5 医学超声原理-第五讲---超声波散射以及多普勒效应

第五讲 超声波的散射与多 普勒效应
主讲：ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ金海
联系方式：jhniu@
指定教材
目前，关于生物医学超声的参考书很多；但是 从教十年多来，一直很难找到一本非常适合本 科生的教材。这也是编者下定决心编写本书的 主要原因之一。本书的内容主要包括超声物理 基础，压电效应与换能器技术，超声成像诊断 原理，超声治疗技术，医学超声实验，医学超 声的最新进展等。每章节都配置了一定量的练 习与思考题，以帮助读者巩固书中的内容，并 提高分析解决问题的能力。为配合双语教学， 本书保留了关键专业词汇的中英文对照。 本书的特点是在注重基本概念，基本原理，基 本方法的同时，兼顾一定的工程技术实用性， 如包含声场的数值模拟，超声图像的C语言程 序处理，超声波发射电路原理，换能器的匹配 技术等。本书适合医学超声以及相关领域的本 科生作教材，也可供该领域的研究生，科研及 工程技术工作者参考。
超声造影剂结构图
第一代超声造影剂结构图 第一代造影剂包括Albunex、Echovist(SHU-454)和Levovist(SHU-508A), 第一代超声造影剂的物理特性，包括包 膜较厚，弹性差，而且包裹的空气易溶 于水等，决定了它持续时间短，容易破 裂，从而限制了临床应用中观察和诊断 的时间。
超声造影剂原理
• 造影剂微气泡在超声的作用下会发生振动，散射强超声信号。这也是 超声造影剂的最重要的特性——增强背向散射信号。例如在B超中， 通过往血管中注入超声造影剂，可以得到很强的B超回波，从而在图 像上更清晰的显示血管位置和大小。 • 接收到的超声强度是入射强度和反射体的散射截面的函数。散射截面 是与频率的四次方和散射体半径的六次方成正比，这对所有的造影剂 介质都适用。理论上，通过简单的计算就可以看到气泡粒子的散射截 面要比同样大小的固体粒子（例如铁）大1亿倍。这也是气泡组成的 造影剂的造影效果比别的散射体优越的原因所在。 • 气泡散射还有一个十分有意义的特性——气泡共振。当入射声波的频 率与气泡共振频率一致时，入射声波的能量全部被气泡共振吸收，形 成共振散射，这时散射截面远比上述公式给定的大。
四、超声散射的表示参数
1）目标强度Ts:
定义为： （2-4-7） 如图所示，O点为散射体所处位 置，Ii为入射波在O点的声强。I （θ）为以O点为中心的球面上 一点P的散射波声强，球的半径 R为单位距离， θ角为OP与入射 声线之间的夹角。
Ts I ( ) / I i
目标强度
四、超声散射的表示参数
16 4 f 4 R 6 I 2 ( 1 3 cos ) kR 1 9c 4 r 2 （2-4-6） Is R2 R2 2 kR 1 I 2 2 cot2 J1 kR sin 4r 2 4r
pS A 2m 1 j m1e j m sin m Pm (cos ) jm (kr) jnm (kr)e jt
m 0
(2-4-2)
式中: nm为m阶球贝塞尔函数的虚部; （参考自白净的《医学超声成像机理》P80）
二、球体的散射
δm定义如下: 1 当 kR m 时,
前面讨论的反射和折射，有一个重要条件，即反射界面对 于超声波波长来说是无限大的：d>>λ 。
当d与λ 可比，则发生绕射。例如胆结石。
当d<<λ ，则发生散射。例如红细胞。
二、球体的散射
二、球体的散射 简化模型: 由于超声散射场设计 的数学知识很多，且 很复杂，感兴趣的同 学可以参阅《声学基 础》，《数学物理方 法》等。 其它模型如圆柱体的 散射，这里不再介绍。
第五讲 超声波的散射与多普勒效应
本讲主要内容 一、超声波的散射 二、刚性球的散射 三、超声散射波的理论模型 四、超声散射的表示参数 五、超声散射在生物医学中的应用 六、超声造影剂 七、多普勒效应 八、本讲思考题
一、 超声波的散射
• 当声波传播过程中遇到其 线度接近或小于声波波长 的障碍物时，反射波就不 再是平面波，而是向各个 方向散射出去，这种情况 与界面的反射大不相同， 这就是声散射(scattering)。 • 除了声的吸收以及反射， 其它的原因引起声场的变 化，都可以理解为散射。 超声波在生物组织中的衰 减主要由吸收与散射组成。
二、球体的散射
球体散射分布
三、超声散射波的理论模型
三、超声散射波的理论模型 1）离散模型 计算离散模型散射的方法之一是波恩(Born)近似 方法，即认为总散射为每个粒子散射的简单求和， 且单个粒子的散射可在不计其余粒子存在的条件 下分别求得。 2）连续非均匀介质模型
四、超声散射的表示参数
四、超声散射的表示参数： 1）目标强度 Ts 2）散射截面S
有关jm，nm，δm等的取值已有数据表可查。
二、球体的散射
可估算出散射波场强度Is如下式: I I s 2 2 2m 12n 1 sin m sin cos m n Pm (cos ) Pn (cos ) r k m , n 0 （2-4-5） 在波长远大于粒子尺度及波长远小于粒子尺度两种情 况下可以将上式简化：
一、 超声波的散射
根据散射体的大小与波长的关系，（广义）散射分为三种类 型： 1.当散射体的尺寸远大于波长时，即为反射，透射，折射。 2.当散射体的尺寸远远小于波长时，为瑞利散射或者为分子 散射。 3.当散射体的尺寸与波长相当时，可以用衍射理论，与几何 光学的类似。
圆盘 光源 亮点 暗影
光圈
瑞利散射
五、超声背散射系数临床医学的应用
超声背散射系数临床医学的应用
超声散射系数在临床医学上还有哪些应用？ 有兴趣的同学可以再找找相关文献。
• 定义：超声造影剂是在超声成像中用来增强图像对比度的物 质。一般为微米量级直径的包膜微气泡，通过静脉注射进入 血液循环系统，以增强超声波的散射强度,从而达到超声造影 成像的目的。 • 作用：超声造影剂注入血管后，可以改变组织的超声特性（ 如背向散射系数、衰减系数、声速及非线性效应）产生造影 效果，增强效果取决于超声造影剂的浓度、尺寸以及超声发 射频率。它的最基本性质就是能增强组织的回波能力，可在B 型超声成像中提高图像的清晰度和对比度。其非线性效应产 生一定能量的谐波分量，利用谐波成像和谐波Doppler技术可 测量体内微小血管血流与组织灌流，能抑制不含超声造影剂 的组织运动在基频上产生的杂波信号，大大提高信噪比。
假定图中，处于O点位置的散射体是一个 静止的钢球，其半径为a。刚球的意思是指 其体积弹性率无限大，即使在声压作用下 也不变形。那么在ka<0.5的情况下，可以 计算得到：
Ts 25 3 ka4 a 2 1 cos 36 2
（2-4-8）
四、超声散射的表示参数
2).散射截面S：障碍物所产生的总的散射功率与入射 强度之比。 a）障碍物的尺寸远远大于超声波波长，散射截面为 1，主要是反射。 b）障碍物的尺寸远远小于超声波波长，形成散射辐 射。如果障碍物为刚性的，则服从瑞利散射分布， 散射强度与波长的四次方成反比，与球体半径的六 次方成正比。 S∝k4a6 c)障碍物的尺寸与超声波波长接近时，散射比较复 杂。
第五讲超声波的散射与多普勒效应本讲主要内容一超声波的散射二刚性球的散射三超声散射波的理论模型四超声散射的表示参数五超声散射在生物医学中的应用六超声造影剂七多普勒效应八本讲思考题一超声波的散射当声波传播过程中遇到其线度接近或小于声波波长的障碍物时反射波就不再是平面波而是向各个方向散射出去这种情况与界面的反射大不相同这就是声散射scattering
二、球体的散射
若无散射粒子介入时,可按此问题的对称性将平面波表 示如下: p P Ae jk ( r cos ct ) A 2m 1 j m P (cos ) j (kr)e jt (2-4-1)

m
m
式中: A 0 cI ,Pm为m阶拉格朗日函数; jm为m阶球贝塞 尔函数的实部.当入射波与刚性球相互作用时,将产生 下述散射波:
•
一、 超声波的散射
一、散射的分类与研究方法 当超声波与载波介质相互作用时,超声波的幅度、波 前方向、相位以及频率由于介质中非均匀体(粒子或 界面)对超声波的再辐射而发生变化的现象称为超声 波的散射。 这种由入射波与散射波相干而形成的超声波场称为 散射波场。 思考题：为什么天空是蓝色的？ 为什么早晨或者晚 上的太阳是红色的？
六、超声造影剂（Ultrasound contrast agent）
指定教材
目前，关于生物医学超声的参考书很多；但是 从教十年多来，一直很难找到一本非常适合本 科生的教材。这也是编者下定决心编写本书的 主要原因之一。本书的内容主要包括超声物理 基础，压电效应与换能器技术，超声成像诊断 原理，超声治疗技术，医学超声实验，医学超 声的最新进展等。每章节都配置了一定量的练 习与思考题，以帮助读者巩固书中的内容，并 提高分析解决问题的能力。为配合双语教学， 本书保留了关键专业词汇的中英文对照。 本书的特点是在注重基本概念，基本原理，基 本方法的同时，兼顾一定的工程技术实用性， 如包含声场的数值模拟，超声图像的C语言程 序处理，超声波发射电路原理，换能器的匹配 技术等。本书适合医学超声以及相关领域的本 科生作教材，也可供该领域的研究生，科研及 工程技术工作者参考。
• 瑞利散射（Rayleigh scattering）由英国 物理学家瑞利的名字命名。它是半径比光 的波长小很多的微粒对入射光的散射。瑞 利散射光的强度和入射光波长λ的4次方成 反比： • • 其中 是入射光的光强分布函数。 • 也就是说，波长较短的蓝光比波长较长的 红光更易散射。
一、 超声波的散射
2
m kR

1 m 2 2
(2-4-3)
1 当 kR m 2 时,
1 3 kR m0 3 m 2 m 1 mkR m0 2 2 2 2m 1m 1 1 3 2 m 1
(2-4-4)
scattering
• Rayleigh scattering occurs at interfaces involving structures of small dimensions. This is common with red blood cells (RBC), where the average diameter of an RBC is 7μm, and an ultrasound wavelength may be 300μm (5 MHz). When the sound wave is greater than the structure it comes in contact with, it creates a uniform amplitude in all directions with little or no reflection returning to the transducer. In the image below of the left saphenous vein (SV), common femoral vein (CFV), superficial femoral (SFA) and profunda femoris (PFA) arteries, Rayleigh scattering is present within each of the blood vessels. Scattering is dependent for four different factors: the dimension of the scatterer, the number of scatterers present, the extent to which the scatterer differs from surrounding material, and the ultrasound frequency.
第二代超声造影剂结构图 第二代造影剂包括Aerosomes(DMP115)、EchoGen、Imagent(AFO150)、 NC100100、Quantison、 Sonovue(BR-1)、AI-700、Bisphere、 Sonovist(SHU-563A)、PESDA以及 Optison(FS069)。 第二代超声造影剂为包裹高密度惰性气 体（不易溶于水或血液）为主的外膜薄 而柔软的气泡，直径一般在2-5um左右， 稳定时间长，振动及回波特性好。