超声测量基础.pptx

医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器第七章、生物医学超声测量与成像第七章、生物医学超声测量与成像生物与医学工程学院生物与医学工程学院超声测量基础第1页医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器当代当代三大三大医学医学成像成像技术技术医学成像技术医学成像技术X-CTMRIULTRASOUND生物医学工程学生物医学工程学主要分支之一。主要分支之一。超声测量基础第2页医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器什么是超声波？什么是超声波？频率低于频率低于2020赫兹机械波称为次声波。赫兹机械波称为次声波。AudibleAudibleInfrasoundInfrasoundUltrasoundUltrasound20 Hz20 Hz20 kHz20 kHz大多数医学超声设备所用频率在大多数医学超声设备所用频率在0.5-15MHz0.5-15MHz之间。之间。超声波波长短，决定了其含有一些主要特征。超声波波长短，决定了其含有一些主要特征。可听声波，频率在可听声波，频率在20-020-0赫兹之间。赫兹之间。频率高于频率高于0 0赫兹称为超声波。赫兹称为超声波。超声测量基础第3页医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器超声成像超声成像ultrasonograghyultrasonograghy定义：定义：利用利用超声波物理特征超声波物理特征和和人体组织器官声人体组织器官声学特征学特征相互作用而产生信息，经处理后相互作用而产生信息，经处理后形成图形和曲线，借此进行疾病诊疗一形成图形和曲线，借此进行疾病诊疗一个物理检验方法。个物理检验方法。超声测量基础第4页医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器超声波成像特点和优点超声波成像特点和优点特点：特点：对软组织分辨能力强对软组织分辨能力强 信息显示有各种方法信息显示有各种方法尤其适合用于腹部脏器、心脏、眼科尤其适合用于腹部脏器、心脏、眼科和妇产科诊疗，而对骨骼或含气体脏和妇产科诊疗，而对骨骼或含气体脏器组织如肺部，则不能很好地成像器组织如肺部，则不能很好地成像优点：优点：无损伤、无痛苦、无辐射无损伤、无痛苦、无辐射 实时、快捷、准确、方便实时、快捷、准确、方便超声测量基础第5页医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器生物医学超声测量与成像生物医学超声测量与成像本章内容本章内容l绪论绪论 (医学超声基础、组成、发展、仪器分类等）l医学超声测量仪器医学超声测量仪器 （A、B、D、M等型号超声仪器原理仪器原理）l超声物理基础超声物理基础 (超声波物理基础与基本物理量)l超声波产生与接收超声波产生与接收 （压电效应、超声换能器组成及声场特征声场特征）l生物组织医学超声测量生物组织医学超声测量 (超声参量(声速、声衰减、声特征阻抗等参量)测量方法测量方法)l当代超声成像技术当代超声成像技术 (着重介绍B超成像技术)超声测量基础第6页医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器第第1 1节节 绪论绪论1.1.医学超声理论基础医学超声理论基础2.2.医学超声组成医学超声组成3.3.医学超声发展医学超声发展4.4.医学超声测量仪器分类医学超声测量仪器分类5.5.医学超声测量过程医学超声测量过程6.6.生物组织医学超声成像生物组织医学超声成像超声测量基础第7页医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器1 1、医学超声理论基础、医学超声理论基础医学超声医学超声是一门将声学中是一门将声学中超声学超声学与与医学医学应应用结合起来形成边缘学科。用结合起来形成边缘学科。8理论基础理论基础：振动与波动理论振动与波动理论1-1-绪论绪论超声测量基础第8页医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器2 2、医学超声组成、医学超声组成医学超声物理医学超声物理研究超声波在研究超声波在生物组织中传生物组织中传输特征和规律输特征和规律医学超声医学超声医学超声工程医学超声工程应用生物组织中超应用生物组织中超声传输规律，设计声传输规律，设计用于医学用于医学诊疗诊疗和和治治疗疗超声设备超声设备医学超声医学超声诊疗诊疗医学超声医学超声治疗治疗绪论绪论超声测量基础第9页医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器医学超声医学超声诊疗诊疗 超超 声声 透透 射射transmissiontransmission 反反 射射reflectionreflection 折折 射射refractionrefraction 衍衍 射射difrationdifration 散散 射射scatteringscattering 衰衰 减减attenuationattenuation 吸吸 收收absorptionabsorption H U M A N B O D Y U L T R A S O U N D对应设备：医院中普通对应设备：医院中普通B超超/D超等等超等等绪论绪论超声测量基础第10页医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器医学超声医学超声治疗治疗 超超 声声U UL LT TR RA AS SO OU UN ND D H U M A N B O D Y热机制热机制 力学机制力学机制空化机制空化机制对应设备：超声刀对应设备：超声刀绪论绪论超声测量基础第11页医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器3 3、医学超声发展、医学超声发展80年代以后年代以后5070年代年代40年代年代2030年代年代显微、弹性成像、生物效应显微、弹性成像、生物效应M超、全息、多普勒超等超、全息、多普勒超等B超超A超超法国科学家法国科学家朗之万朗之万绪论绪论超声测量基础第12页医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器4 4、超声测量仪器分类、超声测量仪器分类医学超声包含有相当丰富。依据医学超声包含有相当丰富。依据原理、任务和设备体原理、任务和设备体系系，可划分成很多类。，可划分成很多类。绪论绪论1.1.按按用途用途可分为可分为诊疗超声和治疗超声诊疗超声和治疗超声两大类。两大类。2.2.按按波形波形分有分有连续波超声和脉冲波超声连续波超声和脉冲波超声设备。设备。3.3.按按物理特征物理特征分有分有回波式和透射式回波式和透射式超声诊疗仪。超声诊疗仪。4.4.按按医学超声设备体系医学超声设备体系分类分类A A型、型、M M型、型、型、型、C C型、型、D D型和型和F F型、超声型、超声CTCT、超声外、超声外科设备、超声全息诊疗设备、超声显微镜、超声治科设备、超声全息诊疗设备、超声显微镜、超声治疗设备。疗设备。超声测量基础第13页医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器A A、B B型仪器主要给出了探查区域内相关解剖结构和组织型仪器主要给出了探查区域内相关解剖结构和组织特征信息；特征信息；MM型仪器和多普勒型仪器和多普勒(D(D型型)超声仪器反应体内运动界面和血超声仪器反应体内运动界面和血液流动动态改变。液流动动态改变。3D 3D 三维超声三维超声l当前医院最惯用设备主要包含：当前医院最惯用设备主要包含：A A型、型、B B型、型、MM型和型和D D型型 (多普勒多普勒)超声诊疗仪，超声诊疗仪，l另外还有另外还有C C型、型、F F型、三维超声也开始有利用。型、三维超声也开始有利用。绪论绪论超声测量基础第14页医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器5 5、医学超声成像过程、医学超声成像过程1.经过超声探头（换能器）产生经过超声探头（换能器）产生压力波型（超声）压力波型（超声）2.2.声波在组织中传输声波在组织中传输3.3.接收换能器接收换能器“听听”反射波反射波4.4.利用算法进行回波处理并成像利用算法进行回波处理并成像绪论绪论超声测量基础第15页医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器6 6、生物组织医学超声特征、生物组织医学超声特征超声成像主要利用了超声传输特征与人体组织超声成像主要利用了超声传输特征与人体组织之间一些关系：之间一些关系：人体不一样组织中传输速度人体不一样组织中传输速度不一样组织中不一样组织中声衰减系数，声衰减系数，不一样组织界面间反射率，不一样组织界面间反射率，非线性参量非线性参量等等。等等。后面学习中我们会从理论角度详细介绍上述后面学习中我们会从理论角度详细介绍上述关系。关系。绪论绪论超声测量基础第16页医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器第第2 2节节惯用医学超声测量仪器惯用医学超声测量仪器超声测量基础第17页医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器1 1、A A型超声型超声(Amplitude modulation mode(Amplitude modulation mode）超声）超声即幅度调制型超声即幅度调制型超声l A A超超 利用超声波利用超声波反射特征反射特征，取得人体组织内相，取得人体组织内相关信息，进行疾病诊疗。关信息，进行疾病诊疗。1.1 1.1 诊疗疾病方式诊疗疾病方式超声测量基础第18页医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器1.2 A1.2 A型超声诊疗诊疗原理型超声诊疗诊疗原理超声波超声波-人体组织中传输人体组织中传输-不一样声阻抗界不一样声阻抗界面面 反射回声反射回声-波形显示。波形显示。界面介质界面介质声阻抗声阻抗差大差大-回波幅高；反之则低回波幅高；反之则低超声测量基础第19页医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器1.1.依据回声波幅高低、多少、依据回声波幅高低、多少、形状等对组织状态作为判形状等对组织状态作为判断。断。1.3 A1.3 A型超声特点型超声特点2.2.临床上当前主要用此法测量组织界面距离、脏临床上当前主要用此法测量组织界面距离、脏器直径，眼科及颅脑疾病探查。器直径，眼科及颅脑疾病探查。3.3.同时同时A A型超声是试验室型超声是试验室 惯用研究方法。惯用研究方法。超声测量基础第20页医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器我们试验室我们试验室A A型超声测量系统型超声测量系统超声测量基础第21页医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器1.4 A1.4 A型超声不足型超声不足回波图只能表达局部组织信息，无法反应回波图只能表达局部组织信息，无法反应解剖形态。解剖形态。超声测量基础第22页医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器2 2、M M型超声波诊疗仪型超声波诊疗仪M M型超声型超声 -(Motion mode)-(Motion mode)超声超声,带时间分辨特点带时间分辨特点辉度型辉度型超声。超声。利用超声波利用超声波反射特征反射特征，取得人体组织内相，取得人体组织内相关信息，进行疾病诊疗。关信息，进行疾病诊疗。2.1 2.1 诊疗疾病方式诊疗疾病方式超声测量基础第23页医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器2.2 M2.2 M型超声诊疗诊疗原理型超声诊疗诊疗原理l首先把超声回波幅度大小转换为辉度首先把超声回波幅度大小转换为辉度(辉度调制型辉度调制型)，然后依据辉度随时间改变对组织状态作为判断。然后依据辉度随时间改变对组织状态作为判断。超声测量基础第24页医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器2.3 M2.3 M型临床应用型临床应用主要用于心脏及大血管检验，早期将之称为主要用于心脏及大血管检验，早期将之称为M M型超型超声心动图。当前主要用于心脏疾病诊疗，尤其用于声心动图。当前主要用于心脏疾病诊疗，尤其用于观察心脏瓣膜活动情况观察心脏瓣膜活动情况超声测量基础第25页医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器3 3、B B型超声诊疗仪型超声诊疗仪B B型超声型超声 -(Brightness modulated Mode).-(Brightness modulated Mode).因其成像方式采取辉度调制而得名。因其成像方式采取辉度调制而得名。主要利用超声波主要利用超声波反射特征反射特征，取得人体解剖，取得人体解剖结构与组织内信息，进行疾病诊疗。结构与组织内信息，进行疾病诊疗。3.1 3.1 诊疗疾病方式诊疗疾病方式超声测量基础第26页医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器a.a.幅度调制改为辉度幅度调制改为辉度调制调制;b.b.探头声束必须扫查探头声束必须扫查;c.c.得到是人体切面声得到是人体切面声像图像图l在在A A型之上建立一个成像方式型之上建立一个成像方式3.2 B3.2 B型超声原理型超声原理超声测量基础第27页医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器超超当前使用最广泛超声诊疗仪，因为能得到人体当前使用最广泛超声诊疗仪，因为能得到人体内部脏器和病变断层面，对脏器进行实时动态内部脏器和病变断层面，对脏器进行实时动态观察，非常直观。观察，非常直观。B B超仪器超仪器心脏心脏B B超图像超图像超声测量基础第28页医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器3.3 B3.3 B型超声特点型超声特点1.1.B B超图像与人体解剖结构相同，能直观地显示脏器超图像与人体解剖结构相同，能直观地显示脏器大小、形态、内部结构，并可区分组织内成份大小、形态、内部结构，并可区分组织内成份(固固态、液态、气态态、液态、气态)。2.2.B B超成像速度快，能够观察心脏运动功效、胎心搏超成像速度快，能够观察心脏运动功效、胎心搏动，以及胃肠蠕动等。动，以及胃肠蠕动等。3.3.超声依据组织间声阻抗不一样成像，对软组织分超声依据组织间声阻抗不一样成像，对软组织分辨力是辨力是X X射线射线100100倍以上。倍以上。超声测量基础第29页医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器4 4、D D型超声型超声D D型超声型超声（Doppler Doppler）超声）超声 多普勒超声。多普勒超声。4.1 4.1 诊疗方式诊疗方式 多普勒效应：某一频率波波源与接收系统多普勒效应：某一频率波波源与接收系统产生相对运动时，所接收到波频率会发生改产生相对运动时，所接收到波频率会发生改变（即频移）。变（即频移）。超声测量基础第30页医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器4.2 4.2 测量原理测量原理l人体运动结构（心脏瓣膜）或散射子（血液红细胞）反射回人体运动结构（心脏瓣膜）或散射子（血液红细胞）反射回来超声波发生多普勒频移。来超声波发生多普勒频移。l检测目标运动速度信息，分析显示人体内部器官运动状态。检测目标运动速度信息，分析显示人体内部器官运动状态。超声测量基础第31页医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器4.3 D4.3 D型超声在医学诊疗中应用型超声在医学诊疗中应用超声多普勒应用临床以来，应用价值愈加显著，超声多普勒应用临床以来，应用价值愈加显著，以运动器官为主要研究对象心血管科，成为不以运动器官为主要研究对象心血管科，成为不可或缺诊疗工具。可或缺诊疗工具。超声测量基础第32页医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器 数字数字B B超成像原理与设备结构图超成像原理与设备结构图关于数关于数字超声字超声设备各设备各部分原部分原理与实理与实现方法，现方法，我们在我们在后面内后面内容中加容中加以介绍。以介绍。超声测量基础第33页医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器第第3 3节节超声物理基础超声物理基础超声测量基础第34页医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器3.1 3.1 超声波普通概念超声波普通概念 机械振动与机械波机械振动与机械波l机械振动：物体沿着直线和曲线在某一平衡位置附机械振动：物体沿着直线和曲线在某一平衡位置附近作往复周期性运动。近作往复周期性运动。l机械波：振动传输过程称为波动。机械波：振动传输过程称为波动。机械振动在弹性机械振动在弹性介质中传输过程称为机械波。介质中传输过程称为机械波。u产生机械波必须具备以下两个条件：产生机械波必须具备以下两个条件：1.1.要有作机械振动波源。要有作机械振动波源。2.2.要有能传输机械振动弹性介质。要有能传输机械振动弹性介质。u超声波是一个机械波超声波是一个机械波超声物理基础超声物理基础超声测量基础第35页医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器生物组织中超声特征 人体结构对超声而言是一个复杂介质，人体结构对超声而言是一个复杂介质，各种器官与组织、包含病理组织，随组各种器官与组织、包含病理组织，随组织类型和形状不一样，织类型和形状不一样，生物组织超声特生物组织超声特征存在差异征存在差异。声反射、折射、透射、散射；以及声强、声反射、折射、透射、散射；以及声强、声阻抗、声速和声衰减等声阻抗、声速和声衰减等特征在确定医特征在确定医学超声探测与成像技术有用性方面起了学超声探测与成像技术有用性方面起了至关主要作用至关主要作用 。36超声测量基础第36页医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器3.2 3.2 描述超声波传输特征描述超声波传输特征l传输特征：传输特征：波波透射、反射与散射透射、反射与散射 叠加、干涉、绕射等叠加、干涉、绕射等 障碍物尺寸小于或近似等于超声障碍物尺寸小于或近似等于超声波长时，发生散射。波长时，发生散射。散射是使超声扫散射是使超声扫描成像得以实现最基本现象。描成像得以实现最基本现象。因为散因为散射波携带了被测介质结构信息，散射射波携带了被测介质结构信息，散射波分析和屏幕显示就反应了组织结构波分析和屏幕显示就反应了组织结构情况。情况。超声物理基础超声物理基础超声测量基础第37页医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器3.2.1 3.2.1 超声波反射和折射超声波反射和折射(透射透射)l当波传输到两种介质分界面时，一部分反射形成当波传输到两种介质分界面时，一部分反射形成反射波反射波，另一部分进入介质形成，另一部分进入介质形成折射波折射波。38超声测量基础第38页医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器反射和折射反射和折射(透射透射)超声反射和折射声符合超声反射和折射声符合反反射定律射定律(i i=r r)和和折射定律折射定律(斯涅儿定律斯涅儿定律)：声在入射介质中传输速度声在入射介质中传输速度与折射介质中传输速度之与折射介质中传输速度之比，也就是比，也就是入射角和折射角正弦之比入射角和折射角正弦之比为一常数为一常数n n n=超声测量基础第39页医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器3.2.2 3.2.2 散散 射射当超声波碰到障碍物尺寸小于和近似等当超声波碰到障碍物尺寸小于和近似等于波长时，则要发生散射。于波长时，则要发生散射。散射散射是使超声扫描成像得以实现最基本是使超声扫描成像得以实现最基本现象。现象。正是因为散射波携带了被测介质结构信正是因为散射波携带了被测介质结构信息，对散射波分析和屏幕显示就反应了息，对散射波分析和屏幕显示就反应了组织结构情况。组织结构情况。40超声测量基础第40页医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器在研究散射时，散射截面在研究散射时，散射截面S S是一个主要概是一个主要概念。它定义为由障碍物所产生总反射功念。它定义为由障碍物所产生总反射功率与入射强度之比。率与入射强度之比。41普通有以下三种情况：普通有以下三种情况：超声测量基础第41页医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器设障碍物尺寸设障碍物尺寸D D和波长大小和波长大小 当当DD时，时，散射截面散射截面S=1S=1，只反射无散射。选，只反射无散射。选取诊疗用超声波时，为了提升图像分辨率，常取诊疗用超声波时，为了提升图像分辨率，常视所要探查对象加以选取比探查对象小得多波视所要探查对象加以选取比探查对象小得多波长，绕射不显著，分辨率高。长，绕射不显著，分辨率高。当当DD时，时，由散射形成辐射范围分布在全部由散射形成辐射范围分布在全部方向上，入射波绕着设置障碍物被衍射，绕射方向上，入射波绕着设置障碍物被衍射，绕射现象显著。现象显著。当当D D与与相当初，相当初，既反射又绕射，散射辐射分既反射又绕射，散射辐射分布复杂。布复杂。42超声测量基础第42页医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器镜面反射和散射镜面反射和散射43超声测量基础第43页医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器散射波强度散射波强度在发生散射时，散射波强度与障碍物大小相关，在发生散射时，散射波强度与障碍物大小相关，随障碍物直径与波长比值增大而加强。随障碍物直径与波长比值增大而加强。单一障碍物散射对于入射波能量消耗不致妨碍超单一障碍物散射对于入射波能量消耗不致妨碍超声检测；声检测；但有许多散射中心时，入射波能量将由此渐渐地但有许多散射中心时，入射波能量将由此渐渐地被大量甚至全部散射殆尽。被大量甚至全部散射殆尽。散射是引发超声衰减主要原因之一。散射是引发超声衰减主要原因之一。44超声测量基础第44页医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器3.3 3.3 描述超声波物理量描述超声波物理量l声速声速C C、波长、波长、周期、周期T T、频率、频率f f、C=/T=fC=/T=fl声压l声强l声阻抗l声衰减超声物理基础超声物理基础l下面主要介绍几个与人体组织超声测量与成像下面主要介绍几个与人体组织超声测量与成像最相关几个物理量。最相关几个物理量。超声测量基础第45页医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器3.3.1 3.3.1 组织中声速组织中声速 超声波从声源经过介质向周围传输，介质能超声波从声源经过介质向周围传输，介质能够是固体、气体和液体，人体组织是超声波传输够是固体、气体和液体，人体组织是超声波传输介质。介质。4646l声波传输过程实质上是能量传递过程声波传输过程实质上是能量传递过程,其传递其传递速度快慢与速度快慢与介质密度、弹性模量介质密度、弹性模量相关。相关。l对一定介质，弹性模量和密度为常数，声速也对一定介质，弹性模量和密度为常数，声速也是常数。是常数。l声波在介质中单位时间内传输距离声波在介质中单位时间内传输距离,称为称为声速声速。超声测量基础第46页医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器人体组织中声速与相关原因人体组织中声速与相关原因l人体组织中声速与以下原因相关人体组织中声速与以下原因相关组织平均密度组织平均密度 组织可压缩性组织可压缩性 K K（弹性模量）（弹性模量）47超声测量基础第47页医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器人体组织结构复杂，人体组织结构复杂，软组织软组织性质靠近流体性质，性质靠近流体性质，超声波在大多数软组织内传输速度亦相差不大，超声波在大多数软组织内传输速度亦相差不大，超声波在流体中传输速度，平均声速超声波在流体中传输速度，平均声速C=1540m/sC=1540m/s。48人体人体骨骼骨骼性质与固体相近，故其传输速度也相性质与固体相近，故其传输速度也相近，其声速为软组织中三倍左右。在利用超声近，其声速为软组织中三倍左右。在利用超声回波定位测距时，声速在确保测距精度上是一回波定位测距时，声速在确保测距精度上是一主要原因。主要原因。在我们试验室研究中，声速是描述软骨退化和在我们试验室研究中，声速是描述软骨退化和骨质疏松主要指标。骨质疏松主要指标。超声测量基础第48页医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器超声波在人体超声波在人体各种组织中传输速度各种组织中传输速度超声测量基础第49页医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器3.3.2 3.3.2 声压声压 纵波在弹性媒质内传输过程中纵波在弹性媒质内传输过程中,媒质质点媒质质点压强是随时间改变压强是随时间改变,媒质质点密度时密时疏媒质质点密度时密时疏,从而从而使平衡区压力时强时弱使平衡区压力时强时弱,结果造成有波动时压强结果造成有波动时压强(Pw)(Pw)与无波动时压强与无波动时压强(P0)(P0)之间有一定额压强差之间有一定额压强差(Pw(PwP0),P0),这一波动压强称为这一波动压强称为声压声压。超声测量基础第50页医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器对于一无吸收媒质平面波对于一无吸收媒质平面波,有波动时压强最大有波动时压强最大值与没有波动作用时各点压强差值称为压强振值与没有波动作用时各点压强差值称为压强振幅幅(Pm),(Pm),它可由下式确定：它可由下式确定：Pm=cVm Pm=cVm 即：声压振幅即：声压振幅PmPm与媒质密度与媒质密度、质点运动速度最、质点运动速度最大值大值V m V m 及波速及波速c c成正比。成正比。超声波因为其频率高，因而声压亦大。中等治超声波因为其频率高，因而声压亦大。中等治疗剂量超声波在组织中产生附加声压约为疗剂量超声波在组织中产生附加声压约为2.62.6个大气压。超声治疗、超声美容都利用个大气压。超声治疗、超声美容都利用了声压。了声压。超声测量基础第51页医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器3.3.3 3.3.3 反射率和透射率反射率和透射率斯涅尔反射、折射定律斯涅尔反射、折射定律只讨论了超声波倾斜入只讨论了超声波倾斜入射到界面上时各种类型反射波和折射波传输方射到界面上时各种类型反射波和折射波传输方向。向。波反射率和透射率波反射率和透射率不但与界面两侧介质声阻抗不但与界面两侧介质声阻抗相关，而且还与入射波类型及入射角大小相关。相关，而且还与入射波类型及入射角大小相关。52超声测量基础第52页医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器声压反射率和透射率声压反射率和透射率超声波纵波倾斜入射到由声阻抗为超声波纵波倾斜入射到由声阻抗为Z Z1 1和和Z Z2 2两种两种介质所组成界面上时介质所组成界面上时,53声压透射率为声压透射率为L L为入射角，为入射角，L L为折射角为折射角,P,Pr r反射波声压，反射波声压，P Po o入入射波声压，射波声压，P Pt t透射波声压透射波声压声压反射率为声压反射率为超声测量基础第53页医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器不一样不一样生物组织界面反射率生物组织界面反射率54超声测量基础第54页医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器3.3.4 3.3.4 声声 强强声功率：声功率：单位时间内，声波沿传输方向经过某一单位时间内，声波沿传输方向经过某一波阵面所传递声能（单位：瓦）。波阵面所传递声能（单位：瓦）。55 声强是表示声客观强弱物理量声强是表示声客观强弱物理量,它用每秒钟经它用每秒钟经过垂直于声波传输方向过垂直于声波传输方向1 1平方厘米面积能量来度量。平方厘米面积能量来度量。声强：声强：经过单位面积经过单位面积(垂直传过垂直传过)声功率称为功率声功率称为功率密度或声强。用密度或声强。用I I表示，惯用单位为表示，惯用单位为W/mW/m2 2（瓦（瓦/平平方米）。方米）。超声测量基础第55页医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器对于平面余弦波，其平均声强对于平面余弦波，其平均声强I I为为式中，式中，为介质密度为介质密度 ，c c为介质中声速，为介质中声速，A A为质点为质点振幅，振幅，为质点振动圆频率为质点振动圆频率,=2,=2f.V=Af.V=A为为质点振动速度幅值质点振动速度幅值声强与声压平方成正比声强与声压平方成正比,与频率平方成正比，与频率平方成正比，伴随传输距离而衰减。伴随传输距离而衰减。超声测量基础第56页医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器因为超声波频率很高，故超声波声强很大，这因为超声波频率很高，故超声波声强很大，这是超声波能用于医学诊疗与治疗主要依据。是超声波能用于医学诊疗与治疗主要依据。诊疗超声诊疗超声安全剂量安全剂量阈值阈值诊疗超声中，禁止使用过高超声剂量以防止损诊疗超声中，禁止使用过高超声剂量以防止损害人体组织。害人体组织。当组织中超声剂量太小，小到接收信号不到检当组织中超声剂量太小，小到接收信号不到检测阈值时，超声探查则失去意义。测阈值时，超声探查则失去意义。超声诊疗安全剂量有待深入研究和统一。超声诊疗安全剂量有待深入研究和统一。超声测量基础第57页医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器下表列出诊疗超声安全剂量分布范围下表列出诊疗超声安全剂量分布范围安安全限制（全限制（FDAFDA）UseUse（用途）（用途）（用途）（用途）(Intensity)(Intensity)max max(mW/cm(mW/cm2 2)CardiacCardiac（心脏）（心脏）（心脏）（心脏）430430Peripheral vesselsPeripheral vessels（外周血管）（外周血管）（外周血管）（外周血管）720720OpthalmicOpthalmic（眼部）（眼部）（眼部）（眼部）1717AbdominalAbdominal（腹部）（腹部）（腹部）（腹部）9494FetalFetal（胎儿）（胎儿）（胎儿）（胎儿）949458超声测量基础第58页医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器3.3.5 3.3.5 声阻抗声阻抗声阻抗声阻抗是描述介质是描述介质(弹性媒质弹性媒质)声学特征一个主要声学特征一个主要物理量物理量,表示超声场中介质对质点振动妨碍作用表示超声场中介质对质点振动妨碍作用.对于各向同性均匀媒质中无衰减平面自由行波对于各向同性均匀媒质中无衰减平面自由行波来说来说,媒质中某点有效声压媒质中某点有效声压P P与振动质点速度有与振动质点速度有效值效值V V之比称为声阻抗率之比称为声阻抗率,它用它用Z Z表示：表示：声阻抗在数值上等于介质密度声阻抗在数值上等于介质密度与介质中声与介质中声速速c c乘积。乘积。超声测量基础第59页医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器声阻抗率和电学中一个无限长、无损耗声阻抗率和电学中一个无限长、无损耗传输线特征阻抗相同传输线特征阻抗相同,其中声压相当于电其中声压相当于电压压,振速相当于电流强度振速相当于电流强度,声阻抗率相当声阻抗率相当于电阻。于电阻。人体正常组织声阻抗率平均值约为人体正常组织声阻抗率平均值约为1.5101.510 6 6 牛顿牛顿秒秒/米米 3 3(Ns(Nsm m 3 3),),与超声测量相关材料密度和声阻抗率则与超声测量相关材料密度和声阻抗率则如表所表示。如表所表示。超声测量基础第60页医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器一些组织和材料中声阻抗一些组织和材料中声阻抗超声测量基础第61页医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器3.3.6 3.3.6 超声衰减超声衰减超声波在实际介质中传输时，声能随距离超声波在实际介质中传输时，声能随距离增加而降低，能量衰减不可防止。增加而降低，能量衰减不可防止。62生物组织对超声衰减机制十分复杂。生物组织对超声衰减机制十分复杂。除组织对超声波反射、散射等引发能除组织对超声波反射、散射等引发能量分散之外量分散之外,组织对超声能量吸收而造组织对超声能量吸收而造成衰减不可忽略。成衰减不可忽略。超声测量基础第62页医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器影响衰减原因很多，主要分为两大影响衰减原因很多，主要分为两大类：类：1.1.超声波在传输过程中在介质交界超声波在传输过程中在介质交界面发生反射、折射和散射超声面发生反射、折射和散射超声波波能量再分布能量再分布。2.2.超声波在传输过程中部分超声波在传输过程中部分能量被能量被吸收转换吸收转换成热能等其它能量。成热能等其它能量。超声测量基础第63页医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器人体组织中超声衰减人体组织中超声衰减人体软组织对超声波吸收不但与介质物理人体软组织对超声波吸收不但与介质物理特征相关，而且与其生理状态相关。特征相关，而且与其生理状态相关。临床试验可知，正常组织与病变组织对超临床试验可知，正常组织与病变组织对超声吸收不一样，癌组织对超声吸收大，炎声吸收不一样，癌组织对超声吸收大，炎症组织次之，正常组织最小。症组织次之，正常组织最小。6464超声测量基础第64页医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器衰减随超声波频率改变衰减随超声波频率改变研究表明，超声波在生物组织中传输时衰减不研究表明，超声波在生物组织中传输时衰减不但决定于距离，还与频率相关。但决定于距离，还与频率相关。当超声频率在当超声频率在1MHz1MHz15 MHz15 MHz范围内，超声波被范围内，超声波被人体组织吸收系数几乎与频率成正比，其吸收人体组织吸收系数几乎与频率成正比，其吸收衰减系数为衰减系数为0.5-3.5dB/(cmMHz)0.5-3.5dB/(cmMHz)。几乎几乎80%80%超声波被胶原蛋白吸收。吸收衰减系数超声波被胶原蛋白吸收。吸收衰减系数主要由超声频率、组织粘滞性等决定。主要由超声频率、组织粘滞性等决定。65超声测量基础第65页医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器衰减规律描述衰减规律描述规律复杂，但普通情况下规律可表示为：规律复杂，但普通情况下规律可表示为：A A0 0是波变量（比如质点速度，声压）在是波变量（比如质点速度，声压）在z=0z=0时峰值。时峰值。A Az z是相同变量在是相同变量在z z位置峰值。位置峰值。66超声测量基础第66页医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器衰减系数0 0是媒质幅度衰减系数，此处用每厘米衰是媒质幅度衰减系数，此处用每厘米衰减多少奈培做单位，即减多少奈培做单位，即Np/cmNp/cm。所以。所以通惯用衰减系数描述衰减，表示每厘米通惯用衰减系数描述衰减，表示每厘米衰减多少奈培或分贝，即衰减多少奈培或分贝，即dB/cmdB/cm。67超声测量基础第67页医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器人体组织对超声波衰减系数人体组织对超声波衰减系数超声测量基础第68页医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器3.4 3.4 超声生物效应超声生物效应 近近2020年来，研究人员在器官、细胞、分子等水年来，研究人员在器官、细胞、分子等水平上对超声生物效应课题进行了广泛研究。平上对超声生物效应课题进行了广泛研究。超声生物效应问题十分复杂，取决于许多生物超声生物效应问题十分复杂，取决于许多生物物理方面原因。物理方面原因。这里仅对其基本机理和规律加以简单阐述。这里仅对其基本机理和规律加以简单阐述。超声测量基础第69页医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器超声波对人体组织几个生物效应超声波对人体组织几个生物效应1 1、热机制、热机制被组织吸收超声波对分子产生作用会被组织吸收超声波对分子产生作用会造成两种基本结果造成两种基本结果:1.1.分子振动和转动能量发生可逆转性增加，分子振动和转动能量发生可逆转性增加，这一点由组织温度上升所表达；这一点由组织温度上升所表达；2.2.分子结构永久性地被改变。分子结构永久性地被改变。超声测量基础第70页医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器2 2、机械机制、机械机制超声波在人体中传输时振动和压力会对细超声波在人体中传输时振动和压力会对细胞和组织结构产生直接效应。如细胞和细胞器能胞和组织结构产生直接效应。如细胞和细胞器能够会被高强度超声波产生剪切力所粉碎。够会被高强度超声波产生剪切力所粉碎。3 3、空化机制、空化机制 声空化能够定义为充有气体和水蒸气空腔声空化能够定义为充有气体和水蒸气空腔在外场作用下发生振荡任何现象。空化机理相当在外场作用下发生振荡任何现象。空化机理相当复杂，在对声空化研究中还有许多未知领域复杂，在对声空化研究中还有许多未知领域 超声测量基础第71页医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器超声生物效应在很大程度上取决于辐射超声超声生物效应在很大程度上取决于辐射超声强度和连续时间。在一定强度和连续时间。在一定阈值范围内阈值范围内，超声，超声对人体损伤能够忽略不计，或起到治疗作用。对人体损伤能够忽略不计，或起到治疗作用。当前实用技术当前实用技术如：高强度聚焦超声治疗仪器、如：高强度聚焦超声治疗仪器、超声热疗治癌仪、超声手术刀、白内障超声超声热疗治癌仪、超声手术刀、白内障超声乳化仪靶向超声、超声造影等等乳化仪靶向超声、超声造影等等超声测量基础第72页医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器作作 业业查阅文件查阅文件1.1.什么叫超声显微镜？什么叫超声显微镜？2.2.超声显微镜发展历程？超声显微镜发展历程？3.3.当前最好超声显微镜分辨率？当前最好超声显微镜分辨率？4.4.超声显微镜在科研方面用途？超声显微镜在科研方面用途？超声测量基础第73页医医学学超超声声测测量量与与仪仪器器END超声测量基础第74页