超声原理(M)

------现代三大医学影像诊断技术之一CTMRI优势：无创、精确、方便。医学领域的地位重要性：专业、沟通、横向、浪费、扬长避短超声医学（Ultrasound)•超声概论•医用超声技术的发展史•医用超声技术的新进展•超声仪的安装和维修保养内容简介•超声波原理•医用超声的物理特性•超声仪器的组成超声概论•超声波原理–反射–折射–散射–绕射–衰减–惠更斯原理超声概论超声波原理波动：物体的机械性振动在具有质点和弹性的媒介中的传播现象声波：引起人耳听觉器官有声音感觉的波动超声波定义:超声波原理声反射定义：声波传播到两种阻抗不同的介质界面上，如界面尺寸远大于波长时，便会引起部分或全部声能的返回。声反射定律：入射角θi的正弦与反射角θr的正弦之比，等于入射波在第一介质中的声速C1与反射波在同一介质中的声速C1'之比。超声波原理_____SinθiSinθr=_____C1C1'反射系数和阻抗的关系：两种介质的声特性阻抗相差越悬殊，声反射就越强烈；反之，声反射就弱，其强弱可用反射系数Kp来表示。Kp与界面两边介质的声阻抗Z1和Z2的关系公式超声波原理Kp＝────·cosαZ1－Z2Z1＋Z2•当Z1＝Z2时，p＝0，无反射•当Z1〉Z2或Z1〈Z2时，有反射•如Z1》Z2或Z1《Z2时，全反射结论：超声波在界面上反射的大小取决于界面两边介质的声阻差。超声波原理利用反射，提取信息，进行诊断；皮肤与空气声阻差大，用耦合剂；不适肺、肠、骨等组织器官检查折射定义：因介质中声速的空间分布而引起的声传播方向改变的过程。折射定律：入射角θi的正弦与折射角θt的正弦之比，等于入射波在第一介质中的声速c1与折射波在第二介质中的声速c2之比即：超声波原理_____SinθiSinθt=_____C1C2折射的产生:当声波从一种小声速介质向大声速固体介质入射时，声波经过这两种介质的分界面后出现折射波，而且其折射角大于入射角，反之亦然。超声波原理折射的应用：使折射角为90°时的入射角称为临界角，当入射角超过临界角时，相应的折射波消失，出现全反射。•侧方声影-误诊•错位-影响穿刺•全反射-无法检查注：作超声检查时，需尽可能将声束垂直于界面，否则将会引起：超声波原理绕射定义：超声波在介质中传播中，遇到尺寸相当于声波波长的声阻抗界面时，声波将绕过此界面，继续向前传播，致使超声波无法检测到该障碍物超声波原理散射定义：超声波在介质中传播中，如遇到尺寸远小于声波波长的声阻抗界面时，则声波将使其成为新的声源，其声波能量向四面八方发射。•超声仪收到的声波是背向散射•血流中的红细胞是多普勒超声检测血流的基础•各种软组织从微观的角度看都是非均匀组织，可产生散射超声波原理散射的应用：散射的强弱不仅取决于界面的声阻差，还与障碍物的大小和数量有关，此外还与声波的频率有着密切的关系，通常散射强度与声波频率呈正比。•散射发生在人体内软组织内的微小界面；反射产生与体内大器官的界面•散射与反射均为声波能量衰减的重要因素•反射与散射均是回波型超声仪的物理基础超声波原理衰减定义：声波在介质内的传播过程中，随着传播距离的增大，声波的能量逐渐减少影响因素：吸收：组织特性使声能转换为热能反射：声波的反射使得能量减弱散射：声波的散射使得能量减弱频率：超声衰减与超声频率呈正比声束扩散：单位面积内的能量减少超声波原理原因：反射、散射和吸收声能随着距离增加而减少超声波原理惠更斯原理定义：声介质中波动传到的各点都可看作是发射子波的波源，这些子波的包迹就决定了新的波阵面平面波球面波超声波原理惠更斯原理应用：通过相位控制，使发射波束左右偏转，获得扇形图像；亦可使声束聚焦，以提高横向分辨力超声波原理•医用超声的物理特性–基本概念–超声波的发射和接受–超声的分辨力/率超声概论频率的概念：介质在每秒钟内振动的次数为频率（f）,单位为Hz人耳的听阈：16Hz-20KHz超过人耳听阈上限的声波，即大于20千赫的超声波（Ultrasonicwave）称为超声临床常用的超声频率在2～15MHz基本概念超声波的发射和接受•声压•声强•功率•近场/远场•靶向性定义：声压(P)是有声波时介质中的压力与静压的差值，单位为Pa。声压与介质的密度(ρ),介质质点的振动速度(v)，以及超声波在该介质中的传播速度(c)呈正比，即：P＝ρ·v·c声压定义：声强(I)是在单位时间内，通过与声波传播方向垂直的单位面积上的平均能量，单位是W/m2声强和声压的平方呈正比，与介质密度和声速之和反比，即：I＝─────声强P22·ρ·c定义：超声功率指在单位时间内通过介质的能量。单位是瓦(W)或毫瓦(mW)超声仪发射的超声能量用超声功率表示，仪器的发射功率高，仪器的灵敏度也高，但安全性却降低了安全剂量10W/cm2功率定义：对于一个圆形的超声换能器(声源)，在接近声源的一段距离(称为近场)，声束的直径略小于换能器的直径，呈圆柱形。•近场内声压、声强起伏变化大，是应用的死区。•近场长度与声源的尺寸、频率和介质声速有关。即：近场L(近场)＝──r2λ定义：离声源距离较远的声场，声束则会产生扩散而呈喇叭形，此时的声场称为远场。•远场的瞬时声压与瞬时质点速度同相，故其声压分布是随距离增加而单调地下降，较平稳。•声束在远场的扩散由扩散角θ所决定，扩散角θ的大小亦与λ呈正比，与ｒ呈反比，即：远场Sinθ＝0.61──rλ定义：声源在远场形成波束的这种方向特性称为指向性。•同一换能器在不同频率下工作，其指向性将随频率的提高而趋明显。•指向性差的声束不仅横向分辨力差，且灵敏度低和易引入伪像。•常采用聚焦法改善声束的特性。靶向性中间离声束轴线最近的两极小方向间的声束部分称主瓣。在两相邻的极小方向间存有一较主瓣小的声束，称为旁瓣。•主瓣内聚集了大部分能量，故主瓣的立体角小，能量较集中•旁瓣的高度越高，所占立体角越大，故主瓣以外能量减少且较分散，因此产生伪像靶向性–示意图•基本概念•分辨力/率的种类超声的分辨力/率纵向分辨力(longitudinalresolution)：为区别声束轴线上两个物体的距离，与超声的频率有关。横向分辨力(transverseresolution)：是区分处于与声束轴线垂直平面两个物体的能力，与声束的宽度有关。超声分辨力：是指能够分辨有一定间距的界面的能力其导数为分辨率超声的分辨力/率超声的分辨力/率时间分辨力/率对比度分辨力/率空间分辨力/率•轴向（纵向）分辨力/率•横向或侧向分辨力/率•厚度分辨力/率空间分辨力/率定义：指沿声束轴方向不同深度超声仪可区分的两个点目标的最小距离。取决于：超声频率、脉冲长度高分辨力：超声频率高、脉冲窄高频探头：小儿、浅表器官轴向（纵向）分辨力/率探头频率越高分辨力越高频率与穿透性(penetrability)呈反比轴向（纵向）分辨力/率定义：是指在垂直于超声波束轴的平面上可区分两个点目标的最小距离。•取决于声束的宽度•声束越窄，分辨力越高•聚焦提高横向分辨力横向或侧向分辨力/率定义：是区分探头在厚度方向的横向分辨力。•探头有一定厚度，故图像为断层信息的叠加。•它与探头的曲面聚焦及距换能器的距离有关。•厚度分辨力越好，组织的切面情况越真实。厚度分辨力/率•超声仪器的组成–探头、压电效应–基本电路、通道数–显示器超声概论压电振子匹配层聚焦件背衬块探头（换能器）的组成正压电效应（超声接收器）逆压电效应（超声发生器）探头的核心是压电振子，由它完成机械能与电能之间的转换超声的压电效应定义：由在外场作用下，晶体将产生几何形变，(亦称电致伸缩效应)。在晶体表面施加电场，可引起晶体内部正负电荷中心发生位移，这一极化位移导致了晶体的几何应变。超声的逆压电效应结晶在其两个受力界面上引起内部正负电荷中心相对位移，在两个界面产生等量异号电荷。定义：由外力作用引起的电介质表面荷电效应。超声的正压电效应压电振子常用的材料是：•人造压电陶瓷锆钛酸铅：优点：电—声转换效率高、性能稳定、易成形、成本低；缺点：频率不够高等；•偏铌酸铅：频率及频宽均较锆钛酸铅好。•聚偏氟乙烯薄膜：频带更宽，是理想的压电材料。压电振子作用：使高声阻抗的压电振子与低声阻抗的人体组织间达到阻抗匹配，以提高声能的最大传输效率。组成：通常用四分之一波长厚度的阻抗匹配层来实现。匹配层位置：在探头的匹配层与人体组织间；材料：常用塑料或树脂制成；作用：声聚焦和换能器的保护层；原理：透镜材料的声速大于周围介质声速时声束可折射效应发生会聚。声透镜背衬块位置：位于压电振子背后材料：由钨粉与环氧树组成的强吸声物作用：防消除后向干扰；实现窄脉冲，提高纵向分辨力原理：透吸收背向声波，使之能量消耗按控制扫查方式•电子式线阵型、相控阵型、凸阵型及环阵式探头。•机械式摆动式、旋转式探头。探头的分类按晶片数数量•单晶片A超、M超及摆动式机械探头•多晶片线阵型、凸阵型、相控阵型和环形阵型等探头的分类构成：由6-8个阵元沿一直线排列组合；每个阵元分割成若干窄条振子。原理：阵元组依一定顺序工作，用电子开关轮番地接通，形成线性扫描。评估：近场视野大，易受肋骨、气体影响。线阵探头构成：阵元的窄条振子被均匀分布在凸形圆弧上；原理：同线阵，只是其波束是作扇形扫描；评估：能避开胸骨和肋骨遮挡，无噪音凸阵探头构成：与线阵类似，仅阵元数少些，故结构紧凑。原理：通过适当调整、控制各单元激励信号的相延(或时延)，以实现声速偏转。评估：优点与凸阵相似，但旁瓣较明显。相控阵探头超声诊断仪除连续多普勒用连续波外，大多用脉冲波，后者种类很多，但基本结构大致相同。基本电路即同步触发信号发生器，它周期性地产生同步触发脉冲信号，分别触发发射电路与扫描发生器中的时基扫描电路。其下限应不小于探测目标运动波形最高频率的２倍，而其上限则取决于声波对人体的最大探查深度所需的时间。超声脉冲重复频率决定于触发脉冲的重复频率，其选择必须满足如下要求：主控电路发射电路受同步信号触发后，产生高压电脉冲去激发换能器，换能器受到激发后，便发射一定频率和宽度的脉冲超声波。超声波的穿透力和纵向分辨力很大程度上决定于发射电路的特性，一般要求发射电路发射既有一定幅度，持续时间又要短的脉冲波。发射频率决定于晶片的特性和厚度，频宽还决定于探头的结构及发射电路的阻尼。发射电路换能器发出脉冲波后，即接收其来自人体内的超声回波并将它转换为高频电信号，继而通过高频信号放大电路放大。为获得足够的灵敏度与保真度，高频信号放大电路应足够大增益和带宽。并根据不同需要，在高频信号放大电路中设有TGC。电路组成：保护电路、前置放大、高频放大及非线性放大的时间增益电路等组成。高频信号放大电路回波电信号经高频放大后，再作检波，检波后的视频包络信号，频率较低，需经过视频信号放大器作适当的放大。Ａ型超声仪：将信号加至显示器y轴偏转板(或偏转线圈)上，使电子水平扫描线产生垂直方向偏移(A型)；Ｂ型、Ｍ型超声仪：将信号加到显示器的栅极上进行图象的亮度调制。具有数字扫描变换器的超声仪是在信号合成及D/A转换后,经视放放大去调节显示器的亮度。视频信号放大电路扫描发生器产生的扫描电压加到显示器的偏转系统上，使电子束按一定的规律扫描。通常把视频放大器和扫描发生器统称为显示电路，而显示系统则由显示器件、显示电路和有关电路组成。A型、M型及B型超声诊断仪的扫描发生器都不相同。扫描发生器彩色多普勒超声的工作原理图通道数•物理通道数线阵或凸阵探头可连接多少个阵子•有效通道数可连接的电子相控阵探头的振子数线阵、凸阵探头发射接收时同时振动的阵子数•处理通道数加算处理后的最大可能控制通道数最大可连接阵子数×MultiBeamProcessing数通道数阵子数同时振动27个阵子逐个按6个为一组发射/接收:共形成22根波束通道数阵子数同时振动同时振动阵子数越多,可得到大的开口如果增加阵子,视野就会扩大显示器从人体反射回来的超声信息最终是从显示器或记录仪上显示的图象中提取的。超声诊断仪的显示器通常是阴极射线管(CRT)，根据偏转系统的不同可分两种，即静电偏转示波管和磁偏转显示管。隔行扫描非隔行扫描显示非隔行=高分辨力,