超声物理基础及图像基础

r1=4ZlZ2／(Z1 十 Z2)2
（1-2-2）
R1 十 rI＝ l
式中Z1是入射边介质的特性阻抗，Z2 是透射边介质的特性阻抗，反射程度 取决于Z1和Z2的相对值。Qi为声波入 射角,Qr为反射角,Qi=Qr, Qj为透射角。
图1-2-3 超声波的反射与透射
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4.阻抗差异大的界面反射特性 从 (l-1-3) 或 可 知 ， 当 Z1 和 Z ２ 相 差 很 大 时 ， 无 论 Z1》Z ２ (固体 气体)或Z1《Z２ (气体 固体)将会发生近乎全部反 射而没有透射 。如在水和空气的界面上 ，其中： Z 水 ＝ 1.492kg ／ m2 ／ s(kgm-2s-1) ， Z气=0.00428(kg m-2s-1)，则反射回来的能量比为：
图1-1-3生物材料中的超声速
横条代表实验测的的速度范围
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2、波长与介质的关系
（1）同一介质 不同频率的超声波，在同一介质内传播时其 波 长 与 频 率 成 反 比 。 1MHz 的超声波在人体软组织中传播时，其波长为 1.5mm 。 3MHz 的超声波在人体软组织中传播时，其波长为 0.5mm 。 5MHz 的超声波在人体软组织中传播时，其波长为 0.3mm ， 所以频率越高的超声波在同一脏器组织中传播其波长愈短。 例如：用高频率的探头检查肝脏其波长也愈短。 （2）不同介质 同一频率的超声波，在不同介质内传播， 因传播声速不同，则波长也不相同。频率为3MHz的超声波在人 体软组织中传播时，其波长为0．5mm，而在空气中传播，其波 长为0.114mm。 所以用同一种探头检查人体不同的组织时，由于声速存在差 异，所以波长也是不相同的。
超声测距是按1540m/s 平均速度设置电子尺的，下列测 量中哪项是错误的
A.测量肝、胆、脾、胰误差很小 B.测量脂肪组织大于真实值（偏大） C.测量胎儿股骨长径时小于真实值（偏小） D.测量颅骨钙化病灶测值偏小 E.测量眼组织玻璃体、角膜、虹膜无偏差
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二、超声波的物理性能
（一）、超声波对组织作用的信息变化 超声波入射人体组织后，超声波的能量将发生衰减，其损失包 括吸收和反射，如图1-1-4所示
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5、阻抗差异小的界面反射特性
如果Z1和Z２相当接近，则反射很少。但只要有1‰的声阻抗差，就会产生反 射波，所以超声波对软组织分辨力很高。 软组织的特性阻抗彼此非常接近，垂直于肝一肾分界面的人射声波中反射回 肝中的部分大约只占入射波能量的 6％。其余的94%透过界面送入肾。图1-1-7示 出生物材料的特性阻抗。
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（四）超声波的三个基本物理量
1、超声波的振态 超声波的振态在固体中有纵波 、横波 和表面波三种，而在液体和 气体中只有纵波振态，在超声诊断中应用的是超声纵波。 2、超声波的三个基本物理量 超声波有三个基本物理量，即波长（wave length,λ ）,频率（f）和 声速(velocity,C),它们之间的关系为： C=λ ×f 也就是λ =C/f （1-1-1） 频率 即一秒钟内声源振动的次数 , 以赫兹为单位，并常用 1kHz 、 1MHz（1 Hz=1次/秒）。频率是周期的倒数，如振动周期为T，则f=1/T。 声速 声波在某种介质中的传播速度，即一秒钟传播的距离，单位为 米/秒（m/s）。它与介质的弹性（K）和密度（ρ）有关,
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辅导材料 (第一章~第四章)
中国医学科学院基础医学研究所
袁光华
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掌握超声医学基础知识
一、重点理解——原理、概念 二、加强记忆——规律、数据 三、融会贯通——联想、判断
理解 —— 记忆 —— 贯通
打好坚实基础 规范检查操作
正确使用仪器 提高诊断水平
人体组织内引起超声波反射的条件是：
A、 人体组织声速有所不同 B、 人体组织声阻抗存在差异 C、 人体组织对超声波产生发散 D、 人体组织对超声波频率改变 E、 人体组织的密度基本相同
采 用频谱技术研究血流运动规律，其信号来自： A、 红细胞运动信号 B、 红细胞反射信号 C、 红细胞背向散射信号 D、 红细胞衍射信号 E、红细胞挠射信号
3, 镜面反射 如果特性阻抗相等，即 Z1＝Z２时，称为均匀介质，则不产生反射，如果特性 阻抗不同，一部分超声波被反射。和光学情况一样，反射角等于入射角。这种反 射称为镜面反射。其反射的能量占入射能量的比例，在入射方向垂直于分界面时 是最简单的情况。此时
(反射系数 )
(透射系数)
( z 2 z1 ) 2 R1= ( z z ) 2 2 1
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第一章
物理基础
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第一节 超声显像物理基础 一、超声波基本物理量
（一）声源、介质 1、声源 我们把能发出声音的东西叫做声源。振动是产 生声波的根源。 在超声成像中，探头晶片发射时即产生超声，所以探头晶 片就是声源。 2、介质 声源和接收声音之间的空间充满了气体(空气)， 或是液体，或是固体，即有种传播声音的媒介物——介质。声 波必须在介质中传播，在真空中声波是不能传播的。 在超声诊断中，人体脏器、器官都是介质。介质的声学特 性与成像的关系非常密切。 超声与声音除了频率高低有别外，它们在本质上是一致 的，都是一种机械振动，并以确定的速度通过介质。
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超声波频率、波长、声速及人体组织的关系错误的是：
A、 不同频率的探头检查肝组织时，声速基本相同 B、 同一探头检查不同脏器时，声速不相同 C、 不同频率探头检查相同的脏器时，波长与频率成反比 D、 同一探头检查不同脏器时，波长不相同 E、 在肝脏检查中，频率高的探头其波长也愈长
声速与相关的关系中不对的是：
2、介质的特性阻抗 介质特性阻抗 Z 等于它的密度ρ 和超声在其中的速度 C 的乘积，即： Z=ρ × C (l-1-2) 物质的密度一般是固体＞液体＞气体，超声在介质中的速度是固体＞液体＞气体， 故声阻抗值一般也是固体＞液体＞气体。 13 人体软组织及实质性脏器的密度、声速和声阻抗与水相接近(因脏器内水的成份约占 60～70％)。
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（二）频谱图与超声波
1。谱图 在很宽的频率范围内，机械波和振动都可以产生声音，这种 频率范围叫做声学频谱。这个频谱从可听范围到构成物质振动状态的声子 的范围（>1012），在图1-1-1谱图中给出了声学频谱的图形解释。 2。超声波 人们能听到的声音，大约是20～20000Hz。高于20000Hz的声 音叫做“超音”，也就是通常所说的超声波
A、 声速与超声波的频率（ f）有关 B、 声速与人体组织的弹性（k）有关 C、 声速与人体组织的密度（ρ ）有关 D、 声速与人体的特性阻抗（z）有关 E、 声速与测量距离的精度有关
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人体组织的声像学特性，错误的是
A.软组织、肌肉、骨组织声阻抗不同 B.在肝组织中，3.5Mhz与5.0Mhz探头检查声速相同 C.在软组织中频率高的超声波波长愈短 D.正常肝组织与肝占位病灶组织密度相同 E.10Mhz超声波在虹膜中的声束大于巩膜中的声速
（ a ）孤立的小点不连续性所引起的 球面散射
(b) 粗糙表面上的散射，散射场是各孤 立球面子波的合成。
(c) 一组小的颗粒引起的不连续性散射， 散射场为各子波合成。
图 1-1-8 引起超声散射的三种情况
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2．反（背）向散射 在大小与超声波波长可比或比之更小的脏 器或组织内部的微小结构上进行的超声波的散射对形成软组织的超 声图像起了重要的促进作用，可以认为超声波的这种反向散射形式 构成了超声图像中的决定性的信息，是超声成像法研究内部结构的 重要依据。 标志反向散射的数量和定量参数称为反向散射系数 μ b，定义为：
图1-1-1声学频谱图
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（三）超声波应用范围
在20到100KHz的频率范围内，很多动物都用超声波进 行交流、导航及追捕它们的猎物。 从100 KHz（105Hz）到1MHz（106Hz），超声波最重 要 的 应 用 就 是 声 呐 （ 声 音 导 航 及 测 距 ） 。 2.5 MHz到5 MHz的频率用于心脏、腹部及软组织成像。 这 些 频 率 能 穿 透 组 织 可 到 达 20-15cm 的 深 度 。 5-10MHZ的频率的超声波可以用于小器官的成像，例如： 腮腺、甲状腺、颈部血管及眼睛显像，它只需要 4-5cm的 穿透深度。 10-30MHz 用于皮肤及血管内检查，可以获得高分辩 力的图像。 40-100MHz 用于生物显微镜成像，对眼活组织表面下 的显微诊断。
k 即 C= ， p
而与超声的频率无关。声速在决定声阻抗以及回声测距精度上是重要 因素。超声在人体软组织中平均速度为1540m/s,探测1cm深度目标所需时 6 间为 13.4μs.
波长 压力波的波峰被特殊的距离所分开，这个距离叫波长 （λ ）。波长表示声波在介质中传播时，两个相邻的周期质点之 间的长度。对纵波来说，是两个相邻的稠密区（压缩区）中心点 的波动距离。振动的传播过程就是波动（wave motion ）
（三）、反（背）向散射是超声成像的重要信息来源 1、散射 在介质特性以粗糙表面、小障碍物或一组小障碍物形式出现时(只有几
个波长或更小)，上面计算平面分界面上反射量的公式就不能用，这时将有一部分能量被 散射(Scattering)，其程度决定于几何条件。如图1-1-8所示。每块面积把入射平面波作 为球面子波加以散射，各子波组合起来便形成再发射的超声分布。
图 1-1-7 生物材料的特性阻抗
图中水平横条代表文献中报导的测量范围,软组织的特性阻抗都相当接近 1.5×106kgm-2s-1, 因 此 它 们 的 密 度 大 致 都 在 1000kg/m3 左 右 , 声 速 一 般 为 1500m/s.但肺的密度及声速都低得多,而骨骼的相应值侧高得多。 16 界面反射是超声波诊断的基础。
图 1-1-4
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超声作用于人体组织的信息变化
（二）．超声波的反射是超声成像的基础 1．分界面上的反射 在两种不同介质的分界面传播时就可能发生反射和折射。图 l-1-5表示一种简单的情 况，所示其反射性能受到介质特性阻抗的影响。分界面两边的特性阻抗差将决
定入射超声如何在透射和反射之间分配。
图 1-1-5 分界面上的反射
μb =
从组织中反向散射的能量 (参考能量) (立体角) (距离)
（1-1-4）
式中：参考能量等于脉冲的总能量。 所以超声成像的回声来源是：超声波的背向散射及镜面反射。 3．红细胞散射 在研究红细胞运动规律时，反向散射（Back scattering）是极有用的超声信息。 超声束内红细胞的数量越多，散射源也就越多，超声探头接收的反 向散射信号的强度也就越大。 红细胞数目的多少与频移范围无关 。 采用频谱多普勒技术研究红细胞（血流）运动规律时，其信号是来 自红细胞背向散射。 18
（ a ）传播声波的媒质（介 质）的分子 (b) 波长为 λ 的平面连续 压缩波的压力分布
图1-1-2质点振动传播声波
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(五) 声速、波长与介质的关系
1、声速与介质的关系
（1）.同一介质 不同频率的探头在同一介质中传播时声速基本相同。所以 用不同频率的探头检查肝脏时，声速基本相同。 （2）.不同介质 同一频率的超声波在不同介质中传播的声速是不同的，例 如：1MHz超声波在0℃的水中为150Om／s；在0℃的钢材中为6000m／s；在人体 软组织中平均声速为1540m／s。如图1-1-3所示：生物材料（组织）中的超声 速，粗横条代表实验测得的速度范围。 人体软组织的声速分布在 1500m/s ～ 1680m/s 之间 , 利用超声方法对软组织 测距存在一定的误差。而骨组织的声速则高于2800m/s、肺组织的声速大约在 1200m/s以下，了解人体不同组织声速的分布对判断由超声测量引起的误差是 很有帮助的。
1.492-0.00428 R=（ ）= 0.99 1.492+0.00428
即：99%
此时入射超声能量中有99％被反射， 由此可见，超声从液体(或固体)向气体中传播几乎是不可能， 反之从气体向液体(或固体)中传播也几乎不可能。为什么说超声在 人体诊断中对肺组织是困难的，就是因为肺组织中充满气体的缘故。 按同样的道理，在临床诊断时，要在探头与人体受检部位之间 涂上足够的超声耦合剂，以减少空气对声波传送的影响。