超聲的物理學(xué)現(xiàn)象與成像的原理詳解中山大學(xué)附一黃埔院區(qū)麻醉科劉明姬內(nèi)容超聲波物理學(xué)概念超聲探頭原理--超聲波的產(chǎn)生及傳播優(yōu)化超聲圖像需要超聲物理知識選擇合適探頭增益設(shè)置深度設(shè)置組織回聲超聲特性超聲偽像成像模式超聲波的相關(guān)概念-定義超聲波是指聲波振動頻率超過人類聽覺可辨別范圍（大于20000Hz）的聲波，簡稱超聲。超聲波的相關(guān)概念-單位

MHz兆赫

KHz千赫

Hz赫茲換算是以1000為換算原理例：1MHz=1000KHz

常用醫(yī)學(xué)超聲檢查頻率為2-10MHz

聲波和超聲的行為原則卻是相似的物理量定義頻率(frequency):一秒內(nèi)出現(xiàn)振動波的次數(shù)為頻率(f)，其單位為赫茲(Hz)。波長(wavelength)：兩個相鄰密部或疏部之間的距離為波長()。聲速(wavevelocity):每秒聲波傳播的距離為波速(C)，C=f

超聲學(xué)的相關(guān)概念-主要物理參數(shù)縱波：空氣、液體中傳播橫波、縱波：固體中傳播聲速

從聲波傳播速度考慮，人體組織可分３類：軟組織：約1541m/s

氣體：約350m/s

骨骼：約3852m/s

醫(yī)用：以軟組織的平均聲速1540m/st

組織厚度=Ｃ·───

2可通過聲速測量軟組織的厚度聲阻抗定義：介質(zhì)中某點(diǎn)的聲壓(P)與質(zhì)點(diǎn)振動速度(V)之比為該點(diǎn)的聲阻抗（Z）。聲阻抗是“機(jī)-電類比”中與電阻抗相類比而稱的。意義：表示介質(zhì)傳播超聲波能力的重要物理量。

聲阻:為介質(zhì)的密度()和聲速(C)

的乘積(Z)，

Z=C

Z=ρ·C

單位為（Kg／m2）·s超聲探頭原理-壓電式轉(zhuǎn)換器原理一些晶體類物質(zhì)，如石英或電氣石等，可呈現(xiàn)一種被稱為壓電效應(yīng)的特性。

----即當(dāng)施加給它們一定的電壓時，它們會改變形狀；相反當(dāng)用力擠壓使其變形時，則會產(chǎn)生電壓。當(dāng)這種物質(zhì)接收電脈沖時，會不停的變形從而產(chǎn)生震蕩，將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。這種震蕩在晶體的共振頻率重復(fù)發(fā)生，且頻率的高低與晶體的厚度成反比?，F(xiàn)代超聲探頭使用的是比石英具有更大壓電性能的物質(zhì)，如鋯鈦酸鋁等。探頭的壓電晶體將電流轉(zhuǎn)換成機(jī)械性壓力波然后將返回的機(jī)械性壓力信號轉(zhuǎn)換成電信號。

探頭（換能器）原理電壓引起晶體振動產(chǎn)生聲波產(chǎn)生聲波在組織中傳播聲波在不同機(jī)構(gòu)中產(chǎn)生反射回波到達(dá)晶體聲能轉(zhuǎn)換成電信號信號加工處理顯示圖像聲波產(chǎn)生保護(hù)層

–保護(hù)探頭表面匹配層

–幫助聲波的傳導(dǎo)壓電晶體–傳輸/接受聲波背襯層–衰減聲波背向輻射能量匹配層背襯層壓電晶體保護(hù)層探頭的構(gòu)成換能器背向吸收材料手柄匹配層電纜匹配層用于減少由于皮膚與探頭之間聲組抗的差別所造成的多重反射。換能器將能量從一種形式轉(zhuǎn)換成另一種形式。背向吸收材料減輕來自晶片的振動，縮短波長并提高軸向分辨率。探頭

將以上所有部件組合在一起。不同類型探頭晶體呈線陣排列

晶體按一定順序施加脈沖激勵線陣探頭常用于血管或表淺組織成像接觸面線陣探頭凸陣探頭主要是接觸面為凸?fàn)畹木€陣排列的探頭在近場和遠(yuǎn)場有較大的視野一般應(yīng)用于腹部和產(chǎn)科檢查

凸陣探頭晶體受到定向激勵形成扇形圖像接觸面小用于肋骨之間較小的解剖聲窗相控陣探頭多用于心臟、小兒科以及腹部檢查相控陣探頭探頭識別

格式接觸面頻率

凸陣

C 60 5-2線陣

H3813-5相控陣

P215-1

超聲波束波束–大約厚1mm波束斷層掃描形成二維圖像1mm刻痕凹槽每個探頭都有它自己的方向標(biāo)識超聲波的傳播聲波在空氣中的傳播速度約為330m/s,而其在水中的傳播速度是在空氣中傳播的5倍左右。介質(zhì)速度水1480m/sec空氣330m/sec肝臟1550m/sec骨骼4080m/sec脂肪1440m/sec鋼6000m/sec平均=1540m/s探頭在接觸皮膚時需使用具有傳導(dǎo)力的凝膠---

耦合劑連接體超聲不是在空氣中傳播的耦合劑作為聲波在身體傳播的媒介，消除氣體形成的縫隙超聲經(jīng)過組織時，可以發(fā)生透過、反射、折射、散射，甚至轉(zhuǎn)化成另一種能量（比如熱能）。超聲波入射到比波長大的界面且有一定聲阻差時，就會產(chǎn)生反射。如遇兩聲速不同的介質(zhì)時可引起傳播方向的改變，即為折射。界面：兩個介質(zhì)的分界面聲阻差：兩個介質(zhì)聲阻抗的差值入射角：聲波入射到界面的角度散射與繞射散射：遇界面遠(yuǎn)小于波長的微小粒子，超聲波將產(chǎn)生散射，人體內(nèi)的散射源為紅細(xì)胞和臟器內(nèi)的細(xì)微結(jié)構(gòu)。繞射：聲波在傳播過程中，如遇到直徑小于超聲半個波長的障礙時，其聲波會繞過障礙物而繼續(xù)傳播為繞射反射Reflection

–返回探頭散射Scatter–各個方向的反射折射Refraction–方向改變后部分到達(dá)探頭吸收Absorption–轉(zhuǎn)換成熱量聲能衰減定義：是指聲能隨著傳播距離而減弱的現(xiàn)象

衰減量=頻率×深度衰減聲能隨著距離增加而減少原因：反射、散射和吸收聲波發(fā)生散射，折射和吸收產(chǎn)生衰減衰減減弱信號的強(qiáng)度深度越深，信號越弱衰減&增益可以通過調(diào)節(jié)增益來補(bǔ)償衰減時間增益補(bǔ)償調(diào)整回波信號取決于深度近場/遠(yuǎn)場時間增益補(bǔ)償使用近場或遠(yuǎn)場增益來平衡圖像超聲增益增益設(shè)置 近場增益太低平衡遠(yuǎn)場增益太低增益設(shè)置 太暗平衡太亮圖像特征橫向分辨力:是區(qū)分處于與聲束軸線垂直平面兩個物體的能力，與聲束的寬度有關(guān)分辨力(分辨率)超聲儀的分辨力是指探頭區(qū)分不同來源的信號。能夠分辨有一定間距界面的能力。

縱向分辨力：為區(qū)別聲束軸線上兩個物體的距離，與超聲的頻率有關(guān)。時間分辨率與時間相關(guān)，在超聲上表現(xiàn)的時間就是幀頻。高幀頻能夠準(zhǔn)確地表現(xiàn)運(yùn)動結(jié)構(gòu)的解剖細(xì)節(jié)。時間分辨率

灰階是將聲信號的幅度調(diào)制光點(diǎn)亮度，以一定的灰階來表示探測結(jié)果的顯示方式。256灰階灰階(對比分辨率)

超聲切面(1)縱斷面掃查(2)橫斷面掃查(3)斜斷面掃查(4)冠狀面掃查常用掃查切面即掃查面與人體的長軸平行?？v向掃查即掃查面與人體的長軸相垂直。橫向掃查即掃查面與人體的長軸成一定角度。斜向掃查即掃查面與人體的額狀面平行。冠狀面掃查上腹部縱軸掃查，中心部下腹部縱軸掃查，中心部上腹部縱軸掃查，右側(cè)

上腹部縱軸掃查，左側(cè)

無回聲

液性無回聲：生理：膽汁病理：胸腹水

衰減性無回聲：生理：骨骼病理：纖維化

均質(zhì)性無回聲：生理：淋巴結(jié)病理：淋巴瘤等回聲生理：肝臟低回聲生理：心肌病理：甲減高回聲生理：包膜病理：葡萄胎強(qiáng)回聲生理：氣體病理：結(jié)石人體組織反射類型

超聲的臨床基礎(chǔ)

人體組織反射類型

含液體臟器如膽囊、膀胱、血管、心臟等，壁與周圍臟器及內(nèi)部液體間為界面、液體為均勻的無回聲區(qū)實(shí)質(zhì)性軟組織臟器如肝、脾、腎等臟器均有包膜，周圍有間隙，內(nèi)部各有一定結(jié)構(gòu)，如肝可以顯示臟器輪廓、均勻的肝實(shí)質(zhì)與肝內(nèi)管道結(jié)構(gòu)含氣臟器如肺、由于肺泡內(nèi)空氣與軟組織間聲阻差異極大，在其交界面上產(chǎn)生全反射（幾乎100％），并形成多次反射，即超聲不能進(jìn)入正常肺泡。脹氣的胃腸亦如此正常骨骼與周圍軟組織的差異大，在軟組織與骨皮質(zhì)交界處產(chǎn)生強(qiáng)反射，進(jìn)入骨骼的超聲