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1、第五章 超声波在生物医学中的应用,5.1 声波和超声,可闻声波频率范围20Hz20KHz。 超声波频率范围20KHz 1GHz，频率超过人耳听力范围。 特超声波频率10GHz。 次声波频率 20Hz 。,医学超声成像技术发展： 1906年由英国海军的刘易斯尼克森发明声纳； 20世纪40年代末，超声用于医学诊断（A型） ； 20世纪50年代初，临床使用脑回声图、M型超声心动图 ； 20世纪50年代末，超声多普勒技术 ； 20世纪60年代中，B型超声诊断仪 （14代） ； 20世纪70年代，“实时”超声诊断技术，灰阶显示取得突破性进展，多晶片换能器，多样化扫描； 20世纪80年代，与计算机技术相结
2、合，超声诊断信号数字化、处理微机化。,超声用于医学领域的优势： 超声波频率高、波长短，具有远高于可闻声波的空间分辨力； 超声波用于医学诊断具有安全、无损、价廉等优点； 超声的回波检测信号的信噪比和灵敏度较高。 波长与人体细胞尺度量级相当，故超声波与生物组织相互作用可发生在细胞水平上。,超声技术在医学领域的应用 超声波诊断: 向人体内发射超声波束，测量其反射或透射声波强度变化获得人体内部组织图像。 超声波治疗：利用超声波在生物组织中传播时产生的机械、发热、空化、触变等作用，对疾病进行治疗，如超声外科、超声碎石、超声治癌等。,超声产生的压电原理,生物医学工程中，使用得最多的是压电式超声换能器，其超
3、声产生机制是压电效应。 正向压电效应：应力形变-表面电荷 外力去掉后状态恢复，外力方向改变时电荷的极性随之改变。 逆向压电效应：电场力-电介质几何应变,能够产生压电效应的物体称为压电体。1955年PZT（压电陶瓷）锆钛酸铅问世以来，医用超声换能器所用的压电材料皆使用锆钛酸铅。 在压电体的正反表面上进行极化，覆盖上一层激励电极后，就成为压电振子，具有正压电效应和逆压电效应。,压电振子,换能器的压电振子相当于一个电容（具有容抗作用），在超声发射电路中与线圈形成并联谐振，得到高频激励电压，产生机械振动和超声波。,压电振子的等效电路,超声换能器的机械振荡是由高频电能激励产生的，反射回来的超声能量又通过
4、超声换能器转换为电脉冲，探头能将电能转换为声能，又能将声能转换成电能。,超声换能器,超声波垂直入射界面时的反射与透射问题,振幅关系:,两种媒质的波阻抗:,能通量之比:,边界连续条件方程的解:, 则R0，T0，有反射，有透射； 则R=0，T 0，无反射，全透射； 则R 1，T 0，几乎全反射，无透射； 则 R 1，T 0，几乎全反射，无透射。 反射超声能量的大小取决于两种介质的声阻抗率差 超声垂直入射时： 在空气软组织交界面上，声强反射系数为0.9989； 在软组织颅骨交界面上，声强反射系数为0.32。 即在这两种界面上，有99.9和32的超声能量被反射回来。这就是为什么超声诊断仪不能检查含气体
5、的脏器及对头颅检查困难的原因。 超声诊断仪检查时声波通路上必须避开骨和空气。,人体组织不同分界面在垂直入射时的声压反射系数,在超声换能器中，超声要通过几层特性阻抗不同的介质进行传播，假设平面超声波垂直入射，通过三层介质，如图：,透过薄层的超声波,式中：I1 第一层介质中的入射波能量,I3 第三层介质中的透射波能量,L2 中间层厚度,当 ，n =1,2,，且 时 可得：,晶体如直接与皮肤接触，由于两者声阻抗率相差较大，超声能量将有相当一部分反射回来，进入人体的只是一部分。 为此，在晶体表面增加一层匹配层，其厚度为波长的1/4，声阻抗等于晶体和皮肤声阻抗的几何平均，则超声能量就能全部透过匹配层进入
6、人体。,匹配层：,当 ，且非 ，（薄层、且非疏） 可得：,此时声波透过中间层传播的能量仅与Z1, Z3有关,而与中间层材料的特性Z2无关 因此，在超声诊断中耦合层的厚度应尽可能薄，只要把探头与皮肤间的气泡排除即可。超声换能器辐射面上的保护膜厚度也按此关系选用。,耦合层：,5.2 超声在生物组织中的传播,超声波换能器产生的超声波形成超声辐射场，其波动能量（声压或声强）具有一定的空间分布状态。,指向性,指向性图案中有一系列超声波束，辐射能量最集中或接收灵敏度最高的波束称为主波束（相当于主瓣），主波束旁侧的一系列次波束即相当于副瓣，主波束或主瓣两侧的两个方向之间夹角称为波束宽度。 波束宽度主要取决于
7、辐射器 的比值，波长越小则波束越窄。,近场与远场特性,近场区会出现声波相互干涉和衍射现象。 远场区声场呈立体圆锥体，声压随距离增大而单调衰减，近似于球面波扩散。,生物组织中的衰减特性,声波在传播过程中，振幅随传播距离按指数规律衰减。,：衰减系数,超声波在媒质中衰减的原因大致可归纳为两类： 其一为超声波束的扩散和散射； 其二是媒质的粘滞性、导热性、驰豫性所引起对超声的吸收。,超声波在生物组织中传播时，频率越高，吸收系数越大。,流体对超声波的吸收系数,人体组织对超声波的吸收衰减系数,超声波在人体组织中的半值层,纵向分辨力 区别声束轴线上两个物体的距离。 与超声的脉冲周期有关，脉冲周期越小，纵向分辨
8、力越高。,横向分辨力 区分处于与声束轴线垂直平面两个物体的能力。 与声束的宽度有关，波长越小、频率越高，则波束越窄，横向分辨力越高。,超声仪的分辨力是指能够分辨有一定间距的界面的能力。,超声波的分辨力,超声的探测深度与分辨力相互制约 超声频率与探测深度成反比，频率越高，探测深度越小。 超声频率与分辨力成正比，频率越高，分辨力越高。 检测浅表器官，采用高频探头；检测深部脏器，采用低频探头。,生物组织的声阻抗,人体组织按声阻抗率大致可分成三类, 体液及软组织： Z1.5105 瑞利 气体及充气的肺组织：Z0.0004-0.26105 瑞利 骨及钙化了的组织： Z5.57-8.3105 瑞利,声阻抗
9、率越大，超声纵波速度越快。 超声成像只能用于那些有液体和软组织的、且声波传播通路上没有气体或骨骼阻挡的区域。 在液体和软组织中，声速和声阻抗变化不大，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。 接收回波的时延与目标深度成近似的正比关系，这是B超诊断图像成功应用必要的物理基础。,1瑞利1g/cm2S,超声波在人体组织及几种材料的声阻抗值,超声对生物组织的作用,机械效应 声波能量作用于介质，引起质点高速细微的振动，产生速度、加速度、声压、声强等力学量的变化，从而引起机械效应。 利用：引起细胞的摩擦，能促进新陈代谢。 温热效应 由于生物组织对超声有吸收作用，一部分声
10、能转化为热能，使生物组织产生温升。 利用： 能使局部血管扩张，加快血液循环，促进病理产物的吸收消散。 局部加热至43oC，配合放射化疗治疗癌症。,超声对生物组织的作用,空化效应 因超声波作用而在软组织和液体中形成的空泡，会随着材料各处压力的变化而改变其大小，在一定超声压力情况下，气泡会破裂而产生冲击，引起材料的破碎或位移，这就是空化效应。空化有很大的破坏作用。 利用：可制成超声手术刀。 注意：避免强超声照射眼睛、怀孕子宫。 触变效应 生物组织结合状态的改变。 化学效应 因局部压力和温度的升高，发生常温常压下不可能发生的化学反应，这是超声的化学效应。 生物效应 上述机械、发热、空化等效应导致生物
11、组织特性变化,安全剂量 以上几种超声效应在一定剂量上，都不同程度地对人体组织有伤害作用，因此必须重视安全剂量。 安全阈值：100mW/cm2。与照射时间密切相关。 一般认为：在诊断的安全剂量内，不产生可检出的生物效应，对人体是安全无损的, 也无剂量积累。 在超声生物效应这个领域，目前还有很多问题尚未弄清。,5.3 医学超声诊断技术,5.2.1 超声脉冲反射法与相控阵扫描,医学诊断中主要应用超声波在生物组织内传播的反射、透射特性和声源与探头有相对运动时的多普勒效应。 A型、B型和M型超声成像仪器皆利用反射法； 彩色B超成像技术是反射法与多普勒技术相结合。,超声脉冲反射法 超声回波距离为s ，声速
12、为c，则时间间隔为：,相控阵扫描,超声波束以某个角度呈扇形地进行高速扫描，可在较窄小的透声窗口进行较大范围的扫描，从而可适当地避开体内某些组织（如胸骨或肋骨）障碍。 利用相控雷达的相控阵扫描原理使超声波束自动改变波阵面完成快速扇形扫描。,按工作原理分为,扫描方式有： 手动扫描直接接触复合扫描， 机械扫描（分高速线性扫描和高速扇形扫描）， 电子扫描（分多元线阵线性扫描和多元相控阵扇形扫描） 机械扫描与电子扫描相结合方式（如高速线性扫描与多元线阵线性扫描相结合、高速扇形扫描与多元线阵线性扫描相结合）。,5.2.1 医学超声成像仪器的类型与原理,A型、B型、M型超声成像原理： A型（幅度调制）横坐标
13、显示超声波的传播时间，纵坐标显示回波脉冲的幅度。 B型（亮度调制）回波信号强度进行亮度调制，显示组织截面图。 M型（时间-运动型）探头固定位置，回波信号强度调制亮度，连续扫描，得到一系列时刻的扫描图。主要用于心血管疾病诊断，又称超声心动图。,设超声（波速v）在人体传播衰减系数，反射率R(x,y,z)，回波信号e(t)为：,考虑到 为窄脉冲，故 等价于冲击函数，有近似：,：归一化常数,：声束横向分布,：经往返2z距离衰减,：延时2z/v的回波信号,：声速,：包络检波,：散射引起波幅损失,式中将 视为常数，移到积分号外。,在所有的超声成像系统中，信号处理单元多含有时间增益控制电路以补偿由于衰减和衍
14、射造成的信号损失。设补偿信号为,为时间增益补偿信号，e(t)为,对该式中空间参数（x,y,z）和时间参数t作不同处理和对回声信号采取不同显示方法，即有A型、B型、M型等各种类型的成像方法。,A型：,B型：,M型：,时间扫描信号X轴；深度信息Y轴；回波信号Z轴,深度信息X轴；回波信号Y轴,X向扫描位置X轴；深度信息Y轴；回波信号Z轴,Ovary benign tumors,（一）X线检查 （二）心电图检查 （三）超声心动图检查 是检测和定量二尖瓣返流的最准确的无创性诊断方法，二维超声心动图上可见二尖瓣前后叶反射增强，变厚，瓣口在收缩期关闭对合不佳；腱索断裂时，二尖瓣可呈连枷样改变，在左心室长轴面
15、上可见瓣叶在收缩期呈鹅颈样钩向左心房，舒张期呈挥鞭样漂向左心室。M型超声可见舒张期二尖瓣前叶EF斜率增大，瓣叶活动幅度增大；左心房扩大，收缩期过度扩张；左心房扩大及室间隔活动过度。多普勒超声显示左心房收缩期返流。左心声学造影见造影剂在收缩期由左心室返回左心房（如图）。,（四）放射性核素检查 （五）右心导管检查,距离选通式脉冲多普勒诊断仪,利用脉冲回波技术对回波信号进行距离选通，可测出在某一距离上血管中的血流运动情况。,5.4 医学超声治疗技术,超声波在生物组织中传播时，对生物组织产生机械、发热、空化、触变等一系列效应。 超声电疗法 超声药物透入疗法 超声雾化吸入疗法 超声手术刀 超声美容和超声减肥 超声波碎石,热疗在肿瘤治疗中的应用,1、公元前5000年，据说埃及有位名叫Edwin Smith的医生，其文稿中记载着用加温来治疗乳腺肿物。 2、德国医生Busch在1886年报告了一例2岁患面部肿瘤的幼儿，因感染丹毒，高热后肿瘤消失。 3、1884年Bruns报告了1例晚期黑色素瘤的患者，感染丹毒后高热40以上数日，肿瘤全部消失并存活8年。 4、1893年Coley记载38例诊断为晚期恶性肿瘤的患者，采用反复接种链球菌、丹毒等混合细菌毒素，诱发病人高热3942,结果12例肿瘤完全消失，19例好转。,超声热疗,5、1898年Westermark报道用局部热水灌注
