第5章-超声波成像

1第五章超声波成像2第二章超声波成像•主要内容•2.1超声波的物理性质•2.2超声探测的物理基础•2.3超声成像系统工作原理•2.4超声多普勒成像系统*3第一节超声波的物理性质45.1.1超声的基本概念•1．超声：指超过人耳听觉范围（20Hz～20kHz）。频率＞20kHz的声波叫做超声波。•2．超声波：属于声波范畴，具有声的共同物理性质。如：必须通过弹性介质进行传播，传播方式为纵波（疏密波），具有反射、折射、绕射，以及在不同介质中（空气、水、软组织、骨骼）中具有不同的声速和不同的衰减等。•3．超声频率：诊断最常用的超声频率是1M～40MHz。55.1.1超声的基本概念•4．超声波特点•（1）直线传播且易会聚：频率高，波长短，直线传播，具有较强的穿透能力，能量容易会聚。•（2）容易电声转换且能量大：使介质的微粒振动，虽然振幅很小，但加速度非常大，具有很大的能量，能量和频率f2成正比。•（3）物理机制复杂且参数多：在产生、传播、接收与相互作用、能量转换等过程中，其物理机制复杂、相互影响的因素多。65.1.1超声的基本概念•（4）超声工作安静且危害少：超声工作时人耳听不到，环境安静。在影像学诊断工作中，小剂量超声波对人体无危险性。•超声成像是以人体解剖学、病理学等形态学为基础，依靠超声的各种成像技术来获取人体器官及组织的断面解剖图像。75.1.2超声的基本物理量•基本物理量：频率（f）、波长（λ）、声速（c）。•三者关系：f=c/λ•λ与f成反比，f愈高，λ愈短。•（一）声速•不同f的超声在相同的介质中传播时，声速c基本相同；•同一f的超声波在不同的介质中传播时，c是不同的。85.1.2超声的基本物理量•在不同的介质中，c有很大的差别：–空气（20℃）344m/s–脂肪1476m/s–水（37℃）1524m/s–肝脏1570m/s–颅骨3360m/s•超声在人体组织中的传播速度是超声诊断设备测量病变组织位置和大小的依据。•人体软组织的声速平均为1500m/s左右，与水的声速相近。骨骼的声速最高，相当于软组织的2倍以上。95.1.2超声的基本物理量•（二）周期和频率•周期T：介质中的质点在平衡位置往返摆动一次（传播一个波长）所需要的时间，单位为s。•频率f：质点在1s时间内完成振动的次数（弹性介质中任一给定点在单位时间内所通过的波数），即单位时间内声源振动的次数，单位Hz。•105.1.2超声的基本物理量•f由波源的机械振动所决定，与声波传播的介质无关。•T与f互为倒数：T=1/f•超声诊断仪采用不同的频率，主要根据受检脏器或组织的深度和病灶的大小来选择，常用的f在1MHz～15MHz之间，最常用的是1MHz、3MHz、3.5MHz、5MHz、7.5MHz。115.1.2超声的基本物理量•（三）波长•波长λ：超声在一个周期内传播的距离（波上任意两个相邻的同相位点之间的距离），单位m。对于纵波，等于两相邻密集点（或稀疏点）间的距离；对于横波，则是从一个波峰（或波谷）到相邻波峰（或波谷）的距离。•λ决定了成像的纵向极限分辨力，在纵向上需检出的病灶必须大于半个波长时，才能被正确分辨；•f决定可成像的组织深度，f越高可检出深度越浅。125.1.2超声的基本物理量•（四）声压•声波作为纵波在弹性介质中传播时，介质各部分时而密集时而稀疏，介质各部分的压强相应变化。•没有声波传播时，介质某处的静压强P0，该处形成密部的瞬间，压强P高于P0；该处形成疏部的瞬间，压强P低于P0。•声压：声波在介质中传播产生的瞬时压强值P与P0的比值，单位是Pa。135.1.2超声的基本物理量•声压是变化的，若声源作周期振动，声压也随着周期性变化。声压的大小用幅值Pm表示。声压幅值Pm与c、介质密度ρ、声波的振幅A和角频率ω有关：•Pm＝Aωρc145.1.2超声的基本物理量•（五）声强•声强：超声在传播过程中，垂直于超声传播方向上单位面积在单位时间内通过的超声能量，用W/m2来度量。是表示超声传播过程中声能强弱的物理量：••在同一介质中，密度ρ和c不变，声强主要与•f2、质点振幅A2成正比。•声压与声强关系：••ρ和c不变，声强与Pm2成正比。2222IfAcπρ=2/2mIPcρ=155.1.2超声的基本物理量•（六）声阻抗•声阻抗（特性阻抗）：对于各向同性的均匀介质中的声波，介质中某点声压幅值Pm与振动质点速度幅值Vm之比，单位为瑞利（Kg·M-2·S-1）。•表征声振动在介质中传播时要受到阻碍，发生传播损耗。特别是在介质交界面上的超声传播特性有着决定性的影响。对一定频率f的声波来说，声阻抗Z只与介质的特性有关，决定于介质的ρ和c的乘积。Z为:Z=Pm/Vm=ρc•不同的介质有不同的Z。人体正常组织的Z的平均值约为1.5×105瑞利。16•超声与其它波动一样，在介质中传播时，有几何光学和物理光学的特点。•超声在均匀介质中传播时，沿本身传播方向直线行进。•当超声波在非均匀介质中传播或从一种介质传到另一介质时，由于两种介质的Z不同，在其分界面上会发生反射，通过分界面后发生透射和折射，分界面两侧的Z决定入射超声的反射、透射、折射的比例。•超声在介质中传播时，由于介质的相互作用，还会产生绕射、散射和干涉等现象。5.1.3超声波在介质中的传播特性17（一）反射•一束平面超声通过Z不同的两种介质的大界面（界面宽度远大于声束的直径），且界面的尺寸远大于波长时，则在两介质的界面上产生反射。•入射超声的能量一部分被反射回第一介质中，形成反射波，波速不变。反射波的大小与Z的变化、介质声阻抗界面的几何尺寸以及超声波长λ的大小等因素有关。•当介质Z界面远远大于λ时，两介质的Z差别越大，超声反射的强度也就越大；当反射界面的尺寸远小于λ时，就不产生反射。•如果分界面是曲面，平面波仍能产生反射。5.1.3超声波在介质中的传播特性185.1.3超声波在介质中的传播特性191．声压反射系数•超声波垂直投射到两种不同的Z的介质界面时，不考虑超声吸收的情况下，声压反射系数rp为：•超声波以θ角投射到两种不同的Z的介质界面时，不考虑超声吸收的情况下，声压反射系数rp为：2121pZZrZZ−=+5.1.3超声波在介质中的传播特性2121coscoscoscosripriZZrZZθθθθ−=+205.1.3超声波在介质中的传播特性•如Z1=Z2，无反射波；•当Z1≠Z2不同时，Z差别越大，反射也越强。•在气体与固体或气体与液体的交界面上，无论是Z1＞＞Z2（水→气体）还是Z1＜＜Z2（气体→水），rp=99%（Z水=1.492kg/m2s，Z气=0.00428kg/m2s）。可见，超声很难从气体进入固体或液体中，反之也很难从固体或液体进入气体中。•这是很难利用超声对肺进行诊断检查的原因。•当Z1＞Z2时，反射波声压的位相比入射波超前180°，当Z1＜Z2时，反射波声压的位相和入射波同相215.1.3超声波在介质中的传播特性•超声诊断中，超声垂直反射的情况特别多。若超声倾斜入射到Z不同的介质分界面上，则反射超声也呈斜射。•超声通过人体内的器官时，由于组织结构差异而成为不同的介质，会发生多层和多次的反射。•反射体界面的介质可分为三种状态：①实质性；②囊性；③气体。•界面反射是超声波诊断成像的主要基础，不发生界面反射就得不到需要诊断的信息，但反射太强，所剩余的超声能量太弱，又会影响进入第二层、第三层介质中去的超声能量，则得不到所期待的结果。•如果反射面线径较小，呈现散射和绕射现象。225.1.3超声波在介质中的传播特性•（二）超声波的折射•折射：因人体各种组织中的Z不同，声束倾斜入射经过这些组织间的大界面时，由于声速发生变化而引起声束前进方向的改变。•折射使测量及超声方向产生误差。超声折射与光波折射相同：•12sinsinitccθθ=235.1.3超声波在介质中的传播特性245.1.3超声波在介质中的传播特性•若c1＞c2，则折射波折向法线；c1＜c2，则折射波偏离法线。在c1＜c2时，入射角逐渐增大，折射角也随着增大，若入射角大于某一临界角时，折射角增大至90°，超声波在介质分界面上全反射。12sinsinitccθθ=255.1.3超声波在介质中的传播特性•超声波经液体入射到体表时，临界角约15°～20°，即入射角＞20°时，超声波在介质分界面上全部反射，声束不能进入第二介质区。•人体软组织的c相当接近，这种不明显的折射可以忽略，可将超声看成直线传播。如入射的界面凹凸不平，且不平度足够大时，由于折射声束会产生会聚或发散，超声图像会出现折射伪影。265.1.3超声波在介质中的传播特性•（三）超声波的透射•超声波垂直或倾斜入射到两种介质的界面时，都有部分超声能量透射穿过。垂直通过界面后的超声传播方向不变，倾斜入射时通过界面后超声传播方向发生变化。•1．声压透射系数：超声垂直投射到两种Z不同介质界面时，不考虑超声吸收的情况下，声压透射系数τP为：•超声以θ角投射到两种Z不同介质界面时，不考虑超声吸收的情况下τP为：2212pZZZτ=+2212coscoscosipitZZZθτθθ=+275.1.3超声波在介质中的传播特性•2．声强透射系数•超声垂直投射到两种不同的Z介质界面时，声强透射系数τI为：•••超声波以θ角投射到两种Z不同介质界面时，在不考虑超声吸收的情况下τI为：21214ZZZZIτ=2透射波声强＝入射波声强（＋）221214ZZcosZZtIθτθθ=2it透射波声强＝入射波声强（cos＋cos）285.1.3超声波在介质中的传播特性•在超声检测中，常遇到超声通过介质薄层的情况，当一束平面超声波通过垂直厚度为d的介质时，超声的强度透射系数τI为：•λ2为薄层内的超声波波长3122213312222422()cossinIZZZZZZdZdZτππλλ=⎛⎞⎛⎞⎛⎞+++⎜⎟⎜⎟⎜⎟⎝⎠⎝⎠⎝⎠29•超声通过介质薄层传播的几种特殊情况：•①若Z2比Z1和Z3小得多（如中间有空气薄层），则Z1Z3/Z2变得很大，入射的超声能量被大量反射而减小，超声透射的能量就非常小。•②若薄层的厚度d远小于进入薄层的超声λ2时，或者d约为半波长的整数倍时，薄层对超声的影响很小，可以忽略。超声诊断中耦合油层的厚度应当尽可能地薄。•③若第二层介质厚度为1/4波长的奇数倍，而且•时，超声能量完全透射过去进入第三层。213ZZZ=3122213312222422()cossinIZZZZZZdZdZτππλλ=⎛⎞⎛⎞⎛⎞+++⎜⎟⎜⎟⎜⎟⎝⎠⎝⎠⎝⎠305.1.3超声波在介质中的传播特性•（四）超声波的衍射•衍射（绕射）：当超声传播过程中，遇到界面或障碍物的线径与超声的波长相近时，超声会绕过这一分界面或障碍物的边缘几乎无阻碍地向前传播，只在分界面或障碍物的后面留下一点声影的现象。•衍射本质是无数波源发出子波的干涉现象。315.1.3超声波在介质中的传播特性•（五）超声波的散射•超声在介质内的传播过程中，如果所遇到的界面或障碍物的线径小于且接近超声的波长，超声波将发生散射现象。•例如，当介质中含有大量线径与波长可以相比的杂乱悬浮小粒子时，超声在遇到这些排列不规则的粒子后，大部分超声能量继续向前传播，小部分能量激发微粒振动，使其成为新的点状声源，向各个方向发射波动。325.1.3超声波在介质中的传播特性•（五）超声波的散射•①散射体的线径略大于λ，能引起衍射，留下声影；•②散射体线径比λ小很多，散射向四周均匀分布，散射声强与入射波频率f4成正比；•③散射体线径接近λ，每个散射体在周围产生散射声场，其分布状态与入射波种类、波长、散射体形状、尺寸、数量、性质有关，散射强度与入射波f4成正比，与距离平方成反比，散射无方向性。335.1.3超声波在介质中的传播特性•人体各种组织、器官内的微粒结构的大小、形状以及Z各异，超声入射到这些障碍物或界面上时，会向四面散射。•散射体尺寸越大且越接近超声波长时，散射越显著；•超声的频率f越高，散射越显著。•散射使超声前进方向的能量减弱，导致反射到超声探头的能量减小。由于超