超声物理基础
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声像图（sonogram）。
回声 介质的声 阻抗差
组
织
类
型
极强 极大
气体--实体界面（肺、肠气），不利于超声向深部传输
次强 大
钙质、纤维组织含量多（结石、钙化、疤痕）
高
较大
实质非均质性组织，纤维组织增生(血管瘤、脂肪肝等)
中
较小
实质均质性组织（肝、脾、胰、肾皮质、心肌、甲状腺）
低
很小
无
无
密度更均匀的实质组织（肾锥体、某些肿瘤） 血液、胆汁、尿液、囊液、漏出液
常用超声波的频率：2～12MHz 3～5MHz低频，≥7.5MHz高频
• 物体在一定的位置附近作来回往复运动称 为机械振动。机械振动在介质中传播形成 机械波。波是振动在介质中传播的过程。
• 声波是机械波的一种。当声源振动时，由 于介质质点之间的相互作用力，能够由近 及远得使介质质点陆续发生振动。由此振 动就以一定速度向各个方向传播出去形成 声波。波动只是振动状态的传播，介质质 点并不随波前进。
声波产生 的条件
声源
能传播振 动的介质
介质内各质点 振动方向和波 的传播方向相 互垂直，这种 波称为横波。
介质内各质点
振动方向和波 的传播方向相 互平行，这种 波称为纵波。 超声波在人体 软组织中主要 传播的是纵波。
三个基本 物理量
频率（f） 波长（λ） 声速（C）
C=λ f
• λ是超声波的特征尺度。波长与频率呈反比， f越大，λ越小，超声波的空间分辨率越好 （影像上能够识别的两个相邻物体最小距 离的能力）。
• 应用于浅表软组织的高频超声，其波长短， 空间分辨率好，图像清晰。但是穿透力弱， 不适于检查深部组织（低频超声）。
3MHz vs 5MHz探头
前者的空间分辨力（轴向+侧向）均低于后者
分辨力
• 衡量探头的一个重要指标是分辨力，包括 空间分辨力、密度分辨力、时间分辨力。
• 假设人体内有两个目标，当它们之间的距 离比较大时仪器能够区分开两者，若两者 间的距离很小时超声仪器就会将其视为一 个目标。仪器能够区分的这个最小距离称 为空间分辨力，其与声束的方向有关，又 分为横向、纵向和侧向分辨力。
超声波 传播特性
反射
折射
衍射
散射
当超声波从一种介质
传播到另外一种介质 时，由于声阻抗Z不同， 两种介质间形成一个 声学界面。若该界面 尺寸大于λ，则一部分 超声波发生反射，一 部分发生折射。两种 介质的声阻抗差越大 反射就越强。
• 衍射（绕射）：在超声波传播过程中，遇 到障碍物的尺寸与1-2倍λ相接近时，声波 可绕过这一障碍物边缘向前传播。
空间分辨力
• 轴向分辨力 Axial resolution • 侧向分辨力 Lateral resolution • 横向分辨力 Elevation or transverse resoulution
人体内各组织声速C不同： 固体＞液体、软组织＞气体
人体软组织声速约为1540m/s
Z = ρ×C ρ--- 介质密度 Z --- 声阻抗 Z反映了介质的性质。
• 散射：在超声波传播过程中，遇到障碍物 的尺寸小于λ时，该物体吸收超声波能量后 向四周辐射声波。红细胞的直径远远小于
λ ，是超声波散射的主要源泉，多普勒超声 主要接收来自红细胞的背向散射。
超声波在介质中传播，质点振动的 振幅随传播距离增大而减小，这种 现象称为声衰减。声衰减主要是因 为介质对声波的吸收、散射、声束
超声探头类型
• 凸阵 • 相控阵 • 线阵
• 线阵：许多压电单元 等间隔地排列成一条
直线，声像图呈矩形。 属于高频探头，用于 浅表软组织、血管， 空间分辨率高、穿透 能力相对低，许多术 中探头、腔镜探头都 采用线阵。
• 相控阵（由信号的相 位控制声束方向）： 压电单元排列成一段 向外凸出的圆弧，声 像图呈扇形。长度一 般20-30mm，适于肋 间扫查心脏。
超声波的发射和接收都是通过超声 探头完成，核心部件为压电晶体
压电效应
正
逆
压电效应 压电Hale Waihona Puke Baidu应
压电效应
• 正压电效应：某些材料在外部压力或拉力 作用下引起材料内部正负电荷中心位移， 在材料表面上出现正负电荷。此时机械能 转换为电能，超声波的接收就是根据这一 原理
• 逆压电效应：在压电晶体表面加上电压引 起材料内部正负电荷中心位移而产生应力， 最终导致材料形变。此时电能转换为机械 能，超声波的发射依据此原理。
• 凸阵：压电单元排列 成一段圆弧，但圆弧 半径大于相控阵探头， 声像图是介于扇形和 矩形间的一个图形。 属于低频探头，空间 分辨率相对低、穿透 能力高，用于腹部扫 查。
• 面阵探头：三维 容积探头，压电 单元排列成一个 面，能够获取更 多数据而形成三 维影像。常用于 胎儿、心脏。
超声波图像产生过程
医学超声基础
超声科
Sound Navigation and Ranging SONAR 声纳
声呐技术至今已有100年历史， 它是1906年由英国海军的刘易 斯·尼克森所发明，SONAR是利 用水中声波对水下目标进行探测、
定位和通信的电子设备.
医用超声发展史
超声诊断始于20世纪40年代，50 年代初期应用于临床，70年代超声 快速成像技术得以应用，80年代声 学多普勒效应用于超声诊断，90年 代三维超声和介入超声得以实现。 目前，组织谐波超声造影、3D/4D 超声成像使得医学超声进入一个全 新时代。
超声是超过正常人耳能听到的声 波，频率在20 000赫兹(Hertz， Hz)以上。超声在介质中以直线 传播,有良好的指向性。这是可 以用超声对人体器官进行探测的 基础。当超声在传播过程中会发 生反射、折射、散射、衰减等。 反射回来的超声为回声(Echo)。
人耳能听到的声波：20-20000Hz 超声波的频率：＞20000Hz
扩散等。
人体是一个复杂的介质，各种器官与组 织以及在病理状态下都具有特定的声阻 抗和衰减特性。因而构成声阻抗上的差 别和衰减上的差异。超声波射入体内， 由表面到深部，将经过不同声阻抗和不 同衰减特性的器官与组织，从而产生不 同的反射、散射、衰减。将接收到的回 声，根据回声强弱，用明暗不同的光点 （灰阶）依次显示在显示器上，则可显 出人体的断面超声图像，医学上称之为
回声 介质的声 阻抗差
组
织
类
型
极强 极大
气体--实体界面（肺、肠气），不利于超声向深部传输
次强 大
钙质、纤维组织含量多（结石、钙化、疤痕）
高
较大
实质非均质性组织，纤维组织增生(血管瘤、脂肪肝等)
中
较小
实质均质性组织（肝、脾、胰、肾皮质、心肌、甲状腺）
低
很小
无
无
密度更均匀的实质组织（肾锥体、某些肿瘤） 血液、胆汁、尿液、囊液、漏出液
常用超声波的频率：2～12MHz 3～5MHz低频，≥7.5MHz高频
• 物体在一定的位置附近作来回往复运动称 为机械振动。机械振动在介质中传播形成 机械波。波是振动在介质中传播的过程。
• 声波是机械波的一种。当声源振动时，由 于介质质点之间的相互作用力，能够由近 及远得使介质质点陆续发生振动。由此振 动就以一定速度向各个方向传播出去形成 声波。波动只是振动状态的传播，介质质 点并不随波前进。
声波产生 的条件
声源
能传播振 动的介质
介质内各质点 振动方向和波 的传播方向相 互垂直，这种 波称为横波。
介质内各质点
振动方向和波 的传播方向相 互平行，这种 波称为纵波。 超声波在人体 软组织中主要 传播的是纵波。
三个基本 物理量
频率（f） 波长（λ） 声速（C）
C=λ f
• λ是超声波的特征尺度。波长与频率呈反比， f越大，λ越小，超声波的空间分辨率越好 （影像上能够识别的两个相邻物体最小距 离的能力）。
• 应用于浅表软组织的高频超声，其波长短， 空间分辨率好，图像清晰。但是穿透力弱， 不适于检查深部组织（低频超声）。
3MHz vs 5MHz探头
前者的空间分辨力（轴向+侧向）均低于后者
分辨力
• 衡量探头的一个重要指标是分辨力，包括 空间分辨力、密度分辨力、时间分辨力。
• 假设人体内有两个目标，当它们之间的距 离比较大时仪器能够区分开两者，若两者 间的距离很小时超声仪器就会将其视为一 个目标。仪器能够区分的这个最小距离称 为空间分辨力，其与声束的方向有关，又 分为横向、纵向和侧向分辨力。
超声波 传播特性
反射
折射
衍射
散射
当超声波从一种介质
传播到另外一种介质 时，由于声阻抗Z不同， 两种介质间形成一个 声学界面。若该界面 尺寸大于λ，则一部分 超声波发生反射，一 部分发生折射。两种 介质的声阻抗差越大 反射就越强。
• 衍射（绕射）：在超声波传播过程中，遇 到障碍物的尺寸与1-2倍λ相接近时，声波 可绕过这一障碍物边缘向前传播。
空间分辨力
• 轴向分辨力 Axial resolution • 侧向分辨力 Lateral resolution • 横向分辨力 Elevation or transverse resoulution
人体内各组织声速C不同： 固体＞液体、软组织＞气体
人体软组织声速约为1540m/s
Z = ρ×C ρ--- 介质密度 Z --- 声阻抗 Z反映了介质的性质。
• 散射：在超声波传播过程中，遇到障碍物 的尺寸小于λ时，该物体吸收超声波能量后 向四周辐射声波。红细胞的直径远远小于
λ ，是超声波散射的主要源泉，多普勒超声 主要接收来自红细胞的背向散射。
超声波在介质中传播，质点振动的 振幅随传播距离增大而减小，这种 现象称为声衰减。声衰减主要是因 为介质对声波的吸收、散射、声束
超声探头类型
• 凸阵 • 相控阵 • 线阵
• 线阵：许多压电单元 等间隔地排列成一条
直线，声像图呈矩形。 属于高频探头，用于 浅表软组织、血管， 空间分辨率高、穿透 能力相对低，许多术 中探头、腔镜探头都 采用线阵。
• 相控阵（由信号的相 位控制声束方向）： 压电单元排列成一段 向外凸出的圆弧，声 像图呈扇形。长度一 般20-30mm，适于肋 间扫查心脏。
超声波的发射和接收都是通过超声 探头完成，核心部件为压电晶体
压电效应
正
逆
压电效应 压电Hale Waihona Puke Baidu应
压电效应
• 正压电效应：某些材料在外部压力或拉力 作用下引起材料内部正负电荷中心位移， 在材料表面上出现正负电荷。此时机械能 转换为电能，超声波的接收就是根据这一 原理
• 逆压电效应：在压电晶体表面加上电压引 起材料内部正负电荷中心位移而产生应力， 最终导致材料形变。此时电能转换为机械 能，超声波的发射依据此原理。
• 凸阵：压电单元排列 成一段圆弧，但圆弧 半径大于相控阵探头， 声像图是介于扇形和 矩形间的一个图形。 属于低频探头，空间 分辨率相对低、穿透 能力高，用于腹部扫 查。
• 面阵探头：三维 容积探头，压电 单元排列成一个 面，能够获取更 多数据而形成三 维影像。常用于 胎儿、心脏。
超声波图像产生过程
医学超声基础
超声科
Sound Navigation and Ranging SONAR 声纳
声呐技术至今已有100年历史， 它是1906年由英国海军的刘易 斯·尼克森所发明，SONAR是利 用水中声波对水下目标进行探测、
定位和通信的电子设备.
医用超声发展史
超声诊断始于20世纪40年代，50 年代初期应用于临床，70年代超声 快速成像技术得以应用，80年代声 学多普勒效应用于超声诊断，90年 代三维超声和介入超声得以实现。 目前，组织谐波超声造影、3D/4D 超声成像使得医学超声进入一个全 新时代。
超声是超过正常人耳能听到的声 波，频率在20 000赫兹(Hertz， Hz)以上。超声在介质中以直线 传播,有良好的指向性。这是可 以用超声对人体器官进行探测的 基础。当超声在传播过程中会发 生反射、折射、散射、衰减等。 反射回来的超声为回声(Echo)。
人耳能听到的声波：20-20000Hz 超声波的频率：＞20000Hz
扩散等。
人体是一个复杂的介质，各种器官与组 织以及在病理状态下都具有特定的声阻 抗和衰减特性。因而构成声阻抗上的差 别和衰减上的差异。超声波射入体内， 由表面到深部，将经过不同声阻抗和不 同衰减特性的器官与组织，从而产生不 同的反射、散射、衰减。将接收到的回 声，根据回声强弱，用明暗不同的光点 （灰阶）依次显示在显示器上，则可显 出人体的断面超声图像，医学上称之为