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1、第一章第一章 医学超声学基础医学超声学基础第一节第一节 超声波的定义及特性超声波的定义及特性波类型波类型传播条件传播条件传播能量传播能量传播速度传播速度波实例波实例 电磁波电磁波 真空、介质真空、介质电磁能电磁能约约3108ms无线电波、光波、无线电波、光波、X、射线射线机械波机械波介质介质机械能机械能几百至几千几百至几千ms水波、地震波、水波、地震波、声波声波波，根据其性质可分为两大类：波，根据其性质可分为两大类：弹性介质中质点机械振动状态的传播过程。弹性介质中质点机械振动状态的传播过程。其实是机械振动能量的传播过程。其实是机械振动能量的传播过程。二、声波按频率的分类及医用超声的范围二、声波
2、按频率的分类及医用超声的范围1.1.声波按频率声波按频率(f)(f)的分类的分类一、声波的定义一、声波的定义一、声波的定义一、声波的定义简单的分类简单的分类简单的分类简单的分类:f f16 Hz 16 Hz 称：称：次声波次声波 16 Hzf20 kHz 16 Hzf20 kHz 称：称：可听声波可听声波 f f20 kHz 20 kHz 称：称：超声波超声波2.2.医学超声仪的频率范围：医学超声仪的频率范围：200 kHz200 kHz40 MHz40 MHz3.3.超声诊断仪的频率范围：超声诊断仪的频率范围：1 MHz1 MHz10 MHz10 MHz 相应的波长：相应的波长：1.5mm1
3、.5mm0.15mm0.15mm三、超声波（最突出）的特性三、超声波（最突出）的特性1.1.方向性好方向性好用于探测、诊断。用于探测、诊断。2.2.能量大能量大 用于清洗、灭菌、手术。用于清洗、灭菌、手术。第二节第二节 超声波的产生超声波的产生超声波产生的基本条件：超声波产生的基本条件：振源；振源；介质。介质。一、单自由度振动系统的数学描述一、单自由度振动系统的数学描述1.位移位移：Acos(Acos(0 0t-)t-)式中：式中：A A 振幅，即最大位移振幅，即最大位移 0 0 2f2f0 0 角频率角频率 f f0 0 固有频率固有频率 初相角初相角2.速度速度：v vd/dtd/dtAA
4、0 0 sin(sin(0 0t-)t-)VmVm sin(sin(0 0t-)t-)式中：式中：Vm Vm AA0 0 最大速度最大速度3.加速度加速度：a adv/dtdv/dtAA0 02 2 cos(cos(0 0t-)t-)B cos(B cos(0 0t-)t-)式中：式中：B B AA0 02 2 最大加速度最大加速度单个质点无阻尼振动：动能、势能转换，能量守恒。单个质点无阻尼振动：动能、势能转换，能量守恒。二、机械波产生的过程二、机械波产生的过程 连续弹性介质中，某一质点的振动，通过弹连续弹性介质中，某一质点的振动，通过弹性力的作用，传递给与它相邻的质点，后者也振性力的作用，传
5、递给与它相邻的质点，后者也振动，并继续传递动，并继续传递能量传播，形成机械波。能量传播，形成机械波。三、超声波的产生及传播三、超声波的产生及传播 由超声换能器产生振动，引起接触剂的振动，由超声换能器产生振动，引起接触剂的振动，接触剂的振动又引起人体皮肤、脂肪及内脏的振接触剂的振动又引起人体皮肤、脂肪及内脏的振动，超声波能量就这样进入了人体。动，超声波能量就这样进入了人体。第三节第三节 超声波的分类超声波的分类一、按质点振动方向和波传播方向的关系分类一、按质点振动方向和波传播方向的关系分类一、按质点振动方向和波传播方向的关系分类一、按质点振动方向和波传播方向的关系分类1.横波横波质点振动方向质点
6、振动方向垂直于垂直于波的传播方向的波。波的传播方向的波。由介质的切变弹性引起，亦称切变波。由介质的切变弹性引起，亦称切变波。横波仅在横波仅在固体固体中传播。中传播。2.纵波纵波质点振动方向质点振动方向平行于平行于波的传播方向的波。波的传播方向的波。由介质的压缩弹性引起，亦称疏密波或压缩波。由介质的压缩弹性引起，亦称疏密波或压缩波。纵波能在纵波能在固体固体、液体液体和和气体气体中传播。中传播。由于人体软组织无切变弹性，横波在人体软组织由于人体软组织无切变弹性，横波在人体软组织中不能传播，而只能以纵波的方式传播，所以纵波是中不能传播，而只能以纵波的方式传播，所以纵波是超声诊断和治疗的常用波型。超声
7、诊断和治疗的常用波型。二、按波阵面的形状分类二、按波阵面的形状分类二、按波阵面的形状分类二、按波阵面的形状分类1.波面与波阵面波面与波阵面波波 面面:波传播时，某一时刻介质中各同相位波传播时，某一时刻介质中各同相位 振动点组成的面。波面有无数个。振动点组成的面。波面有无数个。波阵面：波传播方向上最前面的那个波面。波阵面：波传播方向上最前面的那个波面。2.按波阵面的形状分类按波阵面的形状分类1)1)平面波：波平面波：波阵阵面为平面的波。面为平面的波。2)2)球面波：波球面波：波阵阵面为球面的波。面为球面的波。3)3)柱面波：波柱面波：波阵阵面为柱面的波。面为柱面的波。3.约定约定为方便，超声在人
8、体内传播，均视为平面波。为方便，超声在人体内传播，均视为平面波。遇到小障碍物而散射的超声，均视为球面波。遇到小障碍物而散射的超声，均视为球面波。三、按发射超声的类型分类三、按发射超声的类型分类三、按发射超声的类型分类三、按发射超声的类型分类脉冲波脉冲波 采用机种：采用机种：A A型、型、M M型、型、B B型超声诊断仪，型超声诊断仪，脉冲波多普勒血流仪。脉冲波多普勒血流仪。连续波连续波 采用机种：连续波多普勒血流仪。采用机种：连续波多普勒血流仪。四、按声波的频率分类（如前述）四、按声波的频率分类（如前述）.次声波次声波可听声波可听声波 超声波超声波第四节第四节 波动方程与波参数波动方程与波参数
9、一、波动方程一、波动方程假定：平面声波，沿假定：平面声波，沿x方向传播方向传播1.基本方程基本方程运动方程：运动方程：连续方程：连续方程：其中：其中：P声压，声压，v质点振动速度质点振动速度 介质密度，介质密度，t时间，时间，B 体积弹性系数体积弹性系数2.2.波动方程波动方程波动方程波动方程联立以上联立以上、式，可得波动方程如下：式，可得波动方程如下：它描述了声波传播过程中，每个空间位置上，每它描述了声波传播过程中，每个空间位置上，每个时刻的声压和质点振动速度。个时刻的声压和质点振动速度。3.解的形式解的形式 p=f1(x-ct)+f2(x+ct)对于简谐平面波可写为：对于简谐平面波可写为：
10、P=A1e-j(t-kx)+A2e-j(t+kx)或：或：P=A1cos(t-kx)+A2cos(t+kx)式中：式中：k=/c=2/波数波数 =2f角频率角频率 f 频率频率 波长波长 4.讨论讨论 、式中，第一项式中，第一项x同向波，第二项同向波，第二项x反向波，反向波，如无反向波（反射波），则如无反向波（反射波），则A2=0 P=P0cos(t-kx)=P0cos(t-x/c)该式表明：在离声源该式表明：在离声源x x处的振动，要在声源振动处的振动，要在声源振动的一个时延的一个时延x/cx/c后才发生。后才发生。1.1.声速声速c c 声波在单位时间内传播的距离称声速，用声波在单位时间内
11、传播的距离称声速，用c c表示。声表示。声速速c c与质点振动速度与质点振动速度v v是不同的。是不同的。c c与以下因素有关：与以下因素有关：（1 1）c c与与波类型波类型有关。横波有关。横波c c纵波纵波c c。（2 2）在流体与气体介质中（平面纵波）：）在流体与气体介质中（平面纵波）：B B介质的体积弹性系数介质的体积弹性系数 介质的密度介质的密度 （3 3）c c与与温度温度有关有关因因B B与温度有关。与温度有关。如：空气中一定温度内每升高如：空气中一定温度内每升高11，声速约增加，声速约增加 0.6m/S 0.6m/S。（4 4）c c与频率无关，即无频散（色散）现象。与频率无关
12、，即无频散（色散）现象。二、波参数二、波参数二、波参数二、波参数与超声诊断有关的各种介质的声速与超声诊断有关的各种介质的声速与超声诊断有关的各种介质的声速与超声诊断有关的各种介质的声速 重要声速参数重要声速参数重要声速参数重要声速参数 人体软组织中：人体软组织中：c1540 m/S c1540 m/S 在人体各种软组织中在人体各种软组织中,声速都很接近，可按此估算。声速都很接近，可按此估算。人体骨组织中：人体骨组织中：c4000 m/S c4000 m/S 空气空气(22)(22)中：中：c c 345 m/S 345 m/S2.2.2.2.波长、周期和频率波长、周期和频率波长、周期和频率波长
13、、周期和频率（1 1）波长波长 声波中两个相邻同相位点之间的距离称波长，用声波中两个相邻同相位点之间的距离称波长，用表示。表示。纵波：指两个相邻密集点纵波：指两个相邻密集点(或稀疏点或稀疏点)之间的距离。之间的距离。横波：指两个相邻波峰横波：指两个相邻波峰(或波谷或波谷)之间的距离。之间的距离。(或：在一个波周期时间内，波所传播的距离称波长。或：在一个波周期时间内，波所传播的距离称波长。)（2 2 2 2）周期）周期）周期）周期T T T T 声波传播一个波长距离所需的时间称周期，用声波传播一个波长距离所需的时间称周期，用T T表示。等表示。等于声波中质点在平衡位置往返振动一次所需的时间。于声
14、波中质点在平衡位置往返振动一次所需的时间。（3 3）频率）频率f f 任一点在单位时间内通过的波数称频率，用任一点在单位时间内通过的波数称频率，用f f表示。等于表示。等于介质中的质点在单位时间内振动的次数。介质中的质点在单位时间内振动的次数。（4 4）波长、周期、频率与声速之间的关系）波长、周期、频率与声速之间的关系c/fc/fT TT T1/f1/f（5 5）单位）单位声速的单位为：声速的单位为：m/Sm/S医学超声中常用：医学超声中常用：mm/Smm/S波长波长的单位为：的单位为：m m 医学超声中常用：医学超声中常用：mm mm 频率的单位为：频率的单位为：Hz Hz 医学超声中常用：
15、医学超声中常用：MHzMHz（6 6 6 6）频率、波长对超声成像的影响）频率、波长对超声成像的影响）频率、波长对超声成像的影响）频率、波长对超声成像的影响 波长：决定了成像的极限分辨率波长：决定了成像的极限分辨率 频率：决定了成像的组织深度频率：决定了成像的组织深度3.3.3.3.声压和声强声压和声强声压和声强声压和声强(1)(1)声压声压 P P 定义定义 单位面积上介质受到的声波压力称声压，用单位面积上介质受到的声波压力称声压，用P P表示。表示。是由声波引起的介质中压强，是介质静压强的一个增量。是由声波引起的介质中压强，是介质静压强的一个增量。随着声波在介质中的传播，该压强随时间和位置
16、而变化。随着声波在介质中的传播，该压强随时间和位置而变化。平面波声压瞬时值平面波声压瞬时值 P Pcvcv 式中：式中：介质密度，介质密度，cc声速，声速，vv质点振动速度质点振动速度 声压最大值（即振幅）声压最大值（即振幅）P Pm mcVcVm mcc0 0 A A 声压有效值声压有效值 P PP Pm m/（2 2 2 2）声强）声强）声强）声强I I I I 定义定义 单位时间内通过垂直于传播方向上单位面积的超单位时间内通过垂直于传播方向上单位面积的超声能量称为超声强度。简称声强，用声能量称为超声强度。简称声强，用I I表示。表示。平面波声强计算式平面波声强计算式 I IP P2 2/
17、c/cP Pm m2 2/2c/2cP Pm mV Vm m/2/2 cVcVm m2 2/2/2cc0 02 2A A2 2/2/2 即声强与该点声压、振速或振动位移的最大值有关。即声强与该点声压、振速或振动位移的最大值有关。声强的单位声强的单位 瓦瓦/厘米厘米2 2 1 1瓦瓦1 1焦耳焦耳/秒秒4.4.4.4.声压级和声强级声压级和声强级声压级和声强级声压级和声强级（1 1 1 1）声强级）声强级）声强级）声强级L L L LI I I I L L L LI I I I=10lg(I/I=10lg(I/I=10lg(I/I=10lg(I/I0 0 0 0)分贝分贝分贝分贝(dB)(dB)
18、(dB)(dB)称称称称L L L LI I I I为：为：为：为：I I I I相对于相对于相对于相对于I I I I0 0 0 0的声强级，的声强级，的声强级，的声强级，I I I I0 0 0 0为为为为I I I I的参考值。的参考值。的参考值。的参考值。（2 2 2 2）声压级）声压级）声压级）声压级L L L LP P P P 由由由由I I I IP P P P2 2 2 2/c,I/c,I/c,I/c,I0 0 0 0P P P P0 0 0 02 2 2 2/c/c/c/c可得：可得：可得：可得：L L L LI I I I=10lg(I/I=10lg(I/I=10lg(I/
19、I=10lg(I/I0 0 0 0)=10lg(P)=10lg(P)=10lg(P)=10lg(P2 2 2 2/P/P/P/P0 0 0 02 2 2 2)=20lg(P/P=20lg(P/P=20lg(P/P=20lg(P/P0 0 0 0)定义：定义：定义：定义：L L L LP P P P=20lg(P/P=20lg(P/P=20lg(P/P=20lg(P/P0 0 0 0)分贝分贝分贝分贝(dB)(dB)(dB)(dB)称称称称L L L LP P P P为：为：为：为：P P P P相对于相对于相对于相对于P P P P0 0 0 0的声压级，的声压级，的声压级，的声压级，P P
20、P P0 0 0 0为为为为P P P P的参考值。的参考值。的参考值。的参考值。（3 3）说明）说明 对同一声波量，相对于同一参考声波量，恒有对同一声波量，相对于同一参考声波量，恒有L LI I=L=LP P 超声诊断仪回波信号动态范围超声诊断仪回波信号动态范围L LD D=10lg(I=10lg(Imaxmax/I/Iminmin)100dB,)100dB,即：即：I Imaxmax/I/Iminmin=10=101010(100(100亿亿)倍，或倍，或P Pmaxmax/P/Pminmin=10=105 5(10(10万万)倍。倍。如未指明参考声强，默认值如未指明参考声强，默认值I I
21、0 010101616 W/cm W/cm2 2,这是当这是当f f1kHz1kHz时，人耳能听觉的最小声强，国际通用。时，人耳能听觉的最小声强，国际通用。5.5.5.5.声阻抗率声阻抗率声阻抗率声阻抗率Z Z Z Z（1 1）定义）定义 声场中某点的声压与该质点振动速度之比称声阻抗率声场中某点的声压与该质点振动速度之比称声阻抗率Z ZP/vP/v 对于平面波，可求得：对于平面波，可求得：Z ZP/vP/vcc 在水和空气中在水和空气中,还可得：还可得：Z ZP/vP/vcc(B)(B)1/21/2 式中：式中：介质密度，介质密度，c c 声速，声速，BB体积弹性系数体积弹性系数 （2 2）说
22、明）说明 Z Z只与介质本身声学特性有关，又称特性阻抗；只与介质本身声学特性有关，又称特性阻抗；Z Z的单位是瑞利，的单位是瑞利，1 1瑞利瑞利1g/cm1g/cm2 2SS；声阻抗率越大，超声纵波速度越快。声阻抗率越大，超声纵波速度越快。（3 3 3 3）人体组织按声阻抗率大致可分成三类）人体组织按声阻抗率大致可分成三类）人体组织按声阻抗率大致可分成三类）人体组织按声阻抗率大致可分成三类 体液及软组织：体液及软组织：Z1.510 Z1.5105 5 瑞利瑞利 气体及充气的肺组织：气体及充气的肺组织：Z0.0004-0.2610Z0.0004-0.26105 5 瑞利瑞利 骨及钙化了的组织：骨
23、及钙化了的组织：Z5.57-8.310 Z5.57-8.3105 5 瑞利瑞利（4 4）关于声阻抗名称）关于声阻抗名称 声阻抗是声阻抗是“机机-电类比电类比”中，与电阻抗相类比而称的。中，与电阻抗相类比而称的。“机机-电类比电类比”是用电学的理论、手段研究声学问题的方是用电学的理论、手段研究声学问题的方法。因为许多声学系统与相应的电学系统有相同的微分法。因为许多声学系统与相应的电学系统有相同的微分方程方程 声学：声学：Z ZP/vP/v，电学：电学：R RU/IU/I，类比：类比：Z ZR R，P PU U，V VI I 超声成像只能用于那些有液体和软组织的、超声成像只能用于那些有液体和软组织
24、的、且声波传播通路上没有气体或骨骼阻挡的那些且声波传播通路上没有气体或骨骼阻挡的那些区域。区域。在液体和软组织中，声速和声阻抗变化不在液体和软组织中，声速和声阻抗变化不大，使得声反射量适中，既保证了界面回波的大，使得声反射量适中，既保证了界面回波的显像观察，亦保证了声波可穿透足够的深度。显像观察，亦保证了声波可穿透足够的深度。此外，接收回波的时延与目标深度成近似的正此外，接收回波的时延与目标深度成近似的正比关系，这是比关系，这是B超诊断图像成功应用必要的物超诊断图像成功应用必要的物理基础。理基础。第五节第五节 超声波的传播特性超声波的传播特性 超声波的传播特性有：波的超声波的传播特性有：波的反
25、射、折射、透射、衍射反射、折射、透射、衍射和和散射散射等。两波相遇时遵循叠加原理。等。两波相遇时遵循叠加原理。一、反射和折射一、反射和折射 条件及约定：条件及约定：声波类型：平面波声波类型：平面波 界面条件：光滑平面，且足够大（相对于波长）界面条件：光滑平面，且足够大（相对于波长）字母、下标的意义字母、下标的意义 P P声压，声压，I I声强，声强，c c声速，声速，Z Z声阻抗，声阻抗，夹角夹角 1 1介质，介质，2 2介质介质,i,i入射，入射，r r反射，反射，t t折射折射 如：如：P Pi i入射声压，入射声压，Z Z1 1介质介质1 1的声阻抗的声阻抗 反射定律反射定律:i ir
26、r 与光学定律同，与光学定律同，折射定律：折射定律：因声、光同为波因声、光同为波1.1.1.1.传播的几何特性传播的几何特性传播的几何特性传播的几何特性i ir rt tI Ii i，P Pi iI Ir r，P Pr rI It t，P Pt t入射波入射波反射波反射波折射波折射波介质，介质，c c1 1，Z Z1 1介质，介质，c c，Z Z界面界面t t 发生全反射的条件发生全反射的条件发生全反射的条件发生全反射的条件 在在c c1 1c c2 2的情况下的情况下 当当i ic csinsin-1-1(c(c1 1/c/c2 2)时，即时，即sinsini ic c1 1/c/c2 2t
27、 tsinsin-1-1(c(c2 2/c/c1 1)sin)sini i)sinsin-1-1(c(c2 2/c/c1 1)(c)(c1 1/c/c2 2)90 90 折射波沿界面传播折射波沿界面传播 当当i ic c 时，可得：时，可得：sinsint t1 1 t t非实角，故没有折射波，而发生全反射非实角，故没有折射波，而发生全反射 c csinsin-1-1(c(c1 1/c/c2 2)称为全反射角。称为全反射角。2.2.2.2.传播的力学特性传播的力学特性传播的力学特性传播的力学特性 上述的折射波也称透射波。反射波、透射波关于上述的折射波也称透射波。反射波、透射波关于入射波的相对强
28、弱由反射系数和透射系数来反应。入射波的相对强弱由反射系数和透射系数来反应。（1 1）定义定义 声压反射系数：声压反射系数：声压透射系数：声压透射系数：声强反射系数：声强反射系数：声强透射系数：声强透射系数：注意：注意：这里这里均为在均为在界面上界面上的波参的波参数之比数之比（2 2 2 2）求解思路）求解思路）求解思路）求解思路 根据界面平衡条件：根据界面平衡条件：在界面上两边的总压力应该相等；在界面上两边的总压力应该相等；界面上两边质点的速度应该连续。得界面上两边质点的速度应该连续。得 （1 1）（2 2）又根据声阻抗率定义，又根据声阻抗率定义，即，即 （2 2）式变为）式变为 （3 3）联
29、解（联解（1 1）、（）、（3 3）两式，可求得）两式，可求得 （3 3 3 3）超声波垂直入射界面时的力学特性）超声波垂直入射界面时的力学特性）超声波垂直入射界面时的力学特性）超声波垂直入射界面时的力学特性 介质介质1介质介质2透射波透射波反射波反射波入射波入射波界面界面Pt,ItPi,IiPr,Ir 其中：其中：其中：其中：，显然有：显然有：原因是：原因是：，即：，即：，即：，即：体现界面处输入输出体现界面处输入输出 体现界面两边的力平衡体现界面两边的力平衡 能量守恒能量守恒 由由I IP P2 2/c/c，可推得，可推得 注意：注意：（4 4 4 4）讨论）讨论）讨论）讨论 则则 有反射
30、，有透射；有反射，有透射；则则 无反射，全透射；无反射，全透射；则则 几乎全反射，无透射；几乎全反射，无透射；则则 几乎全反射，无透射。几乎全反射，无透射。反射超声能量的大小取决于两种介质的声阻抗率差反射超声能量的大小取决于两种介质的声阻抗率差 超声垂直入射时：超声垂直入射时：在空气软组织交界面上，声强反射系数为在空气软组织交界面上，声强反射系数为0.99890.9989；在软组织颅骨交界面上，声强反射系数为在软组织颅骨交界面上，声强反射系数为0.320.32。即在这。即在这两种界面上，有两种界面上，有99.999.9和和3232的超声能量被反射回来。的超声能量被反射回来。这就是为什么超声诊断
31、仪不能检查含气体的脏器及对头这就是为什么超声诊断仪不能检查含气体的脏器及对头颅检查困难的原因。颅检查困难的原因。超声诊断仪检查时声波通路上必须避开骨和空气。超声诊断仪检查时声波通路上必须避开骨和空气。二、透过薄层的波二、透过薄层的波二、透过薄层的波二、透过薄层的波 在超声换能器中，超声要通过几层特性阻抗不同在超声换能器中，超声要通过几层特性阻抗不同的介质进行传播。的介质进行传播。这里只讨论最简单的情况，即假设平面超声波垂这里只讨论最简单的情况，即假设平面超声波垂直入射，通过三层介质。如图：直入射，通过三层介质。如图：可以求得：可以求得：式中：式中：I I1 1 第一层介质中的入射波能量第一层介
32、质中的入射波能量I I3 3 第三层介质中的透射波能量第三层介质中的透射波能量 介质介质2 2中的波数中的波数L L2 2 中间层厚度中间层厚度 （1 1）当）当 ，n=1,2,n=1,2,（L L2 2为半波长的整数倍为半波长的整数倍)时时 或或 ，且非，且非Z Z2 2ZZ1 1,Z,Z2 2Zd。当当d d与与可比，则发生绕射。例如胆结石。可比，则发生绕射。例如胆结石。当当dd，则发生散射。例如红细胞。，则发生散射。例如红细胞。1.1.1.1.散射散射散射散射 条件：条件：dd；现象：小障碍物变成新的波源，并向四周发射超声波；现象：小障碍物变成新的波源，并向四周发射超声波；回波：散射信号
33、的回波大小与入射角无明显关系；回波：散射信号的回波大小与入射角无明显关系；应用：运动的红细胞散射应用：运动的红细胞散射超声多普勒血流仪；超声多普勒血流仪；脏器内小结构散射脏器内小结构散射BB超脏器结构性质显像。超脏器结构性质显像。2.2.绕射绕射 条件：条件：d d与与接近；接近；现象：障碍物边缘超声波绕过障碍物继续前进；现象：障碍物边缘超声波绕过障碍物继续前进；应用：胆结石边缘发生绕射，在其后方形成声影，应用：胆结石边缘发生绕射，在其后方形成声影，以此判别是否胆结石。以此判别是否胆结石。四、超声波的叠加原理四、超声波的叠加原理四、超声波的叠加原理四、超声波的叠加原理1.1.叠加原理叠加原理
34、超声波在传播过程中相遇时：超声波在传播过程中相遇时：相遇前后，波的特性不变相遇前后，波的特性不变独立性独立性。相遇之处，质点振动各波矢量合成相遇之处，质点振动各波矢量合成叠加性叠加性。（波的特性：频率、初相、振动方向、传播方向等）（波的特性：频率、初相、振动方向、传播方向等）2.2.叠加特例叠加特例 两列波，频率、振动方向相同，相位差两列波，频率、振动方向相同，相位差恒定：恒定：2K：振动同相，合成相加，振幅最大振动同相，合成相加，振幅最大 (2K+1)(2K+1)：振动反相，合成相减，振幅最小：振动反相，合成相减，振幅最小 如图如图1-91-9第六节第六节 超声在生物组织中的衰减超声在生物组
35、织中的衰减 一、一、超声衰减的定义超声衰减的定义 超声强度随传播距离增加而减弱的现象，称超声衰减。超声强度随传播距离增加而减弱的现象，称超声衰减。二、二、超声衰减的原因超声衰减的原因 扩散声束扩散，使声波原方向声强减弱。扩散声束扩散，使声波原方向声强减弱。散射介质散射，也使声波原方向声强减弱。散射介质散射，也使声波原方向声强减弱。吸收介质的吸收将声能转化为热能，超声能量减少。吸收介质的吸收将声能转化为热能，超声能量减少。()粘滞吸收：介质质点运动时相互摩擦；粘滞吸收：介质质点运动时相互摩擦；()弛豫吸收：介质的传导造成热能辐射。弛豫吸收：介质的传导造成热能辐射。三、三、三、三、超声衰减规律超声
36、衰减规律超声衰减规律超声衰减规律（1 1）平面波在均匀生物组织中传播时，有指数型关系）平面波在均匀生物组织中传播时，有指数型关系 式中，式中，I I0 0,P,P0 0 x=0 x=0处的声强、声压有效值处的声强、声压有效值 介质的声压衰减系数介质的声压衰减系数 （2 2）声压衰减系数）声压衰减系数 与扩散、散射、吸收等因素有关。一般与扩散、散射、吸收等因素有关。一般 在人体软组织，并诊断用超声频率范围内在人体软组织，并诊断用超声频率范围内式中，式中，介质的超声衰减常数。可查表得。介质的超声衰减常数。可查表得。单位：单位：(mm)(mm)-1-1,s/mm,s/mm,fMHz.fMHz.(3)
37、(3)(3)(3)超声传播衰减声压级超声传播衰减声压级超声传播衰减声压级超声传播衰减声压级 式中：式中：P(x)xP(x)x处声压，处声压，P P0 0 x=0 x=0处声压。处声压。根据前述有：根据前述有：L LI I(x)=L(x)=LP P(x)=-8.7fx(x)=-8.7fx称为超声相对于初始位置的传播衰减声压级。称为超声相对于初始位置的传播衰减声压级。例：肝的例：肝的0.010s/mm,0.010s/mm,超声传播衰减声压级为：超声传播衰减声压级为：f=1MHz,x=10mm f=1MHz,x=10mm：L LP P-8.7fx-8.7fx-0.87dB-0.87dB f=3MHz
38、,x=150mm f=3MHz,x=150mm：L LP P-8.7fx-8.7fx-39dB-39dB 可见，随着可见，随着f,xf,x的增加，衰减迅速增加。的增加，衰减迅速增加。(4)(4)(4)(4)人体软组织超声衰减估算式人体软组织超声衰减估算式人体软组织超声衰减估算式人体软组织超声衰减估算式上式中，上式中，8.78.7称为超声衰减系数，它反映了称为超声衰减系数，它反映了 组织中超声衰减的速度，人体软组织大致有：组织中超声衰减的速度，人体软组织大致有：8.7=0.07 8.7=0.070.13(dB/MHz0.13(dB/MHzmmmm)=0.7 =0.71.3(dB/MHz1.3(d
39、B/MHzcmcm)超声诊断仪设计上，作为估算常取平均为：超声诊断仪设计上，作为估算常取平均为：8.7=1(dB/MHzcm)8.7=1(dB/MHzcm)即即 L LI I(x)=L(x)=LP P(x)=-8.7fx(x)=-8.7fx 上式为人体软组织中超声传播衰减估算式。上式为人体软组织中超声传播衰减估算式。单位：单位：L LI I(x)=L(x)=LP P(x)-dB,f-MHz,x-(x)-dB,f-MHz,x-cm cm 第七节第七节 超声的生物效应超声的生物效应 超声波是一种依靠介质来传播的声波，它具有机械超声波是一种依靠介质来传播的声波，它具有机械能。因此传播过程中将不可避免
40、地与介质相互作用，产能。因此传播过程中将不可避免地与介质相互作用，产生各种效应。生各种效应。一、机械效应一、机械效应声波能量作用于介质，会引起质点高速细微的振动，声波能量作用于介质，会引起质点高速细微的振动，产生速度、加速度、声压、声强等力学量的变化，从而产生速度、加速度、声压、声强等力学量的变化，从而引起机械效应。引起机械效应。利用利用：引起细胞的摩擦，能促进新陈代谢。：引起细胞的摩擦，能促进新陈代谢。注意注意：必须控制适当的强度。：必须控制适当的强度。二、温热效应二、温热效应二、温热效应二、温热效应由于生物组织对超声有吸收作用，一部分声能转化由于生物组织对超声有吸收作用，一部分声能转化为热
41、能，使生物组织产生温升。为热能，使生物组织产生温升。利用利用：能使局部血管扩张，加快血液循环，促进病能使局部血管扩张，加快血液循环，促进病理产物的吸收消散。理产物的吸收消散。局部加热至局部加热至4343o oC C，配合放射化疗治疗癌症。，配合放射化疗治疗癌症。注意注意：强度适当。：强度适当。三、空化效应三、空化效应因超声波作用而在软组织和液体中形成的空泡，会因超声波作用而在软组织和液体中形成的空泡，会随着材料各处压力的变化而改变其大小，在一定超声压随着材料各处压力的变化而改变其大小，在一定超声压力情况下，气泡会破裂而产生冲击，引起材料的破碎或力情况下，气泡会破裂而产生冲击，引起材料的破碎或位
42、移，这就是空化效应。空化有很大的破坏作用位移，这就是空化效应。空化有很大的破坏作用。利用利用：可制成超声手术刀。：可制成超声手术刀。注意注意：避免强超声照射眼睛、怀孕子宫：避免强超声照射眼睛、怀孕子宫四、化学效应四、化学效应四、化学效应四、化学效应因局部压力和温度的升高，发生常温常压下不可能因局部压力和温度的升高，发生常温常压下不可能发生的化学反应，这是超声的化学效应。发生的化学反应，这是超声的化学效应。五、安全剂量五、安全剂量以上几种超声效应在一定剂量上，都不同程度地对以上几种超声效应在一定剂量上，都不同程度地对人体组织有伤害作用，因此必须重视安全剂量。人体组织有伤害作用，因此必须重视安全剂
43、量。安全阈值安全阈值：100mW/cm100mW/cm2 2。与照射时间密切相关。与照射时间密切相关。一般认为：在诊断的安全剂量内，不产生可检出的一般认为：在诊断的安全剂量内，不产生可检出的 生物效应，对人体是安全无损的生物效应，对人体是安全无损的,也无也无 剂量积累。剂量积累。在超声生物效应这个领域，目前还有很多问题尚未弄清。在超声生物效应这个领域，目前还有很多问题尚未弄清。习习 题题一、是非题（如错，请改正）一、是非题（如错，请改正）1.超声波是声速超过可听声的声波。超声波是声速超过可听声的声波。2.超声波传播时声压瞬时值随传播距离按指数规超声波传播时声压瞬时值随传播距离按指数规律下降。律
44、下降。3.介质的声阻抗率越大，其中的声速越低。介质的声阻抗率越大，其中的声速越低。4.在两层介质之间加一匹配层，其厚度与超声频在两层介质之间加一匹配层，其厚度与超声频率无关。率无关。5.超声波是介质中质点振动能量的传播过程。超声波是介质中质点振动能量的传播过程。6.横波由介质的压缩弹性引起。横波由介质的压缩弹性引起。7.纵波是一种疏密波。纵波是一种疏密波。8.在人体软组织中超声波以横波方式传播。在人体软组织中超声波以横波方式传播。9.人体中超声传播速度与超声频率有关。人体中超声传播速度与超声频率有关。10.介质的声阻抗率越大，其中的声波衰减越快。介质的声阻抗率越大，其中的声波衰减越快。11.声
45、波在传播过程中强度衰减与声压衰减一样快。声波在传播过程中强度衰减与声压衰减一样快。12.脉冲回波法成像的基础是声速在人体软组织各层脉冲回波法成像的基础是声速在人体软组织各层介质中都近似相等。介质中都近似相等。13.利用超声回波可以测量距离，所以可以利用利用超声回波可以测量距离，所以可以利用超声测量地球到月球的距离。超声测量地球到月球的距离。14.超声波的声速随频率的不同而略有不同。超声波的声速随频率的不同而略有不同。15.在人体软组织和骨骼中，超声波的声速相同。在人体软组织和骨骼中，超声波的声速相同。16.用用B超检查时，在胆结石的后方出现超检查时，在胆结石的后方出现“声影声影”，这是由超声的
46、散射效应引起的。，这是由超声的散射效应引起的。二、填空题二、填空题按特性阻抗不同人体组织可分成三类：按特性阻抗不同人体组织可分成三类：，。超声成像只能在组织。超声成像只能在组织中实现中实现。2.人体软组织中声速平均为人体软组织中声速平均为 m/s。3.超声波产生的基本条件为和。超声波产生的基本条件为和。4.频率和波长在超声成像中是两个极为重要的参数，频率和波长在超声成像中是两个极为重要的参数，波长决定了成像的，而频率则决定了可成波长决定了成像的，而频率则决定了可成像的。像的。5.超声的生物效应有、超声的生物效应有、和和。三、选择题三、选择题 1.波动方程说明：声波中波动方程说明：声波中_。A同
47、一时刻不同点声速不同；同一时刻不同点声速不同；B同一时刻不同点声强不同；同一时刻不同点声强不同；CX距离两点的振动状态差距离两点的振动状态差X/c时间；时间；DX距离两点的振动状态差距离两点的振动状态差X/v时间。时间。2.两束声波相遇叠加时两束声波相遇叠加时_。A质点振动频率相加；质点振动频率相加；B质点振动相位相加；质点振动相位相加；C声速矢量相加；声速矢量相加；D声压矢量相加。声压矢量相加。3.声传播时声强衰减的原因之一是：声波的声传播时声强衰减的原因之一是：声波的_。A绕射绕射 B散射散射 C衍射衍射 D干涉干涉四、简答题四、简答题 1.为什么超声成像中，极限分辨率为波长的二分为什么超声成像中，极限分辨率为波长的二分之一。之一。五、计算题五、计算题 1.频率频率3MHz，强度，强度40mw/cm2超声束入射人体超声束入射人体肝脏，在肝脏，在5cm深处的肝内血管壁发生反射（血深处的肝内血管壁发生反射（血液和肝组织界面，两者声阻抗率分别为液和肝组织界面，两者声阻抗率分别为1.656106 瑞利，瑞利，1.648106瑞利），（肝组织瑞利），（肝组织=0.010us/mm）。试计算）。试计算 返回肝表面的超声强度；返回肝表面的超声强度；返回肝表面的超声强度比入射波强度衰减多返回肝表面的超声强度比入射波强度衰减多少分贝？少分贝？