医学影像物理学：第七章 超声物理

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1、第七章第七章 超声波物理超声波物理重点内容重点内容： 声压与声强，声阻抗，传播规律，衰减规律；声压与声强，声阻抗，传播规律，衰减规律；超声的发生与接收；超声场声压的轴线与角分布；超声的发生与接收；超声场声压的轴线与角分布；多普勒效应及公式多普勒效应及公式 第八章第八章 超声成像超声成像 A超与超与M超的原理；超的原理；B超中的声束聚焦，电子超中的声束聚焦，电子扫描、扇扫；数字扫描变换器；多普勒信号扫描、扇扫；数字扫描变换器；多普勒信号（运动目标）的采集；多普勒谱分析方法；心功（运动目标）的采集；多普勒谱分析方法；心功能定量检测，彩超原理。能定量检测，彩超原理。2第七章 超声波物理第一节 超声波

2、的基本性质第二节 超声场第三节 声波在介质中的传播特性第四节 多普勒效应第一节 超声波物理基本性质第二节 超声场第三节 声波在介质中的传播特性第四节 多普勒效应第五节 血流动力学效应第七章第七章 超声波物理超声波物理3第七章 超声波物理第一节 超声波的基本性质一、超声波的分类二、超声波的产生机制三、声速、声压、声强与声阻抗第一节 超声波物理基本性质第二节 超声场第三节 声波在介质中的传播特性第四节 多普勒效应第五节 血流动力学效应机械波的产生和分类机械波的产生和分类2.分类分类（1）按机械振动频率）按机械振动频率1.机械波的产生机械波的产生 机械机械振动在介质振动在介质中的传播过程称为中的传播

3、过程称为机械波机械波（sound wave)(2) 按声源按声源2.分类分类（1）按机械振动频率）按机械振动频率20kHz 称为超声波称为超声波（ultrasonic wave)(2)按声源按声源纯音（纯音（simple)：声源的振动是单一频率的简谐振动声源的振动是单一频率的简谐振动乐音（乐音（musical sound):声源的振动是由一基频声源的振动是由一基频和若干谐频的简谐振动的合振动和若干谐频的简谐振动的合振动噪音（噪音（noise):声源作的是杂乱无章的非周期性振动声源作的是杂乱无章的非周期性振动6第七章 超声波物理第七章第七章 超声波物理超声波物理超声(ultrosound，US)

4、高频机械波20000Hz1015Hz人耳感觉不到超声波20Hz20000Hz诊断超声 频率高、波长短、方向性强、能量大、危害小人耳范围1MHz(106Hz)100MHz第一节 超声波物理基本性质第二节 超声场第三节 声波在介质中的传播特性第四节 多普勒效应第五节 血流动力学效应7第七章 超声波物理一、超声波的分类1.按振动形式分纵波横波气体、液体、固体固体2.按频率分(临床用)低频超声12.75MHz中频（常规）超声310MHz高频超声1220MHz超高频超声 20MHz3.按发射方式分类连续波脉冲波第一节 超声波物理基本性质第二节 超声场第三节 声波在介质中的传播特性第四节 多普勒效应第五节

5、 血流动力学效应8第七章 超声波物理1.连续波特征量正弦等幅波 超声频率与振幅稳定不变输出电功率Ue有效电压 电压峰值的0.707倍R声源负载阻抗10左右电功率转变成声功率一、超声波的分类第一节 超声波物理基本性质第二节 超声场第三节 声波在介质中的传播特性第四节 多普勒效应第五节 血流动力学效应9第七章 超声波物理振动持续时间 1.55s (1 s=10-6s)两个相邻脉冲前沿相隔时间 1. 脉冲宽度2.T 脉冲重复周期(PRP)2.脉冲波特征量(p143 图7-1）脉冲宽度 T脉冲重复周期Tr间歇期 （静止期）第一节 超声波物理基本性质第二节 超声场第三节 声波在介质中的传播特性第四节 多

6、普勒效应第五节 血流动力学效应10第七章 超声波物理脉冲波特征量每秒内脉冲重复出现的次数Tr =T - 3.f 脉冲重复频率(PRF)f =1/T 502000 Hz4.Tr 间歇期 (静止期) 相邻脉冲的间歇时间脉冲宽度 T脉冲重复周期Tr间歇期 （静止期）第一节 超声波物理基本性质第二节 超声场第三节 声波在介质中的传播特性第四节 多普勒效应第五节 血流动力学效应11第七章 超声波物理脉冲波特征量脉冲发射期间最大输出功率 单位时间输出的功率S= / Tr 0.007515.S 占空因子脉冲宽度与静止期之比6.W峰 峰值功率7.平均功率脉冲宽度 T脉冲重复周期Tr间歇期 （静止期）W=SW峰

7、第一节 超声波物理基本性质第二节 超声场第三节 声波在介质中的传播特性第四节 多普勒效应第五节 血流动力学效应（b）脉冲波的特征量（脉冲波的特征量（P143-144P143-144）1.脉冲宽度脉冲宽度: :(1.5-5(1.5-5s)s)2 2 脉冲重复周期脉冲重复周期: : 3 3 脉冲重复频率脉冲重复频率: f = 1/TT(50-2000Hz): f = 1/TT(50-2000Hz)4 4 脉冲间歇期脉冲间歇期: T: Tr r （ T Tr r T T）5 5 占空因子占空因子: : / T/ Tr r (0.0075%-1%) (0.0075%-1%)6 6 峰值功率峰值功率:

8、7 : 7 平均功率平均功率: : 13第七章 超声波物理超声探头应用压电式换能法发射和接收超声波压电式换能法 电磁能量 机械振动发射超声接收超声二、超声波的产生机制(2)弹性介质产生超声波必备条件:(1)声源第一节 超声波物理基本性质第二节 超声场第三节 声波在介质中的传播特性第四节 多普勒效应第五节 血流动力学效应 压电效应压电效应一一.超声探头超声探头1.作作 用用（1）将电磁能转变为超声波）将电磁能转变为超声波(发射发射 T)；（2）检测超声波的回波信号）检测超声波的回波信号(接收接收 R)。2.工作原理工作原理- 正正（ 反）反）压电效应：压电效应： 某些材料在机械作用下产生电场某些

9、材料在机械作用下产生电场的现象的现象。3.压电材料压电材料 压电陶瓷、压电晶体、压电陶瓷、压电晶体、 复合材料、高分子聚合物等复合材料、高分子聚合物等2.工作原理工作原理- 正正（ 反）反）压电效应：压电效应： 某些材料在机械作用下产生电场某些材料在机械作用下产生电场的现象的现象。3.压电材料压电材料 压电陶瓷、压电晶体、压电陶瓷、压电晶体、 复合材料、高分子聚合物等复合材料、高分子聚合物等19第七章 超声物理（1）压电效应机械能转变成电能超声接收换能器 机械力引起材料内部正负电荷重心相对位移,产生符号相反的表面电荷而产生电场。1、压电效应与电致伸缩效应20第七章 超声物理（2）电致伸缩效应(

10、逆压电效应） 电场引起材料内部正负电荷重心相对位移,内部产生应力导致宏观上的几何形变。电能转变成机械能压电陶瓷超声发射换能器21第七章 超声物理3.压电材料的选择4.压电效应的主要性能参数 Tc居里点：电畴结构完全解体压电效应消失的温度临界值（1）压电接收常数 g压电片单位形变产生的电位移单位 vm.N-1接收型换能器选择 g大的压电材料（2）压电发射常数d电场单位场强而产生的形变单位 m.v-1发射型换能器选择d大的压电材料22第七章 超声物理第一节 超声波的基本性质一、超声波的分类二、超声波的产生机制三、声速、声压、声强与声阻抗第一节 超声波物理基本性质第二节 超声场第三节 声波在介质中的

11、传播特性第四节 多普勒效应第五节 血流动力学效应23第七章 超声波物理三、声速、声压、声强与声阻(1)固体中传播纵波 Y杨氏模量 G切变模量 介质平均密度 横波1. 声速(c)单位:ms-1超声单位时间传播的距离第一节 超声波物理基本性质第二节 超声场第三节 声波在介质中的传播特性第四节 多普勒效应第五节 血流动力学效应24第七章 超声波物理横波：质点振动方向与波的传播方向相横波：质点振动方向与波的传播方向相垂直垂直垂直垂直的波的波.（仅在固体中传播（仅在固体中传播 ） 特征：具有交替出现的波峰和波谷特征：具有交替出现的波峰和波谷.25第七章 超声波物理纵波：质点振动方向与波的传播方向互相纵波

12、：质点振动方向与波的传播方向互相平行平行平行平行的波的波.（可在固体、液体和气体中传播）（可在固体、液体和气体中传播） 特征：具有交替出现的密部和疏部特征：具有交替出现的密部和疏部.26第七章 超声波物理 B 体积弹性模量(2)流体和气体只能传播纵波声速与介质性质有关与频率基本无关声速与温度成正比关系20空气中 343 ms-1水 中 1450 ms-1骨骼中比软组织中快3倍以上临床应用时超声速度在软组织中近似取1500ms-1 介质密度第一节 超声波物理基本性质第二节 超声场第三节 声波在介质中的传播特性第四节 多普勒效应第五节 血流动力学效应27第七章 超声波物理0 20 40 60 80

13、 100 T () c (ms-1) 1550 1450 1400 1500图7-2 蒸馏水在标准大气压下声速与温度变化曲线三、声速、声压、声强与声阻抗第一节 超声波物理基本性质第二节 超声场第三节 声波在介质中的传播特性第四节 多普勒效应第五节 血流动力学效应28第七章 超声波物理2.声压(p)压强瞬时值P与无超声传播时压强值 P0 之差超声介质中传播介质密度周期性变化瞬时压强P变化声压周期性变化三、声速、声压、声强与声阻抗第一节 超声波物理基本性质第二节 超声场第三节 声波在介质中的传播特性第四节 多普勒效应第五节 血流动力学效应29第七章 超声波物理2.声压(p)质点振动速度连续超声波运

14、动方程波源质点位移速度幅值 vm =A第一节 超声波物理基本性质第二节 超声场第三节 声波在介质中的传播特性第四节 多普勒效应第五节 血流动力学效应30第七章 超声波物理2.声压(p)声压数学表达式(7-7)仪器显示有效声压 pepm 声压幅值A 声振动幅值 介质密度c 波速 声波圆频率第一节 超声波物理基本性质第二节 超声场第三节 声波在介质中的传播特性第四节 多普勒效应第五节 血流动力学效应31第七章 超声波物理3.声强(I)与声压关系单位时间内通过单位横截面积的周期平均能量声波传播过程是声源能量以声速传播出去的过程三、声速、声压、声强与声阻抗第一节 超声波物理基本性质第二节 超声场第三节

15、 声波在介质中的传播特性第四节 多普勒效应第五节 血流动力学效应32第七章 超声波物理4.声阻抗(Z)声压与声振动速度之比。当声压与振动速度同位相时单位： 瑞利(Rayleigh)(10-1kgm-2s-1)声阻抗与温度有关三、声速、声压、声强与声阻抗第一节 超声波物理基本性质第二节 超声场第三节 声波在介质中的传播特性第四节 多普勒效应第五节 血流动力学效应33第七章 超声波物理血液 1.055 1570 1.656血浆 1.027 _ _大脑 1.038 1540 1.599小脑 1.030 1470 1.514脂肪 0.955 1476 1.410 软组织（平均值） 1.016 1500

16、 1.542肌肉（平均值） 1.074 1568 1.684肝 1.050 1570 1.648 肾 _ 1560 _脑积液 1.000 1522 1.522 颅骨 1.658 3860 5.571甲状腺 _ _ 1.620-1.660介质名称 密度（103kgm-3） 速度（ms-1） 声阻抗(106 Nsm-3 ) 三、声速、声压、声强与声阻抗（p146 表7-1）第一节 超声波物理基本性质第二节 超声场第三节 声波在介质中的传播特性第四节 多普勒效应第五节 血流动力学效应34第七章 超声波物理胎体 1.023 1505 1.540羊水 1.013 1474 1.493胎盘 _ 1541

17、_角膜 _ 1550 _水晶体 1.136 1650 1.874前房水 0.992-1.012 1495 1.486-1.513玻璃体 0.992-1.010 1495 1.483-1.510巩膜 _ 1630 _空气（22） 0.00118 334.8 0.000407三、声速、声压、声强与声阻抗第一节 超声波物理基本性质第二节 超声场第三节 声波在介质中的传播特性第四节 多普勒效应第五节 血流动力学效应35第七章 超声波物理(1)低声阻的气体或充气组织 如肺部组织(2)中等声阻的液体和软组织 如肌肉(3)高声阻的矿物组织 如骨骼人体组织分成三大类 三类组织声阻相差甚大，彼此不能传播声波超声

18、检测主要适用第二类组织三、声速、声压、声强与声阻抗第一节 超声波物理基本性质第二节 超声场第三节 声波在介质中的传播特性第四节 多普勒效应第五节 血流动力学效应36第七章 超声波物理 第二类组织中，声阻抗相差不大，声速大致相等，又可利用不同类组织间的声阻抗造成的反射、散射识别不同软组织与器官的形态和性质。这是超声成像及读片的基本物理依据。超声通过声阻抗差达到1的介质,可在其交界面上产生发射三、声速、声压、声强与声阻抗第一节 超声波物理基本性质第二节 超声场第三节 声波在介质中的传播特性第四节 多普勒效应第五节 血流动力学效应37第七章 超声波物理(3)声强级单位5.声强级(LI)与声压级(LP

19、) (2)定义声强级的生理学及物理学依据l人耳感觉声音强弱与声强对数成正比l人耳对声音感觉的强度范围甚大比较相差甚大的两信号声强比的对数I0 基准声强 10-12Wm-2贝尔（ Bel、 B） 分贝（dB） 1B=10dB(1)声强级(LI)38第七章 超声波物理5.声强级(LI)与声压级(LP) （2)声压级因为声强正比于声压的平方声压级与声强级数值上一样表现形式不同第一节 超声波物理基本性质第二节 超声场第三节 声波在介质中的传播特性第四节 多普勒效应第五节 血流动力学效应39第七章 超声波物理I1 始波强度I2 仪器可探测最小强度（3）临床用声强级表示仪器的探测灵敏度w 回波功率S 探头

20、面积U1、U2 输入、输出电压A1、A2 声压信号幅值(增益)第一节 超声波物理基本性质第二节 超声场第三节 声波在介质中的传播特性第四节 多普勒效应第五节 血流动力学效应40第七章 超声波物理第二节 超 声 场一、圆形单晶片声源的超声场二、声束的聚焦第一节 超声波物理基本性质第二节 超声场第三节 声波在介质中的传播特性第四节 多普勒效应第五节 血流动力学效应41第七章 超声波物理一、圆形单晶片声源的超声场超声能量空间分布状态用声压分布或声强分布描述换能器可看成许多微小面积声源的叠加每个微小声源的超声场形状用惠更斯原理计算超声场r 任意点至点源距离dS 点源面积k 波数 角频率p0 点源初始声

21、压对点源积分可得换能器在空间任意点的超声场第一节 超声波物理基本性质第二节 超声场第三节 声波在介质中的传播特性第四节 多普勒效应第五节 血流动力学效应42第七章 超声波物理声压幅值分布圆形晶片换能器沿中心法线上声压1.超声场轴线上的声压分布p0 晶片表面声压幅值 超声波长D 晶片直径一、圆形单晶片声源的超声场第一节 超声波物理基本性质第二节 超声场第三节 声波在介质中的传播特性第四节 多普勒效应第五节 血流动力学效应43第七章 超声波物理1.超声场轴线上的声压分布（1）近场区内声压分布声场中心轴上声压幅值随声程x变化而变化，范围是02 p0求出声场中心轴上声压最大及最小值观察近场区内声压分布

22、一、圆形单晶片声源的超声场第一节 超声波物理基本性质第二节 超声场第三节 声波在介质中的传播特性第四节 多普勒效应第五节 血流动力学效应44第七章 超声波物理近场区内声压分布1.超声场轴线上的声压分布l声压极小值pm=0此时X位置即声压极小值位置一、圆形单晶片声源的超声场第一节 超声波物理基本性质第二节 超声场第三节 声波在介质中的传播特性第四节 多普勒效应第五节 血流动力学效应45第七章 超声波物理物理意义直径为D圆形晶片，向弹性介质辐射波长超声波，应有个 极小值x不能为负晶片表面声压幅值不能为零n 取小于的正整数近场区内声压分布1.超声场轴线上的声压分布l声压极小值一、圆形单晶片声源的超声

23、场第一节 超声波物理基本性质第二节 超声场第三节 声波在介质中的传播特性第四节 多普勒效应第五节 血流动力学效应46第七章 超声波物理l声压极大值pm=2po此时x值位置为声压极大值位置近场区内声压分布1.超声场轴线上的声压分布一、圆形单晶片声源的超声场第一节 超声波物理基本性质第二节 超声场第三节 声波在介质中的传播特性第四节 多普勒效应第五节 血流动力学效应47第七章 超声波物理物理意义直径为D圆形活塞声源向弹性介质辐射波长 超声波，近场有包含0在内的 个极大值x不能为负且不能为零m=0 公式仍有意义m 取包含0在内小于 正整数l声压极大值近场区内声压分布1.超声场轴线上的声压分布一、圆形

24、单晶片声源的超声场第一节 超声波物理基本性质第二节 超声场第三节 声波在介质中的传播特性第四节 多普勒效应第五节 血流动力学效应48第七章 超声波物理直径D愈大愈短 频率愈高n和m 取值愈多,近场内声压起伏愈大,声压分布愈不均匀。一、圆形单晶片声源的超声场第一节 超声波物理基本性质第二节 超声场第三节 声波在介质中的传播特性第四节 多普勒效应第五节 血流动力学效应49第七章 超声波物理直径D愈大愈短 频率愈高n和m 取值愈多,近场内声压起伏愈大,声压分布愈不均匀。一、圆形单晶片声源的超声场第一节 超声波物理基本性质第二节 超声场第三节 声波在介质中的传播特性第四节 多普勒效应第五节 血流动力学

25、效应50第七章 超声波物理近场区长度用m=0处声压极大值的位置来表示L 近场长度半径a愈大，超声频率愈高，近场长度L愈长声学上称L以内的近场区为菲涅尔(Fresnel)区一、圆形单晶片声源的超声场第一节 超声波物理基本性质第二节 超声场第三节 声波在介质中的传播特性第四节 多普勒效应第五节 血流动力学效应51第七章 超声波物理x 较大A为圆形晶片面积泰勒(Taylor)级数运算得远场区内声压分布声程x大于近场长度L区域内声压呈单值变化一、圆形单晶片声源的超声场第一节 超声波物理基本性质第二节 超声场第三节 声波在介质中的传播特性第四节 多普勒效应第五节 血流动力学效应52第七章 超声波物理一般

26、远场满足三角函数性质(很小 sin)一、圆形单晶片声源的超声场第一节 超声波物理基本性质第二节 超声场第三节 声波在介质中的传播特性第四节 多普勒效应第五节 血流动力学效应声压P与距离x按反比例减弱P与x反比关系在x5L时才明显表现53第七章 超声波物理一般远场满足三角函数性质(很小 sin)声压P与距离x按反比例减弱P与x反比关系在x5L时才明显表现一、圆形单晶片声源的超声场第一节 超声波物理基本性质第二节 超声场第三节 声波在介质中的传播特性第四节 多普勒效应第五节 血流动力学效应54第七章 超声波物理主瓣 副瓣 20 10 0 10 202.超声场的角分布换能器指向性 即描述声束集中程度

27、声压不但随距离而变=0 声压最大在中心轴及其以外的声压不均匀分布中心部出现一主瓣，主瓣旁出现许多副瓣。还随方向角而变表现为主瓣称主声束单晶片的指向性第一节 超声波物理基本性质第二节 超声场第三节 声波在介质中的传播特性第四节 多普勒效应第五节 血流动力学效应55第七章 超声波物理2.超声场的角分布声压空间角分布表示r 圆片中心到场点距离 r与轴线间的夹角J1 第一类贝塞尔函数一、圆形单晶片声源的超声场主瓣 副瓣 单晶片的指向性20 10 0 10 20第一节 超声波物理基本性质第二节 超声场第三节 声波在介质中的传播特性第四节 多普勒效应第五节 血流动力学效应56第七章 超声波物理Dc 指向性

28、因数距晶片中心距离为r并与声场中轴线成角处的声压与中心轴线上同样距离r处的声压之比超声强度角分布的相对值当kasin=3.83，7.02，10.17等时J1等于零Dc等于零数值相应的角方向上没有辐射波一、圆形单晶片声源的超声场第一节 超声波物理基本性质第二节 超声场第三节 声波在介质中的传播特性第四节 多普勒效应第五节 血流动力学效应57第七章 超声波物理 半扩散角Dc=0的第一点即kasin=3.83时相应的角度D 圆形晶片直径主瓣指向角的Franhofer公式 越小D 越大L越大、越小超声成束性越好d 方形晶片边长一、圆形单晶片声源的超声场第一节 超声波物理基本性质第二节 超声场第三节 声

29、波在介质中的传播特性第四节 多普勒效应第五节 血流动力学效应58第七章 超声波物理 近场内超声束平行度最高，反射界面与晶片垂直性最好，反射声强较高，失真度小，但在近场近晶片端，由于发射干扰可存在盲区远场有声束扩散，声束不平行反射声强较弱，失真度高医学诊断要求超声束扩散角 在3.5以下超声束截面积太大可使超声横向分辨力降低一、圆形单晶片声源的超声场第一节 超声波物理基本性质第二节 超声场第三节 声波在介质中的传播特性第四节 多普勒效应第五节 血流动力学效应59第七章 超声波物理B为常数二、声束的聚焦1.超声聚焦原理声束宽度限制横向分辨力使用声聚焦探头减小声束宽度集中治疗肿瘤不损坏正常组织声程x及

30、焦距f大于晶片半径a(xa，fa)聚焦声束轴上声压幅值第一节 超声波物理基本性质第二节 超声场第三节 声波在介质中的传播特性第四节 多普勒效应第五节 血流动力学效应60第七章 超声波物理焦点上声压增加到 倍表示声压在焦点处上升程度愈短，p上升幅度越高，聚焦效果愈好但焦距 f 不能比近场长度L小得太多否则焦点后面声束迅速扩散，无法探测信息( 一般 f 在L附近 )。值表达式二、声束的聚焦第一节 超声波物理基本性质第二节 超声场第三节 声波在介质中的传播特性第四节 多普勒效应第五节 血流动力学效应61第七章 超声波物理焦点处超声强度不得超过安全值为获得细长声束，须综合考虑半径a、波长和焦距 fd

31、的大小影响超声诊断的横向分辨力实际应用希望焦点直径d小，焦距f大，但这是矛盾的a 探头晶片半径理想球面透镜焦点直径 d 与波长 和焦距 f 的关系超声功率小于200 Wm-2对人体无害二、声束的聚焦第一节 超声波物理基本性质第二节 超声场第三节 声波在介质中的传播特性第四节 多普勒效应第五节 血流动力学效应62第七章 超声波物理2.声聚焦方法（1）声透镜聚焦凹透镜（2）曲面换能器聚焦晶片型探头（3）电子聚焦多晶片电子聚焦换能器两边延迟时间最小并对称中央延迟线延迟时间最大由两边向中间依次振动形成圆形波阵面 圆心即聚焦点第一节 超声波物理基本性质第二节 超声场第三节 声波在介质中的传播特性第四节

32、多普勒效应第五节 血流动力学效应63第七章 超声波物理电子聚焦二、声束的聚焦2.声聚焦方法第一节 超声波物理基本性质第二节 超声场第三节 声波在介质中的传播特性第四节 多普勒效应第五节 血流动力学效应64第七章 超声波物理 改变晶片间相对延迟时间，能改变声束的方向。对各晶片依次加上线性递变延迟激励脉冲，超声束方向偏转一个角度，不断改变这个角度，可得到扇形扫描超声束，即相控扇形扫描。为提高横向分辨力，常采用相控阵聚焦方法，用不同超声换能器实现线性扫描成像、扇形扫描成像及各种复合扫描成像。 电子聚焦换能器是B超诊断仪采用的一种换能器。二、声束的聚焦第一节 超声波物理基本性质第二节 超声场第三节 声

33、波在介质中的传播特性第四节 多普勒效应第五节 血流动力学效应65第七章 超声波物理一、反射与透射二、衍射与散射三、声波在介质中的衰减规律四、声波的波形转换和声学谐波五、声波通过介质薄层的特征第三节 声波在介质中的传播特性第一节 超声波物理基本性质第二节 超声场第三节 声波在介质中的传播特性第四节 多普勒效应第五节 血流动力学效应66第七章 超声波物理 声学中介质是以声阻抗划分，声波介质界面就是声阻抗不同的介质分界面。在声学介质中，两物质物理性质不同，或由不同的原子、分子组成，如果其声阻抗相同，则认为它们是声学的同种均匀介质，其间不存在界面。一、反射与透射第一节 超声波物理基本性质第二节 超声场

34、第三节 声波在介质中的传播特性第四节 多普勒效应第五节 血流动力学效应67第七章 超声波物理超声波传播遵循几何声学原则反射或透射的条件介质声阻抗界面处突变 “不连续”界面线度远大于声波波长及声束直径直线传播遇到界面发生反射和透射临床上反射回声带来体内脏器及大界面信息一、反射与透射第一节 超声波物理基本性质第二节 超声场第三节 声波在介质中的传播特性第四节 多普勒效应第五节 血流动力学效应68第七章 超声波物理研究声波传播特性基本依据声压连续法向速度连续能量守恒界面两侧声压相等质点振动速度在垂直界面的分量相等一、反射与透射第一节 超声波物理基本性质第二节 超声场第三节 声波在介质中的传播特性第四

35、节 多普勒效应第五节 血流动力学效应69第七章 超声波物理1. 反射系数Z2Z1c1c2 rvrpr tvtpt反射声压pr和入射声压pi之比pt 透射声压质点振动速度与声传播方向相同如图 向下方向定为正两个连续 ivipi（1）声压反射系数第一节 超声波物理基本性质第二节 超声场第三节 声波在介质中的传播特性第四节 多普勒效应第五节 血流动力学效应70第七章 超声波物理结合速度、声压与声阻抗关系联立导出1. 反射系数第一节 超声波物理基本性质第二节 超声场第三节 声波在介质中的传播特性第四节 多普勒效应第五节 血流动力学效应（1）声压反射系数71第七章 超声波物理声波垂直入射Z2Z1rplZ

36、1Z2半波损失全反射且反射波与入射波位相突变Z1=Z2rp= 0Z1Z2rp0rp-1全反射无透射全透射反射波与入射波反相1. 反射系数第一节 超声波物理基本性质第二节 超声场第三节 声波在介质中的传播特性第四节 多普勒效应第五节 血流动力学效应（1）声压反射系数72第七章 超声波物理表7-2在生物介质不同界面超声垂直入射时的声压反射系数 水 0.350 0.570 0.007 0.035 0.007 0.029 0.020 0.047 0 脂肪 0.390 0.610 0.047 0.049 0.054 0.076 0.067 肌肉 0.330 0.560 0.020 0.015 0.013

37、 0.009 皮肤 0.320 0.560 0.029 0.006 0.022 脑 0.340 0.570 0.0 0.028 肝 0.320 0.550 0.028 血液 0.350 0.570 颅骨 0.290 名称 荧光树脂 颅骨 血液 肝 脑 皮肤 肌肉 脂肪 水查表 声波由水入脑的 r0.007计算分贝第一节 超声波物理基本性质第二节 超声场第三节 声波在介质中的传播特性第四节 多普勒效应第五节 血流动力学效应73第七章 超声波物理1. 反射系数分贝(dB)表示反射声强与入射声强之比(2)声强反射系数第一节 超声波物理基本性质第二节 超声场第三节 声波在介质中的传播特性第四节 多普勒

38、效应第五节 血流动力学效应74第七章 超声波物理2. 全反射 超声波透射定律 rZ2 i tZ1c1c2vivrvt t ib如图clZ2 tP0 超声强烈反射无透射Z1Z2 tP1 超声全部透射 Z2 Z1 tP2 驻波现象 反射强烈 第一节 超声波物理基本性质第二节 超声场第三节 声波在介质中的传播特性第四节 多普勒效应第五节 血流动力学效应79第七章 超声波物理声压透射系数3. 透射系数声波垂直入射 超声在界面反射和透射只有垂直入射声强才能守恒一、反射与透射第一节 超声波物理基本性质第二节 超声场第三节 声波在介质中的传播特性第四节 多普勒效应第五节 血流动力学效应80第七章 超声波物理

39、二、衍射与散射1.衍射 超声波长与物体尺寸可以比拟甚至更大时，会发生衍射和散射现象 界面或障碍物线度与超波长相近，超声绕过障碍物传播声影 声波不能完全绕过线度较大障碍物其后存 在声波不能达到的空间图像表现为暗区，是探测不到的盲区第一节 超声波物理基本性质第二节 超声场第三节 声波在介质中的传播特性第四节 多普勒效应第五节 血流动力学效应81第七章 超声波物理1.衍射与波长相仿的病灶探测不到 声波完全绕过与其波长相仿的病灶不形成反射回波 不形成病灶轮廊图像可存在反向散射 可判定病灶性质二、衍射与散射第一节 超声波物理基本性质第二节 超声场第三节 声波在介质中的传播特性第四节 多普勒效应第五节 血

40、流动力学效应82第七章 超声波物理2.散射界面或障碍物线度小于且接近超声波波长，传播方向连续改变。悬浮粒子成为子波源（散射中心）向空间各方向发射散射波（子波）形成干涉空间（散射波场）干扰入射波（入射波与子波相干涉）超声入射悬浮粒子(尘埃、烟雾、杂质、气泡等)二、衍射与散射第一节 超声波物理基本性质第二节 超声场第三节 声波在介质中的传播特性第四节 多普勒效应第五节 血流动力学效应83第七章 超声波物理2.散射 散射截面定量描述散射程度W 总散射功率Ii 入射声强二、衍射与散射第一节 超声波物理基本性质第二节 超声场第三节 声波在介质中的传播特性第四节 多普勒效应第五节 血流动力学效应84第七章

41、 超声波物理3.结论ddZ2 如Z2为软组织间的空气薄层声束不能透射五、声束通过介质薄层的特征第一节 超声波物理基本性质第二节 超声场第三节 声波在介质中的传播特性第四节 多普勒效应第五节 血流动力学效应108第七章 超声波物理相当于声束垂直通过Z1、Z3 介质薄层消失 2. d =2/2，2，3/22，n2/4 (n 不等于零的偶数)，或d v2v0，I 、r90f0、c、i、r一定，fd与血流速度 v有关测得fd可求得相应血流速度v若 i=r=f与fo存在差频，即多普勒频移 fd二、多普勒效应的数学表示第一节 超声波物理基本性质第二节 超声场第三节 声波在介质中的传播特性第四节 多普勒效应

42、第五节 血流动力学效应119第七章 超声波物理2.矢量公式及物理意义 多普勒频移与入射角和反射角大小密切相关引入矢量表示更为直观 速度矢量波矢量方向沿声波传播方向二、多普勒效应的数学表示第一节 超声波物理基本性质第二节 超声场第三节 声波在介质中的传播特性第四节 多普勒效应第五节 血流动力学效应120第七章 超声波物理2.矢量公式及物理意义 多普勒频移矢量表示式超声多普勒技术理论的最基本数学模型分析超声仪器对速度矢量的检测灵敏度二、多普勒效应的数学表示第一节 超声波物理基本性质第二节 超声场第三节 声波在介质中的传播特性第四节 多普勒效应第五节 血流动力学效应121第七章 超声波物理二、多普勒

43、效应的数学表示方向与成1800d负值方向水平轴向流动灵敏度高横向流检测不灵敏发射和接受换能器处于血管两侧无法避免有碍声波传播的骨骼、气腔等缺点(a)第一节 超声波物理基本性质第二节 超声场第三节 声波在介质中的传播特性第四节 多普勒效应第五节 血流动力学效应122第七章 超声波物理二、多普勒效应的数学表示方向与成1800d负值方向水平轴向流动灵敏度高横向流检测不灵敏发射和接受换能器处于血管两侧无法避免有碍声波传播的骨骼、气腔等缺点(a)第一节 超声波物理基本性质第二节 超声场第三节 声波在介质中的传播特性第四节 多普勒效应第五节 血流动力学效应123第七章 超声波物理(b)d =0任何方向流速

44、都不灵敏二、多普勒效应的数学表示第一节 超声波物理基本性质第二节 超声场第三节 声波在介质中的传播特性第四节 多普勒效应第五节 血流动力学效应124第七章 超声波物理(b)二、多普勒效应的数学表示d =0任何方向流速都不灵敏第一节 超声波物理基本性质第二节 超声场第三节 声波在介质中的传播特性第四节 多普勒效应第五节 血流动力学效应125第七章 超声波物理(c)轴向流不灵敏垂向流高灵敏度垂直d =0二、多普勒效应的数学表示第一节 超声波物理基本性质第二节 超声场第三节 声波在介质中的传播特性第四节 多普勒效应第五节 血流动力学效应126第七章 超声波物理(c)二、多普勒效应的数学表示轴向流不灵

45、敏垂向流高灵敏度垂直d =0第一节 超声波物理基本性质第二节 超声场第三节 声波在介质中的传播特性第四节 多普勒效应第五节 血流动力学效应127第七章 超声波物理(d)倾斜既能测定水平流速，也能测定垂直流速发送器、接收器处于同一侧且比较接近，可固定在一个换能器中最实用二、多普勒效应的数学表示第一节 超声波物理基本性质第二节 超声场第三节 声波在介质中的传播特性第四节 多普勒效应第五节 血流动力学效应128第七章 超声波物理(d)二、多普勒效应的数学表示倾斜既能测定水平流速，也能测定垂直流速发送器、接收器处于同一侧且比较接近，可固定在一个换能器中最实用第一节 超声波物理基本性质第二节 超声场第三

46、节 声波在介质中的传播特性第四节 多普勒效应第五节 血流动力学效应129第七章 超声波物理三、频移信号的采集1.血流方向的判定血流朝向超声探头为v的正方向，相反为负方向v值代入公式，得出fd值 (正值或负值)超声多普勒根据fd正负值判别血流方向血管第一节 超声波物理基本性质第二节 超声场第三节 声波在介质中的传播特性第四节 多普勒效应第五节 血流动力学效应130第七章 超声波物理三、频移信号的采集2.最大频移信号的取得第一节 超声波物理基本性质第二节 超声场第三节 声波在介质中的传播特性第四节 多普勒效应第五节 血流动力学效应进行超声多普勒检查时，为了获得最大的频移信号，超声束和血流方向尽可能

47、的平行i=r=0。但这样增加了衰减损耗，实际应用取i=r=45。fd与超声束和血流方向夹角余弦成正比, 声束与血流方向平行时，多普勒频移为最大正值，随两者夹角的增大，fd逐渐减小 131第七章 超声波物理三、频移信号的采集3.测量高速血流第一节 超声波物理基本性质第二节 超声场第三节 声波在介质中的传播特性第四节 多普勒效应第五节 血流动力学效应测量高速血流尽可能选用低频探头fd大小与发射频率f0成正比，与声速c成反比fd一定，f0越小，测量流速v越大132第七章 超声波物理4. K值（探头定标系数） 实际检查fo 选定不变，c在人体中为定值。fo 和c可视为常数，用K表示声束平行血流方向 v

48、 =Kfd v 取决于fdf0为2MHz，K=0.39m.s-1 f0为4MHz，K=0.20ms-1f0为8MHz，K=0.10m.s-1新型仪器 f0自动转换为血流速度三、频移信号的采集第一节 超声波物理基本性质第二节 超声场第三节 声波在介质中的传播特性第四节 多普勒效应第五节 血流动力学效应133第七章 超声波物理第五节 血流动力学效应一、实际液体的流动三、感应 四、涡漩发生距离五、掩盖六、减速的不稳定性二、连续效应第一节 超声波物理基本性质第二节 超声场第三节 声波在介质中的传播特性第四节 多普勒效应第五节 血流动力学效应134第七章 超声波物理一、实际液体的流动层流(片流) 湍流(

49、紊流)粘性液体基本流动状态1.层流分层流动不混杂速度分布窄方向一致 无声2.湍流 相互混杂3.涡流 湍流基础上旋转运动 Re2000 湍流Re2000 层流4.雷诺数(Re)速度梯度大 有声音判断流体流动状态第一节 超声波物理基本性质第二节 超声场第三节 声波在介质中的传播特性第四节 多普勒效应第五节 血流动力学效应135第七章 超声波物理 河流中可见发生于水中某处的旋涡，可以从一处移动到相当远的另外一处。液流中一旦出现湍流，它会一直维持下去直到某些流变学因素引起层流重建为止连续效应（series effect）湍流可在一个液流连续区域内从一处传到另一处二、连续效应第一节 超声波物理基本性质第

50、二节 超声场第三节 声波在介质中的传播特性第四节 多普勒效应第五节 血流动力学效应136第七章 超声波物理连续效应（series effect）二、连续效应第一节 超声波物理基本性质第二节 超声场第三节 声波在介质中的传播特性第四节 多普勒效应第五节 血流动力学效应137第七章 超声波物理三、感应感应（induction） 身体一个部位的湍流可以传布到与之并无液流连续性，而有物理连续性的另一部位 与连续效应不同，感应指的是湍流透过非液流连续区。如透过血管壁或其他组织，传布到另一液流区域的现象第一节 超声波物理基本性质第二节 超声场第三节 声波在介质中的传播特性第四节 多普勒效应第五节 血流动力

51、学效应138第七章 超声波物理感应（induction）三、感应第一节 超声波物理基本性质第二节 超声场第三节 声波在介质中的传播特性第四节 多普勒效应第五节 血流动力学效应139第七章 超声波物理 多普勒超声心动图检查时如未发现射流区，湍流的发现则仅能证明有病变存在，这时必须确定引起湍流的狭窄部位。四、涡漩发生距离旋涡发放距离从狭窄口到最早出现湍流部位的长度 二尖瓣反流由于涡流发放距离较长，不能在左房发现湍流，而在右房首先发现。第一节 超声波物理基本性质第二节 超声场第三节 声波在介质中的传播特性第四节 多普勒效应第五节 血流动力学效应140第七章 超声波物理旋涡发放距离四、涡漩发生距离第一

52、节 超声波物理基本性质第二节 超声场第三节 声波在介质中的传播特性第四节 多普勒效应第五节 血流动力学效应141第七章 超声波物理五、掩盖一个狭窄部位引起湍流掩盖另一狭窄病变漏掉对第二个狭窄诊断，如主动脉瓣下隔膜伴主动脉瓣狭窄隔膜狭窄掩盖主动脉瓣狭窄掩盖（masking）第一节 超声波物理基本性质第二节 超声场第三节 声波在介质中的传播特性第四节 多普勒效应第五节 血流动力学效应142第七章 超声波物理五、掩盖掩盖（masking）第一节 超声波物理基本性质第二节 超声场第三节 声波在介质中的传播特性第四节 多普勒效应第五节 血流动力学效应143第七章 超声波物理六、减速的不稳定性减速不稳定性血流在加速末期出现紊乱特征历时很短极少会有高振幅出现第一节 超声波物理基本性质第二节 超声场第三节 声波在介质中的传播特性第四节 多普勒效应第五节 血流动力学效应