍需满足C f 的关系 这种现象称之为多普勒效应 2VcosQ其多普勒公式为 fd fR f0 fOCfd为多普勒频移 fO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 Q为运动方向与入射波间的夹角 2 当fO 3MHzfR 3 005MHz则fd fR fO 5000Hz 5KHz所以fd一般都在音频
8、范围内 检出fd后 利用扬声器发出响声来监听 并通过FFT对fd进行频谱分析 所以多普勒频移属于声波范畴 五 超声的生物学效应一 超声声强概念 对超声诊断设备的超声辐射 针对人体不同部位 规定了限定值人体不同部位超声强度的限定值FDA 美国食品药品局 规定Isppa W cm2 Ispta mw cm2 Im w cm2 心脏190430310脉管190720310眼部281750胎儿19094310Isppa 空间峰值脉冲平均声强Ispta 空间峰值时间平均声强Im 最大声强度Iob 真实声束声强国际电工委员会 IEC1157 92规定Iob 20mw cm2胎儿Ispta 100mw cm
9、2超出这些规定值应公布其声强输出 超声强度超出规定 将造成若干生物效应 如 育龄妇女早熟排卵 受孕率下降 胎儿体重减轻 产后儿童发育迟缓等 二 超声对生物体影响的作用原理1 空化作用 在液体中出现强超声时 会出现一种类似雾状的气泡 就如轮船推进器在产生推动力的同时会溅出气泡那样 这就是空化作用 生物组织由于超声空化作用而产生不能复原的破坏性形变 以至使细胞坏死和整个生物组织坏死 2 热作用 生物组织在超声机械能作用下 由于沾滞吸收 将一部分超声能转化为热能 使生物组织的温度上升 3 超声的生物作用 超声对组织器官的影响在强超声作用下 将使坐骨神经 脊髓 淋巴细胞 肝组织损伤 超声对细胞的影响超
10、声诊断声强较强时对子宫癌HELA细胞 人羊膜的FK细胞等有影响 超声对染色体的影响 超声对精子的影响强超声对精子活动力及受精卵易发生危害 三 超声诊断的安全因素 超声剂量 声强 的限定值Ispta 100mw cm2超声照射时间 通常一次超声10 20分钟 当电脉冲加至超声换能器后 电能转变成机械能 其实质是将 电功率 转换成 声功率 超声在生物组织中传播 使介质分子微粒发生高频机械振荡 这形成了超声能量传递或功率作用 一 声强 intensity 的定义是描述超声能量 energy 的物理量 超声束在单位时间通过单位截面积 CSA 的超声能 即指单位面积上被照射的声功率 W cm2 瓦 平方
11、厘米或J s cm2 焦 秒 平方厘米 一般诊断级超声在100mw cm2以下 不引起明显的生物效应 对人体无伤害 二 常用的声强指标脉冲超声声强 超声换能器发射脉冲超声 脉冲超声的最大声强称 时间峰值 TP 声强和 时间平均 TA 声强 由于声场中声强分布不均匀 而有 空间峰值 SP 和 空间平均 SA 声强的概念空间峰值时间平均声强 ISPTA W cm2 在声场中或是某一指定平面上的时间平均声强的最大值 空间峰值脉冲平均声强 ISPPA W cm2 在声场中或是某一指定平面内的脉冲平均声强的最大值 最大声强 IM Imax W cm2 在空间最大值处 具有最大时间平均声强的腺脉冲半周期内
12、的时间平均声强 真实声束声强 Iob 三 热作用和空化效应指标1 热指数 ThermalindexTI 超声照射到声学界面 产生温升与使界面温度升高1oC的比值 TI在1 0以下无致伤 但对胎儿应调至0 4以下 对眼球应调至0 2以下 2 机械指数 Mechanicalindex 超声在弛张期的负压峰值 Mpa数 与探头中心频率 MHz数 平方根数的比值 通常认为MI值在1 0以下无致伤性 但对胎儿应调至0 3以下 对眼球应调至0 1以下 诊断用超声的安全性和应用原则 世界医学生物学超声联合会 世超联WFUMB 声明摘要1992 1 目前使用的简单的B型超声仪的声功率 不可能产生有害的温度升高
13、作用 因此它在致热方面无禁忌征 包括经阴道 经腹壁和内镜超声的应用 2 某些Doppler诊断仪在无血流灌注的实验条件下 可引起显著升温生物效应 将超声照射时间尽可能减少 可使升温作用降至最小 并调节到最低功率 动物实验表明 小于38 5oC则可广泛使用 包括产科应用 第二章彩色多普勒基础第一节多普勒超声基础一 多普勒基本概念1 多普勒超声血流检测技术主要用于测量血流速度 确定血流方向 确定血流种类 如 层流 射流等 获得速度 时间积分 压差等有关血流的参数 2 多普勒方式表达血流速度的公式如下 c fd V 2cosQfo式中C为声速 1540m s fo 发射频率 已知 COSQ是血流与声
14、束夹角的余弦函数 当相对固定时 则fd与流速成正比 fd即影响流速值V 当多普勒入射角 Q 恒定时 频移fd仅决定于发射频率fo 对于某一定的fd fo越小 则可测的血流速度V就越大 欲测高速血流 fo就应选择低频率的探头 当血流速度保持恒定时 如 100cm s 以及恒定的fo和C 那影响fd的参数只有COSQ 即频移的数值依赖于入射角的变化 而速度的数值与入射角无关 Q角改变的一般规律 a 当OO Q 900时 COSQ为正值 即血流迎超声探头而来 频率增加 fd为正向频移 b 当900 Q 1800时 COSQ为负值 即血流背离超声探头而去 频率减低 fd为负向频移 c 当时Q 0或Q
15、1800时 COSQ 1 即血流与声束在同一线上相向或背向运动 这时fd最大 d 当时Q 900 COSQ 0时 即血流方向与声束垂直 此时fd 0 检不出多普勒频移 3 三种多普勒方式 1 连续波多普勒 CW 采用两种超声换能器 一个发射恒定的超声波 另一个换能器恒定地接收其反射波 或后向散射波 沿声束出现的血流和组织运动多普勒频移全部被接受 分析 显示出来 CW不能提供距离信息 即不具有距离选通性 不受深度限制 能测深部血流 无折返现象 可测高速血流 连续波多普勒在取样线上有符号标记 其符号仅表示波束发射声束与接受声束的焦点 或声束与血流的焦点 2 脉冲波多普勒 PW 采用单个换能器 在很
16、短的脉冲期发射超声波 而在脉冲间期内有一个 可听期 脉冲多普勒具有距离选通能力 可设定取样容积的尺寸 并调节其深度 位置 利用发射与反射的间歇接受频移信号 测值相对准确 但检查深部及高速血流受到限制 并受脉冲重复频率 PRF的影响 PRF越高 测量血流速度也越高 多普勒频谱技术的分析基础是快速富里叶变换 FFT 3 高重复频率脉冲多普勒 HPRF是在脉冲多普勒基础上改进 探头在发射一组超声脉冲波之后 不等采样部位的回声信号反回探头又发射出新的超声脉冲群 这样在一组声束方向上 若有一组超声脉冲向心腔内发射 第二组超声发射后 探头接受的实际上是来自第一组超声脉冲的回声 依次类推 相当于PRF加倍 频移也就增加一倍 扩大了血流速度测量范围 二 多普勒血流频谱分析基础1 多普勒血流频谱分析是给出一种显示 它的两个正交轴分别代表时间 水平轴 和频率 垂直轴 而相应的信号幅度则用密度或亮度表示 2 为什么要频谱分析 1 所有的血红细胞速度都不尽相同 在同一时刻 将产生许多频移 成为复杂波 2 具有相同流速的红细胞的数量也不一样 产生的振幅信号强度也不尽一致 3 又因血流脉动的影响 信号频率和振幅将
