第1章 超声学基础

《第1章 超声学基础》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第1章 超声学基础（19页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第章 超声学基础1 第第 1 章 超声学基础章 超声学基础 超声在生物医学中的应用，有超声诊断、超声治疗和生物组织超声特性研究三大方面。其中，超声诊断方面发展最快，现在已经有了多种多样的超声诊断仪供临床应用。近年来，各种型式的超声治疗仪也相继出现。 利用超声波在人体中传播的物理特性，可以对人体内部脏器或病变进行断层显示，据此对一些疾病进行诊断。由于它的操作简便、安全、迅速、无痛苦和无剂量积累等优点，引起了人们的瞩目，发展极其迅速。1946 年，Firestone 将雷达中测距的技术用于材料的无损检测 （Non-Damage Test， NDT）后，接着就有好几个小组将超声回波测距法用于各种医学

2、问题上。自 1950年以来，超声回波技术已经用于医学中。然而由于技术上的问题，多数结果不很满意，只有在心脏诊断与神经学的某些方面，A 式显示能提供相当的信息，为临床推理给出有价值的结果。尽管如此，超声技术已给医学提供了一个全新的方法。1955 年，灵敏度高的压电陶瓷换能器代替了早期应用的石英换能器，使得医学超声学的面目为之一新。随后由于电子学与计算机技术的迅速进展，给医学超声带来巨大的变化。 目前，很多国家成立了超声医学研究会。1976 年成立了“世界超声医学及生物学联合会（WFUMB） ” 。这些组织每年发表大量学术论文。超声诊断学已成为医学诊断中一门独立的学科。超声显像，从最初的 A 型诊

3、断仪发展成为断面显像，功能越来越完善。至今，被简称为“B 超”的超声显像诊断设备，受到了医务工作者与病人的普遍欢迎。它已与 X 线、同位素扫描、红外技术以及磁共振成像等一起成为医学显像的一个重要内容。人体的许多部位和脏器，如颅脑部位、眼部、甲状腺、乳房、心血管、肝脏、胆囊、胸腔膜、脾脏、泌尿科以及妇产科方面，超声诊断均显示出它的极大有用性，尤其在囊性病变、心血管、眼科及妇产科的若干疾病的诊断方面，有它的独到之处。 用于诊断的超声能量是比较小的，如果加大超声能量，达到瓦级的超声功率，则它与生物体之间产生一些物理与化学效应，可以用以治疗人体的某些疾病。例如，利用超声的温热效应，使局部血管扩张，血液

4、循环加快，组织代谢增强，促进病理产物的吸收消散；利用超声的机械作用效应，引起细1 医学超声仪器原理讲义 胞的摩擦，增强细胞半透膜的弥散作用，促进新陈代谢，提高组织的再生能力。 利用超声作为治疗的方法已有数十年的历史。它对脑血栓所致的偏瘫病、坐骨神经痛、周围神经痛、风湿痛、腱鞘炎、挫伤等疾病均有疗效。近年来对肿瘤治疗的研究表明，超声加热配合放射疗法可收到良好的效果，已引起人们的极大注意。 医学超声技术的发展，也促进了人们对生物组织超声特性的研究。各种生物组织中的超声速度与衰减方面的研究已经做得很多。这些研究对灰阶超声图像和超声透射图像的分析、识别和测量精度的提高至关重要，尤其是与超声计算机体层成

5、像的研究与识别紧密相关。 医学超声仪器按其用途来分，主要有超声诊断仪与超声治疗仪两类。此外，还有其他医用超声设备，如超声细胞粉碎、超声清洗、超声雾化设备等。 1超声诊断仪 向人体内发射超声波，并接收由体内组织反射的回波信号，根据其所携带的有关人体组织的信息，加以检测、放大等处理，显示出来，为医生提供诊断的根据。这种仪器的门类也越来越多，除了扇形或线形扫描方式的通用B 型扫描仪以外，还发展了许多专用仪器用作专科检查，例如用于脑科、眼科、乳房、甲状腺、循环系统、妇科、产科、泌尿科、胃部（超声内窥镜） 、以及超声引导穿刺等。B 型实时显像仪，最小的仅重 1.4kg，可以握在手中使用，而大型的全自动复

6、合 B 扫仪，如 Octoson，有八个聚焦探头，每帧图像线数达到 4000 条。 电子式声束扫描、数字扫描转换器、可变焦距聚焦、计算机图像处理等技术的应用，使现今的 B 超横向分辨力已达到 2mm 之内，得到的软组织图像清晰而富有层次，可与解剖图媲美。 与此同时，超声多普勒诊断仪的显示也向图像化发展，还将 B 式图像显示与脉冲多普勒检测结合于一台仪器中。 2超声治疗仪 向人体内发射一定功率的超声能，利用其与生物组织的相互作用产生的各种效应，对有疾患的组织起到治疗作用。因此，仪器一般不需要接收回波与处理回波，结构较为简单，但要求对辐射声波的时间有较准确的控制。所要求的超声功率也远大于诊断仪，但

7、也依不同治疗要求而异。 医学成像的五种技术中，超声技术对心血管、腹部组织器官、妇产科等2 第章 超声学基础1 方面独具特色，为其他成像技术所不及。为了便于将它与 X 线技术、核医学技术、热图技术和磁共振技术进行比较，现以诊察肿瘤为例，就其信息特点、可检测性，定量研究和辐射伤害几方面讨论如下： （1）信息特点：各种成像方法获取信息的类型不同，见表 1-1。 表 1-1 五种成像技术的信息特点 技 术 所取得的信息 超声：常规成像，UCT 结构的弹性特性 声速或衰减特性 X 线：常规成像，CT X 线的衰减特性 核医学：静态成像，ECT，动态研究生理作用 热图 温度分布 MR 质子分布 从分辨力来

8、说，超声成像一般在 2mm 左右。X 线技术在大剂量辐射时可以分辨出小于 1mm 的大小。 而 X-CT 技术的分辨力实际上决定于所用的存贮量和检测器的间隔，在 x、y 方向的分辨力，一般为 2mm，纵向分辨力决定于所取断层切片的厚度，在 220mm 的范围内。核医学的特点是可定量地考察生理作用的过程，但是伽玛照相的固有分辨力比超声成像与 X 线像都要低，一般在 5mm，还要随组织深度而改变，实际上为 12cm。热图是一种红外线技术，它与温度有关，决定于血供与新陈代谢的情况。人体的病变组织（如肿瘤）加强了毛细结构及其有关联的新陈代谢性能，导致这部分组织的温度有别于其他组织。提取这种温度信息并显

9、像即得到热图。引起人体组织温度的异常分布有多种多样的原因，因此热图在肿瘤诊断中仅能提供一种提示，还不是一种满意的诊断方法。磁共振是根据核的弛豫时间差别和有关参数显像，在所有三维上的分辨力都是零点几毫米，在所有成像技术中是最高的。 （2）可检测性：X 线的可检测性随剂量、操作人员的技巧、观察条件和被检测体（肿瘤）与其周围组织的特点有关。常规的 X 线二维阴影图是人体内三维分布的器官和组织的投影图，很难得到深度的信息。加之，大多数软组织肿瘤的衰减系数与其周围组织相差无几，所以难于检测，至少要有 1cm大小时才能检出。采用一些加强对比度的措施，可以提高可检测性。核医学在正常组织里含有放射性后，才能在

10、这个背景上看出一个肿瘤来。多数情况下，可检测性在 12cm 之内。超声成像技术的对比度依赖于肿瘤和它周围组织之间的声特性差异。由于声特性差异比较显著，可检测性是足够的。显示3 医学超声仪器原理讲义 方面再采用一些后处理的措施，进一步提高了可检测性。 （3）定量研究：从定量的角度来说，最好的是核医学成像。X 线的透射型 CT 基本上是定量的。超声成像技术是一种定性的诊断手段，它多少与操作人员的主观因素有关。 （4）辐射伤害问题：核医学中实际上有许多辐射量是多余的。检查时间与核元素衰减的全部时间相比，是很短的，因此总是尽量采用半衰期短的核元素。然而诊断用的超声剂量，对遗传学上或体内生物效应上都是比

11、较安全的，这是一个引人注目的优点。热图没有什么危险。磁共振据称也是安全的。 1.1 超声波分类 超声波分类 自然界里有各种各样的波，但根据其性质基本上分为两大类：电磁波和机械波。电磁波是由于电磁力的作用产生的，是电磁场的变化在空间的传播过程，它传播的是电磁能量。无线电波、可见光和 X 线等，都是电磁波。电磁波可以在真空中和介质中传播。它在空气中传播的速度是 310 km/s。 机械波是由于机械力（弹性力）的作用，机械振动在连续的弹性介质内的传播过程。它传播的是机械能量。我们熟悉的电波、水波和地震波等都是机械波。机械波只能在介质中传播不能在真空中传播。速度一般从每秒几百米至几千米，比电磁波速度要

12、低得多。机械波按其频率可分成各种不同的波（表 1-2） 。 表 1-2 机械波分类 次声波 声音（可闻声波） 超声波 高频超声 特高频超声 16Hz 162104Hz 2104108Hz1081010Hz1010Hz 超声波是 2104108Hz的机械波。超声波的频率范围很宽，而医学超声的频率范围在 200kHz至 40MHz之间，超声诊断用超声频率多在 1MHz到10MHz范围内，相应的波长在 1.5mm至 0.15mm之间。从理论上讲，频率越高，波长越短，超声诊断的分辨率越好，但实际上目前由于各种因素限制，难以做出超过 10MHz的探头。 与普通声波（可闻波）相比，超声波具有许多特性，其中

13、突出的有： 由于超声波的频率高， 因而波长很短， 它可以像光线那样沿直线传播，4 第章 超声学基础1 使我们有可能只向某一确定的方向发射超声波； 由于超声波所引起的媒质微粒的振动， 即使振幅很小， 加速度也很大，因此可以产生很大的力量。 超声波的这些特性，使它在近代科学研究、工业生产和医学领域等方面得到日益广泛的应用。例如：我们可以利用超声波来测量海底的深度和探索鱼群、暗礁、潜水艇等。在工业上可以用超声波对金属内部的气泡、伤痕、裂缝等缺陷进行无损检测。在医学领域可以进行超声灭菌、超声清洗、超声雾化等。更重要的是做成各种超声诊断仪器和治疗仪器。 机械波有不同的分类也就有不同的名称。 1.1.1

14、按质点振动方向和波传播方向的关系分类 按质点振动方向和波传播方向的关系分类 图 1-1 横波与纵波示意图 相对于波的传播方向，质点的振动方向可以不同。波在介质中传播时，介质质点振动方向和波的传播方向互相垂直的称为横波，如图 1-1(a)所示。横波由切变弹性所引起， 也称切变波。 因此它仅在具有切变弹性介质中传播，即在固体和高粘滞流体中传播。人体软组织是一种似水介质（骨骼则属于固体） ，因此不产生横波。波在介质中传播时，介质质点振动方向与波的传播方向一致的称为纵波。纵波是由压缩弹性引起的。纵波通过时，介质中各点出5 医学超声仪器原理讲义 现周期性的稀疏和稠密，如图 1-1(b)所示，因此也称为疏

15、密波或压缩波。 横波和纵波是波的两种基本波型。因为人体软组织基本无切变弹性，横波在人体软组织中不能传播，而只能以纵波的方式传播。所以纵波是超声诊断与治疗中常用的波型。 传播过程中，一种波型引起另一种波型时称为波型转换。例如当一纵波以某一角度传到一固体平面上，在界面上就发生复杂的机械互作用，结果在固体中就有纵波与横波同时传播。超声诊断中，在软组织与骨骼界面上就会发生波型转换。由于横波的传播速度与方向均不同于纵波，因此会产生虚假的回波信号。 1.1.2 按波阵面的形状分类 按波阵面的形状分类 波从波源出发，在介质中向各个方向传播。在某一时刻介质中周相相同的各点组成的面称为波面。显然波面有无数个，最

16、前面的一个波面也就是波源最初振动状态传播的各点组成的面，通常又叫波阵面。波面有各种形状，波面为平面的波称为平面波，波面为球面的波称为球面波，波面为柱面的称为柱面波，如图 1-2 所示。 平面波对于研究问题来说最为简单，所以我们以后讨论公式时都指平面波。超声诊断中，探头发射的超声波在近场可视为平面波，在远场可视为球面波（或球面的一部分） 。但为了方便起见，我们把它都视为平面波。超声波与人体内微小障碍物（如红细胞）发生作用时，障碍物散射的超声波是球面波。 图 1-2 按波阵面形状分类 6 第章 超声学基础1 1.1.3 按发射超声的类型分类 按发射超声的类型分类 可分为连续波和脉冲波。连续波目前只在连续波多普勒血流仪中采用，A 型、M 型、B 型及脉冲多普勒血流仪均采用脉冲波。 1.2 波参数 波参数 1.2.1 声速 声速 声波在介质中单位时间内传播的距离，称为声速。声速 c 与介质的体积弹性系数 B 和密度有关，在同一介质中，声波还随其波型而异。在流体与气体介质中，纵向传播的平面波其声速为Bc=。 由于介质的弹性系数与