超声物理基础分解

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。
无
无
血液、胆汁、尿液、囊液、漏出液
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 压电效应
逆 压电效应
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。
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 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。
• 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。
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 声像图（sonogram）。
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。
Fra Baidu bibliotek
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）。
• 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 扩散等。
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。
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。
回声
介质的声 阻抗差 极大 大 较大 较小 很小
组
织
类
型
极强 次强 高 中 低
气体--实体界面（肺、肠气），不利于超声向深部传输 钙质、纤维组织含量多（结石、钙化、疤痕） 实质非均质性组织，纤维组织增生(血管瘤、脂肪肝等) 实质均质性组织（肝、脾、胰、肾皮质、心肌、甲状腺） 密度更均匀的实质组织（肾锥体、某些肿瘤）