超声波在医学研究中的应用

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1、超声波在医学研究中的应用吴晶华医学物理与工程研究所 seu_1基本内容2声学基础超声波基础超声波诊断超声波治疗一.声学基础1. 声波 2. 基本概念 3. 多普勒效应 4. 声波类型31 声波声波 振动在弹性介质内的传播称为波动, 简称波。频率 在162104Hz之间, 能为人耳所闻的机械波, 称 为声波声波的物理特性 1.传播形式：在气体和液体中，纵波；在固体中， 纵波和横波。 2. 传播速度：与媒质的性质和温度有关， 与频率无关； 3. V固V液V气4声音的实质：机械振动在媒质中的传播2 基本概念波长：沿波的传播方向，两个相邻的、相位差为2 的振动质点之间的距离，即一个完整波形的长度。 周

2、期T：波前进一个波长的距离所需要的时间 频率f：周期的倒数 声速C：波动过程中，某一振动状态单位时间内所传播的距离。5物质温度 ()声速 (m/s)气体氦0965 空气20 344 空气0 332 氮0334 氧0331液体水251498 水201483固体玻璃50006000 铁50006000 铅2100 塑料1800不同介质下的声速3 多普勒效应声源与接收体之间的相对运动引起声波频 率发生改变的现象，频率的变化称为频移 fd fd= f- f0 = Vcosf0/cf0 为入射超声频率f 为回声频率 V 为物体的运动速度 C 为声速 cos为运动方向与声束方向间的夹角6多普勒效应示意图7

3、声源声源目标目标血流信息获取夹角对fd值的影响cos90cos900 0，血流迎向探头，血流迎向探头， f fd d为正值,称为为正值,称为正性频移正性频移cos90cos900 0，血流远离探头，血流远离探头，f fd d为负值,称为为负值,称为负性频移负性频移8血管血管 VC探头探头V =血流速度 C =声速 cos=血流与探头间夹角V =血流速度 C =声速 cos=血流与探头间夹角例:一火车汽笛的频率为650Hz，火车的速度 为15m/s,（c=340m/s)问： 1）驶向静止观察者 2）离开静止的观察者时所接收到的波长和频率 是多少？ 解：1）驶向观察者2)离开观察者时9fvcTvc

4、Ts sHzcf6805.0340fvcTvcTs sm55.065015340Hzcf2.61855.0340?340 ? 15 650? 0.5?4 声波频率低于16Hz的机械波，称为次声波; 高于 2104Hz的机械波，称为超声波。次声超声次声超声次声波人耳听不到 衰减极小，可远距离传播11次声技术已经广泛应用于地震、台 风预报，海洋、地球的遥感遥测低频噪声危害 据武汉晚报4月27日报道，一种噪音听来声音不大，对人伤 害却不小。武汉市环保局有关人土提醒市民，低频噪音污染也 要小心提防。汉口杨汊湖小区栋楼里的10多户居民，近来睡 不安神，可检查噪音，分贝又未超标，大家百思不得其解。经 环保

5、人士多方勘查，谜底才解开：原来，居民把喂鱼的供氧 器悬挂在墙上，其震动发出的低频噪声，搅得四邻不安。 斫口一家人搬入一套环境幽雅的新房后，竟然精神恍惚，头疼 欲裂。后来查清，是楼底变电房持续不断的低频噪音在“捣 鬼”。 人耳可闻的声音范围在20-20000赫兹之间，其中500赫兹以下的 噪音被称作低频噪音。低频噪音形式很多，包括“的士发动 引擎时的突突声、迪厅传出的跳舞者的脚步声、打桩机发出的 机器声、蜜蜂发出的“嗡嗡”声等。由于低频噪音在空气中传 播速度较慢，对入耳的刺激不大，难被人发现。 其实，低频噪音多由震动发音，与人的生理频率接近，若长期 接触，入易与之共振，引起神经、心脏不适最严重的

6、甚至导致 内出血。12低频应用：肺笛从空气中深吸15-20次，吸入的气体经肺笛 可在患者胸部产生持续的16赫兹振动，从 而可以将痰分解，患者更容易地将痰液咳 出来。131. Mucus congestion clogs lungs, is difficult to cough up. 2. Patient blows in Lung Flute, generating acoustic. These waves thin and loosen secretions deep in lungs, thus supporting the bodys natural mucusclearing sy

7、stem. 3. Patient is able to cough up thinned mucus so lungs clear and symptoms ease. Sound spectrum analysis shows the action of a low frequency acoustic wave as it produced a phase change in a viscous liquid, similar to changing gelatin into a liquid. 超声波（Ultrasonic Wave）蝙蝠的飞行本领14铁丝直径大于 0.34mm 不碰 撞

8、铁丝直径小于 0.07mm 碰撞回音定位回音定位二、超声波基础1. 压电效应 2. 脉冲超声波的产生 3. 压电与逆压电 4. 超声波波型 5. 超声的三个基本物理参数 6. 超声的物理特性 7. 超声应用151 压电效应某些固体物质，在压力（或拉力）的作用 下产生形变，从而使物质本身极化，在物 体相对的表面出现正、负束缚电荷，这一 效应称为压电效应。16石英晶体结 构拉力作用下的极化晶体的宏观极化石英晶体的压电效应石英晶体的压电效应2 脉冲超声波的产生 用于产生和接收超声波的材料一般被制成片状（晶片），并在其正反 两面镀上导电层（如镀银层）作为正负电极。如果在电极两端施加一 脉冲电压，则晶片

9、发生弹性形变，随后发生自由振动，并在晶片厚度 方向形成驻波，如图(a)所示。如果晶片的两侧存在其它弹性介质， 则会向两侧发射弹性波，波的频率与晶片的材料和厚度有关。适当选 择晶片的厚度，使其产生弹性波的频率在超声波频率范围内，则该晶 片即可产生超声波。在晶片的振动过程中，由于能量的减少，其振幅 也逐渐减小，因此它发射出的是一个超声波波包，称为脉冲波，如图 （b）所示17（a） 晶体振动(b) 脉冲波脉冲超声波的产生脉冲超声波的产生3 压电与逆压电压电效应: 接收超声波 逆压电效应: 产生超声波:施加 电压后会发生变 形。 超声波探头18逆压电效应示意图逆压电效应示意图 :发射超声发射超声正压电

10、效应示意图正压电效应示意图:接收超声接收超声压电换能器4 超声波波型超声波在介质中传播形式,三种： 纵波波型：当介质中质点振动方向与超声波的 传播方向一致。可在固体、液体、气体中传播 横波波型：当介质中质点的振动方向与超声波 垂直时，横波只能在固体介质中传播。 表面波波型：是沿着固体表面传播的具有纵波 和横波的双重性质的波。表面波可以看成是由 平行于表面的纵波和垂直于横波的横波合成， 振动质点的轨迹为一椭圆，在距表面1/4波长 深处振幅最强，随着深度的增加很快率减，实 际上离表面一个波长以上的地方，质点振动的 振幅已经很微弱了。19纵波20横波与表面波21横波表面波5 超声的三个基本物理参数频

11、率(f): 声波每秒振动次数，Hz。 波长(): 声波在一个振动周期内所通过 的距离，mm 声速(C): 声波在介质中每秒传播的距离， m/s22=f C（m/s）人体软组织声速平均为1540m/s人体软组织声速平均为1540m/s6 超声的物理特性方向性好 穿透性强 反射显著 功率较大23超声波的指向性频率高，波长短，呈直线传播24近场远场近场远场DD声源直径声源直径扩散角扩散角超声波的反射和折射反射 声阻抗(z)=介质密度()声速(c) Z0.1%即可产生反射 声阻抗差大，反射强 折射 两种介质内声速不同可产生 折射现 象 结果：导致入射声束的偏转25大界面大界面折射波折射波入射波反射波入

12、射波反射波超声波的超声波的入射入射、反射反射和和折射折射示意图示意图超声波的散射与绕射散射 遇界面远小于波长的微小粒子，超声波将产生 散射，人体内的散射源为红细胞和脏器内的细 微结构。绕射 目标大小约为1 2或稍小，超声波将绕过该 靶目标继续前进，很少发生反射。目标大小约为1 2或稍小，超声波将绕过该 靶目标继续前进，很少发生反射。26超声波的吸收与衰减声衰减定义： 是指声能随着传播距离而减弱的现象 衰减量=频率深度 频率高，衰减重 原因：吸收损耗、声束扩散、反射和折射27超声波的分辨力与穿透力频率高，分辨好，穿透差 频率低，分辨低，穿透强 对应的临床应用： 检测浅表器官，采用高频探头 检测深

13、部脏器，采用低频探头287 超声应用无损探伤 超声雾化 超声清洗 超声焊接 其它应用29无损探伤超声波遇到不同类型的 缺陷后产生不同反射波， 据此判断缺陷信息 检测表面、深处，而X 光探测无法做到30超声雾化利用超声波定向压强，使液体表 面隆起，在隆起的液面周围发生 空化作用，使液体雾化成小分子 的气雾。 使药物分子通过气雾直接进入毛 细血管或肺泡，达到治疗作用。 具有医疗、加湿、氧吧和美容的 功能； 过敏性鼻炎、鼻塞、鼻息肉、肺 气肿、急慢性咽炎、喉炎、气管 炎、支气管哮喘等上呼吸道感染 性疾病。31超声清洗 优点： 提高被清洗制件表面的洁净度。 若超声清洗的效果为100%，则刷洗(用化学试

14、剂)为90%，蒸 汽清洗(化学溶剂)为35%，溶剂压力清洗为30%，溶剂浸洗 为15% 清洗速度快、工效高 易碎物品或制件,外形结构比较复具有狭小缝隙、孔洞的制 件(或部件), 核工业及医疗中的放射性污染物的清洗 缺点： 若超声太厉害，会对物件有划痕32超声焊接焊区即两个焊接的交界面处声阻大，因此 会产生局部高温33金属焊接塑料焊接其它应用34超声马达超声搪锡超声加工外科手术刀弹性波作驱动 源，直接推动 直线或旋转运 动的体积小， 重量轻，在精 密机械、自动 控制等领域具 有良好的应用 前景。超声波振动，迫使磨 料悬浮液高速地不断 撞击、抛磨工件瞬时冲击加速度、微 声流及声空化，对软 组织进行

15、止血切开和 凝固在超声空化效应作用下，可以除去铝 件表面的氧化膜，并在未接触空气前 就把锡牢固地附在铝的表面。更多应用超声测硬度 厚度测量 液位和料位测量 厚度测量 超声温度计 流速和流量的测量35超声粘度计 超声乳化 超声粉碎 超声加湿器 声表面波器件超声医学36超声医学超声诊断学 利用超声诊断仪对人体器官疾病进行诊断的一 门学科 超声治疗学 利用超声诊断仪对人体器官疾病进行治疗的一 门学科 超声工程技术 就是对医用超声设备的研制和超声生物医学基 础的研究的一门学科37三.超声诊断1. 基本情况 2. 人体组织的声学分型 3. 超声诊断的临床运用价值381 基本情况a) 起源和发展 b) 五大影像诊断 c) 超声设备39a)起源和发展1942年奥地利的K T Dussik医生使用A型超声 装置用穿透法探测颅脑称为示波诊断法(A型 超声诊断法A型 超声诊断法)1952年美国D H Howry和Bliss两位医生开始研 究用超声显像法对人体疾病进行诊断称为超 声显像诊断法亦称(B型超声诊断法B型超声诊断法) 始于1958年,上海市第六人民医院安适等人将 超声诊断运用于临床,并成立了中国第一个超 声研究组中国超声医学工程学会中国超声医学工程学会的前身40b)五大影像诊断超声诊断 X射线 CT 同位素核扫描 核磁共振MR