浅谈超声技术的基本原理与医学应用

浅谈超声技术的基本原理与医学应用[摘要] 本文分析了医用物理技术之一——超声技术。主要内容包括超声波的特性及其对介质的作用,超声波的产生与探测以及超声波在医学诊断中的应用等。

[关键词] 超声技术医用物理医学应用教学研究

随着医用物理、电子技术和信息技术的发展,各种新型的医学物理诊断技术不断涌现,极大地推动了现代医学影像诊断技术的进步。这里不妨先对b超、x-ct、核磁共振这三种常用的医学物理诊断技术作一比较。

所谓b型超诊断技术,是指运用超声波的物理特性,通过高科技电子工程技术,对超声波的发射和它在人体内的反射、折射、散射等信息进行接收和转换,并经电子计算机分析、处理和显像,以实现对人体组织和器官的形态结构与功能状态的检查。

所谓x-ct,是指利用x射线束对人体的一定部位按一定厚度分层面进行扫描,由探测器接收透过该层面的x射线,把所测得的信号经过模数转换,转变为数字信息后由计算机进行处理,从而得到该层面的各个单位容积的x射线吸收值(即ct值)。这些数据再经过数模转换后形成模拟信号,并通过计算机的变换和处理后输出到显示设备上,显示出人体检查部位的横断面图像。

所谓核磁共振成像(简称mri),是利用人体内的原子核在磁场内共振所产生信号经重建成像的一种成像技术。这是在80年代开始应用于临床医学的影像诊断高新技术。它具有无电离辐射性损害;

无骨性伪影;能多方向(横断、冠状、矢状切面等)和多参数成像;具有高度的软组织分辨能力等优点。由于参与成像的因素多、信息量大,因而不同于现有的其它影像诊断技术,它在临床诊断中具有明显的优越性和应用潜力。被誉为医学影像诊断领域中继x-ct之后的又一重大发展。

需要指出的是,我们应将超声诊断、x光摄影、x-ct、核磁共振成像检查,共同视为医学物理影像诊断技术中不可分割的整体。它们之间的作用是相互补充、相互印证、密切关联的。任何与此相悖的认识,都是偏离医学影像诊断发展方向的,也是不值得提倡的。

下面就来讨论超声波的特性及其对介质的作用、超声波的产生与探测原理,以及超声技术在医学诊断中的一些应用。

一、超声波的特性及其对介质的作用

频率高于20khz的机械波,由于不能引起人耳的听觉,故称超声波。超声波在工农业生产、科研、军事以及医学中都有广泛应用。超声诊断在医学临床诊断中占有重要地位。

1.超声波的特性

超声波也属机械波,它具有声波的通性。它的传播速度和声波的相同,在传播过程中会发生反射和折射,也会因介质的吸收而衰减。超声波因频率高,除了具有通常声波的一般性质外,它还具有如下一些特性。

(1)方向性好

超声波因为频率高、波长短,所以它可以像光一样沿直线传播。

频率越高,传播的直线性越好。超声波也能像光一样会聚和发散。利用这一特性,可进行超声探测和定位。

(2)强度大

由理论计算可知,声强与频率的平方成正比。频率越高,声强越大。例如,同一种介质中,在振幅相同的情况下,频率为103khz的超声波,其声强为频率是1khz声波的106倍。

(3)对固体、液体的穿透本领强

超声波在液体、肌肉、脂肪、软组织以及有些固体中传播时衰减很小。但因气体吸收超声波的能力强,所以超声波在空气中衰减比较快。这也是在作超声检查时为什么要使用耦合剂的主要原因。

2.超声波对介质的作用

超声波在介质中传播时,对介质的作用主要表现在以下几个方面。

(1)机械作用

超声波在通过介质时,使介质中的微小颗粒产生剧烈的高频振动。介质微粒振动的振幅虽然很小,但由于频率很高,所以其加速度很大,往往可达重力加速度的几十万甚至上百万倍。这在介质的局部可造成很大的压强变化,强烈的机械振动可破坏物体的力学结构。超声波的这种力学效应,称为超声波的机械作用。利用这种作用,可以对材料进加工。医学上,利用超声波的机械作用,可以对细胞进行按摩,能起到活血化瘀的作用。超声波碎石机可击碎人体脏器中的结石,如肾结石、膀胱结石、尿道结石等。但强度过大的超

声波进入人体也会产生不良效果,它可能破坏细胞的力学结构。

(2)热作用

超声波在介质中传播时,有一部分能量被介质吸收,转化为介质的内能,使介质的局部温度升高。超声波的这种作用,称为热作用。超声波的强度越大,产生的热作用越强。工业上可以利用超声波进行焊接。医学上利用超声波的热作用,可使局部血管扩张、血液循环加快、组织代谢加强、促进病理产物的吸收,还可用来治疗神经炎、坐骨神经痛、骨、关节、肌肉和软组织扭伤,以及呼吸系统和心血管系统等疾病。

(3)空化作用

在液体中,往往存在一些极细微的气泡或固体颗粒。当超声波在液体中以高频纵波形式传播时,这些极细微的气泡和颗粒在超声波的高频压、拉作用下,液体中微粒的疏密随之发生迅速变化,可使位于该处的极细微的气泡迅速形成近似真空的空腔,并在极短时间内又突然闭合,从而可在局部产生高温、高压和放电现象。超声波的这种作用,称为空化作用。超声波的空化作用可以用来杀灭细菌,对食品进行消毒等。利用空化作用,还可以将液体“粉碎”,使通常情况下不能混合的液体(如油和水)混合,进行超声乳化,用于制造出各种乳剂。

二、超声波的产生与探测

超声波是超声振动在介质中的传播。产生频率高于2×104hz的超声振动,是获得超声波的前提。产生超声波的方法很多,在医用超

声仪器中,常用的超声波发生元件主要是利用某些压电晶体(如石英、锆钛酸铅、酒石酸钾钠等)的压电效应来获得。一般是将这种晶体沿某个特定方向加工成薄片,称作压电晶片。

1.正压电效应和逆压电效应

(1)正压电效应

若对压电晶片的两个面施以压力作用,它的厚度变薄,同时在晶片的两个面上出现等量异号电荷;若对晶片的两个面施以拉力作用,它的厚度变厚,同时在晶片的两个面上出现与压力作用时相反的等量异号电荷。这种由机械作用而引起电荷分布发生变化的现象,称为正压电效应。正压电效应是把机械能转化为电能。

(2)逆压电效应

与正压电效应相反,当在晶片的两个面上施加某一方向的电压,晶片因两个面带上了等量异号电荷而变薄;若改变施加在晶片的两个面上的电压方向,晶片因两个面所带的电荷变号而变厚。这种由电荷作用而引起晶片发生机械变化的现象,称为逆压电效应(也称

电致伸缩效应)。逆压电效应是把电能转化为机械能。

只要明白了正压电效应和逆压电效应,再来说明超声波的产生

与探测就比较容易理解了。

2.超声波的产生与探测

(1)利用逆压电效应产生超声波

若在压电晶片上施加高频交变的电压,压电晶片将在高频交变

电压的作用下产生同样频率的高频振动,这样即可产生并向外发射