医用超声诊断与治疗仪器----超声波的物理特性

         一、声速 声速与介质的弹性系数和密度有关．弹性系数愈大、密度愈小，声速就愈大。由于介质 的弹性系数与温度有关，因此声速也与温度有关．除水以外的所有液体，当温度升高时，介质 弹性系数减小，声速降低。当水温度低于74 ℃时，声速随温度升高而增加；而高于74℃时， 声速随温度升高而降低。 在医用超声诊断频段中，人体组织的超声速度与频率无关，而且软组织中的声速都很接近，一般定为l540m/s（平均值）．因此通过该声速可测量软组织的厚度。

         二、波长、周期al频ii
         l.波长 声波在介质中传播时，两个相邻的同相位点之问的距离，如相邻两点稠密部 之间的距离（超声波在人体中一般是以纵波方式传播）．以λ表示，单位为米(m)，

         2.周期 波向前移动一个波长的距离所需的叫间，以T表示，单位为秒。

         3.频率 介质中任何一给定点在单位时间内通过的波数，以f表示，单位为赫兹( Hz)。 医学诊断中采用的超声波频率在l-20MHZ。

         4.频率与周期的关系 二者关系表示为：ƒ=l/T。

         5.超声波的传播速度超声波每秒在介质中传播的距离，记作c，单位为米秒（m/s）。 相同频率的超声波在不同介质中传播，声速不相同。软组织平均声速为1540m/s骨骼声速 约为软组织中的2.5倍，如图4-1所示。

         6.传播速度、波长和频率的关系三者关系表示为：c =λƒ
 

         三、声阻抗
         在一定频率的平面超声波作用下，介质中任何点的密度ρ与该点处声波的传播速度c的乘积，称为此介质在该点处的声阻抗，以z表示，即Z=ρc，单位为瑞利[1瑞利=lg/(cm2﹒s)]。 声阻抗是表征介质声学特性的一个重要物理量。超声波在两种介质组成的界面上的反 射和透射情况与两种介质的声阻抗密切相关。媒质越硬，传播速度c值越高，声特性阻抗越大。因此，声阻抗的变化将影响超声波的传播。 按声速和阻抗的不同，人体组织可分成三类：①气体和充气的肺；②液体和软组织；③骨 骼和矿物化后的组织。由于这三类组织存在着较大的阻抗差别，超声波很难从某一类组织 传到另一类组织区域中去，使得超声成像只能用于那些有液体或软组织的，且声波传播通路上没有气体或骨骼阻挡的区域。同时，由于在液体和软组织中，声速和阻抗变化不大，使得 声反射量适中，既保证了界面回波的显像观察，也保证了声波可穿透足够的深度，而且接收回波的时延与目标深度近似地成正比关系，从而为B超诊断图像的应用提供了物理基础。

         四、声压级与声强级
         1声压有超声波时介质中的压力与静压力之差，用P表示，单位为帕斯卡( Pa)和微帕斯卡(µPa)．其中1Pa= 106 µPa。 
         2声压级(LP)用分贝(dB)表示的某个声压P与参考分压P0的比值，即LP=20 lg(P／P0)。 
         3声强通过垂直于传播方向上单位面积的能流率，以I表示，单位mW/cm2或w/cm，用来表示声的客观强弱的物理量。 声强与声源的振幅有关，振幅越大，声强也越大。由于超声强度太大会破坏人体正常细 胞组织，且为不可逆的生物效应，因此，国际上对诊断用超声强度安全剂量作出了规定，一般 接受的安全剂量为20mW/cm2。 
         4声强级( LI)用分贝(dB)表示的某个声强I与参考声强L的比值，即LI =10 lg(I/I0)。

         五、超声波的定向性 人耳可感受的声音是无指向性的球面波，即以声源为中心呈球面向四周扩散，周围均能听 到声音。而超声波频率很高，方向性强。当超声波发生的压电晶体直径尺寸远大于超声波波 长时，所产生的超声波就类似于光的特性。 超声诊断装置用于人体检查时，紧靠探头晶体辐射区域叫近场区，超声波声场接近于圆柱状；离探头晶体辐射较远的区域，超声波声场以一定的角度扩散叫远场区。近场区的长度为D2/(4λ) (D为晶片直径，λ为该介质中传播的超声波长)，远场区的发散角由sinθ=1. 22λ/D绐 出。因此，减少直径可缩短场长度和增大发散角，即加宽了波束。增加频率即减小波长时，加长了近场区，减少了发散角，可获得较窄的波束。 声强沿中心轴距离的分布，近场区声强有强烈的起伏变化，存在着许多声强为极小值的节 点，而这些节点可引起不希望有的盲点。在远场区声强的变化趋于平稳，随着距离的增加，声 强逐渐减弱。 由于超声波具有很强的定向性，在进行超声波治疗时，一方面要使超声波发射与作用面垂直，对准治疗部位；另一方面由于超声波场中心处强，愈向外侧愈弱，在治疗时要以一定的速 度，在治疗部位做小圆周或其他形式的移动，以使治疗部位得到的超声波剂量基本均匀，从而 保证治疗效果的良好。

         六，超声波的反射与折射 超声波在无限大的媒质中传播仅在理论上是可能的，实际上，任何媒质总有一个边界，超 声波在非均匀性组织内传播或从一种组织传播到另一种组织，由于两种介质声阻抗不同（介质的密度和声速不同）形成声学界面，会发生反射和折射，并遵从反射和折射定律(图42)：

         超声波透过界面时，其方向、强度和波形的变 化，取决于两种媒质的特性阻抗和入射波的方向。 在原媒质中的声波称为人射渡；在分界面处，入射波的能量一部分产生反射，另一部分能量通过界面继续传播，这就是透射。透射后声柬的波速可能发生交化，但声束的频率是不变的。 如果界面尺寸比入射超声波的波长大很多时，则一部分入射超声波能挺波速不变，在不同声阻抗改变的分界面处形成反射渡，回到原介质内。 反射波能量强度由两媒质（人体内组织）界面阻抗差和组织界面大小决定，一般反射组织 界面越大，反射的超声波能量也越强。如果入射超声波的波长远大于反射界面尺寸时•不产生反射波。

         七、超声波的衰减 超声波在介质中的传播，其能量将随着距离的增加而减小，这种现象称为超声波的减。 超声波衰减主要有扩散衰减、散射衰减、吸收衰减三种类型。

         1．扩散衰减 超声波在传播时，声能的衰减是由于超声波束的扩散，因波束离开声源一定距离后将引起扩散，声场面积增大，声能逐渐衰减在增大的面积上。超声波的扩散衰减仅取 决于波面的形状，与介质的性质无关。

         2.散射衰减 超声波在介质中传播时，遇到声阻抗不同或不规则的粒子界面，界面大小与超声波长相近，形成新的波源向四周发射波动引起的衰减现象称为散射衰减。 人体中红细胞和脏器内的微小解剖结构产生的散射超声场是医用超声诊断仪的重要依据。

         3.吸收衰减 超声波在传播时，由于介质的吸收，将声能转化为热能，而使声能减少。 主要有黏滞吸收、弛豫吸收、相对运动吸收和空化气泡吸收。介质质点运动时相互产生弹性 摩擦，使一部分声能转化为热能，这就是黏滞吸收。通过介质的传导把一部分热能辐射出去而使声能减少，称为弛豫吸收或热传导吸收。 超声波在人体组织中衰减程度从大到小的顺序是：骨组织（或钙化），肌腱（或软骨），肝脏，脂肪，血液，尿液（或胆汁）。组织中含胶原蛋白和钙质越多，声衰减越大；液体内含蛋白 成分多时声衰减大。在超声诊断的频率范围内，生物软组织的声衰减系数大多与频率成正 比。超声波频率越高，分辨力越好，但衰减越强，穿透力越差；反之，频率越低，分辨力越差， 但衰减越弱，穿透力越强。

         八、多普勒效应多普勒效应系指声源与接收器之间的相对运动而导致声波频率发生改变的现象(图4-3)。

         当声源与接收器作相向运动时，接收器所接收到的声波频率高于声源所发出的频率，如 两者的运动方向相反时，则接收频率低干声源所发出的频率，两者的频率差为频移。 超声多普勒仪器的超声源和接收器均安装在探头（换能器）中，探头工作时，换能器发出 起声波，由运动着的红细胞发出散射回波，再南接收换能器接收此回波。因此接收换能器所收到的超声回波的频率经过了两次多普勒效应过程，所以收发超声频率之差与血流相对于换能器运动速度的两倍成正比，多普勒频移的表达式为： ƒd=ƒR﹒ƒ0= 式中ƒd为多普勒频移，f0为入射频率，ƒR为反射频率，V为反射物体运动速度，c为声速，θ为运动方向与入射渡间的夹角。