超声基本原理

一、超声的概念超声波是声波的一种,是机械振动在弹性介质中的传播;频率在16-20000赫(Herz)的声波人耳可以听到称为可闻声波;
一、超声的概念
超声波是声波的一种,是机械振动在弹性介质中的传播;频率在16-20000赫(Herz)的声波人耳可以听到称为可闻声波;频率高于20000赫的声波,人耳听不到称为超声波。
二、超声的物理特性
(一)超声场特性:超声在介质内传播的过程中,明显受到超声振动影响的区域称超声场。超声场具有以下特点:如果超声换能器的直径明显大于超声波波长,则所发射的超声波能量集中成束状向前传播,这现象称为超声的束射性(或称指向性)。换能器近侧的超声波束宽度与声源直径相近似,平行而不扩散,近似平面波,该区域称近场区。近场区内声强分布不均匀。近场区以外的声波以某一角度扩散称远场区。该区声波近似球面向外扩散,声强分布均匀,但逐渐减弱,换能器的频率愈高,直径愈大,则超声束的指向性越好、其能量越集中。近场距离,远场扩散角与换能直径及频率的关系如公式所示:L0=r2f/C sinθ=1.22λ/D
式中L0为近场距离,r为换能器半径,f为频率,C为声速、 θ为半扩散角、D为换能器直径,λ为超声波波长、L0为近场区、θ为半扩散角、D为声源直径。
(二)超声的反射与散射
1.声阻抗:介质的密度与超声在介质中传播速度的乘积称声阻抗。声阻抗值一般为固体>液>气体。
超声在密度均匀的介质中传播,不产生反射和散射。当通过声阻抗不同的介质时,在两种介质的交界面上产生反射与折射或散射与绕射。
2.反射、折射与透射:凡超声束所遇界面的直径大于超声波波长(称大界面)时,产生反射与折射。成角入射,反射角等于入射角,反射声束与入射声束方向相反。垂直入射时,产生垂直反射与透射。反射声强取决于两介质的声阻差异及入射角的大小。垂直入射时,反射声强最大。反射声能愈强则折射或透射声能愈弱。进入第二介质的超声继续往前传播,遇不同声阻抗的介质时,再产生反射,依次类推,被检测的物体密度越不均匀,界面越多,则产生的反射也愈多。
L0近场区 θ半扩散角 D声源直径
3.散射与绕射:超声在传播时,遇到与超声波波长近似或小于波长(小界面)的介质时,产生散射与绕射。散射为小介质向四周发散超声,又成为新的声源绕射是超声绕过障碍物的边缘,继续向前传播。散射回声强度与超声入射角无关。
A.成角入射时反射与折射。B.垂直入射时反射与透射C.散射。D.绕射。
(三)超声衰减:超声在介质中传播时,随着传播距离的增加,声强逐渐减弱,这种现象称为超声的衰减。引起衰竭的主要原因是介质对超声的吸收(粘滞吸收及热传导吸收)。超声频率愈高,介质的吸收愈多;其次为能量的分散如反射、折射、散射等。使原传播方向上的能量逐渐减弱。
(四)多普勒效应:声源和接收体作相对运动时,接收体在单位时间内收到的振动次数(频率),除声源发出者外,还由于接收体向前运动而多接收到(距离/波长个)振动,即收到的频率增加了。相反,声源和接收体作背离运动时,接收体收到的频率就减少,这种频率增加和减少的现象称为多普勒效应。
三、超声诊断基础
(一)人体组织的声阻与衰减系数
超声诊断是通过人体各种组织声学特性的差异来区分不同组织。按照声学特性。人体组织大体上可分为软组织和骨骼两大类,软组织的声阻与水近似,骨骼则属固体。人体组织的声速、声阻抗、声吸收系数、衰减系数等反映人体组织的基本声学特性,人体不同组织的声学特性不同。人体各种软组织的平均声速约为1540米/秒,声衰减系数约与声频率成正比。声频率1兆赫时,衰减系数约1分贝 /1厘米。
超声在人体内传播时,在两种不同组织的界面处产生反射和折射,在同一组织内传播,由于人体组织的不均匀性而发生散射。超声通过不同器官和组织产生不同的反射与散射规律,仪器利用这些反射和散射信号,显示出脏器的界面和组织内部的细微结构,作为诊断的依据。
(二)正常脏器的回声规律:
1.含液体脏器如胆囊、膀胱、血管、心脏等,壁与周围脏器及内部液体间为界面、液体为均匀的无回声区。
2.实质性软组织脏器如肝、脾、肾等脏器均有包膜,周围有间隙,内部各有一定结构,如肝可以显示脏器轮廓、均匀的肝实质与肝内管道结构。
3.含气脏器如肺、由于肺泡内空气与软组织间声阻差异极大,在其交界面上产生全反射(几乎100%),并形成多次反射,即超声不能进入正常肺泡。胀气的胃肠亦如此。
4.正常骨骼与周围软组织的差异大,在软组织与骨皮质交界处产生强反射,进入骨骼的超声由于骨松质组织吸收极多而不能穿透(除颅骨外),其后方形成无回声区称声影。
A、实质性脏器(肝)与含液体脏器(胆)的声象图规律 B、含气脏器(肺)的多次反射 C、骨骼的声象图(脊柱) D、肝肿瘤、内部回声不均匀、较强回声区呈团状,肝表面不平 E、胆囊内结石、胆囊无回声区中一强回声光团,后方有声影
(三)病变脏器的回声规律:
当脏器有病变时,由于病变组织与正常组织的声学特性不同,超声通过时产生不同正常的回声规律,各种病变组织亦各有其声学特性、其反射规律亦不相同。如肝内液性病变为无回声区,肝癌为强弱不均的实质性回声区、边缘不整齐,胆囊内结石则在无回声区中有强回声光团,后方有声影。
(四)超声多普勒:
利用多普勒效应原理检测运动物体。当发射超声传入人体某一血液流动区,被红细胞散射返回探头,回声信号的频率可增可减,朝向探头运动的血流,探头接收到的频率较发射频率增高,背离探头的血流则频率减低。接收频率与发射频率之差称多普勒频移或差频。多普勒频移(fd)与发射频率(fo)、血流速度(V)、超声束与血流间夹角(θ)的余弦成正比,与声速(C)成反比,公式为:
fd= ±2v/λ =±2 v/C fo
fd=± 2v .cosθ /C fo
V=fd C/2fo .cosθ,式中fd、cosθ仪器均可显示,fo及C为已知,可以计算出V。声束与血流方向平行时可记录到最大血流速度,声束与血流方向垂直时则测不到血流信号。
目前常用的超声多普勒有连续波多普勒(CWD)、脉冲波多普勒(PWD)及彩色多普勒(CDFI)。
(1)连续波多普勒以频谱显示,可单独使用,亦可与二维超声心动图结合。接收取样线经过部位上所有频移信号,其优点为可以测定高速血流,常用于测定心脏瓣口狭窄或返流的高速血流。缺点为不能区分信号来源深度。
(2)脉冲波多普勒亦以频谱显示,与二维超声相结合,可以选择心脏或血管内任一部位的小容积血流显示血流实时频谱,频谱可显示血流方向(朝向探头的血流在基线上,背离探头的血流在基线下),血流性质(正常的层流呈空窗型如图14-1-5,湍流则呈充填型如图15-1-6),血流速度(频谱上信号的振幅)、血流持续时间(横座标显示时间)。可供定性、定量分析。其特点为所测血流速度受探测深度及发射频率等因素限制。通常不能测高速血流。
(3)彩色多普勒:脉冲多普勒原理,在心脏或血管内多线、多点取样,回声经处理后进行彩色编码,显示血流速度剖面图,以红色代表朝向探头的血流、兰色代表背离探头的血流、与二维超声心动图套叠显示,可直观地显示心脏或血管的形态结构及血流信息的实时动态图像,信息最大,敏感性高,并可引导脉冲或连续多普勒取样部位,进行定量分析。
(五)超声对人体的影响
超声是一种机械能,超声的产热和空化效应在人体内是否产生,取决于使用仪器的功率和频率,现在超声诊断仪的功率为10毫瓦/平方厘米,(超声治疗仪为0.5~2.5瓦/平方厘米),根据国内外实验研究证明对机体无损害作用,但对胎儿的检查时间不宜太长。









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