1、高職高專衛(wèi)生部規(guī)劃教材高職高專衛(wèi)生部規(guī)劃教材 醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)超聲診斷學(xué)超聲診斷學(xué)CAI課件課件第二章第二章 超聲成像的物理原理超聲成像的物理原理 教學(xué)目標(biāo)教學(xué)目標(biāo)1. 掌握超聲的定義、特性及產(chǎn)生機(jī)制2. 掌握超聲傳播中頻率、聲速、波長(zhǎng)三者之間的關(guān)系3. 熟悉生物組織對(duì)入射聲束的作用 4. 熟悉入射超聲對(duì)生物組織的作用 5.了解超聲診斷的安全性及注意事項(xiàng) v波：分橫波和縱波，聲波是縱波；v橫波：波的傳播方向和振動(dòng)方向垂直；v縱波：波的傳播方向和振動(dòng)方向垂直；第一節(jié) 超聲成像的物理基礎(chǔ)一、定義一、定義 1.1.超聲超聲 是一種機(jī)械波，其頻率在20千赫茲以上。 2 2.醫(yī)學(xué)診斷用超

2、聲醫(yī)學(xué)診斷用超聲 頻率在2.510兆赫茲范圍的超聲。 3.3.超聲的特性超聲的特性 傳導(dǎo)性：超聲波可在氣體、液體、固體等介質(zhì)中傳播； 放向性：超聲波可以朝一個(gè)方向傳遞很強(qiáng)的能量； 超聲波在傳播過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生反射、折射、散射、繞射、干涉等現(xiàn)象； 超聲波在液體介質(zhì)中傳播時(shí)，會(huì)在界面產(chǎn)生沖擊（超聲潔牙）和空化現(xiàn)象。 第一節(jié) 超聲成像的物理基礎(chǔ) 超聲波是機(jī)械波，縱波，能在介質(zhì)中傳導(dǎo)。第一節(jié) 超聲成像的物理基礎(chǔ)二、超聲的產(chǎn)生與接收二、超聲的產(chǎn)生與接收 1.1.壓電效應(yīng)壓電效應(yīng) 是電能與聲能相互轉(zhuǎn)換的過(guò)程。 2.超聲的產(chǎn)生：超聲的產(chǎn)生：逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng) 電場(chǎng)作用到特定的材料兩端引起振動(dòng)，在周圍介質(zhì)中傳播

3、形成超聲，是逆壓電效應(yīng)過(guò)程。 3.超聲的接收：超聲的接收：正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng) 聲場(chǎng)作用到特定的材料兩端產(chǎn)生電位差，通過(guò)接收器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，是正壓電效應(yīng)過(guò)程。 第一節(jié) 超聲成像的物理基礎(chǔ)壓電效應(yīng)與逆壓電效應(yīng)示意圖第一節(jié) 超聲成像的物理基礎(chǔ) 4.4.壓電材料壓電材料 能夠產(chǎn)生壓電效應(yīng)的材料。 無(wú)機(jī)材料：壓電陶瓷構(gòu)成 主要包括鈦酸鋇、鈦酸鉛、鋯鈦酸鉛等。 有機(jī)材料 主要由聚偏氟乙烯（PVDF）構(gòu)成，材料聲阻抗與人體接近。 混合材料 由壓電陶瓷和有機(jī)壓電材料混合構(gòu)成，機(jī)電耦合系數(shù)大，適宜制作寬帶換能器。第一節(jié) 超聲成像的物理基礎(chǔ) 5.5.換能器換能器 （探頭） 結(jié)構(gòu) 面材、壓電材料、背材 ，核心是壓

4、電材料。 種類 體表檢查用探頭； 手術(shù)用探頭； 體腔檢查用探頭。 第一節(jié) 超聲成像的物理基礎(chǔ)探頭第一節(jié) 超聲成像的物理基礎(chǔ)探頭第一節(jié) 超聲成像的物理基礎(chǔ)探頭第一節(jié) 超聲成像的物理基礎(chǔ) 柱形單振元探頭結(jié)構(gòu)剖面第一節(jié) 超聲成像的物理基礎(chǔ)相控陣探頭結(jié)構(gòu)示意第一節(jié) 超聲成像的物理基礎(chǔ)電子線陣探頭剖面示意 第一節(jié) 超聲成像的物理基礎(chǔ)三、超聲的傳播三、超聲的傳播 1. 1.聲速聲速 （c）：超聲在介質(zhì)中的傳播速度。 由傳播介質(zhì)決定，與介質(zhì)的密度及彈性系數(shù)有關(guān)。與密度成正比。不同人體組織器官的聲速不同，平均聲速為1540米/秒，其中空氣最小（350米/秒），骨骼最大（3850米/秒）。 2.超聲頻率超聲頻率

5、 （f）：聲源在單位時(shí)間內(nèi)振動(dòng)的次數(shù)。 由探頭中壓電材料決定，在2.510兆赫茲范圍。 3.超聲波長(zhǎng)超聲波長(zhǎng) （）：一個(gè)完整波的波長(zhǎng)。 超聲波長(zhǎng)與聲速和頻率滿足關(guān)系式：fc第一節(jié) 超聲成像的物理基礎(chǔ)四、超聲聲束的空間分布：聲場(chǎng)四、超聲聲束的空間分布：聲場(chǎng) 1.1.聲束聲束 在一個(gè)有限的立體角內(nèi)傳播的超聲 。 2.聲軸聲軸 聲束的中心線。 3.近程區(qū)：近場(chǎng)近程區(qū)：近場(chǎng) 靠近探頭區(qū)域，聲束等寬 4.遠(yuǎn)程區(qū)：遠(yuǎn)場(chǎng)遠(yuǎn)程區(qū)：遠(yuǎn)場(chǎng) 遠(yuǎn)離探頭區(qū)域，聲束發(fā)散第一節(jié) 超聲成像的物理基礎(chǔ)v 超聲聲束空間分布示意圖遠(yuǎn)程區(qū)近程區(qū)*-*軸向分辨力橫向分辨力*-*第二節(jié) 超聲與生物組織間的相互作用（六）分辨力（六）分辨力

6、 評(píng)價(jià)聲像圖質(zhì)量的重要技術(shù)指標(biāo)評(píng)價(jià)聲像圖質(zhì)量的重要技術(shù)指標(biāo) 空間分辨力：空間分辨力： 縱向分辨力：調(diào)節(jié)脈沖寬度提高； 橫向分辨力：增加換能器直接和采取聲透鏡方式提高； 側(cè)向分辨力（厚度分辨力）：電子聚焦方法提高。 對(duì)比度分辨力：對(duì)比度分辨力：灰階或亮度。取決于信噪比和像素大小。采取低噪音高增益放大電路等提高。 v 第二節(jié) 超聲與生物組織間的相互作用一、生物組織對(duì)入射超聲的作用一、生物組織對(duì)入射超聲的作用 （一）兩個(gè)基本概念（一）兩個(gè)基本概念 聲阻抗（聲特性阻抗，特性聲阻抗）聲阻抗（聲特性阻抗，特性聲阻抗） 介質(zhì)的密度()與聲速(c)的乘積，不同組織的聲特性阻抗不一樣。z=c 界面界面 兩種具有

7、不同聲阻抗的介質(zhì)的接觸面； 大界面：界面尺寸大于超聲波長(zhǎng)； 小界面：界面尺寸小于超聲波長(zhǎng)； 人體有各種組織，各種組織都是介質(zhì)，介質(zhì)組人體有各種組織，各種組織都是介質(zhì)，介質(zhì)組成不同，就有不同的聲阻抗，由于有介質(zhì)不同的成不同，就有不同的聲阻抗，由于有介質(zhì)不同的聲阻抗才能產(chǎn)生聲阻抗才能產(chǎn)生界面，有界面才能反射，才能收界面，有界面才能反射，才能收到回聲信息，才能形成聲像圖。到回聲信息，才能形成聲像圖。第二節(jié) 超聲與生物組織間的相互作用 （二）反射與折射（二）反射與折射 反射：入射聲束與大界面的作用，一部分超聲能量會(huì)返回反射：入射聲束與大界面的作用，一部分超聲能量會(huì)返回到原來(lái)的介質(zhì)中到原來(lái)的介質(zhì)中 三個(gè)

8、條件：同一平面、位于法線兩側(cè)、入射角與反射角相等 界面的反射信號(hào)是聲像圖的主要組成部分 折射：入射聲束與大界面作用時(shí)，一部分進(jìn)入的另一面的折射：入射聲束與大界面作用時(shí)，一部分進(jìn)入的另一面的介質(zhì)介質(zhì) 三個(gè)條件：同一平面、位于法線兩側(cè)、入射角與折射角滿足下列條件：入射角和折射角的正弦之比為一常數(shù)， 等于界面兩側(cè)介質(zhì)的聲速比；sin I 注意：第二種介質(zhì)的聲速大于第一種時(shí)，則折射角大于入射角，如果折射角大于90時(shí)，入射聲能全部返回，稱全反射。 全反射對(duì)聲像圖的影響：折射聲影，側(cè)后聲影，全反射在胃腸及肺探測(cè)時(shí)，難辨別臟器聲像圖。 v反射與折射的示意圖第二節(jié) 超聲與生物組織間的相互作用第二節(jié) 超聲與生物

9、組織間的相互作用散射第二節(jié) 超聲與生物組織間的相互作用 （三）散射（三）散射 入射聲束與小界面的作用入射聲束與小界面的作用 散射回聲強(qiáng)度低 （四）繞射（四）繞射 入射聲束與界面（界面尺寸與超聲波長(zhǎng)大入射聲束與界面（界面尺寸與超聲波長(zhǎng)大小相當(dāng)）的作用小相當(dāng)）的作用 繞射使入射聲束發(fā)生方向偏轉(zhuǎn)第二節(jié) 超聲與生物組織間的相互作用 （五）衰減五）衰減 超聲在介質(zhì)中傳播其強(qiáng)度隨傳播距離超聲在介質(zhì)中傳播其強(qiáng)度隨傳播距離的增加而逐漸減弱的現(xiàn)象。的增加而逐漸減弱的現(xiàn)象。 主要原因：反射、散射、吸收、擴(kuò)散 不同組織，吸收系數(shù)不同，衰減程度不同蛋白質(zhì)衰減比水大，含水多的組織衰減小； 相同組織，入射深度越大，衰減越

10、大； 相同組織，入射超聲頻率越高，衰減越大； 儀器調(diào)節(jié)時(shí)，可以調(diào)節(jié)“深度增益補(bǔ)償。”（六）多普勒效應(yīng)（六）多普勒效應(yīng)xfxeAA)(0第二節(jié) 超聲與生物組織間的相互作用第二節(jié) 超聲與生物組織間的相互作用二、入射超聲對(duì)生物組織的作用二、入射超聲對(duì)生物組織的作用 超聲的生物效應(yīng)超聲的生物效應(yīng) 當(dāng)一定劑量的超聲波在生物體內(nèi)傳播時(shí)，通過(guò)超聲與生物組織的相互作用，可以引起生物體的功能、結(jié)構(gòu)或狀態(tài)的變化 1. 1.熱機(jī)制熱機(jī)制 超聲聲能轉(zhuǎn)換成生物組織的熱能 2. 2.機(jī)械機(jī)制機(jī)械機(jī)制 超聲聲能轉(zhuǎn)換成生物組織的機(jī)械能 3. 3.空化機(jī)制空化機(jī)制 超聲聲能使生物組織中的氣泡活性改變第二節(jié) 超聲與生物組織間的相

11、互作用損傷主要由機(jī)械機(jī)制為主：損傷主要由機(jī)械機(jī)制為主： 低聲強(qiáng)長(zhǎng)時(shí)間作用以熱機(jī)械為主 高聲強(qiáng)短輻射作用以空化機(jī)制為主 聲強(qiáng)的表示以多用空間峰值時(shí)間平 均聲強(qiáng)作為標(biāo)準(zhǔn)。第二節(jié) 超聲與生物組織間的相互作用三、超聲診斷的安全性及注意事項(xiàng)三、超聲診斷的安全性及注意事項(xiàng) 1.1.超聲強(qiáng)度的計(jì)算方式超聲強(qiáng)度的計(jì)算方式 空間平均時(shí)間平均聲強(qiáng)；空間平均時(shí)間平均聲強(qiáng)； 空間峰值時(shí)間平均聲強(qiáng)；空間峰值時(shí)間平均聲強(qiáng)； 為多個(gè)國(guó)家和組織采用為多個(gè)國(guó)家和組織采用 空間平均時(shí)間峰值聲強(qiáng)；空間平均時(shí)間峰值聲強(qiáng)； 空間峰值時(shí)間峰值聲強(qiáng)。空間峰值時(shí)間峰值聲強(qiáng)。 2. 2.安全聲強(qiáng)（美國(guó)安全聲強(qiáng)（美國(guó)FDAFDA，我國(guó)超聲標(biāo)準(zhǔn)化

12、委員會(huì)推，我國(guó)超聲標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)推薦）薦） 空間峰值時(shí)間平均聲強(qiáng)：小于空間峰值時(shí)間平均聲強(qiáng)：小于100毫瓦毫瓦/平方厘米平方厘米第二節(jié) 超聲與生物組織間的相互作用 3.3.超聲探測(cè)的安全性（世界衛(wèi)生組織建議）超聲探測(cè)的安全性（世界衛(wèi)生組織建議） (1) (1) 只有在醫(yī)學(xué)上具有明確理由時(shí)，才對(duì)人體只有在醫(yī)學(xué)上具有明確理由時(shí)，才對(duì)人體使用診斷超聲；使用診斷超聲； (2) (2) 以商業(yè)顯示和獲得實(shí)驗(yàn)圖像為目的時(shí)，不以商業(yè)顯示和獲得實(shí)驗(yàn)圖像為目的時(shí)，不應(yīng)把超聲用于輻照人體，特別是輻照孕婦；應(yīng)把超聲用于輻照人體，特別是輻照孕婦； (3) (3) 在保證獲得良好圖像質(zhì)量和取得必要的診在保證獲得良好圖像質(zhì)

13、量和取得必要的診斷信息前提下，應(yīng)使超聲診斷設(shè)備的輸出強(qiáng)度盡斷信息前提下，應(yīng)使超聲診斷設(shè)備的輸出強(qiáng)度盡可能小。可能小。 第二節(jié) 超聲與生物組織間的相互作用 4.4.超聲探測(cè)應(yīng)遵循的原則超聲探測(cè)應(yīng)遵循的原則v 在明確診斷目的的情況下，應(yīng)積極使用超聲診斷在明確診斷目的的情況下，應(yīng)積極使用超聲診斷技術(shù)。技術(shù)。v 在超聲診斷過(guò)程中，必須堅(jiān)持最小劑量原則。即在超聲診斷過(guò)程中，必須堅(jiān)持最小劑量原則。即在保證獲得必要診斷信息的前提下，應(yīng)采用最小在保證獲得必要診斷信息的前提下，應(yīng)采用最小超聲強(qiáng)度和最短輻照時(shí)間。超聲強(qiáng)度和最短輻照時(shí)間。v 拒絕一切與診斷無(wú)關(guān)的胎兒超聲顯像。拒絕一切與診斷無(wú)關(guān)的胎兒超聲顯像。v 對(duì)

14、早孕胚胎不做或少做超聲探測(cè)，對(duì)對(duì)早孕胚胎不做或少做超聲探測(cè)，對(duì)3 3個(gè)月以上個(gè)月以上的胎兒定期超聲探測(cè)時(shí)，應(yīng)控制在的胎兒定期超聲探測(cè)時(shí)，應(yīng)控制在3 35 5分鐘之內(nèi)分鐘之內(nèi)完成。完成。第二節(jié) 超聲與生物組織間的相互作用 5.5.超聲探測(cè)的注意事項(xiàng)超聲探測(cè)的注意事項(xiàng)v 成人超聲探測(cè)成人超聲探測(cè) 顱腦檢查時(shí)顱腦檢查時(shí) 每一固定切面持續(xù)檢查時(shí)間控制在每一固定切面持續(xù)檢查時(shí)間控制在2 2分鐘以內(nèi)；分鐘以內(nèi)； 眼球檢查時(shí)眼球檢查時(shí) 每一固定切面持續(xù)檢查時(shí)間不應(yīng)超過(guò)半分鐘；每一固定切面持續(xù)檢查時(shí)間不應(yīng)超過(guò)半分鐘； 卵巢、睪丸檢查時(shí)卵巢、睪丸檢查時(shí) 每一固定切面持續(xù)檢查時(shí)間不應(yīng)超過(guò)每一固定切面持續(xù)檢查時(shí)間不

15、應(yīng)超過(guò)1 1分鐘。分鐘。第二節(jié) 超聲與生物組織間的相互作用v 產(chǎn)科超聲探測(cè)產(chǎn)科超聲探測(cè) 對(duì)不足對(duì)不足3 3個(gè)月的早孕孕婦個(gè)月的早孕孕婦 盡量不用超聲進(jìn)行常規(guī)檢查；盡量不用超聲進(jìn)行常規(guī)檢查； 對(duì)于有習(xí)慣性流產(chǎn)或已有先兆流產(chǎn)癥狀者對(duì)于有習(xí)慣性流產(chǎn)或已有先兆流產(chǎn)癥狀者 3 3個(gè)月內(nèi)不建議做超聲探測(cè)。必須要進(jìn)行超聲個(gè)月內(nèi)不建議做超聲探測(cè)。必須要進(jìn)行超聲探測(cè)時(shí)，應(yīng)控制每一固定切面檢查持續(xù)時(shí)間在探測(cè)時(shí)，應(yīng)控制每一固定切面檢查持續(xù)時(shí)間在1 1分鐘以內(nèi)；分鐘以內(nèi)； 對(duì)對(duì)3 3個(gè)月以上胎兒個(gè)月以上胎兒 在腦、心、眼、脊髓等臟器檢查時(shí)，每一固定在腦、心、眼、脊髓等臟器檢查時(shí)，每一固定切面持續(xù)時(shí)間不應(yīng)超過(guò)切面持續(xù)時(shí)間不應(yīng)超過(guò)2 2分鐘，其他臟器可適當(dāng)分鐘，其他臟器可適當(dāng)延長(zhǎng)檢查時(shí)間。檢查時(shí)應(yīng)不斷移動(dòng)探頭。延長(zhǎng)檢查時(shí)間。檢查時(shí)