医学图像处理 第5章 超声波成像

在同一介质中，密度ρ和c不变，声强主要与
I 2 f A c
2 2 2
f 2、质点振幅A2成正比。
声压与声强关系：
I P / 2c
2 m
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ρ和c不变，声强与Pm2成正比。
5.1.2 超声的基本物理量



（六）声阻抗 声阻抗（特性阻抗）：对于各向同性的均匀介质中 的声波，介质中某点声压幅值Pm与振动质点速度幅 值Vm之比，单位为瑞利（Kg〃M-2〃S-1）。 表征声振动在介质中传播时要受到阻碍，发生传播 损耗。特别是在介质交界面上的超声传播特性有着 决定性的影响。对一定频率f的声波来说，声阻抗Z 只与介质的特性有关，决定于介质的ρ和c的乘积。Z 为: Z=Pm/Vm= ρc 不同的介质有不同的Z。人体正常组织的Z的平均值 约为1.5×105瑞利。 15
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5.1.3 超声波在介质中的传播特性
若 c 1
＞ c2 ，则折射波折向法线；c1＜c2，则 折射波偏离法线。在c1 ＜ c2时，入射角逐渐 增大，折射角也随着增大，若入射角大于某 一临界角时，折射角增大至90°，超声波在 介质分界面上全反射。
sin i c1 sin t c2
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5.1.2 超声的基本物理量
（二）周期和频率 周期T：介质中的质点在平衡位臵往返摆动 一次（传播一个波长）所需要的时间，单位 为s。 频率f ：质点在1s时间内完成振动的次数 （弹性介质中任一给定点在单位时间内所通 过的波数），即单位时间内声源振动的次数， 单位Hz。
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5.1.2 超声的基本物理量
5.1.3 超声波在介质中的传播特性


超声与其它波动一样，在介质中传播时，有 几何光学和物理光学的特点。 超声在均匀介质中传播时，沿本身传播方向 直线行进。 当超声波在非均匀介质中传播或从一种介质 传到另一介质时，由于两种介质的Z不同，在 其分界面上会发生反射，通过分界面后发生 透射和折射，分界面两侧的Z决定入射超声的 反射、透射、折射的比例。 超声在介质中传播时，由于介质的相互作用， 还会产生绕射、散射和干涉等现象。
（c）。 三者关系： f=c/ λ 与f 成反比，f 愈高， 愈短。 （一）声速 不同f的超声在相同的介质中传播时，声速c 基本相同； 同一f 的超声波在不同的介质中传播时， c是 不同的。
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5.1.2 超声的基本物理量
在不同的介质中，c有很大的差别：
空气（20℃）344m/s 脂 肪 1476m/s 水（37℃） 1524m/s 肝 脏 1570m/s 颅 骨 3360m/s 超声在人体组织中的传播速度是超声诊断设备测量病 变组织位臵和大小的依据。 人体软组织的声速平均为1500m/s左右，与水的声速 相近。骨骼的声速最高，相当于软组织的2倍以上。
5.1.3 超声波在介质中的传播特性
超声波经液体入射到体表时，临界角约
15°～20°，即入射角＞ 20°时，超声波在 介质分界面上全部反射，声束不能进入第二 介质区。 人体软组织的c相当接近，这种不明显的折 射可以忽略，可将超声看成直线传播。如入 射的界面凹凸不平，且不平度足够大时，由 于折射声束会产生会聚或发散，超声图像会 出现折射伪影。
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5.1.1 超声的基本概念
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．超声波特点 （1）直线传播且易会聚：频率高，波长短， 直线传播，具有较强的穿透能力，能量容易 会聚。 （2）容易电声转换且能量大：使介质的微粒 振动，虽然振幅很小，但加速度非常大，具 有很大的能量，能量和频率f 2成正比。 （3）物理机制复杂且参数多：在产生、传播、 接收与相互作用、能量转换等过程中，其物 理机制复杂、相互影响的因素多。
4Z2 Z1 cos 2 t 透射波声强 I ＝ 2 入射波声强 （Z2cosi＋Z1cost）
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5.1.3 超声波在介质中的传播特性
在超声检测中，常遇到超声通过介质薄层的
情况，当一束平面超声波通过垂直厚度为d的 介质时，超声的强度透射系数τI为：
I
4 Z 3 Z1
2
2 2 ZZ ( Z 3 Z1 ) 2 cos 2 d Z 2 1 3 sin d Z2 2 2
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5.1.3 超声波在介质中的传播特性
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5.1.3 超声波在介质中的传播特性
1．声压反射系数 超声波垂直投射到两种不同的Z的介质界面 时，不考虑超声吸收的情况下，声压反射系 数rp为： Z 2 Z1
rp

超声波以θ角投射到两种不同的Z的介质界面 时，不考虑超声吸收的情况下，声压反射系 数rp为： Z cos Z cos
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5.1.2 超声的基本物理量
（四）声压 声波作为纵波在弹性介质中传播时，介质各 部分时而密集时而稀疏，介质各部分的压强 相应变化。 没有声波传播时，介质某处的静压强P0，该 处形成密部的瞬间，压强P高于P0；该处形成 疏部的瞬间，压强P低于P0。 声压：声波在介质中传播产生的瞬时压强值 P与P0的比值，单位是Pa。
第五章 超声波成像
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第二章 超声波成像
主要内容 2.1 超声波的物理性质 2.2 超声探测的物理基础 2.3 超声成像系统工作原理 2.4 超声多普勒成像系统*
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第一节 超声波的物理性质
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5.1.1 超声的基本概念
1．超声：指超过人耳听觉范围（20Hz～
20kHz）。频率＞20kHz的声波叫做超声波。 2．超声波：属于声波范畴，具有声的共同物 理性质。如：必须通过弹性介质进行传播，传 播方式为纵波（疏密波），具有反射、折射、 绕射，以及在不同介质中（空气、水、软组织、 骨骼）中具有不同的声速和不同的衰减等。 3．超声频率：诊断最常用的超声频率是1M～ 40MHz。
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5.1.1 超声的基本概念
（4）超声工作安静且危害少：超声工作时人 耳听不到，环境安静。在影像学诊断工作中， 小剂量超声波对人体无危险性。 超声成像是以人体解剖学、病理学等形态学 为基础，依靠超声的各种成像技术来获取人 体器官及组织的断面解剖图像。
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5.1.2 超声的基本物理量
基本物理量：频率（f）、波长（λ）、声速
5.1.3 超声波在介质中的传播特性
（二）超声波的折射 折射：因人体各种组织中的Z不同，声束倾 斜入射经过这些组织间的大界面时，由于声 速发生变化而引起声束前进方向的改变。 折射使测量及超声方向产生误差。超声折射 与光波折射相同： sin i c1 sin t c2
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5.1.3 超声波在介质中的传播特性
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5.1.3 超声波在介质中的传播特性
（一）反射 一束平面超声通过Z不同的两种介质的大界面（界面 宽度远大于声束的直径），且界面的尺寸远大于波长 时，则在两介质的界面上产生反射。 入射超声的能量一部分被反射回第一介质中，形成 反射波，波速不变。反射波的大小与Z的变化、介质 声阻抗界面的几何尺寸以及超声波长λ的大小等因素 有关。 当介质Z界面远远大于λ时，两介质的Z差别越大，超 声反射的强度也就越大；当反射界面的尺寸远小于λ 时，就不产生反射。 如果分界面是曲面，平面波仍能产生反射。
5.1.3 超声波在介质中的传播特性
超声诊断中，超声垂直反射的情况特别多。若超声倾
斜入射到Z不同的介质分界面上，则反射超声也呈斜 射。 超声通过人体内的器官时，由于组织结构差异而成为 不同的介质，会发生多层和多次的反射。 反射体界面的介质可分为三种状态：①实质性；②囊 性；③气体。 界面反射是超声波诊断成像的主要基础，不发生界面 反射就得不到需要诊断的信息，但反射太强，所剩余 的超声能量太弱，又会影响进入第二层、第三层介质 中去的超声能量，则得不到所期待的结果。 22 如果反射面线径较小，呈现散射和绕射现象。

λ2为薄层内的超声波波长
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I
4 Z 3 Z1 2 Z1Z 3 2 2 2 ( Z 3 Z1 ) cos d Z2 d sin Z2 2 2
2
超声通过介质薄层传播的几种特殊情况：
①若Z2比Z1和Z3小得多（如中间有空气薄层）， 则Z1 Z3/ Z2变得很大，入射的超声能量被大量反射 而减小，超声透射的能量就非常小。 ②若薄层的厚度d远小于进入薄层的超声λ2时，或 者d约为半波长的整数倍时，薄层对超声的影响很 小，可以忽略。超声诊断中耦合油层的厚度应当尽 可能地薄。 ③若第二层介质厚度为1/4波长的奇数倍，而且 Z 2 Z1Z 3 时，超声能量完全透射过去进入第三层。
rp Z 2 cos r Z1 cos i
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Z 2 Z1
2
r
1
i
5.1.3 超声波在介质中的传播特性
如Z1=Z2，无反射波； 当Z1≠Z2不同时，Z差别越大，反射也越强。 在气体与固体或气体与液体的交界面上，无论是Z1
＞＞Z2（水→气体）还是Z1＜＜Z2（气体→水）， rp=99%（Z水=1.492kg/m2s，Z气=0.00428kg/m2s）。 可见，超声很难从气体进入固体或液体中，反之也 很难从固体或液体进入气体中。 这是很难利用超声对肺进行诊断检查的原因。 当Z1＞Z2时，反射波声压的位相比入射波超前 180°，当Z1＜Z2时，反射波声压的位相和入射波同 相。 21
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5.1.3 超声波在介质中的传播特性
（三）超声波的透射 超声波垂直或倾斜入射到两种介质的界面时，都有 部分超声能量透射穿过。垂直通过界面后的超声传 播方向不变， 倾斜入射时通过界面后超声传播方向 发生变化。 1．声压透射系数：超声垂直投射到两种Z不同介质 界面时，不考虑超声吸收的情况下，声压透射系数τP 2Z 2 p 为： Z 2 Z1 超声以θ角投射到两种Z不同介质界面时，不考虑超 声吸收的情况下τP为： 2Z 2 cos i
（三）波长 波长λ：超声在一个周期内传播的距离（波上 任意两个相邻的同相位点之间的距离），单位m。 对于纵波，等于两相邻密集点（或稀疏点）间 的距离；对于横波，则是从一个波峰（或波谷） 到相邻波峰（或波谷）的距离。 λ决定了成像的纵向极限分辨力，在纵向上需 检出的病灶必须大于半个波长时，才能被正确 分辨； f 决定可成像的组织深度，f 越高可检出深度越