超声基础-物理基础

物理基础

第一节声波的定义及分类

一、定义物体的机械性振动在具有质点和弹性的媒介中的传播现象称为波动，而引起听觉器官有声音感觉的波动则称为声波。根据声波的传导方向与介质的的振动方向的关系，声波有纵波和横波之分。

二、横波所谓横波是指介质中的质点都垂直于传播方向运动的波。人体的骨骼中，不但传播纵波，还传播横波。

三、纵波即介质中质点沿传播方向运动的波。在纵波通过的区域内，介质各点发生周期性的疏密变化，因此纵波是胀缩波。理想流体(气体和液体)中声振动传播方向与质点振动方向是平行的，只存在于纵波。人体中含水70—80％，故除骨路、肺部以外软组织中的声速和密度均接近于水。目前医用超声的研究和应用主要是纵波传播方式。

第二节超声显像物理基础

一、超声波基本物理量

1、超声波是声源振动的频率大于20000 Hz的声波。

2、超声波有三个基本物理量，即频率（f），波长（λ），声速（c），它们的关系是：c=f·λ或λ=c/f，传播超声波的媒介物质叫做介质，不同频率的超声波在相同介质中传播时，声速基本相同。

3、相同频率的超声波在不同介质中传播，声速不相同，人体软组织中超声波速度总体差异约为5％。因此目前医用超声仪一般将软组织声速的平均值定为1541m/s。通过该声速可测量软组织的厚度，由于目前超声仪所采用的是脉冲回声法，故该回声测距的公式是：

t

组织厚度=Ｃ·───

2

利用超声方法进行测距的误差也是5％左右。

4、声阻抗是用来表示介质传播超声波能力的一个重要的物理量，其数值的大小由介质密度ρ与声波在该介质中的传播速度c的乘积所决定，即：

Z=ρ·c

单位为Kg／m2·s。

5．临床常用的超声频率在2～10 MHz之间。

二、超声波的物理性能

l、超声波在介质中传播时，遇到不同声阻的分界面且界面厚度远大于波长，会产生反射，反射的能量由反射系数R I=〔（Z2-Z1）/（Z2+Z1）〕2决定。

Z1、Z2为两种介质的特性声阻抗，Z=ρ·c (密度·声速）

当Z1=Z2，为均匀介质，则RI＝0，无反射。

当Z1＜＜Z2（如水和气）则R I很大，产生强反射。

当Z1≠Z2，R I≠0，则反射存在。

由此可见，超声波在界面上反射的大小与界面两边介质的声阻差及超声波的入射角有关。人体软组织声阻抗差异很小，只要有1‰的声阻抗差，便可产生反射，故超声波对软组织分辨力很高。脉冲反射式超声诊断仪就是利用人体组织对超声波的反射作用，从声反射波中提取医学诊断信息的。

2、当分界面两边的声速不同时，超声波透入第二种介质后，其传播方向将发生改变即产生折射。声波从一种小声速介质向大声速介质入射时，声波经过这两种介质的分界面后出现折射波的折射角大于入射角。当入射角超过临界角（90°）时，相应的折射波消失，出现全反射。

3、当障碍物的直径等于或小于λ／2，超声波将绕过该障碍物而继续前进，反射很少，这种现象称为衍射，故超声波波长越短，能发现障碍物越小。这种发现最小障碍物的能力，称为显现力。

4、超声波在传播中遇到粗糙面或极小的障碍物（或一组小障碍物形式）时，将有一部分能量被散射，散射声波可进行组合，等频同相波迭加后能量（幅度）加强，等频反相迭加后能量减弱。

红细胞的直径比超声波要小得多，红细胞是一种散射体，声束内红细胞数量越多，背向散射强度就越大。红细胞的背向散射是多普勒超声诊断的基础。

5、．超声波在介质内的传播过程中，随着传播距离的增大，声波的能量逐渐减少，这一现象称为声波衰减。声波衰减与介质对声波的吸收、散射以及声束扩散等原因有关，其中吸收是衰减的主要因素。为了使深度回声信息清楚，在诊断中要使用STC或TGC调节，补偿声能的衰减。

吸收是声波在传播或反射过程中，体内组织使声能转换为热能的现象。散射衰减是超声波在非均匀介质中传播，因散射而使得声波能量减弱。声束扩散是因为声波在单位面积内的能量减少所致。超声衰减还与超声频率有关，它与超声频率呈正比，频率越高，声波衰减越大。

第三节多普勒超声基础

一、超声多普勒效应

声源与接收器在连续介质中存在着相对运动而导致声波频率发生了改变。当声源与接收器作相对运动时，接收器所接收到的声波频率高于声源所发出的频率，如两者的运动方向相反时，则接收频率低于声源所发出的频率，两者的频率差（频移）与它们之间的相对运动速度成正比。

超声多普勒仪器的超声源和接收器均安装在探头（换能器）中，探头工作时，换能器发出超声波，由运动着的红细胞发出散射回波，再由接收换能器接收此回波。因此接收换能器所收到的超声回波的频率经过了两次多普勒效应过程，所以收发超声频率之差与血流相对于换能器运动速度的两倍成正比，多普勒频移的表达式为：

±2Vcosθf0

f d＝f R-f0＝——————

C

1、式中f d为多普勒频移，f0为入射频率，f R为反射频率，V为反射物体运动速度，C为

声速，θ为运动方向与人射波间的夹角。

2、当f0=3MHz f R= 3.005MHz 则f d= f R－f0＝5 kHz

所以f d一般都在音频范围内。检出f d后，以声音发出响声来监听，并通过FFT对f d进行频谱分析，所以多普勒频移属于声波范畴。

二、多普勒基本概念

1、多普勒超声血流检测技术主要用于测量血流速度，确定血流方向，确定血流种类：如，层流、射流等；获得速度、时间积分，压差等有关血流的参数。

2、多普勒方式表达血流速度的公式如下

C（士f d）

V＝－－－－－－

2cosθf0

式中c为声速（1540 m／s）f0为发射频率（已知）

（1）cosθ是血流与声束夹角的余弦函数，当相对固定时，则f d与流速成正比，f d即影