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1、第八章 超声波成像原理设备与临床应用,超声成像 ultrasonograghy, USG,定义： 利用超声波的物理特性和人体组织器官的声学特性相互作用而产生的信息，经处理后形成图形和曲线，借此进行疾病诊断的一种物理检查方法。,超声波的特点和优点,USG特点： 对软组织的分辨能力强 信息的显示有多种方法 USG优点： 无损伤、无痛苦、无辐射 实时、快捷、准确、方便,超声发展概况,40年代 探索阶段 50年代 A型、M型超声仪 70年代 灰阶实时超声（B型） 双功能超声仪（ B型+频谱） 80年代 彩色多普勒超声仪 （ B型+ 彩色+频谱） 90年代 新技术 （超声造影、谐波成像、 超高频探头、三
2、维超声等）,第一章 医学超声学基础,第一节 超声波的定义及特性 一、自然界中的波分为： 1、电磁波 2、 机械波 二、超声波为机械波的一种 次声波：f20kHz 医学超声：200kHzf40MHz 诊断超声：1MHzf10MHz,第二节 超声波的产生 振动是声学的基础，只有声源的振动，才能产生超声波，声源的振动在弹性介质中传播出去，就形成了超声波。,超声波的特性,超声波方向性好 超声波能量高 超声波的传播特性 超声波的传播能力,第三节 超声波的分类 一、按质点的振动方向和波的传播方向分类：横波和纵波。 1、横波：质点的振动方向和波的传播方向垂直的波； 2、纵波：质点的振动方向和波的传播方向一致
3、的波；,第四节 超声的特征量,频率和波长； 声速； 声压； 声阻抗： Z=rc 声强：单位面积通过的声能量。,一、声速：声波在介质中单位时间内传播的距离。 声速一般不随频率而变，即无频散现象。 一般来说，C固C液C气 。 人体软组织声速为1540m/s 二、波长，周期和频率 1、波长：声波在介质中传播时两个相邻同相位点之间距离； 2、周期：波向前移动一个波长所用的时间； 3、频率：单位时间内通过的波数； 三者之间的关系：=CT=c/f 波长决定了极限分辨率，而频率决定了探测深度。,三、声阻抗：声场中某一位置的声压与该处质点振动速度之比，即P/v=Z，只与介质的声学特性有关，又叫特征阻抗。 对于
4、平面波有：Z=c 四、声压和声强：单位面积上介质受到的压力称为声压。 对于平面波： 声压：P=cv=ZV 声强：I=P2/c 声功率：W=Is s为面积,超声的传播特性, 指向性 反射、折射、散射和绕射 吸收与衰减 分辨力与穿透力 多普勒效应,声波在介质中传播时,遇到不同声阻抗的分界面,会产生反射和折射, 反射波的强度由反射系数决定：反射声波的强度与入射声波的强度之比，用air表示； 透射波的强度由透射系数决定：透射声波的强度与入射声波的强度之比，用ait表示。,按声速和声阻抗的不同，人体组织可分为三类： 1、 气体和充气的肺 2、液体和软组织 3、骨骼和矿物化后的组织 由于这三类材料存在较大
5、的阻抗差别，声波很难从一类材料传到另一类材料区域中去，在液体和软组织中，声速和阻抗变化不大，使得声反射量适中，既保证了界面回波的显像观察，亦保证了声波可穿透足够的深度，而且接收回波的时延与目标深度成近似正比的关系，这是B超诊断成像的物理基础。,三、散射和绕射 反射和折射的前提条件是：反射界面对于入射波波长来说是无限大的，即d。 1、若d与接近，则发生绕射，超声波仅绕过障碍物的边缘前进， 2、若d，则发生散射，障碍物又成为新的波源，并向四周发射超声波。,第六节 超声在生物组织中的衰减 一、超声波的衰减：超声在介质中传播时，其声强随着距离的增加而减弱的现象。 主要包括：声束本身的扩散和介质的吸收（
6、粘滞、弛豫、分子相对运动、空化吸收等）。, 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, 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 检测深部脏器，采用低频探头, 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/c f0 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,多普勒效应示意图,多普
7、勒效应示例,血流信息获取,V =血流速度 C =声速 cos=血流与探头间夹角,cos900，血流迎向探头，fd为正值 称为正性频移 cos900，血流远离探头，fd为负值 称为负性频移,夹角对fd值的影响,超声成像的基本原理,声阻抗特性 声衰减特性 多普勒效应,人体组织的声学特征,无回声 （无反射型）胆汁、尿液、血液 低回声 （少反射型）肝、脾 强回声 （多反射型）血管壁、结石 极强回声（全反射型）肺、胃肠道,第二节 医用超声换能器,功能 电能量超声能量 相互转换 重要性 整台超声仪器性能的关键 材料性能种类 . 压电换能器超声诊断仪主要用之 . 磁致伸缩换能器超声治疗仪用之,超声诊断仪换能
8、器探头,超声诊断仪换能器探头,第一节 压电换能器,一、压电效应 1. 正向压电效应 材料两端加压力两电极产生电场 压力 形变晶格电偶极矩变化电荷积累电场 2. 逆向压电效应 材料两端加电压材料产生形变 电压电场晶格电偶极受力应力形变 材料正、逆向压电效应可逆,压电效应示意图,二、医用压电材料,1. 压电材料: 具有压电效应特性的材料。 2. 压电材料的种类 （1）压电单晶体 石英、酒石酸钾钠、磷酸二氢铵、铌酸钾、硫酸锂等 （2）压电多晶体 钛酸钡、偏铌酸铅、锆钛酸铅、铌镁-锆-钛酸铅等 （3）压电高分子聚合物 聚偏二氟乙烯等 （4）复合压电材料 聚偏二氟乙烯+锆钛酸铅复合（PVDF+PZT）等
9、,超声诊断中常根据不同的受检对象和部位选择不同的探头，如2 MHz、2.5 MHz、5 MHz、10 MHz等，探头的发射频率是由什么决定的呢？,探头的发射频率,当一交变电压加至压电材料上时，压电晶片表面产生相应的振动，并向与之接触的介质中辐射超声能量。除非特性阻抗相等，一般总有部分超声能量被压电晶片前后表面反射，在压电体内传向对面。因为前后表面振动反相，当 L=/2 时，压电体内传播时间 t = L/c = (/2)/c = (cT/2)/c = T/2 即：到达对面时，与相移180o的对面振动叠加，达到同 频同相叠加，辐射超声最强，即为谐振情况。对应频率 f = c/= c/2L 称基本谐
10、振频率，或基频。,一般地，基频或更高频率在压电体内传播从一个 表面到达对面所用时间为： t = Lc = (2n-1)T2n-1 2 (n=1,2,) 即： L= (2n-1)2n-1 2 或： f2n-1 = 1T2n-1 = (2n-1)c2L 时，都能达到谐振。 f1基频， f 3，f5，f7高次谐振频率， f1Lc2材料的频率常数,结论 探头的发射频率是由晶体的厚度决定的。,第二节 换能器的超声场,超声场 弹性介质中充满超声能量的空间，或超声传播时超 声能量在介质中的空间分布。 平面圆片换能器活塞振动的稳态超声场 活塞振动平面振动 稳态超声场不考虑 建立过程的稳定超声场 r, 极坐标
11、z 声轴方向 a 圆片半径,可看成无数频率、振幅、相位相同的点声源声场叠加， 在 B(r,)点积分求得P ，并进而求得I = P2/Z 一、轴向声场分布（=0, r可变） （1） 声轴上声强表达式 式中：Z介质声阻抗，V0速度振幅，波长 可见： （2）轴向声场分布图（据上式） 当0r r0，存在数个极大值和极小值， 当rr0 后，随着r的增大，声强逐渐减弱。,轴向上声场分布图,（3） 近场距离( r0 ) 式中，D=2a压电体直径，如a，则 声学上称： r r0远场区 （4）轴向声强分布特点 近场区：声强轴向起伏分布，但平均强度不变 远场区：声强轴向单调衰减，I 1r2,二、径向声场分布（r=
12、定值, 可变）,（1） 径向近场分布 近场衍射现象：声束截平面上声强分布为许多最 大强度和最小强度的同心圆环，环的数量随着距 离的增加而减少。 声能几乎不扩散，声束宽度接近相等（等于D）。 （2） 径向远场分布 波束如图26所示。 远场声强呈多个瓣形， 主瓣最强( 98% )， 旁瓣多但较弱。,（3） 主瓣角 又称半发射角或扩散角，表示声束集中程度 Sin 0.61a 一般角很小，sin ，故有 0.61a = 0.61cfa 可见： f ，和 a （4） 径向声场简化图 如图25(a)，声束成锥形发散，半发散角为 近场中零值点，可能引起盲点。远场中旁瓣，会造成 显示位置、距离测量等失真。需采
13、取措施改善。,第三节 探头的结构及其作用,超声探头超声检测用换能器 各种超声诊断仪，探头基本结构大致相同，以型为例。 一、探头的基本结构 压电晶片 吸声背块 匹配层 电极、导线 声隔离层 保护层 外壳,. 压电晶片,（1）晶片形状：圆片形、矩形、球壳圆片形、圆筒形,（2） 作用 发射、接收超声，即：电声、声电转换 （3） 要求 可加工性 银层牢固 各部分性能一致性 性能稳定性和可靠性 （4） 特性 晶片厚度确定发射超声的频率 晶片形状确定声束的形状和声场分布,2吸声背块,（1）作用 吸收晶体背向辐射的超声，减少或消除晶体两端 之间超声的多次反射造成的干扰 增大晶片阻尼，使发射脉冲窄，从而提高分
14、辨率 （2） 要求 与压电晶体的声阻抗相等，以全部吸收背向辐射 对超声的吸收力强，很快衰减，不再反射 （3）组成 环氧树脂 + 钨粉 + 橡胶粉 空气背衬，几乎全反射，效率最高，用于超声治疗仪。,3匹配层,（1）作用 使晶体辐射的超声有效进入人体，实现对人体组织的检查。换能器和人体之间声阻抗匹配，条件： 增加换能器的带宽 隔开晶体和人体，保护晶体，免受机械、化学 损坏；保护人体，免受激励电压的伤害。 （2）要求 衰减系数低 耐磨损 （3）材料 环氧树脂、二酊脂、乙二氨等,4电极、导线,（1） 作用 传输电信号 （2） 结构 晶体两面的银层为电极，各引出一根导线 5声隔离层 （1） 作用 壳体与振动体之间声隔离，防止超声传至外壳引起 反射，产生干扰 （2） 材料 软木、橡胶、尼龙等,二、单片换能器的基本型式,1非聚焦换能器 换能元件：平面圆片压电陶瓷 工作模式：厚度振动 2聚焦换能器（声学聚焦） 球面（曲面）压电体聚焦 声透镜聚焦 凹透镜 c透 c人（金属、多数塑料） 凸透镜 c透 c人，1,22,3. 换能器设计,三、探头使用注意事项,（1）严守使用规定 （2）小心轻放，不得摔跌 （3）关电源拆装 （4）避免接触有机溶剂 （5）保护透声面 （6）使用无腐蚀性的耦合剂 （7）非水密探头不能浸水使用 （8）不得高温消毒 （9）用前检查 （10）用后清洁,
