超声诊断物理基础.doc
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超声诊断物理基础
第一节 超声波的概念
一、超声波的基本概念
1.超声波是指频率超过人耳听觉范围(20～20 000Hz)的高频声波，即：频率>20 000Hz(赫)的机械(振动)波。
2.超声波属于声波范畴，它具有声波的共同物理性质。例如：必须通过弹性介质进行传播；在液体、气体和人体软组织中的传播方式为纵波(疏密波)；具有反射、折射、衍射和散射特性，以及在不同介质中(空气、水、软组织、骨骼)分别具有不同的声速和不同的衰减等。
3.诊断最常用的超声频率是2～10MHz(1MHz＝106Hz)。
二、声学基本物理量
超声有三个基本物理量。即：频率(f)、波长(λ)和声速(c)。三者之间的关系如下：
＝c/f
由于频率不同的声波在同一介质中传播的速度(c)基本相同，因此，超声波长(λ)与频率(f)成反比--频率愈高，波长则俞短。
在不同的介质中，声速有很大的差别：空气(20℃)344m/s，水(37℃)1524m/s，肝脏1570m/s，脂肪1476m/s，颅骨3360m/s。
人体软组织的声速平均为1540m/s，与水的声速接近。骨骼的声速最高(股骨长度测值小，脂肪测值过大)，相当于软组织平均声速的2倍以上(表1-1)。
(不同频率在相同组织，声速相同；相同频率在不同组织中，声速不同)
表1-1医学超声常用介质的密度、声速和声特征阻抗
介质名称密度(g/cm3)声速(m/s)声阻抗(1×105瑞利)空气(20℃)0.001 183440.000 4水0.993 81 5231.513生理盐水(37℃)1.0021 5341.537血液1.0551 5701.656肝脏1.0501 5701.648肾脏1.0381 5611.62肌肉1.0741 5681.684脂肪0.9551 4761.410颅骨1.6583 3605.570 诊断用超声功率：诊断用的超声功率一般很小。有关超声的物理量及其意义，可参见"超声生物学效应"节(后述)。
三、声场
(一)超声场 发射超声在介质中传播时其能量所达到的空间。超声场简称声场，亦可称为声束。
(二)声场特性
1.扫描声束的形状、大小(粗细)及声束本身的能量是特殊的，随所用探头的形状、大小、阵元数及其排列、工作频率(超声波长)、有无聚焦以及聚焦的方式不同而有很大差异。此外，声束还受人体组织不同程度吸收衰减、反射、折射和散射等影响，即超声与人体组织间相互作用的影响。因此，利用超声束成像与其他影像技术如CT扫描用的X线束成像相比，二者之间有着非常显著的区别。例如X线束可呈单纯的细线状，波长极短，对人体组织穿透力很强，而且没有与人体组织间相互作用。这与人体组织内超声束(声场)的复杂多变性，形成了鲜明对比。
2.声束由一个大的主瓣和一些小的旁瓣组成。超声成像主要依靠探头发射高度指向性的主瓣并接收回声反射(echoes)；旁瓣的方向总有偏差，容易产生伪像。
3.声场可分为近场和远场两部分。现以最简单的圆形单晶片探头为例来分析声束复杂的形态及其能量分布。
(1)近场声束集中，呈圆柱形。其直径接近于探头直径(较粗)；其长度取决于超声频率和探头的半径。公式如下：L=(2r?f)/c 式中，L为近场长度；r为振动源半径；f为频率；c为声速。
近场虽呈规则的圆柱形，实际上由于旁瓣的相互作用，其横断面上的声能分布很不均匀，以致可以影响或严重影响诊断。
(2)远场声束扩散，呈喇叭形。远场声束向周围空间扩散，其直径不断增加(更粗大)，安其横断面声的能量分布较均匀。
声束向两侧扩散的角度称为扩散角(2θ)，向其一侧扩散的角度称为半扩散角(θ)。声束的扩散角愈小，指向性愈好。
4.超声波指向性优劣的指标是近场的长度和扩散角。
超声频率愈高，波长俞短，则近场愈长，扩散角愈小，声束的指向性亦愈好。增加探头孔径(直径)也可改善声束的指向性，但是探头频率直径增加会降低横向分辨力。因此，现代超声诊断装置普遍采用小巧的聚焦探头，以减少远场声束的扩散。
(三)声束聚焦与分辨力
采用聚焦技术，可使聚焦区超声束变细，减少远场声束扩散，改善图像横向和/或侧向分辨力。
1.聚焦的方法
(1)固定式声透镜聚焦--将声透镜贴附在探头表面。常用于线阵探头、凸阵探头，以提高其横向分辨力。此法远场仍然散焦。
(2)电子相控阵聚焦
利用延迟发射，使声束偏转，实现线阵、凸阵等多阵元探头的发射聚焦或多点聚焦，用提高其横向分辨力。
在长轴方向对整齐声束的回声途径上自动、不断地进行全程接收聚焦，亦称动态聚焦(全程动态实时)。
利用环阵探头进行环阵相控聚焦，改善横向、侧向分辨力。
其他聚焦新技术：如二维多阵元探头，弥补现有聚焦的不足。
2.聚焦声束与非聚焦声束的比较
(1)聚焦区声束明显变细，横向和侧向分辨力可望大大改善。
(2)近场区(旁瓣区)声能分布不均匀现象依然存在。
(3)远场区的非聚焦部分聚焦现象依然存在，某些单阵元探头和质量低劣的探头或许更为严重。
(4)总体来说聚焦声束的形状和大小仍较奇特，与纤细的X线束相比，尚有颇大的差别。
第二节 超声的物理特性
超声波具有声波的一般共性已如前述。超声的物理特性除上面提到的声场而外，还有以下几点。
一、束射特性(方向性)
超声成束发射，类似光线，符合几何光学定律(如反射、折射、聚焦、散焦)。束射特性或方向性是诊断用超声首要的物理特性。
1.大界面与界面反射(specular reflection)
(1)声波发射时，当遇密度(ρ)和声速(c)不同的两种介质构成的大界面(boundary surface)，会发生反射和折射(透射)，包括回声反射(echo reflection)。
(2)界面回声反射的角度依赖性：
大界面是指长度大于声束波长的界面
①入射声束垂直大于界面时，回声反射强。
②入射声束与大界面倾斜时，回声反射减弱甚至消失。
假设垂直时回声反射强度为100%，倾斜6°(入射角θ)时，回声强度降低至10%；倾斜12°时，降至1%。如果倾斜角≥20°，则几乎检测不到回声反射时，也称"回声失落"。可见，大界面的回声反射有非常显著的角度依赖性。
(3)界面回声反射的强度(intensity)是由反射系数决定的
反射系数RI=[(Z2-Z1)/(Z2+Z1)]2 式中，Z1、Z2代表两种介质的声阻抗，Z＝ρ×c(参见表1-1)。
由式中可见：两种介质的声阻差愈大，界面反射愈强(Z2>> Z1)；两种介质声阻差相等，界面反射消失(Z2＝Z1)。两种介质存在着声阻差，是界面反射的必要条件(Z2≠Z1)。
(4)界面回声反射的能量与界面形状密切相关 ......
超声诊断物理基础
第一节 超声波的概念
一、超声波的基本概念
1.超声波是指频率超过人耳听觉范围(20～20 000Hz)的高频声波，即：频率>20 000Hz(赫)的机械(振动)波。
2.超声波属于声波范畴，它具有声波的共同物理性质。例如：必须通过弹性介质进行传播；在液体、气体和人体软组织中的传播方式为纵波(疏密波)；具有反射、折射、衍射和散射特性，以及在不同介质中(空气、水、软组织、骨骼)分别具有不同的声速和不同的衰减等。
3.诊断最常用的超声频率是2～10MHz(1MHz＝106Hz)。
二、声学基本物理量
超声有三个基本物理量。即：频率(f)、波长(λ)和声速(c)。三者之间的关系如下：
＝c/f
由于频率不同的声波在同一介质中传播的速度(c)基本相同，因此，超声波长(λ)与频率(f)成反比--频率愈高，波长则俞短。
在不同的介质中，声速有很大的差别：空气(20℃)344m/s，水(37℃)1524m/s，肝脏1570m/s，脂肪1476m/s，颅骨3360m/s。
人体软组织的声速平均为1540m/s，与水的声速接近。骨骼的声速最高(股骨长度测值小，脂肪测值过大)，相当于软组织平均声速的2倍以上(表1-1)。
(不同频率在相同组织，声速相同；相同频率在不同组织中，声速不同)
表1-1医学超声常用介质的密度、声速和声特征阻抗
介质名称密度(g/cm3)声速(m/s)声阻抗(1×105瑞利)空气(20℃)0.001 183440.000 4水0.993 81 5231.513生理盐水(37℃)1.0021 5341.537血液1.0551 5701.656肝脏1.0501 5701.648肾脏1.0381 5611.62肌肉1.0741 5681.684脂肪0.9551 4761.410颅骨1.6583 3605.570 诊断用超声功率：诊断用的超声功率一般很小。有关超声的物理量及其意义，可参见"超声生物学效应"节(后述)。
三、声场
(一)超声场 发射超声在介质中传播时其能量所达到的空间。超声场简称声场，亦可称为声束。
(二)声场特性
1.扫描声束的形状、大小(粗细)及声束本身的能量是特殊的，随所用探头的形状、大小、阵元数及其排列、工作频率(超声波长)、有无聚焦以及聚焦的方式不同而有很大差异。此外，声束还受人体组织不同程度吸收衰减、反射、折射和散射等影响，即超声与人体组织间相互作用的影响。因此，利用超声束成像与其他影像技术如CT扫描用的X线束成像相比，二者之间有着非常显著的区别。例如X线束可呈单纯的细线状，波长极短，对人体组织穿透力很强，而且没有与人体组织间相互作用。这与人体组织内超声束(声场)的复杂多变性，形成了鲜明对比。
2.声束由一个大的主瓣和一些小的旁瓣组成。超声成像主要依靠探头发射高度指向性的主瓣并接收回声反射(echoes)；旁瓣的方向总有偏差，容易产生伪像。
3.声场可分为近场和远场两部分。现以最简单的圆形单晶片探头为例来分析声束复杂的形态及其能量分布。
(1)近场声束集中，呈圆柱形。其直径接近于探头直径(较粗)；其长度取决于超声频率和探头的半径。公式如下：L=(2r?f)/c 式中，L为近场长度；r为振动源半径；f为频率；c为声速。
近场虽呈规则的圆柱形，实际上由于旁瓣的相互作用，其横断面上的声能分布很不均匀，以致可以影响或严重影响诊断。
(2)远场声束扩散，呈喇叭形。远场声束向周围空间扩散，其直径不断增加(更粗大)，安其横断面声的能量分布较均匀。
声束向两侧扩散的角度称为扩散角(2θ)，向其一侧扩散的角度称为半扩散角(θ)。声束的扩散角愈小，指向性愈好。
4.超声波指向性优劣的指标是近场的长度和扩散角。
超声频率愈高，波长俞短，则近场愈长，扩散角愈小，声束的指向性亦愈好。增加探头孔径(直径)也可改善声束的指向性，但是探头频率直径增加会降低横向分辨力。因此，现代超声诊断装置普遍采用小巧的聚焦探头，以减少远场声束的扩散。
(三)声束聚焦与分辨力
采用聚焦技术，可使聚焦区超声束变细，减少远场声束扩散，改善图像横向和/或侧向分辨力。
1.聚焦的方法
(1)固定式声透镜聚焦--将声透镜贴附在探头表面。常用于线阵探头、凸阵探头，以提高其横向分辨力。此法远场仍然散焦。
(2)电子相控阵聚焦
利用延迟发射，使声束偏转，实现线阵、凸阵等多阵元探头的发射聚焦或多点聚焦，用提高其横向分辨力。
在长轴方向对整齐声束的回声途径上自动、不断地进行全程接收聚焦，亦称动态聚焦(全程动态实时)。
利用环阵探头进行环阵相控聚焦，改善横向、侧向分辨力。
其他聚焦新技术：如二维多阵元探头，弥补现有聚焦的不足。
2.聚焦声束与非聚焦声束的比较
(1)聚焦区声束明显变细，横向和侧向分辨力可望大大改善。
(2)近场区(旁瓣区)声能分布不均匀现象依然存在。
(3)远场区的非聚焦部分聚焦现象依然存在，某些单阵元探头和质量低劣的探头或许更为严重。
(4)总体来说聚焦声束的形状和大小仍较奇特，与纤细的X线束相比，尚有颇大的差别。
第二节 超声的物理特性
超声波具有声波的一般共性已如前述。超声的物理特性除上面提到的声场而外，还有以下几点。
一、束射特性(方向性)
超声成束发射，类似光线，符合几何光学定律(如反射、折射、聚焦、散焦)。束射特性或方向性是诊断用超声首要的物理特性。
1.大界面与界面反射(specular reflection)
(1)声波发射时，当遇密度(ρ)和声速(c)不同的两种介质构成的大界面(boundary surface)，会发生反射和折射(透射)，包括回声反射(echo reflection)。
(2)界面回声反射的角度依赖性：
大界面是指长度大于声束波长的界面
①入射声束垂直大于界面时，回声反射强。
②入射声束与大界面倾斜时，回声反射减弱甚至消失。
假设垂直时回声反射强度为100%，倾斜6°(入射角θ)时，回声强度降低至10%；倾斜12°时，降至1%。如果倾斜角≥20°，则几乎检测不到回声反射时，也称"回声失落"。可见，大界面的回声反射有非常显著的角度依赖性。
(3)界面回声反射的强度(intensity)是由反射系数决定的
反射系数RI=[(Z2-Z1)/(Z2+Z1)]2 式中，Z1、Z2代表两种介质的声阻抗，Z＝ρ×c(参见表1-1)。
由式中可见：两种介质的声阻差愈大，界面反射愈强(Z2>> Z1)；两种介质声阻差相等，界面反射消失(Z2＝Z1)。两种介质存在着声阻差，是界面反射的必要条件(Z2≠Z1)。
(4)界面回声反射的能量与界面形状密切相关 ......
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