超声波基础知识

几种物质及人体组织的声阻抗率
三、生物组织与超声波之间的相互影响
1. 生物组织对超声的衰减 当超声波在生物组织中传播时 , 作为传播介质的生物组织对超声的衰减机
制是十分复杂的。除组织对超声波的反射、散射等引起的能量的分散之外 , 组织
对超声能量的吸收而造成的衰减亦不可忽视。在生物组织中 , 造成吸收衰减的内 在原因主要有介质质点的粘滞性、导热系数和温度等因素 , 而这些因素造成对超 声衰减的大小又与超声的频率有关 , 超声衰减在人体中与传播距离成正比。超声 传播到其强度减弱一半的距离叫半价层 , 因此 , 可以用半价层来表明生物组织 吸收的大小。人体组织、器官的超声半价层如下表所示。
质点的密度时疏时密 , 从而使平衡区的压力时强时弱 , 结果导致有波动 时压强 (P W ) 与无波动时压强 (P O ) 之间有一定额压强差 (P W － P
O ), 这一波动压强称为声压。对于一无吸收媒质的平面波 , 有波动时压
强的最大值与没有波动作用时各点压强的差值称为压强振幅 (P m ), 它可 由下式确定： P m = ρ cV m 即：声压振幅 P m 与媒质密度ρ 、质点运动速度的最大值 V m 及波速 c 成正比。
声波发射器及接收器的功能，超声探头以逆电装置（以电脉冲转变成为 声脉冲）发射超声波，通过与人体组织复合的阻抗作用产生回波；由正
压电装置（脉冲转为电脉冲）接收回波，形成图像。

简单的说B超就是向人体发射超声波，同时接收体内脏器的反射波，将 所携带信息反映在屏幕上
六、B超的优缺点
优点：
无创性检查。 能够实时显示体内结构。（软组织优于CT，区别囊实性优于CT） 及时判断。 复查便捷。 设备投资相对较少。 对工作环境要求相对较低。
可见，血液的半价层最大 , 这说明血液对超声的衰减最小。在人体中 , 不同的组织由于具有不同的介质密度和性质 , 也往往表现出对超声 不同的衰减系数。实测结果表明 , 人体中血液和眼球玻璃体液吸收声 能最小 , 肌肉组织吸收稍强 , 纤维组织及软骨吸收声能较大 , 而骨 骼对超声的吸收最大。下表出了人体主要组织成分对不同频率超声的衰 减系数。
由于超声在人体中的衰减与超声频率有关 , 因此 , 研究超声衰减与频率的 关系 , 对超声仪器的设计和使用都颇具意义。实验结果表明 , 在 1 ～ 15MHz 超声频率范围内 , 人体组织对超声波的吸收衰减系数几乎与频率成正 比。人体软组织对超声的平均衰减系数约为 0.81dB /cm / MHz, 其含义是超 声波频率每增加 1MHz 或超声传播距离每增加 1cm , 则组织对超声的衰减增
超声基础知识
一、超声波的产生和特性
超声波的产生 物体的机械振动是产生波的源泉 , 波的频率取决于物体的振动频率。
可见，整个声波频谱是比较宽的，其中只有可听声波才能为人耳所听到，而次声、超声 虽然属于声波却不能为人耳所察觉。 在自然界存在着多种多样的超声波 , 如某些昆虫和哺乳动物就能发出超声波 , 又如 风声、海浪声、喷气飞机的噪声中都含有超声波成分。在医学诊断上所使用的超声波 是由压电晶体一类的材料制成的超声探头产生的。眼科方面所使用的超声频率在 5 ～ 15MHz 范围内 , 心和腹部所使用的超声频率在 2 ～ 10MHz 范围内。
2. 周期和频率
质中的质点在平衡位置往返振动 1 次所需要的时间叫周期 , 用 T 表示， 单位是秒（ s ）；在 1s 的时间内完成振动的次数称为频率 , 用 f 表
示 , 单位为周 /s ，又称作 Hz(Hz) 。周期与频率成互为倒数关系 , 以
下式表示： f=1 ／ T 超声诊断常用的频率范围在 0.8 ～ 15MHz 之间 , 而最常用的为
6. 声阻抗率
声阻抗率是描述声波传播弹性媒质的一个重要物理量。对于各向同性的均匀媒质 中无衰减的平面自由行波来说 , 媒质中某点有效声压 P 与振动质点速度有效值 V 之比称为声阻抗率 , 它用 Zs 表示： Zs = P ／ V= ρ c 实际上 , 声压与质点振速不一定同相位 , 所以声阻抗率是 2 个同频率、但不同相 的余弦量的比值 , 并不是一个恒量。对于无衰减的平面行波 , 声压和振速可视为 同相 , 媒质各点的声阻抗率是同一个恒量ρ c, 对一定频率的声波来说 , 它只决定于 媒质密度ρ和波速 c 的乘积。
一定强度的时候，除产生热效应外 , 空化效应的结果还可能使组织细胞产生破坏
性形变。因此，虽然目前普遍地认为超声对人体的危害甚微，但诊断用超声剂量 并不被认为是越大越好。一般接受的剂量应小于安全剂量 50 焦耳／平方厘米 (J
／ cm 2 ) ，并且最大照射强度低于 100mW ／ cm 2 。然而 , 超声能终归是一
传播 , 这是因为液体和气体无切变弹性。


由超声诊断仪所发射的超声波 , 在人体组织中是以纵波的方式传播 的。就是因为人体软组织基本无切变弹性 , 横波在人体组织中不能 传播。
与普通声波 ( 可闻波 ) 相比 , 超声波具有许多特性 。 其中最突出的有 : ①由于超声波的频率高 , 因而波长很短 , 它可以像光线那样沿直线传播 , 使 我们有可能只向某一确定的方向发射超声波 ; ②由超声波所引起的媒质微粒的振动 , 即使振幅很小 , 加速度也非常大 , 因 此可以产生很大的力量。 超声波的这些特性 , 使它在近代科学研究、工业生产和医学领域等方面得到日 益广泛的应用。 例如 , 我们可以利用超声波来测量海底的深度和探索鱼群、暗礁、潜水艇等。 在工业上 , 则可以用超声波来检验金属内部的气泡、伤痕、裂隙等缺陷。在医 学领域则可以用超声波来灭菌、清洗 , 更重要的用途是做成各种超声波治疗和
极限分辨率 , 而频率则决定了可成像的组织深度。下表给出了医学超声
诊断常用的几种超声波频率与其波长、周期和极限分辨力的关系。
波长、周期与极限分辨力之间的关系
注：取超声波在人体中传播的平均声速 c=1540mm/s 作为换算标准
4. 声压
纵波在弹性媒质内传播过程中 , 媒质质点的压强是随时间变化的 , 媒质
种机械能，它不同于各种有损射线，所以，利用超声波所实现的各种检查治疗手 段，应该说是比较安全的。
四、B超原理

B超属于超声诊断学，在现代医学影像学中超声诊断学与CT、X线，核医 学，磁共振并驾齐驱，B超经过了3个发展阶段，普通B超，彩色B超，三 维B超。
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五、工作原理
基本原理：在超声诊断仪中探头是一种声电换能器，同时兼有超
2.5 ～ 10 （ MHz ）。
3. 波长
在一个周期内 , 声波所传播的距离就是一个波长 , 用λ 表示。
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 ( 波谷 ) 的距离
λ
＝ c/f
频率和波长在超声成像中是 2 个极为重要的参数 , 波长决定了成像的
声阻抗率和电学中一个无限长、无损耗传输线的特性阻抗相似 , 其中声压相
当于电压 , 振速相当于电流强度 , 声阻抗率相当于电阻。通常声阻抗率是一个复 数 , 其实部称为声阻率 , 虚部称为声抗率。人体正常组织的声阻抗率的平均值约 为 1.5 × 10 6 牛顿· 秒 / 米 3 (N ·s ／ m 3 ), 而与超声测量有关材料的密度和。
超声波和可听声波一样 , 也是一种机械波 , 它是由介质中的质点受到机械力 的作用而发生周期性振动产生的。依据质点振动方向与波的传播方向的关系 , 超声波亦有纵波和横波之分。 纵波是质点的振动方向与波的传播方向相同的波。例如音叉在空气介质中振动 所产生的声波 , 空气介质中的质点沿水平方向振动 , 振动的方向与声波的传 播方向一致 , 传播时介质的质点发生疏密的变化 。纵波可以在固体、液体、 气体介质中传播。
：
5. 声强
声强是表示声的客观强弱的物理量 , 它用每秒钟通过垂直于声波传播方向的 1 平方 厘米面积的能量来度量 , 它的单位是焦耳／ ( 秒·平方厘米 ) ［ J/(s · cm 2 ) ］。
声强与声源的振幅有关 , 振幅越大 , 声强也越大 ; 振幅越小 , 声强也越小。当声源
发出的声波向各个方向传播时 , 其声强将随着距离的增大而逐渐减弱。这是由于声源 在单位时间内发出的能量是一定的 , 离开声源的距离越远 , 能量的分布面也越大 , 因此通过单位面积的能量就越小。基于这一原理 , 在超声诊断探头发射超声时 , 必 须考虑波束的聚焦 , 它可以减小声能的分散 , 使声能向一个比较集中的方向传播 , 因而可以增加诊断探测的深度。
2. 超声波的反射、折射与透射 超声波在人体组织内传播不仅有衰减 , 同时还存在着反射、折射与透射 现象。在人体均质性组织内传播时 , 超声波只沿其传播方向前进 , 此 时不存在反射、折射问题。如果超声波在非均质性组织内传播或从一种 组织传播到另一种组织 , 由于两种组织声阻抗的不同 , 在声阻抗改变 的分界面上便会产生反射、折射与透射
缺点：
对含气脏器和骨质结构难以传到至深部成像，成像效果不如CT及MRI 重复性不好 图象易受气体和皮下脂肪的干扰 伪像干扰 图象显示范围较小 医生手法要求高
十、整机组成
主机、探头、监视器、专用软件组成
3. 超声波的生物效应
超声波是一种依靠介质来传播的声波，它具有机械能，因此，在传播的过程中将 不可避免地和介质相互作用，产生各种效应。比如声波能量作用于介质，会引起 质点高频振动，产生速度、加速度、声压和声强等力学量的改变，从而引起机械 效应 ; 由于介质对超声能量的吸收，将使介质温度升高，从而引起热效应 ; 当 超声波作用于液体时，会使液体内部压力发生变化，产生压力或拉力，当拉力达 到一定强度，可以使液体分子断裂，产生近于真空的空穴，引起所谓空穴效应 （也称空化效应）等。当超声作用于生物组织时，以上提到的各种物理效应同样 存在，因而会对生物组织产生某些生物效应。比如，由于生物组织的粘滞性而造 成的吸收，将使一部分声能转化为热能，使生物组织产生温升，当超声能量达到
加 0.81dB 。因此 , 对一个 3MHz 声束 , 当其在人体软组织中传播 10cm
时 , 则声强衰减可达 : 0.81dB /cm/MHz × 3MHz × 10cm =24.3dB
而当频率升高到 10MHz 时 , 传播相同的距离所导致的声强衰减将达 : 0.81dB /cm / MHz × 10MHz × 10cm =81dB 这就说明频率的因素甚为重要。因此 , 根据探查部位的组织不同和深 度不同 , 合理选择使用探头的频率 , 对诊断效果将有较大影响。
诊断仪器。
二、超声波的物理量
1. 声速 声波在介质中单位时间内传播的距离 , 称为声速。用符 号 c 表示 , 单位为 m ／ s( 米／秒 ) 。声波的传播过程实质 上是能量的传递过程 , 它不仅需要一定时间 , 而且其传递速 度的快慢还与介质的密度及弹性、介质的特性以及波动的类
型有关。
在有关介质中的超声速度

横波是质点振动方向与波的传播方向垂直的波。一个典型的例子便是
软绳上的波 , 我们不妨把软绳看成密集质点的集合 , 如果不断地摆
动软绳的一头 , 则一系列的横向振动的波就由绳子的左端向右端移 去 , 而绳上各质点并不随波的传播方向移去 , 只是在各自的平衡位
置附近作横向 ( 剪切形式 ) 的振动。横波不能在液体及气体介质中