医学影像物理学 第六章学习指南

第六章 超声成像

教学大纲要求

了解声强、声压、声强级的基本概念，声波在媒质中的传播规律，掌握超声成像的基本原理，了解超声波的特性及其在医学中的应用，了解各种超声诊断仪。 重点和难点

声波在媒质中的传播规律，超声成像的基本原理和基本规律，B 超和多普勒彩超技术的成像特点。

教学要点

一、声波

1．声波的基本概念

（1）声波（sound wave ）、超声波、次声波

频率为20～20000 Hz 的机械纵波（液体和气体中传播时）可以引起人的听觉，称为声波；频率高于20000 Hz 的机械波称为超声波；频率低于20Hz 的机械波称为次声波。

（2）声压（sound wave ）

当声波在介质中传播时，介质的密度作周期性变化，稠密时压强大，稀疏时压强小，在某一时刻，介质中某一点的压强与无声波通过时的压强之差，称为该点的瞬时声压。用P 表示，对于平面简谐波而言，t 时刻的声压为

⎥⎦⎤⎢⎣

⎡+-=2)(cos πωωρc x t cA P 式中，ωρcA P m =称为声压幅值。

（3）声阻（acoustic impedance ）

声压与声速的比值，表征介质声学特性的一个重要物理量，其大小取决于介质密度与声速，即

c A cA P Z m m

ρω

ωρυ=== （4）声强（intensity level ）

单位时间内通过垂直于声波传播方向的单位面积的声波能量，用I 表示

Z

P I cA c I m 2 21222===或ωρε （5）声强级（intensity of sound ）

是用对数的标尺量度声强的物理量。取1000 Hz 声音的听阈值2120W.m 10--=I 为国际

标准声强，则声强级定义为

dB lg 100

I I L = （6）多普勒效应（Doppler effect ）

当声源与接收者相对与媒质发生相对运动时，接收者收到的声波频率与声源发出的声波频率出现不相同的现象，称为多普勒效应。

（7）多普勒效应频率公式

0cos cos να

βννu c c μ±= 其中ν为接收者收到的声波频率，ν0为声源发出声波的频率，c 为声速，u 为声源运动速度，υ为接收者运动速度，α为声源运动方向与接收者和声源连线方向间的夹角，β为接收者运动方向与接收者和声源连线方向间的夹角，分子中的加号和分母中的减号适用于接收者和声源相对运动的情况，而分子中的减号和分母中的加号则适用于二者背离运动的情况。

（8）多普勒频移

发射频率与接收频率之差称为频移。可表示为

ννν-=∆0

2．声波在介质中的传播

（1）声强反射系数I r 和透射系数I t ，

声波垂直入射时有

22121221221)(4 ；)()(Z Z Z Z I I t Z Z Z Z I I r i t I i r I +==+-==

式中，21Z Z >>时，0=I r ，1=I t 发生全透射；当Z 1 ≈ Z 2时，0=I t ，1=I r 发生全反射。

（2）衍射与散射

1）声影（acoustic shadowing ） 由于障碍物线度较大，声波不能完全绕过障碍物，在障碍物之后，存在声波不能达到的空间，称为声影。声影在图像上表现为暗区，是探测不到的盲区。

2）散射 当声波传到障碍物上时，如果介质中存在许多悬浮粒子，这些粒子又将成为新的波源而向四周发射超声波，有一部分声能就要偏离原来的传播方向，这种现象，称为声波的散射。

（3）干涉与驻波

声波的干涉（interference of sound wave ） 当两列相干声波在媒质中相遇时，有些质点因为两个声波的叠加而使振幅增加，有些质点则因声波的叠加而使振幅减弱，因此在媒质中形成一个强弱稳定分布的声场，这种现象称为声波的干涉。

驻波（standing wave ） 频率相同，振动方向相同，相差恒定，传播方向相反的两列相干声波叠加而成。主要特点是在驻波区域没有能量的传播，只有质点的振动。形成驻波时，驻波场是一个振动体，其频率与入射波频率相同，但最大振幅增值一倍。

（4）驻波比r

表示驻波的发生程度，可表示为

mr

mi mr mi P P P P r -+= 其中，mi P 和mr P 分别表示入射波和反射波的声压幅值。当0P =mr ，r =1驻波不存在；当mr mi P P =，r ≈∞，驻波比为无穷大，即全反射驻波。

（5）声通量反射系数φr 和透射系数φt

2cos cos p I i r I i r r r r r ====

θθφφφ 22

1cos cos cos cos p i i i t I i t t Z Z t t θθθθφφφ=== 其中I r 为声强反射系数，p t 为声压透射系数，Z l 、Z 2分别为界面两侧介质的声阻抗，显然，声通量的透射系数与声强的不一样。

3．声波在介质中的衰减规律

（1）声波的衰减（attenuation of sound wave ）

声波在介质中传播时，随着距离的增加，其声强逐渐减弱，这种现象称为声波的衰减。

（2）声波衰减的主要原因

1）扩散衰减 由于声波在空间传输中由能量分布的改变造成的衰减，如反射、折射、波阵面表面的扩大造成单位截面积通过的声能减少。

2）散射衰减 散射过程可以看成是声波与众多的散射中心的多次相互作用的过程，作用的结果是部分声能转化为热能而散失掉。

3）吸收衰减 吸收衰减的本质是声能转变为其它形式的能量，包括热能及其它形式的机械能等。

（3）球面波扩散衰减公式

2200r

r I I = （4）吸收衰减公式

ax e I I -=0

式中，I 0为x =0处入射波声强，a 为介质的衰减系数，x 为传播距离。

二、超声波

1．超声与物质的相互作用

（1）超声与物质的相互作用

1）机械作用 高频超声波通过介质时，使介质中粒子作受迫高频振动，其加速度可达重力加速度的几十万至几百万倍，这种强烈的机械振动能破坏物质的力学结构。