医学超声原理--第十七讲 超声碎石机-

《医学超声原理--第十七讲 超声碎石机-》由会员分享，可在线阅读，更多相关《医学超声原理--第十七讲 超声碎石机-（82页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第十七讲 Ultrasonic Lithotrite超声碎石机,与本PPT配套的指定教材,目前，关于生物医学超声的参考书很多；但是从教十年多来，一直很难找到一本非常适合本科生的教材。这也是编者下定决心编写本书的主要原因之一。本书的内容主要包括超声物理基础，压电效应与换能器技术，超声成像诊断原理，超声治疗技术，医学超声实验，医学超声的最新进展等。每章节都配置了一定量的练习与思考题，以帮助读者巩固书中的内容，并提高分析解决问题的能力。为配合双语教学，本书保留了关键专业词汇的中英文对照。 本书的特点是在注重基本概念，基本原理，基本方法的同时，兼顾一定的工程技术实用性，如包含声场的数值模拟，超声图像的

2、C语言程序处理，超声波发射电路原理，换能器的匹配技术等。本书适合医学超声以及相关领域的本科生作教材，也可供该领域的研究生，科研及工程技术工作者参考。,1、冲击波碎石概述,结石主要发生：泌尿系统的肾脏、输尿管、膀胱，胆道等系统。 传统治疗：开放式手术，痛苦。 冲击波碎石术：冲击波能量结石破碎自然排出。 减小或避免了较大的手术。 发展史： 1950年，Lamport和Newman首次发表了用连续超声波非接触式粉碎人体结石的报道。 50 年代，原苏联科学家Jutkin发现，水中电极放电产生的冲击波可以击碎陶瓷。其后，美国泌尿专家Goldberg用这一原理，经膀胱镜用冲击波击碎一名患者的膀胱结石。 5

3、0年代到70年代，各种冲击波的体内碎石装置相继出现，主要用于击碎泌尿系统结石。,1 概述,70年代，德国Dornier公司发现，冲击波进入动物体内可以击碎 较硬的材料，而对软组织没有明显损伤。 最早提出体外冲击波碎石术（ESWL）思想的人是Anmin、 Bebrends等人。 1974年，Schmieds等人研究了水中火花放电并用椭球反射面聚 焦的技术。 1978年，由德国泌尿专家Chaussy主持，设计出一台水槽式有 两套正交X线定位系统的体外冲击波碎石装置。 1980年，Dornier公司推出第一台商用化机器HM-1体外冲 击波碎石机。 1983年，Dornier公司公布：检查1000名肾

4、结石患者，有993人 可以并采用ESWL治疗，其中90.6结石全部排空。 这一巨大成功引起国际医学界轰动， 并使ESWL在世界范围迅 速发展和推广。美、法、日等国也相继研制成功ESWL机。 1985年，德国Sauerbruch等人将ESWL推广到胆结石症治疗。,1 概述, 1985年，我国第一台ESWL样机由中科院电工所与北医大附属 人民医院研制成功。同年8月应用于临床。同年，上海交通大 学也研制成功ESWL机，并于年底投入临床应用。 陈亚珠院士多次获国家、省部级科技进步奖，其中主要有防雷配电变压器研究与推广应用获1985年国家科技进步三等奖；液电冲击波体外粉碎肾结石技术1987年获国家科技进

5、步一等奖；肾结石粉碎机的推广应用，1993年获国家教委成果推广二等奖。,与本PPT配套的指定教材,目前，关于生物医学超声的参考书很多；但是从教十年多来，一直很难找到一本非常适合本科生的教材。这也是编者下定决心编写本书的主要原因之一。本书的内容主要包括超声物理基础，压电效应与换能器技术，超声成像诊断原理，超声治疗技术，医学超声实验，医学超声的最新进展等。每章节都配置了一定量的练习与思考题，以帮助读者巩固书中的内容，并提高分析解决问题的能力。为配合双语教学，本书保留了关键专业词汇的中英文对照。 本书的特点是在注重基本概念，基本原理，基本方法的同时，兼顾一定的工程技术实用性，如包含声场的数值模拟，超

6、声图像的C语言程序处理，超声波发射电路原理，换能器的匹配技术等。本书适合医学超声以及相关领域的本科生作教材，也可供该领域的研究生，科研及工程技术工作者参考。,肾脏结石，输尿管结石、膀胱结石，胆囊结石，尿道结石。 按结石化学成分可分为含钙结石、感染结石、尿酸结石、胱氨酸结石四类。 含钙结石可分为：单纯的草酸钙、草酸钙和磷酸钙、以及除草酸钙还有少量的尿酸； 感染结石主要成分是磷酸镁铵(“鸟粪石”，松软)和羟磷灰石； 尿酸结石成分可分为：尿酸、尿酸胺或除上述成分外还含有少量的草酸钙； 胱氨酸结石可分为：纯胱氨酸或含有少量草酸钙成分。,常见的几种结石,图1.肾结石,碎石成像,图2.胆囊结石,图3.右肾

7、 鹿角形结石,想一想它们分别是用哪种技术成的像？,冲击波碎石机分类法： 按振子处的身体部位分类：体内型、体外型； 按发生器不同原理分类： 超声式、电致水压式、压缩空气式、激光式等体内型 液电式、微爆炸式、压电式、电磁式、光声式等体外型 按波源到人体间的耦合方式分类：干式，湿式； 按冲击波的聚焦方法分类： 椭球面聚焦、球面聚焦、抛物面聚焦、透镜聚焦等。 按机型的发展次序分类：如：第一代，第二代等； 按治疗目的分类：如：肾石碎石机、胆石碎石机等； 按系统的规模分类： 如：体外碎石中型，大型、小型移动式外碎石机等等。,冲击波碎石机分类法： 体外冲击波碎石机：这类仪器按其震波源的不同一般分为三种： 液

8、电式； 电磁式； 和压电式。 体内碎石机目前有四种： 超声碎石机； 液电碎石机； 激光碎石机； 气压弹道碎石机。,2 超声碎石,超声波能量：大多数冲击波碎石装置使用的能量形式， 体外型碎石装置：目前应用较多，都用超声波能量。 超声波的定义： 声波：物体机械振动状态（或能量）的传播形式。 振动：物质的质点在其平衡位置附近进行的往返运动。 例如：鼓面敲击振动向空气传播声波。 频率：每秒钟内往返振动的次数。单位：赫兹（Hz）。 声波分类：（依频率） 频率10-416Hz 的声波次声。 频率162104Hz 的声波可听声。 频率2104109Hz 的声波超声。 频率1091013Hz 的声波特超声。

9、超声波特点： 方向性强，能量易于集中。 超声易于携带较高的能量，可用作工业加工和医学治疗。,与本PPT配套的指定教材,目前，关于生物医学超声的参考书很多；但是从教十年多来，一直很难找到一本非常适合本科生的教材。这也是编者下定决心编写本书的主要原因之一。本书的内容主要包括超声物理基础，压电效应与换能器技术，超声成像诊断原理，超声治疗技术，医学超声实验，医学超声的最新进展等。每章节都配置了一定量的练习与思考题，以帮助读者巩固书中的内容，并提高分析解决问题的能力。为配合双语教学，本书保留了关键专业词汇的中英文对照。 本书的特点是在注重基本概念，基本原理，基本方法的同时，兼顾一定的工程技术实用性，如包

10、含声场的数值模拟，超声图像的C语言程序处理，超声波发射电路原理，换能器的匹配技术等。本书适合医学超声以及相关领域的本科生作教材，也可供该领域的研究生，科研及工程技术工作者参考。,2.1 描述超声波的重要物理参数,1频率与周期 频率，用 f 表示。单位：赫兹（Hz）；或（kHz、MHz）。 周期：声波每振动一次的时间，以T表示， 单位：秒（s）；或（ms、s）。 公式： T1/f 2波长 波长：一个声波周期(T)内，声波传播的距离，以表示， 单位：厘米(cm)或毫米(mm)。 3声速 声速：单位时间(1s)内声波传播的距离，以c表示。 单位：米秒（m/s）。 公式： cf/T (6-1) 在流体

11、介质中，声速为： (6-2) 式中，B体积弹性系数，密度。,2.1 描述超声波的重要物理参数,一般，声速：固体液体气体。 人体中声速： 骨骼中4000m/s， 软组织（主要含体液）中1540m/s， 气体（如肺泡或肠道中的气体）中350m/s。 4质点的振动位移、速度、加速度 yAsint (6-3) y振动位移，A振动位移幅度， 角频率， t时间 2f 对时间(t)微分： vAcost （6-4） v质点振动速度 再取微分： a-A2sint （6-5） a质点振动加速度,2.1 描述超声波的重要物理参数,式中负号表明加速度的方向与位移方向相反。 注意：质点振动速度(v)声波的传播速度(c)

12、。 5声压 声压有声波传播时的压强没有声波传播时的压强。 媒质的声传播可以表现为声压随时间（或空间）的周期变化。 对于平面声波： PcA （6-6） P声压幅值 6波的能量密度与声强 声能密度 E ：声场单位体积内声波携带的能量， 单位：焦/厘米3（/cm3） 声强 I ：单位时间通过与声传播方向垂直的单位面积的能量； 单位：瓦/ 厘米2（W/cm2）。 对于平面声波 IEcc (A)2 / 2 P2/2c P2 （6-7）,2.1 描述超声波的重要物理参数,7声阻抗率 声阻抗率Z：介质中某一点的声压与该处质点振动速度之比： Z = p / v （6-8） 在线性简谐波范围： Z =c （6-

13、9） 式中，介质的密度，c声速。流体中平面波有： （6-10） 单位：瑞利，1瑞利 = 1g / cm2s。 Z只与介质本身的声学特性有关，也称：特性阻抗。 介质越硬，B值越高，声特性阻抗越大。 人体组织中三类组织的特性阻抗： 骨骼及钙化物5.57106瑞利， 软组织和体液1.52106瑞利， 气体及充气的肺0.0004106瑞利。,2.2 超声波的传播特性,1反射和折射 反射和折射的几何性质（图6.1(a)） 介质1、介质2：平面界面。 Z1、Z2特性阻抗， 界面处：P声压、I声强，声波与界面法线的夹角， 下标：I入射、r反射、t折射。 反射和折射定律： （6-11） （6-12）,2.2

14、超声波的传播特性,反射和折射的力学性质（图6.1(b)） 反射系数、折射系数（透射系数）来描述。有关系式： 式中，R反射系数，T透射系数， 下标：p关于声压，I关于声强。 Z1、Z2两种介质特性阻抗。,2.2 超声波的传播特性,由式（6-15）、（6-16）可见： RI+TI=1，即：Ir+It=Ii 说明：入射超声能量反射超声能量透射超声能量 能量守恒。 反射超声能量 (Z2 Z1 )2 差值越大，反射越强，透射越弱。 所以：固体-气体、液体-气体、固体-液体，界面反射强烈。 2超声波的叠加原理 两列或多列超声波相遇时， 相遇前后，保持各自的独立性，即每一列波保持原有的特性 （频率、振幅、方向、初相）继续传播。 在相遇处，质点的振动是各列波振动的矢量和叠加。 同频同相位波叠加，振动加强； 异频异相位波叠加，振动减弱，甚至抵消。,2.3 超声冲击波的碎石机理,冲击波的波形及其形成 冲击波：（图6.2所示）振幅和持续时间是不对称的。 随着输出档位的提高，冲击波的P+、 P-、t+和声能相应 增加，而tr和t-则降低。 冲击波，幅度很大，对应的质点位移速度与声速相比，已不能忽 略不计。称有限振幅声波，不再满足线性声学中的近似条件。,冲击波形成机理：非线性声学。如图6.3。 正弦有限振幅声波传播时： 介质密度介质可压缩性传播速度。 波形上压力不同点，声速不同，导致波