1、振動和波振動與波基本理論振動和波振動與波基本理論 振動與波基本理論振動與波基本理論 第一節(jié)第一節(jié) 振動振動 機械振動機械振動 定義：物體在一定位置附近作往復的運動。定義：物體在一定位置附近作往復的運動。振動和波振動與波基本理論 機械振動的動力學特征：受有回復力和慣機械振動的動力學特征：受有回復力和慣性的交互作用。性的交互作用。振動和波振動與波基本理論一、簡諧振動簡諧振動結論結論：簡諧振動的位移、速度和加速度都簡諧振動的位移、速度和加速度都是隨時間作周期性變化的。是隨時間作周期性變化的。振動和波振動與波基本理論二、簡諧振動的圖像簡諧振動的圖像簡諧振動的特征量：簡諧振動的特征量：1、振幅、振幅 2

2、、周期、周期 3、初相位、初相位振動和波振動與波基本理論三、阻尼振動（減幅振動）三、阻尼振動（減幅振動） 定義：振幅隨時間減小的振動。定義：振幅隨時間減小的振動。應用應用：在生物醫(yī)學領域，利用阻尼振動的理論可在生物醫(yī)學領域，利用阻尼振動的理論可以測量哺乳動物肢體關節(jié)中的摩擦力的大小。人以測量哺乳動物肢體關節(jié)中的摩擦力的大小。人的關節(jié)內(nèi)于存在液體的潤滑，因而摩擦力一般是的關節(jié)內(nèi)于存在液體的潤滑，因而摩擦力一般是很小的。當坐著時，使小腿繞膝關節(jié)自由擺動，很小的。當坐著時，使小腿繞膝關節(jié)自由擺動，通過測量振幅減小的快慢就可以得到有關摩擦力通過測量振幅減小的快慢就可以得到有關摩擦力的信息。的信息。振動

3、和波振動與波基本理論等幅振動：給振動系統(tǒng)供給能量使等幅振動：給振動系統(tǒng)供給能量使系統(tǒng)損失的能量不斷地得到補充，系統(tǒng)損失的能量不斷地得到補充，這樣就可以得到等幅振動這樣就可以得到等幅振動 例如：鐘擺的振動、人的呼吸、例如：鐘擺的振動、人的呼吸、心臟的跳動等都是等幅振動心臟的跳動等都是等幅振動振動和波振動與波基本理論 第二節(jié)第二節(jié) 機械波機械波1、機械波的產(chǎn)生、機械波的產(chǎn)生 條件：波源條件：波源 彈性媒質彈性媒質振動和波振動與波基本理論定義：機械振動在定義：機械振動在 彈彈 性媒質中的傳播。性媒質中的傳播。 特點：可以傳遞能量特點：可以傳遞能量 可以傳遞信息可以傳遞信息振動和波振動與波基本理論注意

4、：注意：1、機械波的傳播，每一質點都在自己的平衡位、機械波的傳播，每一質點都在自己的平衡位置附近振動，振動質點并不沿著波的傳播方向作超出本置附近振動，振動質點并不沿著波的傳播方向作超出本身振動范圍的移動。身振動范圍的移動。 2、振動圖像與波形圖像含義不同。、振動圖像與波形圖像含義不同。振動和波振動與波基本理論二、橫波與縱波二、橫波與縱波1、橫波：凡媒質中質點的振動方向和波的傳播方向、橫波：凡媒質中質點的振動方向和波的傳播方向 垂垂 直的直的 波，稱為橫波。波，稱為橫波。振動和波振動與波基本理論振動和波振動與波基本理論2、縱波：凡媒質中質點的振動方向和波的傳播方向相同、縱波：凡媒質中質點的振動方

5、向和波的傳播方向相同的的被，稱為縱波。被，稱為縱波。振動和波振動與波基本理論振動和波振動與波基本理論振動和波振動與波基本理論 橫波和縱波的實驗區(qū)別：振動和波振動與波基本理論三、波長、頻率和波速v=f 或 v=/Tv=f 或或 v=/T振動和波振動與波基本理論 第一節(jié)第一節(jié) 聲波聲波 聲波是縱機械波。聲波是縱機械波。 彈性媒質可以是氣體、液體、及固體。彈性媒質可以是氣體、液體、及固體。 聲波劃分為可聞聲波、超聲波與次聲波三種形式。聲波劃分為可聞聲波、超聲波與次聲波三種形式。一、一、 聲波聲波 1、聲速、聲速 聲波的傳播速度取決于媒質的性質和溫度，與聲波的傳播速度取決于媒質的性質和溫度，與聲波的頻

6、率無關。聲波的頻率無關。 例如例如：比如在：比如在0C和標準大氣壓下，空氣中的和標準大氣壓下，空氣中的聲速為聲速為332ms，溫度每升高，溫度每升高(或降低或降低)lC，聲速約增大，聲速約增大(或減小或減小)o6ms。 振動和波振動與波基本理論二、聲壓二、聲壓 聲強聲強 聲強級聲強級 1、聲壓、聲壓: 聲波在介質中傳播時聲波在介質中傳播時,介質的密度將做周介質的密度將做周期性的變化期性的變化,從而引起該處瞬時壓強的變化從而引起該處瞬時壓強的變化,我們我們把這時的壓強瞬時值與無聲波傳播時壓強值把這時的壓強瞬時值與無聲波傳播時壓強值(這這時的大氣壓時的大氣壓)之差稱為聲壓之差稱為聲壓. 振動和波振

7、動與波基本理論2 、聲強：聲波的強度稱為聲強。即單位時間、聲強：聲波的強度稱為聲強。即單位時間內(nèi)通過垂直于聲波傳播方向上單位面積的能量。內(nèi)通過垂直于聲波傳播方向上單位面積的能量。（用每秒鐘通過垂直于聲波傳播方向的（用每秒鐘通過垂直于聲波傳播方向的1平方平方厘米面積的能量來度量厘米面積的能量來度量,它的單位是焦耳它的單位是焦耳(秒秒平方厘米平方厘米)J/(scm 2 )） 振動和波振動與波基本理論影響聲強大小的因素：振幅和頻率影響聲強大小的因素：振幅和頻率聲強與聲源的振幅有關聲強與聲源的振幅有關,振幅越大振幅越大,聲強也越大聲強也越大;振幅越小振幅越小,聲強也越小。聲強也越小。當聲源發(fā)出的聲波向

8、各個方向傳播時當聲源發(fā)出的聲波向各個方向傳播時,其聲強將隨著距離的增大而逐漸減弱。其聲強將隨著距離的增大而逐漸減弱。基于這一原理基于這一原理,在超聲診斷探頭發(fā)在超聲診斷探頭發(fā)射超聲時射超聲時,必須考慮波束的聚焦必須考慮波束的聚焦,它可它可以減小聲能的分散以減小聲能的分散,使聲能向一個比較使聲能向一個比較集中的方向傳播集中的方向傳播,因而可以增加診斷探因而可以增加診斷探測的深度。測的深度。 振動和波振動與波基本理論3、聲強級、聲強級(聲壓級聲壓級) 聽閾：人耳能感覺到的最小聲強叫做聽閾。聽閾：人耳能感覺到的最小聲強叫做聽閾。 痛閾：聲強過大的聲音會引起人耳疼痛，使痛閾：聲強過大的聲音會引起人耳疼

9、痛，使人耳人耳 疼痛的最小聲強稱為痛閾。疼痛的最小聲強稱為痛閾。 人耳最敏感的頻率范圍：人耳最敏感的頻率范圍：1000Hz5000Hz。 人們發(fā)現(xiàn)：人耳對聲音的主觀感覺與聲強的人們發(fā)現(xiàn)：人耳對聲音的主觀感覺與聲強的大小不成正比，而是與其對數(shù)大致成正比大小不成正比，而是與其對數(shù)大致成正比。所以所以通常采用對數(shù)標度表示聲強的等級，稱為聲強級通常采用對數(shù)標度表示聲強的等級，稱為聲強級。振動和波振動與波基本理論數(shù)字聲壓計數(shù)字聲壓計振動和波振動與波基本理論聲波儀器的探測靈敏度聲波儀器的探測靈敏度: 用聲強級來表示靈用聲強級來表示靈敏度敏度.振動和波振動與波基本理論三、聲阻抗三、聲阻抗 Z 聲阻抗是指介質

10、對聲波傳遞的聲阻抗是指介質對聲波傳遞的阻尼和抵抗作用阻尼和抵抗作用, 等于聲壓與介質等于聲壓與介質容積位移速度之比容積位移速度之比, Z=P/v 單位是瑞利或聲歐姆單位是瑞利或聲歐姆(1達因的達因的力使空氣產(chǎn)生力使空氣產(chǎn)生1m1s的位移其聲阻的位移其聲阻抗即定義為抗即定義為1聲聲) 振動和波振動與波基本理論注意：對一定頻率的聲波來說注意：對一定頻率的聲波來說,它只它只決定于媒質密度決定于媒質密度和波速和波速c的乘積。的乘積。 Zs= PV= c 理解：聲阻抗和電學的阻抗相似理解：聲阻抗和電學的阻抗相似,其中其中聲壓相當于電壓聲壓相當于電壓,振速相當于電流強度振速相當于電流強度,聲阻抗率相當于電

11、阻。聲阻抗率相當于電阻。 和材料有關和材料有關振動和波振動與波基本理論振動和波振動與波基本理論.人體組織可分三類人體組織可分三類: 1. 低聲阻的氣體或充氣組織低聲阻的氣體或充氣組織.如肺泡組如肺泡組織織. 2. 高聲阻的礦物組織高聲阻的礦物組織.如骨骼如骨骼. 3. 中等聲阻的液體和軟組織中等聲阻的液體和軟組織,如肌肉如肌肉. 超聲檢測主要適用于第三類組織超聲檢測主要適用于第三類組織振動和波振動與波基本理論第二節(jié)第二節(jié)超聲波在介質中的傳播特性超聲波在介質中的傳播特性振動和波振動與波基本理論一、聲波的反射和透射一、聲波的反射和透射超聲通過聲阻抗不同的兩種媒質，超聲通過聲阻抗不同的兩種媒質，在其

12、分界面上將產(chǎn)生反射。例如從軟在其分界面上將產(chǎn)生反射。例如從軟組織到骨骼的分界面上，有組織到骨骼的分界面上，有5070的能量反射回去。除反射外，還有的能量反射回去。除反射外，還有一部分能量從界面上透射通過。一部分能量從界面上透射通過。振動和波振動與波基本理論 聲波在傳播過程中遇到兩種聲阻不同介聲波在傳播過程中遇到兩種聲阻不同介質的界面時，將發(fā)生反射和折射反射聲強與入質的界面時，將發(fā)生反射和折射反射聲強與入射聲強之比，叫做聲強反射系數(shù)：透射聲強與入射聲強之比，叫做聲強反射系數(shù)：透射聲強與入射聲強之比，叫做聲強透射系數(shù)。射聲強之比，叫做聲強透射系數(shù)。振動和波振動與波基本理論表明：表明：當兩種介質的當

13、兩種介質的聲阻相差聲阻相差較大時，反射強較大時，反射強而透射弱；而兩種介質的而透射弱；而兩種介質的聲阻相近聲阻相近時，透射強而時，透射強而反射弱反射弱 應用舉例：應用舉例： 在做超聲檢查時在探頭上涂抹在做超聲檢查時在探頭上涂抹液體石蠟油或甘油的目的就是防止在探頭和體表液體石蠟油或甘油的目的就是防止在探頭和體表間產(chǎn)生空氣層，使有良好透聲性，減少聲能的損間產(chǎn)生空氣層，使有良好透聲性，減少聲能的損失。耦合劑材料的選擇應使其自身的聲阻大小介失。耦合劑材料的選擇應使其自身的聲阻大小介于探頭與皮膚聲阻的中間值，這樣才能增加超聲于探頭與皮膚聲阻的中間值，這樣才能增加超聲的初始透射率。的初始透射率。 另外，人

14、體各部分組織的聲阻是不同的，另外，人體各部分組織的聲阻是不同的，因此超聲波入射到人體內(nèi)各組織界面時會產(chǎn)生反因此超聲波入射到人體內(nèi)各組織界面時會產(chǎn)生反射。實驗指出，兩種組織的聲阻相差射。實驗指出，兩種組織的聲阻相差01，就，就能產(chǎn)生出可檢測的反射信號。超聲脈沖反射診斷能產(chǎn)生出可檢測的反射信號。超聲脈沖反射診斷法就是依據(jù)了超聲的這一性質。法就是依據(jù)了超聲的這一性質。振動和波振動與波基本理論振動和波振動與波基本理論二、全反射二、全反射超聲波的折射規(guī)律與光波的折射超聲波的折射規(guī)律與光波的折射定律相同當入射角超過臨界角時，定律相同當入射角超過臨界角時，相應的折射波消失，出現(xiàn)全反射現(xiàn)象。相應的折射波消失，

15、出現(xiàn)全反射現(xiàn)象。 我們在進行超聲檢查時，需要盡我們在進行超聲檢查時，需要盡可能地將聲束垂直于界面，避免入射可能地將聲束垂直于界面，避免入射角過大，否則將會引起反射體的實際角過大，否則將會引起反射體的實際位置與顯示位置發(fā)生錯位，甚至出現(xiàn)位置與顯示位置發(fā)生錯位，甚至出現(xiàn)全反射，從而導致超聲無法檢查該界全反射，從而導致超聲無法檢查該界面以下的組織器官。全反射現(xiàn)象對超面以下的組織器官。全反射現(xiàn)象對超聲診斷無意義，應盡量避免聲診斷無意義，應盡量避免 振動和波振動與波基本理論三衍射三衍射當障礙物的直徑等于或小于當障礙物的直徑等于或小于2，超，超聲波將繞過該障礙物而繼續(xù)前進，這種現(xiàn)聲波將繞過該障礙物而繼續(xù)前

16、進，這種現(xiàn)象稱為衍射（象稱為衍射（Diffraction）故超聲波波長越短（即頻率越高），故超聲波波長越短（即頻率越高），能發(fā)現(xiàn)障礙物越小，也就是說分辨力越好，能發(fā)現(xiàn)障礙物越小，也就是說分辨力越好，超聲圖象也越清晰，不過對組織的穿透力超聲圖象也越清晰，不過對組織的穿透力較差。所以臨床上高頻探頭多應用于兒童較差。所以臨床上高頻探頭多應用于兒童和淺表器官的檢查。和淺表器官的檢查。 振動和波振動與波基本理論和衍射有關的超聲現(xiàn)象：和衍射有關的超聲現(xiàn)象：（）聲影：（）聲影：（）太小的病灶：（）太小的病灶：振動和波振動與波基本理論四散射四散射超聲波在傳播中遇到粗糙面或超聲波在傳播中遇到粗糙面或極小的障礙物

17、（或一組小障礙物形極小的障礙物（或一組小障礙物形式）時，將有一部分能量被散射式）時，將有一部分能量被散射（Scattering）。紅細胞的直徑比）。紅細胞的直徑比超聲波要小得多，紅細胞是一種散超聲波要小得多，紅細胞是一種散射體，聲束內(nèi)紅細胞數(shù)量越多，背射體，聲束內(nèi)紅細胞數(shù)量越多，背向散射強度就越大。紅細胞的背向向散射強度就越大。紅細胞的背向散射是多普勒超聲診斷的基礎。散射是多普勒超聲診斷的基礎。 振動和波振動與波基本理論散射模型圖散射模型圖振動和波振動與波基本理論五干涉與駐波五干涉與駐波干涉干涉頻率相同的兩列波疊加，使某頻率相同的兩列波疊加，使某些區(qū)域的振動加強，某些區(qū)域的振些區(qū)域的振動加強，

18、某些區(qū)域的振動減弱，而且振動加強的區(qū)域和振動減弱，而且振動加強的區(qū)域和振動減弱的區(qū)域相互隔開。這種現(xiàn)象動減弱的區(qū)域相互隔開。這種現(xiàn)象叫做波的干涉。叫做波的干涉。振動和波振動與波基本理論注意：在超聲診斷上，反向散射注意：在超聲診斷上，反向散射波和反射波的存在可以與入射波形波和反射波的存在可以與入射波形成干涉，這將使探頭接受到的是它成干涉，這將使探頭接受到的是它的干涉聲場，造成圖像分析的復雜的干涉聲場，造成圖像分析的復雜化化應用：干涉過程中存在界面的位應用：干涉過程中存在界面的位相信息，如將這一信息提取組圖，相信息，如將這一信息提取組圖，則為超聲相干成像的基礎則為超聲相干成像的基礎振動和波振動與波

19、基本理論駐波（是一種特殊的干涉）駐波（是一種特殊的干涉）頻率和振幅均相同、振動方向頻率和振幅均相同、振動方向一致、傳播方向相反的兩列波疊加一致、傳播方向相反的兩列波疊加后形成的波。波在介質中傳播時其后形成的波。波在介質中傳播時其波形不斷向前推進，故稱行波；上波形不斷向前推進，故稱行波；上述兩列波疊加后波形并不向前推進，述兩列波疊加后波形并不向前推進，故稱駐波。故稱駐波。 振動和波振動與波基本理論振幅為零的點稱為波節(jié)，振幅最振幅為零的點稱為波節(jié)，振幅最大處稱為波腹。波節(jié)兩側的振動相位大處稱為波腹。波節(jié)兩側的振動相位相反。相鄰兩波節(jié)或波腹間的距離都相反。相鄰兩波節(jié)或波腹間的距離都是半個波長。是半個

20、波長。 應用：利用該特點可以提高探頭發(fā)射應用：利用該特點可以提高探頭發(fā)射聲波的效率聲波的效率注意：駐波的主要特點是在駐波區(qū)域注意：駐波的主要特點是在駐波區(qū)域沒有能量的傳播，只有質點的振動，沒有能量的傳播，只有質點的振動，故在超聲診斷儀中要采取克服措施故在超聲診斷儀中要采取克服措施振動和波振動與波基本理論六聲波衰減六聲波衰減超聲波在介質內(nèi)的傳播過程中，超聲波在介質內(nèi)的傳播過程中，隨著傳播距離的增大，聲波的能量逐隨著傳播距離的增大，聲波的能量逐漸減少，這一現(xiàn)象稱為聲波衰減漸減少，這一現(xiàn)象稱為聲波衰減（Acoustic attenuation）。）。衰減的原因：衰減的原因：（）擴散衰減（）擴散衰減:

21、在空間傳輸中由能量分布的改變在空間傳輸中由能量分布的改變（）散射衰減（）散射衰減:本質部分聲能轉化為熱能而散失掉本質部分聲能轉化為熱能而散失掉（）吸收衰減（）吸收衰減:本質是聲能轉變?yōu)槠渌问侥芰勘举|是聲能轉變?yōu)槠渌问侥芰科渲形帐撬p的主要因素。其中吸收是衰減的主要因素。 振動和波振動與波基本理論衰減與超聲頻率有關衰減與超聲頻率有關實驗結果表明實驗結果表明,在在115MHz超超聲頻率范圍內(nèi)聲頻率范圍內(nèi),人體組織對超聲波的人體組織對超聲波的吸收衰減系數(shù)幾乎與頻率成正比。吸收衰減系數(shù)幾乎與頻率成正比。人體軟組織對超聲的平均衰減系數(shù)人體軟組織對超聲的平均衰減系數(shù)約為約為0.81dBcm 1 MH

22、z 1 ,其其含義是超聲波頻率每增加含義是超聲波頻率每增加1MHz或或超聲傳播距離每增加超聲傳播距離每增加1cm,則組織對則組織對超聲的衰減增加超聲的衰減增加0.81dB。振動和波振動與波基本理論振動和波振動與波基本理論注意：說明頻率的因素甚為重要。因注意：說明頻率的因素甚為重要。因此此,根據(jù)探查部位的組織不同和深度不根據(jù)探查部位的組織不同和深度不同同,合理選擇使用探頭的頻率合理選擇使用探頭的頻率,對診斷對診斷效果將有較大影響。效果將有較大影響。 振動和波振動與波基本理論七七. 聲波通過界面的特性聲波通過界面的特性 1. 聲波類型的轉換聲波類型的轉換 當縱波以一定角度入射到液體中的當縱波以一定

23、角度入射到液體中的固體表面時固體表面時,透入固體的折射波可分解為橫透入固體的折射波可分解為橫波和縱波波和縱波. 臨床注意臨床注意:產(chǎn)生偽影產(chǎn)生偽影. 但是如果聲束與界面垂直就不會產(chǎn)但是如果聲束與界面垂直就不會產(chǎn)生橫波生橫波.振動和波振動與波基本理論2.聲學諧波基礎聲學諧波基礎 前面討論的都是線性聲學前面討論的都是線性聲學.聲速和聲聲速和聲波的強度、頻率無關波的強度、頻率無關,反射波的頻率等于入射反射波的頻率等于入射波的頻率波的頻率.但這些都是近似但這些都是近似. 如果介質不太符合線性關系如果介質不太符合線性關系,或聲波強或聲波強度很大度很大,或要精細地分析時或要精細地分析時,就必須考慮到非就必

24、須考慮到非線性了線性了. 如果考慮非線性如果考慮非線性,則有則有: (1)波形畸變波形畸變 (2)組織諧波組織諧波 (3)氣泡產(chǎn)生的諧波氣泡產(chǎn)生的諧波(空化作用空化作用) 可分為可分為:穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)振動和波振動與波基本理論八八.聲束通過介質薄層聲束通過介質薄層透射系數(shù)為透射系數(shù)為:振動和波振動與波基本理論討論討論:1當當Z2比比Zl和和Z3小得多時，透小得多時，透射系數(shù)近似為零射系數(shù)近似為零,則聲束不能透射。則聲束不能透射。2當簿層厚度當簿層厚度d2/2,2 ,22 ， dn2/4(n 為為不等于零的偶數(shù)不等于零的偶數(shù))，或，或d 2 時，時，相當于聲束垂直通相當于聲束垂直通過過Z、Z

25、3的情況，即相當于介質隙的情況，即相當于介質隙層消失了。層消失了。振動和波振動與波基本理論3當當，且，且d為為2 4的奇的奇數(shù)倍時，相當于兩個介質界面都不數(shù)倍時，相當于兩個介質界面都不存在了。存在了。這點是研制耦合劑材料性能的這點是研制耦合劑材料性能的重要依據(jù)重要依據(jù)振動和波振動與波基本理論第四節(jié)第四節(jié)壓電效應壓電效應超聲波的發(fā)射和接受：超聲探頭超聲波的發(fā)射和接受：超聲探頭目前醫(yī)學上最常用的是電聲轉換法中的目前醫(yī)學上最常用的是電聲轉換法中的壓壓電式換能法電式換能法一一壓電效應。壓電效應。使機械能轉變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象。使機械能轉變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象。應用：超聲接收換能器應用：超聲接收換能器二電致伸縮效應二

26、電致伸縮效應使電能轉變?yōu)闄C械能的現(xiàn)象。使電能轉變?yōu)闄C械能的現(xiàn)象。應用：超聲發(fā)射換能器應用：超聲發(fā)射換能器振動和波振動與波基本理論三壓電材料的性質三壓電材料的性質壓電效應和溫度的關系：壓電效應和溫度的關系：居里點：居里點：壓電材料的選擇壓電材料的選擇(1)壓電接收常數(shù)個壓電接收常數(shù)個g 就是壓電片單位形變所產(chǎn)生的電位移，就是壓電片單位形變所產(chǎn)生的電位移，表示換能器接收性能的好，其單位常用表示換能器接收性能的好，其單位常用vm/N表表示、對于接收型的換能器，應選擇接收系數(shù)示、對于接收型的換能器，應選擇接收系數(shù)g大大的壓電材料。的壓電材料。 (2)壓電發(fā)射常數(shù)壓電發(fā)射常數(shù)dd是在壓電材料片上由所加的

27、電場單位場是在壓電材料片上由所加的電場單位場強而產(chǎn)生的形。其單位常用強而產(chǎn)生的形。其單位常用m/v表示；對于發(fā)射表示；對于發(fā)射型換能器，應選擇型換能器，應選擇d大的壓電材料。大的壓電材料。振動和波振動與波基本理論第四節(jié)第四節(jié)超聲場超聲場探頭是超聲速斷儀中重要的部件，探探頭是超聲速斷儀中重要的部件，探測的靈敏度高低、分辨力優(yōu)劣都與探頭直測的靈敏度高低、分辨力優(yōu)劣都與探頭直接相關。接相關。人們常希望振源能夠發(fā)出一束均勻的人們常希望振源能夠發(fā)出一束均勻的超聲波，但實際上并非如此，根據(jù)理論計超聲波，但實際上并非如此，根據(jù)理論計算，即使一個己理想的、性能均勻的壓電算，即使一個己理想的、性能均勻的壓電換能

28、器，其近場和遠方區(qū)域內(nèi)的聲場分布換能器，其近場和遠方區(qū)域內(nèi)的聲場分布都是很不均勻的。都是很不均勻的。振動和波振動與波基本理論一圓形單晶片探頭作為聲源時產(chǎn)一圓形單晶片探頭作為聲源時產(chǎn)生生的超聲場（定量分析）的超聲場（定量分析）經(jīng)過理論計算，圓形活塞聲源產(chǎn)生的超聲場經(jīng)過理論計算，圓形活塞聲源產(chǎn)生的超聲場中心軸上的聲比：中心軸上的聲比：振動和波振動與波基本理論 討論討論:1近場區(qū)內(nèi)的聲壓分布近場區(qū)內(nèi)的聲壓分布 (1)聲壓極小值：聲壓極小值： 以以D為直徑的圓形晶片，當向彈性介質輻為直徑的圓形晶片，當向彈性介質輻 射波長為射波長為 的超聲波時，則應有的超聲波時，則應有 個極小值個極小值。(2)聲壓極大

29、值聲壓極大值： 在近場中有包含在近場中有包含0在內(nèi)的在內(nèi)的個極大值。個極大值。振動和波振動與波基本理論振動和波振動與波基本理論2遠場區(qū)內(nèi)的聲壓分布遠場區(qū)內(nèi)的聲壓分布可以看出可以看出: 聲壓隨聲程距離聲壓隨聲程距離X作單值變化作單值變化,在遠場區(qū)內(nèi)，聲壓與距離在遠場區(qū)內(nèi)，聲壓與距離X是按反比例是按反比例減弱的。減弱的。振動和波振動與波基本理論3、超聲場的角分布、超聲場的角分布振動和波振動與波基本理論特點特點:在中心部分出現(xiàn)一主瓣在在中心部分出現(xiàn)一主瓣在 主瓣主瓣 旁邊出現(xiàn)許多旁瓣，這種現(xiàn)象旁邊出現(xiàn)許多旁瓣，這種現(xiàn)象叫叫 做換能器的指向性，即聲束的做換能器的指向性，即聲束的集集 中程度中程度. 這

30、說明聲場中的聲壓不但隨距離這說明聲場中的聲壓不但隨距離改變，同時還隨方向角改變改變，同時還隨方向角改變.振動和波振動與波基本理論關于近場和遠場總的結論關于近場和遠場總的結論: 超聲波的頻率愈高，晶片的半超聲波的頻率愈高，晶片的半徑愈大，那么近場長度愈大，同時擴徑愈大，那么近場長度愈大，同時擴散角愈小。表示超生的成束性好，方散角愈小。表示超生的成束性好，方向性顯著向性顯著醫(yī)學診斷上要求被檢查部位在近醫(yī)學診斷上要求被檢查部位在近場且在主瓣區(qū)域內(nèi)，這樣反射強，失場且在主瓣區(qū)域內(nèi)，這樣反射強，失真度小真度小振動和波振動與波基本理論二、聲束的聚焦二、聲束的聚焦需要聚焦原因：需要聚焦原因：在超聲診斷中，探

31、頭輻射的在超聲診斷中，探頭輻射的聲束寬度是限制橫間分辨力的主要原聲束寬度是限制橫間分辨力的主要原因。為了減小聲束寬度，通常采用的因。為了減小聲束寬度，通常采用的方法之一，是使用聲聚焦探頭方法之一，是使用聲聚焦探頭在超聲治療中，聚焦聲束在超聲治療中，聚焦聲束在聚焦區(qū)域有最大的強度，這樣可以在聚焦區(qū)域有最大的強度，這樣可以集中治療腫瘤等組織，而又不至于損集中治療腫瘤等組織，而又不至于損壞正常組織。壞正常組織。振動和波振動與波基本理論1聲聚焦方法聲聚焦方法(1)聲透鏡聚焦：超聲束可以像光束一樣，用聲透鏡聚焦：超聲束可以像光束一樣，用透鏡使之聚焦透鏡使之聚焦振動和波振動與波基本理論(2)聲反射鏡聚焦：

32、聲反射鏡聚焦：振動和波振動與波基本理論(3)曲而換能器：曲而換能器：直接把壓電晶片本身制成凹面直接把壓電晶片本身制成凹面形。由它輻射出聚焦式超聲波，這形。由它輻射出聚焦式超聲波，這種探頭稱自聚焦發(fā)射器種探頭稱自聚焦發(fā)射器 聚焦原理和聚焦原理和(1)聲透鏡相類似聲透鏡相類似.振動和波振動與波基本理論(4)電子聚焦電子聚焦：相控陣聚焦相控陣聚焦:如果對各晶片依次加上線如果對各晶片依次加上線性遞變延遲激勵脈沖，使超聲束方向偏性遞變延遲激勵脈沖，使超聲束方向偏轉某一個角度，不斷改變這個角度，就轉某一個角度，不斷改變這個角度，就可以得到扇形掃描的超聲束可以得到扇形掃描的超聲束. 應用在應用在B超中超中.

33、 振動和波振動與波基本理論 第八章第八章 超聲波成像超聲波成像超聲成像的歷史超聲成像的歷史: 20世紀初世紀初,郎之萬首次研制石英晶體超聲發(fā)郎之萬首次研制石英晶體超聲發(fā)生器生器 40年代開始超聲醫(yī)學應用的研究年代開始超聲醫(yī)學應用的研究. 1950年年A超被應用于醫(yī)學診斷超被應用于醫(yī)學診斷 以后以后B超出現(xiàn)超出現(xiàn)三大重大突破三大重大突破:超聲診斷的優(yōu)點超聲診斷的優(yōu)點: 非電離輻射非電離輻射 對軟組織鑒別力對軟組織鑒別力高高 儀器使用方便儀器使用方便振動和波振動與波基本理論 第一節(jié)第一節(jié) 超聲回波所攜帶的信超聲回波所攜帶的信息息超聲波診斷技術可分為兩大類超聲波診斷技術可分為兩大類: 基于回波基于回

34、波 基于多普勒效應基于多普勒效應一一.反射和散射回波反射和散射回波 超聲回波包括超聲回波包括:大界面反射波大界面反射波 小粒小粒子散射波子散射波 大界面反射波大界面反射波-位置位置信息信息 小粒子散射波小粒子散射波-結構結構信息信息振動和波振動與波基本理論 1回波法回波法 (1)在可傳播超聲的介質中，存在聲阻突變在可傳播超聲的介質中，存在聲阻突變的界面的界面(聲阻相對變化超過聲阻相對變化超過1)時，將產(chǎn)生可探時，將產(chǎn)生可探測到的反射回波測到的反射回波 (2)脈沖反射回波與介質的聲阻密切相關，正脈沖反射回波與介質的聲阻密切相關，正常組織與病變組織的聲阻不同，反射回波的強弱常組織與病變組織的聲阻不

35、同，反射回波的強弱和形態(tài)也就不同，這就有可能從不同界面的反射和形態(tài)也就不同，這就有可能從不同界面的反射回波，提供識別病灶的空間范圍及其性質的可能回波，提供識別病灶的空間范圍及其性質的可能性性 (3)超聲探測儀直接獲得的是聲壓信號超聲探測儀直接獲得的是聲壓信號(聲振聲振幅幅)，超聲探頭對此信號的靈敏度很高，由此而，超聲探頭對此信號的靈敏度很高，由此而建立起來的圖像的信噪比也很高，這是相對于建立起來的圖像的信噪比也很高，這是相對于x射線成像的優(yōu)點之一射線成像的優(yōu)點之一振動和波振動與波基本理論超聲波對生物組織的影響超聲波對生物組織的影響: 上皮組織上皮組織 肌肉組織肌肉組織 神經(jīng)組織神經(jīng)組織 結締組

36、織結締組織:影響最大影響最大振動和波振動與波基本理論超聲成像的基本特征超聲成像的基本特征脈沖回波檢測技術脈沖回波檢測技術:超聲波超聲波-介質的不均勻界面介質的不均勻界面-反射反射-檢測回波信號檢測回波信號-放大和信號放大和信號處理處理-顯示器上顯示。顯示器上顯示。 超聲診斷是超聲、電子技術、計算機技超聲診斷是超聲、電子技術、計算機技術和全息信息術相結合而應用于臨床醫(yī)學的術和全息信息術相結合而應用于臨床醫(yī)學的一種診斷方法，用于醫(yī)學診斷的超聲圖像由一種診斷方法，用于醫(yī)學診斷的超聲圖像由來自于人體內(nèi)部結構界面上的反射波形成來自于人體內(nèi)部結構界面上的反射波形成振動和波振動與波基本理論超聲診斷成像的基本

37、原理以三個物超聲診斷成像的基本原理以三個物理假定為前提理假定為前提: 1聲束在介質中以直線傳播。聲束在介質中以直線傳播。 2在各種介質中聲速均勻一致在各種介質中聲速均勻一致o 3在各種介質中介質的吸收系在各種介質中介質的吸收系數(shù)數(shù) 均勻一致。均勻一致。振動和波振動與波基本理論振動和波振動與波基本理論 超聲診斷儀有超聲診斷儀有:采用連續(xù)波的，采用連續(xù)波的， 采用脈沖采用脈沖波的。波的。 脈沖檢測技術優(yōu)點脈沖檢測技術優(yōu)點: 1. 除了能對回聲界面定位除了能對回聲界面定位外，外， 還因為消除了很強的發(fā)還因為消除了很強的發(fā)射信射信 號號 對反射信號的影響對反射信號的影響. 2. 具有較高的靈敏度具有較

38、高的靈敏度. 所以目前在臨床上應用所以目前在臨床上應用的超的超 聲診斷儀除了普通的多普勒儀聲診斷儀除了普通的多普勒儀外外 都是采用脈沖式的都是采用脈沖式的.振動和波振動與波基本理論三三. 時間增益補償時間增益補償 在不同深度上的回波脈沖幅度，由于在不同深度上的回波脈沖幅度，由于其聲程不同，造成的吸收程度也不同，其聲程不同，造成的吸收程度也不同，由于吸收衰減使回波亮度有很大差異，由于吸收衰減使回波亮度有很大差異，給成像造成困難。給成像造成困難。 所以必須對不同深度上的回波進行所以必須對不同深度上的回波進行增益補償，可以把接收器的增益按衰減增益補償，可以把接收器的增益按衰減的幅度補償。的幅度補償。

39、 特點特點:從較深部位聲界面反射的回聲從較深部位聲界面反射的回聲信號的放大倍數(shù)較大，而距離換能器較信號的放大倍數(shù)較大，而距離換能器較近的反射信號，也就是時間上較早達到近的反射信號，也就是時間上較早達到的回波信號的放大倍數(shù)較小。的回波信號的放大倍數(shù)較小。振動和波振動與波基本理論振動和波振動與波基本理論四、檢波、抑制與視頻放大四、檢波、抑制與視頻放大 1.檢波檢波 根據(jù)終顯要求檢出所需要的根據(jù)終顯要求檢出所需要的相應信息。相應信息。 有有:幅度檢波幅度檢波 位相檢波位相檢波 頻率檢波頻率檢波振動和波振動與波基本理論振動和波振動與波基本理論抑制電路抑制電路:主要用來抑制不希望有的干主要用來抑制不希望

40、有的干擾信號和雜波噪聲，也就是限定視頻擾信號和雜波噪聲，也就是限定視頻信號的下限電平，對動態(tài)范圍的下限信號的下限電平，對動態(tài)范圍的下限進行壓縮，去掉小信號及毛草進行壓縮，去掉小信號及毛草(噪聲噪聲)，以便顯示有用信號。以便顯示有用信號。為使信號輪廓增強，常在視頻電路中為使信號輪廓增強，常在視頻電路中對信號進行微分處理對信號進行微分處理.振動和波振動與波基本理論 第二節(jié)第二節(jié) 超聲診斷儀器超聲診斷儀器1A型超聲診斷儀型超聲診斷儀波形的幅度表示回波的強弱，它表征反射界面兩側波形的幅度表示回波的強弱，它表征反射界面兩側 聲阻差聲阻差 的信息；的信息；波形間的距離表示超聲在兩界面間傳播的時間，它反映兩

41、波形間的距離表示超聲在兩界面間傳播的時間，它反映兩 界面間的距離界面間的距離振動和波振動與波基本理論 A型超聲原理振動和波振動與波基本理論 A型超聲原理振動和波振動與波基本理論振動和波振動與波基本理論振動和波振動與波基本理論 A型超聲原理振動和波振動與波基本理論A超的缺點超的缺點: 由于一維掃描只能依據(jù)圖形中由于一維掃描只能依據(jù)圖形中超聲波回波幅值的大小和回波的疏密超聲波回波幅值的大小和回波的疏密對人體臟器進行診斷，這樣一維超聲對人體臟器進行診斷，這樣一維超聲掃描所提供的信息量較少，波形診斷掃描所提供的信息量較少，波形診斷即不形象也不直觀即不形象也不直觀. 絕對大多數(shù)醫(yī)院已淘汰不用絕對大多數(shù)醫(yī)

42、院已淘汰不用 振動和波振動與波基本理論2M型超聲診斷儀型超聲診斷儀 M型超聲診斷儀主要用于檢測體內(nèi)運動臟器檢查型超聲診斷儀主要用于檢測體內(nèi)運動臟器檢查心臟的心臟的M超通常叫做超聲心動圖儀，它是在超通常叫做超聲心動圖儀，它是在A超和超和B超的超的基礎上發(fā)基礎上發(fā)展起來的，展起來的，M超與超與B超一樣，都是利用探頭向體內(nèi)發(fā)射脈超一樣，都是利用探頭向體內(nèi)發(fā)射脈沖，并接收聲阻不同的界面反射回的強弱不同的回波，沖，并接收聲阻不同的界面反射回的強弱不同的回波，進行輝度調制進行輝度調制 M超的探頭使用，像超的探頭使用，像A超一樣將探頭固定于體表超一樣將探頭固定于體表某一探測點上，探頭并不某一探測點上，探頭并

43、不移動，因而熒光屏上得到移動，因而熒光屏上得到的回波信號是一串自上而的回波信號是一串自上而下的光點群。水平方向代下的光點群。水平方向代表時間，故表時間，故M超所探查的超所探查的是體內(nèi)組織位置隨時間變是體內(nèi)組織位置隨時間變化的運動曲線。化的運動曲線。振動和波振動與波基本理論振動和波振動與波基本理論振動和波振動與波基本理論振動和波振動與波基本理論振動和波振動與波基本理論 2B型超聲診斷儀型超聲診斷儀 B型超聲診斷儀的工作原理顯像其型超聲診斷儀的工作原理顯像其原理是采用超聲脈沖回波輝度調制的二維原理是采用超聲脈沖回波輝度調制的二維灰階顯示，它形象地反映出人體某一斷面灰階顯示，它形象地反映出人體某一斷

44、面的信息。的信息。 振動和波振動與波基本理論振動和波振動與波基本理論振動和波振動與波基本理論強調的是：強調的是：第一第一 聲像團是組織結構某一斷面圖像，聲像團是組織結構某一斷面圖像，與解剖結構相似但并不相同，如肝臟聲像與解剖結構相似但并不相同，如肝臟聲像圖中黑白灰度不等的點、片、線影像，與圖中黑白灰度不等的點、片、線影像，與肝臟結構的被膜、血管、膽管、肝小葉等肝臟結構的被膜、血管、膽管、肝小葉等有關，是其形成的超聲反射、散射、衰減有關，是其形成的超聲反射、散射、衰減等聲像特性的綜合反映，而非肝臟某結構等聲像特性的綜合反映，而非肝臟某結構的解別圖像的解別圖像。第二，聲像圖中所顯示的臟器大小、距離

45、第二，聲像圖中所顯示的臟器大小、距離與介質傳播速度有關，體內(nèi)各種介質聲速與介質傳播速度有關，體內(nèi)各種介質聲速不等，故聲像圖中測量的大小與實際解刮不等，故聲像圖中測量的大小與實際解刮大小大小有一定差距。有一定差距。振動和波振動與波基本理論第三，聲像圖是斷層體積內(nèi)組織結構的綜第三，聲像圖是斷層體積內(nèi)組織結構的綜合，該體積厚薄與探頭發(fā)出聲束寬度有關。合，該體積厚薄與探頭發(fā)出聲束寬度有關。第四，聲像圖的斷面方位與探頭的形態(tài)和第四，聲像圖的斷面方位與探頭的形態(tài)和放置于人體的位置有關，超聲探頭可取得放置于人體的位置有關，超聲探頭可取得人體任何部位的任意斷面圖像，因而聲像人體任何部位的任意斷面圖像，因而聲像圖中要標明取圖的部位和方位。此外，多圖中要標明取圖的部位和方位。此外，多數(shù)聲像圖是依靠檢查者干法獲得的，數(shù)聲像圖是依靠檢查者干法獲得的，CT、MRI圖像比較其顯示范圍小，層面方位精圖像比較其顯示范圍小，層面方位精確度低，這也影響圖像的標準化。確度低，這也影響圖像的標準化。振動和波振動與波基本理論第五彩色多普勒血流圖像中的顏色，是根第五彩色多普勒血流圖像中的顏色，是根據(jù)血流方向、速度和性質規(guī)定的彩色，而不據(jù)血流方向、速度和性質規(guī)定的彩色，而不代表紅細腦的含氧多少。代表紅細腦的含氧多少。第六，有些超聲儀將黑白灰階圖像用某種顏第六，有些超聲儀將黑白