第三章--医用超声设备

第三章医用超声设备第一节超声基本概念第二节医用超声诊断设备第三节医用超声治疗设备第四节医用超声诊断设备的通用要求目录第三章医用超声设备学习目标第三章医用超声设备掌握超声波的定义、医用超声诊断的原理、超声波的生物效应熟悉超声波的特性、典型的超声诊断设备了解医用超声治疗设备、医用超声诊断设备的通用要求超声基本概念第一节第三章医用超声设备第一节超声基本概念第一节超声基本概念（1）声波：声波是物体机械振动状态（或能量）的传播形式。声波产生的两个条件：声源----------------------------传播介质固体：如骨络、人体器官振动发声的物体-------------------液体：如水、油气体：如空气、氧气声波是由振动的物体产生的，一切发声的物体都在振动，振动停止，发声停止。声波不能在真空中传播。1.简介第一节超声基本概念（2）声波分类：以人耳的听力范围可将声波分为以下3类。可听声波：振动频率为20～2×104Hz的声波。次声波：振动频率为20Hz以下的声波。超声波：振动频率为2×104Hz以上的声波，简称超声。1.简介第一节超声基本概念（3）超声波的产生①自然界中：昆虫、哺乳动物（如海豚、蝙蝠）能发出超声；风声、海浪声、喷气飞机的噪声等含有超声成分。②临床：压电晶体材料制成的超声探头。1.简介第一节超声基本概念（4）超声波的临床应用①超声诊断：利用超声在人体中传播的物理特性，对人体内部脏器或病变进行体层显示，获取活体器官和组织的断面解剖图像，据此对疾病进行诊断。举例：B超、彩超。②超声治疗：以一定剂量的超声作用于人体组织，利用超声产生的生物效应（如热效应、机械效应以及空化效应等）达到某种医学治疗的目的。举例：超声理疗、超声乳化。第一节超声基本概念（4）超声波的临床应用200kHz至40MHz之间（常用在1MHz到10MHz，波长在1.5mm至0.15mm）理论上：频率越高，波长越短，超声诊断的分辨率越好。频率范围（1）声速声速：单位时间内声波在介质中传播的距离。表示符号为c,单位为米/秒（m/s）。影响因素：①介质类型：声波在固体中的波速最快，液体次之，气体最慢。②介质的密度ρ和弹性模量k：如纵向平面波。三者的关系是弹性模量愈大、密度愈小，声速就愈大。2.超声的基本物理量第一节超声基本概念③温度：弹性模量与温度有关,声速还受温度的影响。举例：•除水以外的所有液体，当温度升高时，介质的弹性系数减小，声速降低。•水温度低于74℃时，声速随温度升高而增加；高于74℃时，声速随温度升高而降低。•空气的温度在0℃时,声速为332m/s；气温每升高1℃,则声速增加0.6m/s；至15℃时,则为341m/s。2.超声的基本物理量第一节超声基本概念超声在人体组织器官中和与超声诊断有关的介质中的声速2.超声的基本物理量第一节超声基本概念介质传播速度(m/s)介质传播速度(m/s)空气(0℃)332肾脏1560石蜡油(33.5℃)1420肝脏1570海水(30℃)1545头颅骨3360生理盐水1534巩膜1604人体软组织1540角膜1550血液1570房水1532脑组织1540晶状体1641脂肪1476玻璃体1532肌肉1568（2）周期和频率：周期是指介质中的质点在平衡位置往返振动1次所需要的时间，符号为T，单位为秒（s）。频率是指在1秒的时间内完成振动的次数，符号为f，单位为赫兹(Hz)。f=1/T超声诊断常用频率范围：0.8-15MHz，最常用2.5-10MHz.2.超声的基本物理量第一节超声基本概念（3）波长：波长是指在1个周期内声波所传播的距离，用λ表示。λ＝c/f波长决定了成像的分辨率，而频率则决定了可成像的组织深度。频率越低，波长越长，则探测深度越大，但分辨力下降；相反，频率越高，探测深度越小，但分辨力提高。2.超声的基本物理量第一节超声基本概念（4）声压：声压是指有波动时的压强与无波动时的压强之间的压强差，符号为P，单位为帕斯卡（Pa）和微帕斯卡（μPa）。（5）声强：声强是指每秒钟通过垂直于声波传播方向每平方厘米面积的能量，单位为焦耳/(秒·平方厘米)［J/(s·cm2)］。声强随着距离的增大而逐渐减弱。2.超声的基本物理量第一节超声基本概念（6）声阻抗：声阻抗是指在一定频率的平面声波作用下，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，符号为Z，即Z=ρc，单位为瑞利[g/（cm2.s）]。2.超声的基本物理量第一节超声基本概念临床应用中使用超声耦合剂减少探头和皮肤间的声阻抗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，C值越高，声特性阻抗越大。第一节超声基本概念超声诊断中常用的各种介质的声特性阻抗表介质名称密度(g/cm3)超声纵波声速（m/s）声阻抗（×105瑞利）空气（22℃）0.00118344水（37℃）0.993415230.000407生理盐水（37℃）1.00215341.513石蜡油（33.5℃）0.83514201.186脑脊液1.00015221.522羊水1.01314741.493肝脏1.05015701.648肌肉1.07415681.684人体软组织（平均值）1.01615001.524脂肪0.95514761.410晶状体1.13616501.874颅骨1.65833605.570第一节超声基本概念第一节超声基本概念（1）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。超声频率很高，波长短，方向性强。临床应用的发生超声波的压电晶体直径尺寸远大于超声波波长，超声波具有类似于光的特性，具有很强的定向性。3.超声的特性第一节超声基本概念（2）反射与折射：声阻抗差越大，反射程度也越大。3.超声的特性第一节超声基本概念3.超声的特性第一节超声基本概念（3）衰减：1)扩散衰减；2)散射衰减；3)吸收衰减。3.超声的特性第一节超声基本概念第一节超声基本概念第一节超声基本概念（4）多普勒效应：——由于波源和观察者之间有相对运动，使观察者感到频率变化的现象叫做多普勒效应。3.超声的特性第一节超声基本概念第一节超声基本概念第一节超声基本概念心脏瓣膜&血管超声多普勒图像第一节超声基本概念（1）机械效应①超声是机械振动能量，在体内传播时，介质质点振动振幅虽小，但频率很高，加速度大，声压强的力学效应。②超声波的机械作用：改善血液、淋巴循环、镇痛；提高组织再生能力；大剂量超声波可引起血管麻痹、组织细胞缺氧、坏死；能使坚硬的结缔组织延长、变软，击碎人体结石。4.超声的生物效应第一节超声基本概念（2）热效应①将超声能量转换为热能，被组织吸收，与超声声强、介质的气压吸收系数、单位体积内超声作用的时间有关。②温度升高，加快血液循环、代谢旺盛，增强细胞吞噬作用，提高机体防御能力和促进炎症吸收，减轻肌肉及软组织疼痛；消炎镇痛；高强度会引起热损伤。第一节超声基本概念（3）空化效应①超声波在生物体内传感使液体中产生微小气核（空化核），当声压达到一定值时，发生空化汤包的形成、增大和崩溃的动力学过程称为空化效应。具有稳态空化和瞬态空化②空化核在崩溃的瞬间产生高温、高压、发光及冲击波等极端的理化现象，导致生物体细胞发生化学和毒性反应。细胞变性、溶解、酶活力改变、代谢障碍等超声剂量的控制至关重要医用超声诊断设备第二节第三章医用超声设备第二节医用超声诊断设备（1）超声诊断的基础：超声在人体内传播时，由于器官和组织的声学特性不同，其反射和折射等传播规律不同，回波信号的幅度、频率、相位、时间等参量发生不同的改变。1.简介超声成像的信息主要由反射回波和散射回波所携带，一个典型的超声回波应包含大界面的反射回波（位置信息）与小粒子的散射回波（结构信息）。第二节医用超声诊断设备（2）超声诊断用的超声波：脉冲波、连续波。脉冲回波技术利用人体组织的不均匀性而引起的反射作用，通过检测脏器界面的反射波，实现组织定位，并检测其特性。1.简介第二节医用超声诊断设备(a)超声脉冲发射的瞬间，显示器上光点垂直偏移。(b)超声脉冲以恒定速度通过介质1，光点在显示器上形成水平扫描线。(c)当超声到达1、2介质的分界面上，一部分能量经界面反射，大部分能量通过界面继续向前传播；反射回声到达探头，换能器将回声信号转换为电信号，并成为显示器垂直偏转板的输入信号，显示器上显示回声信号脉冲；(d)由2、3介质分界面反射的回声到达探头，在显示器上显示出相应的脉冲。第二节医用超声诊断设备超声诊断仪器中，一般脉冲超声的发射与接收是由同一换能器完成的，根据发射脉冲和回波脉冲的时间间隔T，计算出反射界面与换能器（声源）之间的距离：2cTs式中，c为介质中的波速，生物体中除骨骼外，声速相差不大，因此在工程计算中通常取其平均值1540m/s第二节医用超声诊断设备（3）超声诊断设备的类型：幅度调制型：A型超声诊断仪，对回波实施幅度调制，回波的脉冲大小决定显示器中脉冲的幅度。辉度调制型：B型超声诊断仪，对回波进行辉度调制，探头直线扫描人体时，在示波管或屏上用辉度的强弱表示相应的回波幅度，得到断面图像。时间—运动型：M型，对回波辉度调制，探头位置固定，用纵轴表示脏器深度，用横轴表示时间。多普勒型：将发射频率与接收频率比较，利用多普勒对人体内运动的组织或器官进行探查。第二节医用超声诊断设备2.基本结构第二节医用超声诊断设备（1）超声探头超声诊断设备是通过探头产生入射超声波（发射波）和接收反射超声波（回波）。基本原理：核心器件：压电晶体作用：将电能转换成声能，又将声能转换成电能，也叫超声换能器。2.基本结构第二节医用超声诊断设备（1）超声探头超声诊断设备是通过探头产生入射超声波（发射波）和接收反射超声波（回波）。基本原理：核心器件：压电晶体作用：将电能转换成声能，又将声能转换成电能，也叫超声换能器。2.基本结构第二节医用超声诊断设备2.基本结构换能器是超声仪器中的重要部件。其主要工作原理是利用晶体的压电效应。如果对压电材料施加压力，它便会产生电位差，这种现象称为正压电效应如果压力是一种高频震动，则产生的就是高频电流如果对压电材料施加电压，它便会产生机械应力，这种现象称为逆压电效应如果电压是一种高频电信号，则产生的就是高频机械振动的声信号接收超声波发射超声波第二节医用超声诊断设备第二节医用超声诊断设备第二节医用超声诊断设备第二节医用超声诊断设备第二节医用超声诊断设备第二节医用超声诊断设备第二节医用超声诊断设备第二节医用超声诊断设备第二节医用超声诊断设备第二节医用超声诊断设备机制：压电效应，电能声能。压电晶体：发射和接收超声波。匹配层：减少声阻抗差。声透镜：波束聚焦。吸声块：吸收背向辐射的超声，减少背向辐射的干扰。外壳：封闭、保护整个探头。电缆：用于连接主机和探头。（1）超声探头探头结构图第二节医用超声诊断设备按晶片的数量单阵元探头、多阵元探头多阵元探头根据形状或波束扫查方式分线阵探头、凸阵探头、相控阵探头。3.常见探头类型第二节医用超声诊断设备（1）单阵元探头：单阵元探头只有1块压电晶片，完成超声的发射和接收。用于A型眼科超声诊断仪、M型超声诊断仪和机械扇扫式超声诊断仪、经颅多普勒诊断仪。（2）机械扇扫探头：通过在内部安装驱动装置如步进电机等，用于驱动晶片进行往返摆动。3.常见探头类型第二节医用超声诊断设备（3）电子线阵探头：采用直线排列的多阵元结构，有512、1024个。内部有开关控制器，每次发射和接收超声波时，若干阵元被编为一组，由一组阵元产生一束扫描声束并接收信号，然后由下一组阵元产生下一次扫描束并接收信号。用于外周血管、浅表器官如甲状腺、乳腺等部位的成像。3.常见探头类型第二节医用超声诊断设备（4）电子凸阵探头：与线阵探头相类似，阵元不是排列成直线，按一定弧度排列。相同阵元探头的视野比线阵探头大。用于检测骨下脏器、腹部脏器、经腹妇产科的检查。（5）相控阵探头：与线阵探头相类似，探头中没有开关控制，不用控制器来选择参与工作的阵元，是通过改变相控阵探头阵元的相位线性变化斜率，可改变扫查声线方向。用于