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1、第第8讲医学超声基本讲医学超声基本理论理论第1页，此课件共49页哦n n超声治疗超声治疗 则研究如何利用超声波的生物效应则研究如何利用超声波的生物效应(声波声波照射引起的组织结构、功能和生物过程的变化照射引起的组织结构、功能和生物过程的变化)来治疗某些疾病，其物理基础是超声生物效应来治疗某些疾病，其物理基础是超声生物效应的机理和超声剂量学等。的机理和超声剂量学等。第2页，此课件共49页哦 二二十十世世纪纪20-4020-40年年代代，医医学学超超声声技技术术处处于于探探索索阶阶段段。19491949年召开第一次国际超声医学会议年召开第一次国际超声医学会议，促进了医学超声的发展。，促进了医学超声
2、的发展。超超声声诊诊断断的的研研究究始始于于上上世世纪纪4040年年代代。19551955年年，JaffeJaffe发发现现锆锆钛钛酸酸铅铅压压电电材材料料（PZTPZT），这这种种人人造造压压电电材材料料性性能能良良好好，易易于于制制造造，极极大大地地促促进进了了工工业业和和医医学学用用超超声声技技术术的的发发展展。19581958年年，HertzHertz等等首首先先用用脉脉冲冲回回声声法法诊诊断断心心脏脏疾疾病病，开开始始出出现现“超超声声心心动动图图描描述述法法”，现现在在称称为为“超超声声心心动动图图描描述述法法”，亦亦即即“M M型型超超声声心心动动图图”。同同期期，出出现现了了B
3、 B型型显显示示原理和生物组织超声散射特性的研究报道。原理和生物组织超声散射特性的研究报道。1 1 概述概述第3页，此课件共49页哦 5050年年代代末末期期，连连续续波波和和脉脉冲冲波波DopplerDoppler技技术术亦亦即即超超声声显显微微镜镜问问世世。在在5050年年代代，用用脉脉冲冲反反射射法法探探查查疾疾病病获获得得了了很很大大成成功功，A A型型诊诊断断仪仪在在临临床床得得到到广广泛泛应应用用，对对于于脑脑中中线线检检查查及及心心、肝肝、胆胆囊囊和和眼眼睛睛某某些些疾疾病病的的诊诊断断取取得得了了成成功功的的结结果。果。6060年年代代，超超声声诊诊断断由由A A型型(一一维维
4、回回波波振振幅幅显显示示)向向B B型型(二二维维图图像像亮亮度度显显示示)过过渡渡。超超声声全全息息、B B型型实实时时成成像像、阵阵列列式式换换能能器器、电电子子线线扫扫描描和和扇扇形形扫扫描描、电电子子聚聚焦焦法法等等被被广广泛泛应应用用。这这一一期期间间，多多普普勒勒技技术术被被进进一一步步研研究究，用用频频谱谱分分析析法法研研究究血血流流问问世世。6060年年代代末末期期，美美、日日均均研研制制成成压压电电高高分分子子聚聚合合物物PVF2PVF2（偏聚氟乙烯）换能器。（偏聚氟乙烯）换能器。1 1 概述概述第4页，此课件共49页哦 7070年年代代是是B B型型显显像像蓬蓬勃勃发发展展
5、的的年年代代。随随着着灰灰阶阶显显示示和和快快速速实实时时动动态态图图像像的的实实现现，超超声声诊诊断断的的发发展展极极为为迅迅速速，应应用用十十分分广广泛泛，除除了了充充气气部部位位(如如肺肺脏脏)和和骨骨骼骼结结构构外外，几几乎乎人人体体内内每每个个脏脏器器都都可可用用超超声声进进行行诊诊断断，如如颅颅脑脑、眼眼、心心、肝肝、胆胆、肾肾等等。待待别别是是对对于于发发现现肿肿瘤瘤和和结结石石等等占占位位性性病病变变并并确确定定其其尺尺寸寸和和位位置置，监监视视病病情情发发展展等等，超超声声诊诊断断更更有有其其独独到到之之处处。加加之之超超声声诊诊断断为为非非浸浸入入性性诊诊断断，具具有有无无
6、害害无无痛痛、使使用用方方便便、费费用用低低廉廉、诊诊断断可可靠靠等等优优点点，使使其其成成为为临临床床医医学学不不可可缺缺少少的的主主要要影影像像诊诊断断方方法法之之一一，并并有有着着广广阔阔发发展展前前景。景。7070年代后期，微型计算机在超声诊断器中得到广泛使用。年代后期，微型计算机在超声诊断器中得到广泛使用。1 1 概述概述第5页，此课件共49页哦 进进入入8080年年代代后后，医医学学超超声声成成像像设设备备向向两两极极发发展展。一一方方面面是是价价格格低低廉廉的的便便携携式式超超声声诊诊断断仪仪进进入入实实际际使使用用，另另一一方方面是向综合化、自动化、定量化和多功能等方向发展。面
7、是向综合化、自动化、定量化和多功能等方向发展。广广泛泛的的临临床床应应用用反反过过来来又又促促进进了了超超声声诊诊断断的的研研究究工工作作。一一方方面面，各各种种信信号号处处理理(特特别别是是图图像像处处理理)技技术术的的研研究究和和应应用用使使B B型型诊诊断断仪仪的的图图像像质质量量(分分辨辨率率、清清晰晰度度及及信信噪噪比比等等)不不断断改改进进，其其他他形形式式的的诊诊断断仪仪相相继继出出现现和和不不断断发发展展，如如M M型型、多多普普勒勒型型、C C型型、F F型型、超超声声CTCT、合合成成孔孔径径成成像像等等。另另一一方方面面，声声波波在在生生物物组组织织中中的的传传播播规规律
8、律的的研研究究工工作作正正在在不不断断深深入入，声声学学参参量量定定量量估估算算和和成成像像研研究究工工作作十十分分活活跃跃，建建立立在在此此基基础础上的定量组织辨认或鉴别诊断的研究工作展现了美好前景。上的定量组织辨认或鉴别诊断的研究工作展现了美好前景。1 1 概述概述第6页，此课件共49页哦 超超声声治治疗疗的的历历史史比比超超声声诊诊断断还还要要长长，但但其其发发展展速速度度却却较较晚晚。除除了了技技术术上上的的原原因因外外，一一个个重重要要的的原原因因是是由由于于超超声声生生物物效效应应的的复复杂杂性性和和对对其其机机理理及及影影响响因因素素的的基基础础研研究究不不足足。超超声声治治疗疗
9、的的研研究究工工作作始始于于上上世世纪纪3030年年代代，于于5050年年代代十十分分活活跃跃，后后来来由由于于很很多多人人的的研研究究结结果果互互相相矛矛盾盾或或无无定定论论而而一一度度冷冷落落。近近年年来来，随随着着基基础础研研究究的的逐逐渐渐深深入入和和某某些些治治疗疗效效果果得得到到了了肯肯定定，超超声声治治疗疗的的研研究究又又逐逐步步活活跃跃起起来来。目目前前比比较较成成功功的的是是热热疗疗及及用于用于脑手术和肝脏手术脑手术和肝脏手术的超声手术刀等。的超声手术刀等。1 1 概述概述第7页，此课件共49页哦 超超声声波波在在各各向向同同性性的的均均匀匀液液体体和和固固体体中中的的传传播
10、播理理论论问问题题早早巳巳解解决决。生生物物组组织织既既不不同同于于固固体体介介质质。也也不不同同于于液液体体介介质质，而而且且结结构构很很不不均均匀匀，这这就就造造成成了了超超声声在在生生物物组组织织中中传传播播问问题题的的复复杂杂性性。要要精精确确描描述述生生物物组组织织的的声声学学特特性性及及超超声声波波在在生生物物组组织织中中的的传传播播规规律律是是不不现现实实的的。解解决决这这一一问问题题的的方方法法是是根根据据特特定定的的目目的的寻寻求求有有足足够够精精度度的的近近似似描描述述。也也就就是是说说，首首先先要要找找到到一一个个适适当当的的声声学学模模型型，这这个个模模型型的的声声学学
11、参参量量及及空空间间分分布布规规律律描描述述了了某某生生物物组组织织的的声声学学性性能能，然然后后建建立立这这个个模模型型的的波波动动方方程程，根根据据已已知知声声源源求求解解声声波波在在模模型型中的传播规律，即得到声波在该生物组织中的传播规律。中的传播规律，即得到声波在该生物组织中的传播规律。2 2 超声在生物组织中的传播超声在生物组织中的传播第8页，此课件共49页哦 通通常常认认为为生生物物组组织织(指指活活体体组组织织)的的声声学学特特性性是是不不随随时时间变化的，这对于短时间的观察是适用的。间变化的，这对于短时间的观察是适用的。显显然然，在在讨讨论论不不同同问问题题时时对对模模型型的的
12、近近似似程程度度的的要要求求是是不一样的。不一样的。最最粗粗略略的的近近似似是是把把骨骨骼骼看看成成各各向向同同性性的的均均匀匀固固体体，用用其其纵纵波波声声速速、横横波波声声速速、密密度度、声声衰衰减减系系数数来来描描述述其其声声学性质学性质。声波在其中的传播则服从于固体中的波动方程。声波在其中的传播则服从于固体中的波动方程。2 2 超声在生物组织中的传播超声在生物组织中的传播第9页，此课件共49页哦 软软组组织织和和各各脏脏器器则则被被视视为为均均匀匀液液体体，其其中中横横波波不不能能传传播播（实实际际上上是是衰衰减减很很大大），故故只只用用纵纵波波声声速速、密密度度、声声阻阻抗抗率率、体
13、体弹弹性性模模量量(其其中中只只有有两两个个量量为为独独立立量量)和和声声衰衰减减系数来描述，声波的传播服从于液体波动方程。系数来描述，声波的传播服从于液体波动方程。由由于于生生物物组组织织的的声声衰衰减减系系数数较较大大而而不不能能忽忽略略，即即波波动动方方程程中中的的声声速速度度应应为为复复数数，其其虚虚部部则则表表示示组组织织的的声声衰衰减减特特性。性。在在处处理理超超声声波波入入射射于于不不同同组组织织间间的的界界面面上上的的声声学学行行为为时时，上上述述近近似似模模型型是是适适用用的的。然然而而，单单纯纯利利用用界界面面回回声声信信号号来来进进行行超超声声诊诊断断是是很很不不够够的的
14、，要要观观察察生生物物组组织织的的细细微微结结构，必须利用组织的微弱声散射信号。构，必须利用组织的微弱声散射信号。2 2 超声在生物组织中的传播超声在生物组织中的传播第10页，此课件共49页哦2 2 超声在生物组织中的传播超声在生物组织中的传播2.1 2.1 反射与折射反射与折射 超超声声波波入入射射于于两两不不同同组组织织的的界界面面时时，将将发发生生反反射射和和折折射射，如如果果界界面面的的曲曲率率半半径径大大于于声声波波长长 ,ka ka ,则则此此问问题题可可以以近近似似为为超超声声波波入入射射于于两两均均匀匀介介质质的的平平面面界界面面时时的的反反射射和和折折射射问问题题，而而对对于
15、于两两组组织织均均为为软软组组织织的的情情况况，只只有有纵纵波波能能够够传传播播。利利用用边边界界条条件件可可以以解解出出声声压压和和声声强强的的反反射射系系数数及及折折射系数。射系数。第11页，此课件共49页哦2.1 2.1 反射与折射反射与折射声波斜入射时声压反射系数声波斜入射时声压反射系数 与折射系数与折射系数 为为 式式中中，和和 分分别别为为两两组组织织的的声声阻阻抗抗率率,分分别别为为两组织的密度，两组织的密度，分别为声波在两组织中的传播速度。分别为声波在两组织中的传播速度。而声强的反射系数而声强的反射系数 与折射系数与折射系数 则为则为 由能量守恒定律由能量守恒定律第12页，此课
16、件共49页哦2.1 2.1 反射与折射反射与折射对对于于垂垂直直入入射射的的情情况况，声声压压的的反反射射及及折折射射系系数数简简化化为为 此此外外，当当超超声声波波传传播播至至软软组组织织与与骨骨骼骼界界面面时时，由由于于骨骨骼骼的的声声学学性性质质类类似似于于固固体体，在在斜斜入入射射情情况况下下，将将会会有有模模式式转转换换，即即在在骨骨骼骼中中可可产产生生折折射射纵纵波波和和横横波波。此此时时，反反射射折折射射系系数数应应由由液液体体与与固固体体界界面面处处的的反反射射折折射射规规律律来来计计算算，公公式式较较复复杂杂，且且从从超超声诊断的角度来看意义不大，此处从略。声诊断的角度来看意
17、义不大，此处从略。声强的反射及折射系数简化为声强的反射及折射系数简化为 第13页，此课件共49页哦2.2 2.2 声散射声散射 前前面面主主要要讨讨论论了了超超声声波波遇遇到到远远大大于于波波长长的的界界面面时时所所发发射射的的反反射射和和折折射射情情况况，当当声声波波碰碰到到与与波波长长相相比比微微小小的的障障碍碍物物时时，由由障障碍碍物物产产生生的的再再辐辐射射声声几几乎乎各各向向均均匀匀，声声波波偏偏离离原原来来的的传传播方向而向四面八方传播，这种现象称为声散射。播方向而向四面八方传播，这种现象称为声散射。在在研研究究散散射射时时，散散射射面面积积 是是一一个个重重要要概概念念，它它表表
18、示示散散射射体体的的散散射射本本领领，它它定定义义为为由由障障碍碍物物所所产产生生的的总总散散射射功功率率 和入射波强度和入射波强度 之比。一般有三种情况：之比。一般有三种情况：1)1)障障碍碍物物的的大大小小比比入入射射波波长长 大大得得多多时时，其其散散射射面面积积 ，主主要要产产生生反反射射（有有绕绕射射，但但不不显显著著），形形成成镜镜式式反反射射并并留留下下声声影影。选选用用超超声声波波时时，为为了了提提高高图图像像分分辨辨率率，常常要要选选择择比比探探查查对对象象尺尺寸寸小小得得多多的的波波长长超超声声波波，因因而而绕绕射射不不显显著著，分分辨辨率高。率高。第14页，此课件共49页
19、哦2.2 2.2 声散射声散射2)2)障障碍碍物物的的大大小小比比入入射射波波长长 小小的的多多时时，由由散散射射形形成成的的辐辐射射（惠惠更更斯斯波波辐辐射射）均均匀匀分分布布在在所所有有方方向向，绕绕射射显显象象明明显显。如果障碍物是刚硬小粒子，则单个刚硬小粒子的散射功率为如果障碍物是刚硬小粒子，则单个刚硬小粒子的散射功率为 微粒散射功率和波长四次方成反比。微粒散射功率和波长四次方成反比。是粒子体积是粒子体积为粒子半径为粒子半径 入射波强度入射波强度微粒的散射面积为微粒的散射面积为 3)3)当当障障碍碍物物的的大大小小与与入入射射声声波波波波长长相相接接近近时时，散散射射的的分分布布是是复
20、复杂的，波会绕过障碍物而继续传播。杂的，波会绕过障碍物而继续传播。第15页，此课件共49页哦2.2 2.2 声散射声散射 在在发发生生散散射射时时，散散射射波波的的强强度度与与障障碍碍物物的的大大小小有有关关，随随障障碍碍物物直直径径与与波波长长的的比比值值增增大大而而加加强强。单单一一障障碍碍物物或或散散射射中中心心对对入入射射波波能能量量的的消消耗耗上上不不妨妨碍碍超超声声检检测测，但但是是在在波波的的传传播播区区域域内内有有许许许许多多多多这这种种散散射射中中心心，那那么么入入射射波波的的能能量量将将由由此此渐渐渐渐地地被被大大量量甚甚至至被被全全部部散散射射殆殆尽尽。散散射射是是引引起
21、起超超声声衰衰减减的的主要因素主要因素。超超声声波波在在介介质质中中传传播播时时，其其强强度度往往往往随随着着传传播播距距离离的的增增大大而而减减小小。引引起起声声强强减减小小的的主主要要原原因因有有：(i)(i)声声束束扩扩散散使使单单位位面面积积上上的的能能量量减减少少；非非镜镜面面反反射射引引起起的的散散射射使使按按原原始始方方向传输的能量迅速减小；向传输的能量迅速减小；2.3 2.3 声衰减声衰减 3.2.3.1 3.2.3.1 衰减系数衰减系数第16页，此课件共49页哦2.3.1 2.3.1 衰减系数衰减系数 波波型型变变换换使使能能量量分分配配给给两两种种或或多多种种波波型型，以以
22、不不同同的的速速度度向向不不同同方方向向传传输输；以以及及声声能能转转换换成成其其它它形形式式的的能能量量(主主要要指指热热能能)引引起起的的声声吸吸收收损损失失。而而声声散散射射与与声声吸吸收收造造成成的的声声衰衰减减却却主主要要取取决决于于介介质质本本身身，且且其其造造成成的的声声压压(平平面面声声波波)的的变变化化按指数衰减规律，即按指数衰减规律，即 是声压在是声压在 处的峰值。处的峰值。是声压在是声压在 位置的峰值。位置的峰值。声强的变化则为声强的变化则为 通通常常称称 为为介介质质的的声声衰衰减减系系数数(或或声声压压衰衰减减系系数数)，为为介介质质的的声声强强衰衰减减系系数数，并并
23、均均以以奈奈比比厘厘米米 计计，或或以以分分贝厘米贝厘米 计，且计，且 。第17页，此课件共49页哦2.3.1 2.3.1 衰减系数衰减系数 在在声声强强较较低低时时，声声衰衰减减系系数数与与声声强强无无关关，但但它它是是频频率率的的函函数数，在在超超声声诊诊断断频频段段(如如 )。大大多多数数生生物物组组织织的的声声衰衰减减系系数数都都较较大大，在在实实际际应应用用中中不不能能忽忽略略。在在这这一一频频段段，多多数数生生物物组组织织的的声声衰衰减减系系数数都都随随频频率率升升高高而而线线性性增增加加(接接近近于于 )。因因而而，要要根根据据超超声声诊诊断断深深度度和和信信噪噪比的要求来选择适
24、当的工作频段。比的要求来选择适当的工作频段。声衰减系数应用：定量诊断、组织鉴别。声衰减系数应用：定量诊断、组织鉴别。正正常常组组织织 正正常常的的衰衰减减系系数数（标标定定，已已知知）异异常常组组织织（病病变变）异常的声衰减系数。异常的声衰减系数。根根据据声声衰衰减减系系数数的的变变化化，反反映映生生物物组组织织内内部部的的情情况况，确确定病变程度。定病变程度。第18页，此课件共49页哦2.3.2 2.3.2 衰减因素衰减因素 一）扩散衰减一）扩散衰减 超超声声在在理理想想媒媒质质中中传传播播时时，超超声声衰衰减减主主要要来来自自超超声声波波的的扩扩散散，即即由由于于离离声声源源一一定定距距离
25、离后后，声声场场面面积积扩扩大大，声声能能分分散散在在更更大大的的面面积积上上。如如果果声声波波以以球球面面波波形形式式向向前前传传播播，声强以和距离的平方成反比的规律衰减。声强以和距离的平方成反比的规律衰减。(问题：低频？问题：低频？)二二)吸收衰减吸收衰减 由由于于声声能能转转化化为为其其它它形形式式的的能能量量引引起起的的衰衰减减称称声声吸吸收收。均均匀匀介介质质对对声声波波的的吸吸收收作作用用，通通常常分分为为三三类类。即即粘粘滞滞性吸收、热传导吸收、弛豫吸收性吸收、热传导吸收、弛豫吸收 第19页，此课件共49页哦2.3.2 2.3.2 衰减因素衰减因素 (1)(1)介质的粘滞性吸收介
26、质的粘滞性吸收 流流体体介介质质具具有有粘粘滞滞性性，由由介介质质粘粘滞滞性性所所产产生生的的应应力力表表现现为为介介质质内内“摩摩擦擦力力”作作用用，因因而而当当声声波波在在介介质质中中传传播播时时，由由于于粘粘滞滞性性作作用用使使部部分分声声能能转转变变为为热热能能而而损损耗耗，从从而而表表现现出出声声波波强强度度随随距距离离而而衰衰减减的的现现象象。这这种种衰衰减减称称为为介介质质的粘滞性吸收，它是均匀介质中声衰减的主要原因之一。的粘滞性吸收，它是均匀介质中声衰减的主要原因之一。第20页，此课件共49页哦2.3.2 2.3.2 衰减因素衰减因素 (2)(2)介质的热传导吸收介质的热传导吸
27、收 声声传传播播时时由由于于介介质质压压缩缩的的部部分分温温度度升升高高，膨膨胀胀的的部部分分温温度度降降低低。这这样样，在在相相邻邻的的压压缩缩区区和和膨膨胀胀区区之之间间形形成成明明显显的的温温度度梯梯度度，因因而而产产生生热热传传导导现现象象。并并且且，频频率率愈愈高高、波波长长愈愈短短，局局部部范范围围内内温温度度梯梯度度愈愈大大，热热传传导导现现象象尤尤为为明明显显。由由热热力力学学可可知知，热热传传导导时时热热量量由由高高温温区区向向低低温温区区的的迁迁移移。从从分分子子论论的的观观点点看看，热热传传导导的的过过程程是是温温度度较较高高区区域域的的分分子子（具具有有较较大大的的平平
28、均均动动能能）与与温温度度较较低低区区域域的的分分子子（具具有有较较小小的的平平均均动动能能）之之间间能能量量交交换换的的过过程程。因因此此，由由于于热热传传导导的的作作用用，在在介介质质压压缩缩和和膨膨胀胀的的循循环环过过程程中中，会会有有能能量量损损失。失。第21页，此课件共49页哦2.3.2 2.3.2 衰减因素衰减因素 (3)(3)弛豫声吸收弛豫声吸收 以以气气体体分分子子的的热热弛弛豫豫讲讲述述一一下下弛弛豫豫吸吸收收的的机机理理。对对于于多多原原子子气气体体，除除平平动动外外，还还有有分分子子的的转转动动和和振振动动。一一定定状状态态下下，内内外外自自由由度度能能量量有有一一定定的
29、的分分配配，为为完完成成外外自自由由度度向向内内自自由由度度能能量量转转移移要要有有一一个个时时间间变变化化过过程程。也也即即多多原原子子气气体体状状态态变变化化后后达达到到新新的的平平衡衡态态也也有有个个时时间间过过程程。此此过过程程称称为为分分子子的的热热弛弛豫豫过过程程。介介质质分子的热弛豫可以造成声吸收。分子的热弛豫可以造成声吸收。第22页，此课件共49页哦2.3.2 2.3.2 衰减因素衰减因素 再再比比如如，海海水水中中由由于于存存在在硫硫酸酸镁镁（MgSO4MgSO4）分分子子的的离离子子弛弛豫豫，也也就就是是离离解解和和缔缔合合需需要要一一段段弛弛豫豫时时间间，而而造造成成一一
30、定定条条件件下下海海水水中中的的声声吸吸收收。另另外外，由由粘粘滞滞性性也也能能造造成成的的声声压压和和质质点点速速度度间间存存在在着着弛弛豫豫，使使得得声声压压和和振振速速之之间间产产生生相相位位差差，从从而而使使得得声声能能损损失失。生生物物组组织织的的声声吸吸收收机机理理是是复复杂杂的的，它它由由粘粘滞滞性性、热热传传导导及及许许多多复复杂杂的的物物理理、化化学学弛弛豫豫过过造造成成的的。通通常所关心的是声吸收的总效果，而不十分关心单个弛豫过程。常所关心的是声吸收的总效果，而不十分关心单个弛豫过程。第23页，此课件共49页哦2.3.2 2.3.2 衰减因素衰减因素 令令 表示等效弛豫时间
31、，当表示等效弛豫时间，当 时，声吸收系数时，声吸收系数 为为其其中中为为绝绝热热压压缩缩系系数数与与等等温温压压缩缩系系数数之之比比。也也就就是是说，说，吸收系数吸收系数 与频率成线性关系。与频率成线性关系。当当 时，则可得时，则可得 即即吸吸收收系系数数 与与频频率率的的平平方方成成正正比比。对对于于 接接近近于于1 1的的情况情况 此此时时，与与频频率率的的关关系系比比较较复复杂杂，它它介介于于线线性性和和二二次次方方关关系系之间。之间。第24页，此课件共49页哦2.3.2 2.3.2 衰减因素衰减因素 三）声散射引起的衰减三）声散射引起的衰减 实实际际媒媒质质是是非非均均匀匀的的，声声波
32、波传传到到不不同同声声阻阻抗抗的的界界面面时时，将将引引起起镜镜面面反反射射（界界面面大大时时）及及散散射射（界界面面小小时时），散散射射使使超超声声能能量量沿沿新新的的路路径径传传播播，使使原原方方向向传传播播的的能能量量变变小小，即即引引起起散散射射衰衰减减，散散射射衰衰减减系系数数 与与媒媒质质中中散散射射粒粒子子的的尺尺寸（寸（d d）有关。）有关。当当 时时，散散射射衰衰减减不不大大，可可忽忽略略不不计计，当当 时，散射衰减明显增加。时，散射衰减明显增加。在在介介质质的的声声吸吸收收系系数数不不能能忽忽略略的的情情况况下下，在在求求解解非非均均匀匀介介质质的的声声散散射射问问题题时时
33、，波波动动方方程程应应作作些些修修正正。也也就就是是说说，应应以复数声速代替无吸收介质的实数声速以复数声速代替无吸收介质的实数声速，即，即 第25页，此课件共49页哦2.3.2 2.3.2 衰减因素衰减因素与吸收系数的关系式为与吸收系数的关系式为 将将以以上上式式子子带带入入有有关关散散射射公公式式，即即可可得得到到吸吸收收介介质质的的散射问题的解。散射问题的解。如果如果 ，即在低频极限下，即在低频极限下 即散射衰减与频率的四次方成比例，此与瑞利散射一致。即散射衰减与频率的四次方成比例，此与瑞利散射一致。第26页，此课件共49页哦2.3.2 2.3.2 衰减因素衰减因素如果如果 ，即在高频极限
34、下即在高频极限下即散射衰减与频率平方成比例。即散射衰减与频率平方成比例。声声散散射射所所引引起起的的声声衰衰减减与与声声吸吸收收之之和和构构成成了了生生物物组组织织的总声衰减，的总声衰减，多多数数生生物物组组织织在在超超声声诊诊断断频频段段的的声声散散射射衰衰减减、声声吸吸收收及总声衰减均与频率的一次方成正比。及总声衰减均与频率的一次方成正比。第27页，此课件共49页哦3 3 多普勒效应多普勒效应 18421842年年，奥奥地地利利物物理理学学家家C.J.DopplerC.J.Doppler发发现现，当当声声源源与与接接收收器器在在作作相相对对运运动动时时，接接收收器器所所接接收收到到的的频频
35、率率不不同同于于声声源源所所辐辐射射的的频频率率，其其频频率率之之差差与与它它们们的的相相对对运运动动速速度度有有关关，这这种种由由于于相相对对运运动动而而引引起起频频移移的的现现象象称称为为DopplerDoppler（多普勒）效应。（多普勒）效应。多多普普勒勒效效应应在在各各学学科科有有着着广广泛泛的的用用途途，上上世世纪纪5050年年代代，开开始始了了医医学学超超声声多多普普勒勒技技术术的的研研究究，6060年年代代，开开始始了了仪仪器器的的开开发发及及临临床床应应用用。3030多多年年来来，医医学学超超声声多多普普勒勒技技术术发发展迅速，获得了广泛的医学应用。展迅速，获得了广泛的医学应
36、用。第28页，此课件共49页哦3 3多普勒效应多普勒效应 若若传传声声媒媒质质是是静静止止的的，在在声声源源和和接接收收器器之之间间存存在在着着相相对对运动时就会产生多普勒频移。运动时就会产生多普勒频移。声源和接收器之间的运动图声源和接收器之间的运动图（a a）接收器运动（接收器运动（b b）声源运动）声源运动 第29页，此课件共49页哦3 3 多普勒效应多普勒效应 声声源源静静止止，接接收收器器运运动动（速速度度为为 ，运运动动速速度度与与声声源源和和接接收收器器连连线线的的夹夹角角为为 ），此此时时接接收收器器接接收收的的信信号周期为号周期为 ，即：，即：接收到的信号周期声波波长媒质中的声
37、速 第30页，此课件共49页哦3 3多普勒效应多普勒效应接收器收到的信号频率接收器收到的信号频率 为为 通常满足通常满足 ，所以多普勒频移，所以多普勒频移 为为 第31页，此课件共49页哦3 3 多普勒效应多普勒效应 若若声声源源运运动动，而而接接收收器器静静止止，如如图图所所示示，则则接接收收器器所所接接收收到的信号频率到的信号频率 为：为：多普勒频移多普勒频移 为为 第32页，此课件共49页哦3 3 多普勒效应多普勒效应 在在医医学学超超声声多多普普勒勒技技术术中中常常使使用用反反射射式式探探头头，这这时时，发发射射源源和和接接收收器器位位于于被被测测运运动动得得体体同同一一侧侧，如如图图
38、给出利用多普勒效应测量血流原理图。给出利用多普勒效应测量血流原理图。设设血血流流的的速速度度为为 ，与与发发射射声声束束和和接接收收声声束束之之 间间的的夹夹角角分分布布为为 和和 ，声声源源的的发发射射频频率率为为 ，按按式式，运运动动体体接收到的声波频率为接收到的声波频率为 第33页，此课件共49页哦3 3多普勒效应多普勒效应 声声波波被被运运动动体体反反射射（或或散散射射），按按照照惠惠更更斯斯原原理理，此此反反射射的的声声波波可可认认为为是是一一个个新新的的声声源源，它它以以速速度度 运运动动着着，它它发发出出的的声声波波被被静静止止的的接接收收换换能能器器接接收收。按按式式，接接收收
39、到的声波频率为到的声波频率为 将将 代入上式得代入上式得 当当收收、发发换换能能器器靠靠得得很很近近，特特别别是是在在收收发发共共用用同同一一换能器的脉冲多普勒系统中，换能器的脉冲多普勒系统中，则上式变为，则上式变为 第34页，此课件共49页哦3 3 多普勒效应多普勒效应 上式就是医学超声多普勒技术常用的多普勒频移公式。上式就是医学超声多普勒技术常用的多普勒频移公式。当速度与声束方向夹角满足当速度与声束方向夹角满足 时，时，即回波频率，即回波频率高于发射频率；反之，高于发射频率；反之，时，时，此时回波频率低，此时回波频率低于发射频率。于发射频率。严严格格说说来来，上上述述公公式式只只适适用用于
40、于连连续续波波工工作作状状态态及及声声束束为为无无限限宽宽、运运动动物物体体为为无无限限太太平平面面，且且运运动动速速度度为为常常数数的的情情况况。在在这这种种情情况况下下，接接收收信信号号及及多多普普勒勒信信号号均均为为单单一一领领率率。这这些些条条件件中中，只只要要有有一一个个不不满满足足，则则所所得得到到的的多多普普勒勒信信号号就就不不是是单单频频信信号号，而而是是有有一一定定的的谱谱宽宽。在在超超声声诊诊断断的的实实际际情情况况下下，声声束束宽宽度度和和运运动动物物体体的的大大小小都都有有限限，即即使使发发射射声声波波为为连连续续波波，接接收收信信号号也也会会是是调调幅幅波波，因因而而
41、多多普普勒勒信号也有一定带宽信号也有一定带宽。第35页，此课件共49页哦3 3 多普勒效应多普勒效应 声声束束越越窄窄，接接收收信信号号越越短短，多多普普勒勒频频宽宽越越大大，速速度度分分辨辨率率就就越越低低。也也就就是是说说，利利用用多多普普勒勒效效应应来来估估算算物物体体运运动动速速度度时时，速速度度分分辨辨率率随随声声束束变变窄窄而而降降低低。然然而而，系系统统的的横横向分辨率却随声束变窄而提高。向分辨率却随声束变窄而提高。因因而而，多多普普勒勒系系统统的的横横向向分分辨辨率率和和速速度度分分辨辨率率是是互互相相矛矛盾的，在实际应用中要有适当的折衷。盾的，在实际应用中要有适当的折衷。第3
42、6页，此课件共49页哦4 4 用于超声诊断的换能器用于超声诊断的换能器 超超声声诊诊断断的的实实现现是是通通过过各各种种型型式式的的超超声声诊诊断断设设备备来来进进行行的的。而而各各种种超超声声诊诊断断设设备备的的关关键键部部件件是是超超声声换换能能器器，亦亦称称探探头头。大大多多数数诊诊断断仪仪用用的的超超声声换换能能器器都都既既作作发发射射，又又作作接接收收。即即既既向向体体内内发发射射声声波波，又又接接收收经经体体内内组组织织调调制制的的回回声声信信号号。超超声声换换能能器器的的性性能能对对诊诊断断仪仪的的质质量量有有着着决决定定性性的的影影响响，对对于于超超声声诊诊断断来来讲讲，超超声
43、声波波作作为为信信息息载载体体，不不希希望望其其对对生生物物组组织织有有任任何何作作用用或或效效应应。因因而而要要求求射射入入体体内内的的声声波波强强度度尽尽可可能能低低，但但又又要要得得到到能能从从噪噪声声中中鉴鉴别别出出来来的的信信号号，也也就就是是说说，要要求求超超声声换换能能器器有有高高的的灵灵敏敏比比和和信信噪噪比比。此此外外，为为了了获获得得疾疾病病诊诊断断（例例如如癌癌症症的的早早期期诊诊断断）所所必必要要的的分辨率，要求超声换能器有较高的纵向和横向分辨率等。分辨率，要求超声换能器有较高的纵向和横向分辨率等。4 4.1.1 对超声诊断换能器的基本要求对超声诊断换能器的基本要求第3
44、7页，此课件共49页哦4.1.1灵敏度和声耦合 超超声声诊诊断断要要求求一一定定的的信信噪噪比比。在在噪噪声声电电平平一一定定的的情情况况下下，要要求求信信号号要要大大于于某某一一定定值值。增增大大有有用用信信号号的的方方法法有有两两种种，一一是是增增加加激激励励源源电电压压，也也就就是是增增加加发发射射声声功功率率，然然而而这这必必须须是是有有限限度度的的，因因为为增增加加声声功功率率一一方方面面可可能能造造成成对对人人体体有有害害，另另一一方方面面也也增增加加了了电电路路的的难难度度。第第二二种种方方法法则则是是提提高高换换能能器器的的灵灵敏敏度度，灵灵敏敏度度是是换换能能器器好好坏坏的的
45、一一个个重重要要标标志志。工工业业和和医医学学探探测测中中，超超声声波波都都是是在在不不同同特特征征阻阻抗抗的的媒媒质质中中传传播播，面面临临着着共共同同的的问问题题，即即声声耦耦合合问问题题。探探头头表表面面与与人人体体体体表表之之间间存存在在一一个个很很大大的的声声阻阻抗抗差差界界面面，甚甚至至被被空空气气所所填填充充，难难以以使使超超声声波波耦耦合合到到人人体体内内。实实际际应应用用中中，常常在在探探头头表表面面与与被被测测部部位位体体表表之之间间涂涂上上超超声声耦耦合合剂剂，早早期期采采用用石石蜡蜡和和油油类类物物质质。探探头头、耦耦合合剂剂与与人人体体构构成成了了一一多多层层声声传传
46、输输介介质质，其中，中间其中，中间耦合层较薄耦合层较薄。第38页，此课件共49页哦4 4.1.1.1.1灵敏度和声耦合灵敏度和声耦合 （一）声波垂直入射到多层平面界面上（一）声波垂直入射到多层平面界面上 超超声声波波通通过过一一定定厚厚度度的的异异质质薄薄层层是是，反反射射与与透透射射情情况况与与单单一一界界面面不不同同，垂垂直直入入射射到到各各界界面面所所产产生生的的反反射射和和透透射射波波仍仍与与平平界界面面垂垂直直。可可求求得得透透射射入入第第三三层层介介质质中中的的超超声声声强透射系数声强透射系数 是是中中间间薄薄层层厚厚度度；是是波波数数。根根据据薄薄层层厚厚度度 与与波长波长 的关
47、系，分集中情况讨论如下：的关系，分集中情况讨论如下：第39页，此课件共49页哦4 4.1.1.1.1灵敏度和声耦合灵敏度和声耦合 （一）声波垂直入射到多层平面界面上（一）声波垂直入射到多层平面界面上 （1 1）如如果果 ，如如无无耦耦合合剂剂，且且探探头头表表面面与与体体表表紧紧密接触密接触 （2 2）如果）如果 ，即半波长的整数倍，则，即半波长的整数倍，则 第40页，此课件共49页哦4 4.1.1.1.1灵敏度和声耦合灵敏度和声耦合 （一）声波垂直入射到多层平面界面上（一）声波垂直入射到多层平面界面上 （3 3），即四分之一波长的奇数倍，即四分之一波长的奇数倍 当当超超声声耦耦合合剂剂声声阻
48、阻抗抗时时 ，可可以以推推得得 。实实际际应应用用中中，超超声声耦耦合合剂剂的的阻阻抗抗匹匹配配作作用用利利用用了了这这一一物物理理原原理理。理论上，所有超声波能量全透入人体组织内。理论上，所有超声波能量全透入人体组织内。第41页，此课件共49页哦4 4.1.1.1.1灵敏度和声耦合灵敏度和声耦合 （二）（二）声波斜入射到多层平面界面上声波斜入射到多层平面界面上 声声波波斜斜入入射射到到多多层层界界面面上上的的反反射射和和透透射射情情况况要要更更复复杂一些。当杂一些。当 时，求得声强透射系数时，求得声强透射系数 为为 式中式中 与与垂垂直直入入射射条条件件下下类类似似，可可分分三三种种情情况况
49、对对 加加以以讨讨论论。同同样样，在在实实际际应应用用中中，当当 ，即即实实现现声声阻阻抗抗匹匹配后，绝大部分超声能量透射进入第三种介质。配后，绝大部分超声能量透射进入第三种介质。第42页，此课件共49页哦4 4.1.1.1.1灵敏度和声耦合灵敏度和声耦合 （二）（二）声波斜入射到多层平面界面上声波斜入射到多层平面界面上 选用薄层匹配材料，其声阻抗率选用薄层匹配材料，其声阻抗率 应近似为应近似为 式式中中 ，分分别别为为换换能能器器及及负负载载的的声声阻阻抗抗率率。匹匹配配层层的的厚厚度度则则约约为为换换能能器器中中心心频频率率对对应应声声波波长长的的四四分分之之一一。也也可以采用电路进行阻抗
50、匹配。可以采用电路进行阻抗匹配。第43页，此课件共49页哦4 4.1.2.1.2 脉冲响应与纵向分辨率脉冲响应与纵向分辨率 当当激激励励源源为为一一 电电脉脉冲冲时时，自自发发自自收收的的换换能能器器所所输输出出的的电电信信号号(设设介介质质中中无无传传播播损损耗耗)称称为为换换能能器器的的脉脉冲冲响响应应，如如图图所所示。示。显显然然，换换能能器器的的输输出出脉脉冲冲为为持持续续一一段段时时间间的的振振荡荡信信号号，振振荡荡频频率率约约等等于于换换能能器器的的中中心心频频率率 。输输出出信信号号幅幅度度大大于于信信号号最最大大幅幅度度1010的的脉脉冲冲持持续续时时间间 与与其其中中所所含含