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1、,第二章 超声波的基础知识 basic knowledge of ultrasound,联系方式： Tel: 0516-83262244 Email: meilin-,第二章 超声波的基础知识 basic knowledge of ultrasound,一、超声波的产生 1.超声波的定义 电磁波：由于电磁力的作用产生，如无线电波、可见光、X线等。可以在真空中或介质中传播。 机械波：由于机械力作用产生，如声波、水波、地震波等。只能在介质中传播。,电磁波谱,电磁波的应用,无线电波 长波 中波 波长3000m 50m，频率100KHz 6MHz 短波 波长50m 10m，频率6MHz 30MHz 超
2、短波（或微波） 波长10m 1mm，频率30MHz 3 105MHz,红外线 波长1mm 700nm 热效应显著 应用：红外遥感，红外成像，红外取暖，理疗，红外加热，红外测温,紫外线 波长400nm 5nm 显著的化学效应和荧光效应 应用：杀菌消毒，荧光作用,电磁波谱,电磁波的应用,2.超声波产生的基本条件： 振动是声学的基础，只有声源的振动，才能发射出声波。,单一质点振动过程中，只是自身做能量的转换，不会发生能量的传递。,在连续的弹性介质中，当某一质点受到外界作用而在其平衡位置做机械振动时，通过质点间的弹性力作用，就会把这个振动传给与它相邻的质点，使后者也在自己的平衡位置附近振动，如此继续下
3、去，机械振动就在整个介质中传播开来。 机械振动的能量在弹性介质中传播开来，这就形成机械波。,由此可见，获得超声波要有两个基本条件： 一个做机械振动的物体，以持续的提供能量，即波源或振源； 必须有能传播这种振动的弹性介质，固体、流体、气体都是弹性介质，都可以传播超声波，真空中没有介质存在，所以不能传播机械波，包括超声波。,10-4 20Hz 次声波 20 2104Hz 可闻声波 2104 108Hz 超声波 108 1012Hz 特超声波,声波的频率分段：,医用超声频率多在1MHz到15MHz,二、超声波的特性： 机械波有纵波和横波之分： 纵波 质点的振动方向与波的传播方向相同 横波 质点振动方
4、向与波的传播方向垂直,纵波可以在固体、液体、气体介质中传播。 横波只能在固体中传播，因为液体和气体无切变弹性。 由超声诊断仪所发射的超声波，在人体组织中以纵波的方式传播。 人体软组织基本无切变弹性，横波在人体组织中不能传播。,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为波面。,探头发射的超声波近场可视为平面波，远场可视为球面波。,发射超声的类型： 连续波 脉冲波 目前，只有连续波多普勒血流仪使用连续波,与普通声波相比，超声波的特性有： 频率高、波长很短，像光线一样直线传播，指向性好。 介质微粒的振动加速度非常大，可以产生很大的力量。 超声波的应用:水下探测与定
5、位、工业探伤、医学领域的超声灭菌、超声治疗和诊断仪器等。,三、超声波的物理量 声速 声波在介质中单位时间内传播的距离,称为声速。,式中:为介质密度； k为介质的体积弹性模量,波长、周期和频率 介质中的质点在平衡位置往返振动1次所需要的时间叫周期, 用T表示,周期与频率成互为倒数关系 T = 1/ f = /c 在一个周期内,声波所传播的距离就是一个波长,用表示。 = c/f,频率和波长在超声成像中是两个极为重要的参数，波长决定了成像的极限分辩率，而频率则决定了可成像的组织深度。,声强 声强是表示声的客观强弱的物理量,它用每秒钟通过垂直于声波传播方向的1平方厘米面积的能量来度量。 I= P2/c
6、 声强与声源的振幅有关,振幅越大,声强也越大;振幅越小,声强也越小。 当声源发出的声波向各个方向传播时,其声强将随着距离的增大而逐渐减弱。 基于这一原理,在超声诊断探头发射超声时,必须考虑波束的聚焦。,声阻抗率 声阻抗率是描述声波传播弹性媒质的一个重要物理量。介质中某点有效声压P与振动质点速度有效值V之比称为声阻抗率。 Zs = Pv 对于各向同性的均匀媒质中无衰减的平面自由行波来说,介质各点的声阻抗率是同一个恒量： Zs = c 即只决定于媒质密度和波速c的乘积。 声阻抗率只与介质本身特性有关，又称特性阻抗,类似欧姆定律。,按声阻抗率不同，把人体组织分为3类： 气体和充气的肺 液体和软组织
7、骨骼 其中液体和软组织是超声诊断成功应用的 物理基础,四、超声波的传播特性 反射和折射 平面超声波在无限大界面上的反射和折射定律与光学相同。 sin1/ sin2=c1/c2,反射波的能量除取决于两种介质的声阻抗差别外，还取决于界面的大小，反射界面越大，反射波的能量也越强 当被探查的人体组织结构很小，与入射超声波的波长相差不多时，会产生波的衍射现象。 当被探查的组织结构小于入射波波长时，就会产生波的散射。,散射和绕射 散射条件 d 绕射条件 d d为障碍物尺寸,五、超声波在生物组织中的衰减 当超声波在生物组织中传播时，除组织对超声波的声束扩散、反射、散射等引起的能量的分散之外,组织对超声能量的
8、吸收也是造成超声衰减的重要因素。,在生物组织中,造成吸收衰减的内在原因主要有介质质点的粘滞性、导热系数和温度等因素。,超声衰减的大小与超声的频率有关,并与传播距离成正比,超声传播到其强度减弱一半的距离叫半价层,不同组织具有不同的介质密度和性质，具有不同的超声衰减系数,有实验结果表明,在115MHz超声频率范围内,人体组织对超声波的吸收衰减系数几乎与频率成正比。 根据探查部位的组织不同和深度不同,合理选择使用探头的频率,对诊断效果将有较大影响。,六、超声波的生物效应 超声波是一种依靠介质来传播的声波，它具有机械能，因此，在传播的过程中将不可避免地和介质相互作用。当超声作用于生物组织时，会对生物组织产生某些生物效应。 机械效应 引起细胞高速细微的振动，产生速度、加速度、声压、声强，高强度机械效应会使组织破裂损伤。 热效应 生物组织对超声的吸收，将部分声能转化为热能，使组织温度升高，过高会烧伤组织。,空化效应 当超声波作用于液体时，会使液体内部压力发生变化，产生压力或拉力，当拉力达到一定强度，可以使液体分子断裂，产生近于真空的空穴，引起空化效应（也称空穴效应）。 化学效应 由于生物组织局部压力与温度升高，会促使发生一些正常压力与温度下可能出现的化学反应。,诊断用超声剂量一般应小于安全剂量50焦耳平方厘米(Jcm2)，并且最大照射强度低于100mWcm2。,
