超声波超声诊断仪的物理原理

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1、超声波超声波 超声诊断仪的物理原理超声诊断仪的物理原理第五章第五章返回返回教学要求：教学要求：1.重点掌握声强和声强级、等响曲线、多普勒 效应的意义 2.了解超声在介质中传播与衰减吸收的规律;3.了解响度和响度级、声与超声的基本性质和 数学表达式、超声的产生和超声场基本特征;4.了解声压、声阻、听力曲线、超声波的成像 原理及超声诊断仪.返回5.15.1 声声 波波 5.25.2 超声波的基本性质及数学表达超声波的基本性质及数学表达5.35.3 超声在介质中的传播规律超声在介质中的传播规律5.45.4 超声在介质中的衰减规律超声在介质中的衰减规律补充：补充：超声诊断仪常超声诊断仪常用名词解释以用

2、名词解释以 及探头知识介绍及探头知识介绍5.55.5 超声的产生及声场基本特征超声的产生及声场基本特征5.65.6 超声诊断仪的物理原理超声诊断仪的物理原理返回5.1 5.1 声声 波波返回5.1.1 5.1.1 声波的基本性质声波的基本性质10-4 100 104 108 1012 次声波地震 海啸 核爆炸可闻声波超声波特超声波语言 音乐 自然界老鼠 蝙蝠 海豚分子热振动返回声波的传播速度与介质性质有关,也和 介质的温度有关.（m/s）返回5.1.2 5.1.2 声强级声强级 听觉区域听觉区域 响度级响度级可闻声波频率范围内,能引起听觉的最 小声强刺激量,称为听阈听阈.人耳可容忍的最大声强刺

3、激量叫痛阈痛阈. .返回20 40 100 200 400 1000 2000 4000 10000 20000频率 （Hz） 110-1210-1010-810-610-210-4声 强W/m2120060204080100声强级dB120方060204080100响度级（1 1）听觉区域听觉区域 ( (anditoryanditory region) region)返回（2 2）声声 强强 级级 (intensity level)(intensity level)定定 义义其中单单 位位分贝（dB）意意 义义描述声音强弱的物理量返回（3 3）响响 度度 (loudness)(loudnes

4、s)人耳主观感觉到的声音的响亮程度 称为响度响度.响响 度度 级级规定1000Hz纯音的响度级在数值上就 等于它的声强级.响度级的单位响度级的单位: : 方返回1890年， 一艘名叫“马尔波罗号”帆船在从新西兰驶往英国的途中，突然神秘地失踪了。 1948年初，一艘荷兰货船在通过马六甲海峡时，一场风暴过后，全船海员莫明其妙地死光；上述惨案，引起了科学家们的普遍关注，其中不少人还对船员的遇难原因进行了长期的研究。返回经过反复调查，终于弄清了制造上述惨案的“凶手”，是一种为人们所不很了解的次声的声波。人体内脏固有的振动频率和次声频率相近似（0.000120赫），倘若外来的次声频率与体内脏的 振动频率

5、相似或相同，就会引起人体内脏的“共振“ ，从而使人产生上面提到的头晕、烦躁、耳鸣、恶 心等等一系列症状。返回5.2 5.2 超声波的基本性质及数学表达超声波的基本性质及数学表达返回声速表达式为同理可得在固体中传播的超声波横波波速为5.2.2 5.2.2 超声波的速度超声波的速度1. 1. 纵波在长细棒中的声速纵波在长细棒中的声速返回2. 2. 管状流体中的纵波波速管状流体中的纵波波速管状流体中的纵波波速表达式为返回5.3 5.3 超声在介质中的传播规律超声在介质中的传播规律返回超声波在界面发生反射和折射的条件是超声波在界面发生反射和折射的条件是: :（1）介质的声特性阻抗在界面处发生突变 ,或

6、者说“不连续”;（2）界面的线度远大于声波波长及声束横 截面积的直径.返回5.3.2 5.3.2 衍射与散射衍射与散射1. 1.衍射衍射 当超声传播遇到障碍物时,在一定条件下可 以绕过障碍物的边缘传播,即衍射衍射.如果超声的波 长与声阑线度相仿或大于声阑线度,衍射现象较 为明显,由于衍射与障碍物的线度有关,声波遇到 障碍物时会发生两种现象:返回声影.由于障碍物线度较大,超声波不能完 全绕过障碍物,因而在障碍物之后,存在 声波不能到达的空间,称之为声影.声影 在超声图象上表现为暗色,是探测不到的 盲区.与波长相仿的病灶探测不到.返回2. 2.散射散射如果介质中存在许多悬浮粒子,当超声传到 这些障

7、碍物上时,这些粒子又将成为新的波源而 向四周发射超声,其中有一部分声能就要偏离原 来的传播方向.这一现象就叫散射散射.一般用散射截面定量描述散射程度:其中W为总散射功率,Ii为入射声强.返回当散射物体线度d 时,散射不明显,主要 是反射;如果d ,散射明显,散射场强度均匀分布, 散射声强正比于1/ 4 ;如果d ,散射场强度分布复杂,与散射物 的阻抗,几何尺寸相关,表现为一定的角分布 .由上式可以得出:返回5 .5 .4 4 超声在介质超声在介质中的衰减规律中的衰减规律返回5.4.1 5.4.1 超声在介质中的衰减特征超声在介质中的衰减特征导致声波衰减的主要原因有以下几种：扩散衰减扩散衰减 这

8、是声波在空间传输中由于能量 分布的改变造成的衰减返回散射衰减散射衰减 这是声波与众多的散射中心多次 相互作用的过程,作用的结果是部分声能转化 为热能而散失掉.吸收衰减吸收衰减 吸收衰减的本质是声能转变为 其他形式的能量,包括人能及其他形式的机械 能等等.返回吸收的机制有：吸收的机制有：由于介质的粘滞性而产生的粘滞吸收;以热相互作用为特征的热传导和热辐射吸收 ;弛豫吸收,是指介质吸收声能后分子势能增 加,经一段时间后再以声波形式向外发射的过 程,吸收与声波频率关系甚大,介质性质对声波 的吸收亦有影响.返回5.4.4 5.4.4 超声与物质的相互作用超声与物质的相互作用1. 1.热作用机制热作用机

9、制被组织吸收的超声波对分子产生作用会导 致两种基本的结果：分子振动和转动能量可逆转性增加,使介 质温度上升 分子结构永久性地被改变返回3. 3.超声空化作用超声空化作用声空化可以定义为充有气体或水蒸气的 空腔在超声场作用下发生震荡的各种现象.2. 2.机械作用机械作用超声波在人体中传播时的振动和压力会对 细胞和组织结构产生直接的效应.返回5.5 5.5 超声的产生及声场基本特征超声的产生及声场基本特征返回超声探头超声探头高频脉冲 发生器高频脉冲 发生器压电晶体超声波返回5.6 5.6 超声诊断仪的物理原理超声诊断仪的物理原理返回超声诊断成像的基本原理以三个物理假定超声诊断成像的基本原理以三个物

10、理假定 为前提：为前提：（1）声束在介质中以直线传播;（2）在各种介质中声速均匀一致;（3）在各种介质中介质的吸收系数均匀一致.返回脉冲回波成像系统主要分为三部分：脉冲回波成像系统主要分为三部分：（1）换能器（2）信号处理部分（3）显示和记录部分返回超声成像原理及超声成像仪 Medison SONOACE 9900 Medison SONOACE 8000 返回超声模式分类：A模式B模式M模式D模式 返回1、 A型超声也称示波诊断法，是一种振幅的模式。 它在显示上形成垂直偏转的曲线图。 横坐标表示回声强弱 纵坐标表示回声时间（距离）回波振 幅探头返回取样线返回2、B型超声 是一种亮度的模式。其

11、图像由不同亮 度的点所组成的直线构成。点的亮度代 表接收到回声的振幅。 通过连续扫描，二维的剖面图像不断 地被更新，这就是实时B模式。返回返回3、M型超声M模式中的M表示运动，M模式通过B模式图像来显示一个光标，然后在以时间为轴线的波形图上表示其运动状态。通常M模式用于检测心脏及胎儿的心率。 纵坐标表示超声扫描传播时间，回 声代表被测结构的深度。 横坐标表示光点慢扫描时间返回TransducerTransducerTransducerTransduce r Line 45 t1Line 45 t2Line 45 t3Line 45 t4t 1 2 3 4 5 6 7.MM型原理示意图型原理示意

12、图返回M型取样线返回4、 D型超声应用多普勒效应原理，当探头与反射体之 间有相对运动，回声频率发生改变，称为频 移。频移的变化可以用检波器测量多普勒信号 音和曲线图，用频谱显示。返回多普勒（Doppler）主要用于检测心脏、血管内血液的 流向、流速及流量。 包括以下两种：- 频谱多普勒- 彩色多普勒 返回返回5、CDFI（彩色超声诊断）采用自相关技术获取血流差额信息，经伪彩编码后叠加于二维图像上。 红-黄色代表对向探头的血流 蓝-绿色代表背离探头的血流返回返回肾脏返回心脏返回30周胎儿的脸返回I am angry返回唇裂的胎儿返回唇裂的胎儿返回返回返回胎儿的手指返回主要常用名词解释 一台超声设

13、备硬件组成主要有哪几部分？主机 探头 显示器图图 像像返回1、全数字化数字化 处理 A/D放大 处理显示放大 滤波数字化 处理 A/D 前端数字化全数字化 后端数字化部分数字化返回2、动态范围 允许仪器接收回声信号幅度的变化范围。动态范围大，所显示图象的层次就越丰富。如果太大，图象较朦胧，如果太小，图象较粗。单位为分贝（dB）返回分辨率是指对两个靠近物体的识别能力，即 对图象的区分。分辨率几何分辨率灰度分辨率轴向分辨率侧向分辨率3、分辨率（1）返回3、分辨率（2） 纵向分辨率：表示在声束轴线方向上，对相邻回声图象的分辨能力可以用两回声点之间的最小可辨距离来表示，其值越小纵向分辨率越高，主要与超

14、声发射频率有关，频率越高，纵向分辨率越高。 横向分辨率：表示在垂直于声束轴线的平面上，对相邻回声图象的分辨能力，它可以用此平面上两回声点之间的最小可辩距来表示，其值越小，横向分辨率越高，主要与声束直径有关声束越细，横向分辨率越高。返回灰度（对比度）分辨率：是指对两个相似密度的物体的识别能 力。灰度分辨率几何分辨率平衡几何分辨率高灰度分辨率差几何分辨率高灰度分辨率差3、分辨率（3）返回探测深度 指仪器发射的超声波束可以穿透并能显示 出图象的被测介质的深度。 要提高仪器的探测深度，可以减低工作频 率或加大发射功率。 返回灰阶度 回声信号以不同亮度的亮度象素进行显示 ，灰阶度是把黑白之间的灰度区等分为16，32，64，128或256个灰阶级。仪器的灰阶度越高，其显示回声图的层次感越强，图象的清晰度就越高。返回图象帧频 指仪器每秒钟内可成像的帧数，帧频的升高会使图象质量降低 时间增益控制（TGC），超声强度随探测深度的增加而减弱，致使不同深度的发射回波强弱不等， TGC就是对来自不同深度的回声给予不同的增益补偿，也称为灵敏度时间控制(STC)。 返回后处理 对于灰度分布不均匀图象进行灰度修正或灰度变换返回帧相关 帧相关处理是指对图象帧与帧之间对应象 素灰度的平滑处理,能得到减低噪声,图象平整的效果 返回边缘增强 其目的是加强图象景物的轮廓，提高了图象的视觉尖锐度。 返