超声基础知识 一 超声波的产生和特性 超声波的产生物体的机械振动是产生波的源泉 波的频率取决于物体的振动频率 可见 整个声波频谱是比较宽的 其中只有可听声波才能为人耳所听到 而次声 超声虽然属于声波却不能为人耳所察觉 在自然界存在着多种多样的超声波 如某些昆虫和哺乳动物就能发出超声波 又如风声 海浪声 喷气飞机的噪声中都含有超声波成分 在医学诊断上所使用的超声波是由压电晶体一类的材料制成的超声探头产生的 眼科方面所使用的超声频率在5 15MHz范围内 心和腹部所使用的超声频率在2 10MHz范围内 横波是质点振动方向与波的传播方向垂直的波 一个典型的例子便是软绳上的波 我们不妨把软绳看成密集质点的集合 如果不断地摆动软绳的一头 则一系列的横向振动的波就由绳子的左端向右端移去 而绳上各质点并不随波的传播方向移去 只是在各自的平衡位置附近作横向 剪切形式 的振动 横波不能在液体及气体介质中传播 这是因为液体和气体无切变弹性 由超声诊断仪所发射的超声波 在人体组织中是以纵波的方式传播的 就是因为人体软组织基本无切变弹性 横波在人体组织中不能传播 与普通声波 可闻波 相比 超声波具有许多特性 其中最突出的有 由于超声波的频率高 因而波长很短 它可以像光线那样沿直线传播 使我们有可能只向某一确定的方向发射超声波 由超声波所引起的媒质微粒的振动 即使振幅很小 加速度也非常大 因此可以产生很大的力量 超声波的这些特性 使它在近代科学研究 工业生产和医学领域等方面得到日益广泛的应用 例如 我们可以利用超声波来测量海底的深度和探索鱼群 暗礁 潜水艇等 在工业上 则可以用超声波来检验金属内部的气泡 伤痕 裂隙等缺陷 在医学领域则可以用超声波来灭菌 清洗 更重要的用途是做成各种超声波治疗和诊断仪器 二 超声波的物理量1 声速声波在介质中单位时间内传播的距离 称为声速 用符号c表示 单位为m s 米 秒 声波的传播过程实质上是能量的传递过程 它不仅需要一定时间 而且其传递速度的快慢还与介质的密度及弹性 介质的特性以及波动的类型有关 在有关介质中的超声速度 2 周期和频率质中的质点在平衡位置往返振动1次所需要的时间叫周期 用T表示 单位是秒 s 在1s的时间内完成振动的次数称为频率 用f表示 单位为周 s 又称作Hz Hz 周期与频率成互为倒数关系 以下式表示 f 1 T超声诊断常用的频率范围在0 8 15MHz之间 而最常用的为2 5 10 MHz 3 波长在一个周期内 声波所传播的距离就是一个波长 用 表示 对于纵波 等于两相邻密集点 或稀疏点 间的距离 对于横波 则是从一个波峰 或波谷 到相邻波峰 波谷 的距离 c f频率和波长在超声成像中是2个极为重要的参数 波长决定了成像的极限分辨率 而频率则决定了可成像的组织深度 下表给出了医学超声诊断常用的几种超声波频率与其波长 周期和极限分辨力的关系 波长 周期与极限分辨力之间的关系 注 取超声波在人体中传播的平均声速c 1540mm s作为换算标准 4 声压 纵波在弹性媒质内传播过程中 媒质质点的压强是随时间变化的 媒质质点的密度时疏时密 从而使平衡区的压力时强时弱 结果导致有波动时压强 PW 与无波动时压强 PO 之间有一定额压强差 PW PO 这一波动压强称为声压 对于一无吸收媒质的平面波 有波动时压强的最大值与没有波动作用时各点压强的差值称为压强振幅 Pm 它可由下式确定 Pm cVm即 声压振幅Pm与媒质密度 质点运动速度的最大值Vm及波速c成正比 5 声强 声强是表示声的客观强弱的物理量 它用每秒钟通过垂直于声波传播方向的1平方厘米面积的能量来度量 它的单位是焦耳 秒 平方厘米 J s cm2 声强与声源的振幅有关 振幅越大 声强也越大 振幅越小 声强也越小 当声源发出的声波向各个方向传播时 其声强将随着距离的增大而逐渐减弱 这是由于声源在单位时间内发出的能量是一定的 离开声源的距离越远 能量的分布面也越大 因此通过单位面积的能量就越小 基于这一原理 在超声诊断探头发射超声时 必须考虑波束的聚焦 它可以减小声能的分散 使声能向一个比较集中的方向传播 因而可以增加诊断探测的深度 6 声阻抗率声阻抗率是描述声波传播弹性媒质的一个重要物理量 对于各向同性的均匀媒质中无衰减的平面自由行波来说 媒质中某点有效声压P与振动质点速度有效值V之比称为声阻抗率 它用Zs表示 Zs P V c实际上 声压与质点振速不一定同相位 所以声阻抗率是2个同频率 但不同相的余弦量的比值 并不是一个恒量 对于无衰减的平面行波 声压和振速可视为同相 媒质各点的声阻抗率是同一个恒量 c 对一定频率的声波来说 它只决定于媒质密度 和波速c的乘积 声阻抗率和电学中一个无限长 无损耗传输线的特性阻抗相似 其中声压相当于电压 振速相当于电流强度 声阻抗率相当于电阻 通常声阻抗率是一个复数 其实部称为声阻率 虚部称为声抗率 人体正常组织的声阻抗率的平均值约为1 5 106牛顿 秒 米3 N s m3 而与超声测量有关材料的密度和 几种物质及人体组织的声阻抗率 三 生物组织与超声波之间的相互影响 1 生物组织对超声的衰减当超声波在生物组织中传播时 作为传播介质的生物组织对超声的衰减机制是十分复杂的 除组织对超声波的反射 散射等引起的能量的分散之外 组织对超声能量的吸收而造成的衰减亦不可忽视 在生物组织中 造成吸收衰减的内在原因主要有介质质点的粘滞性 导热系数和温度等因素 而这些因素造成对超声衰减的大小又与超声的频率有关 超声衰减在人体中与传播距离成正比 超声传播到其强度减弱一半的距离叫半价层 因此 可以用半价层来表明生物组织吸收的大小 人体组织 器官的超声半价层如下表所示 人体组织 器官的超声半价值 可见 血液的半价层最大 这说明血液对超声的衰减最小 在人体中 不同的组织由于具有不同的介质密度和性质 也往往表现出对超声不同的衰减系数 实测结果表明 人体中血液和眼球玻璃体液吸收声能最小 肌肉组织吸收稍强 纤维组织及软骨吸收声能较大 而骨骼对超声的吸收最大 下表出了人体主要组织成分对不同频率超声的衰减系数 人体主要组织成分对不同频率超声的衰减系数 由于超声在人体中的衰减与超声频率有关 因此 研究超声衰减与频率的关系 对超声仪器的设计和使用都颇具意义 实验结果表明 在1 15MHz超声频率范围内 人体组织对超声波的吸收衰减系数几乎与频率成正比 人体软组织对超声的平均衰减系数约为0 81dB cm MHz 其含义是超声波频率每增加1MHz或超声传播距离每增加1cm 则组织对超声的衰减增加0 81dB 因此 对一个3MHz声束 当其在人体软组织中传播10cm时 则声强衰减可达 0 81dB cm MHz 3MHz 10cm 24 3dB而当频率升高到10MHz时 传播相同的距离所导致的声强衰减将达 0 81dB cm MHz 10MHz 10cm 81dB这就说明频率的因素甚为重要 因此 根据探查部位的组织不同和深度不同 合理选择使用探头的频率 对诊断效果将有较大影响 2 超声波的反射 折射与透射超声波在人体组织内传播不仅有衰减 同时还存在着反射 折射与透射现象 在人体均质性组织内传播时 超声波只沿其传播方向前进 此时不存在反射 折射问题 如果超声波在非均质性组织内传播或从一种组织传播到另一种组织 由于两种组织声阻抗的不同 在声阻抗改变的分界面上便会产生反射 折射与透射 3 超声波的生物效应超声波是一种依靠介质来传播的声波 它具有机械能 因此 在传播的过程中将不可避免地和介质相互作用 产生各种效应 比如声波能量作用于介质 会引起质点高频振动 产生速度 加速度 声压和声强等力学量的改变 从而引起机械效应 由于介质对超声能量的吸收 将使介质温度升高 从而引起热效应 当超声波作用于液体时 会使液体内部压力发生变化 产生压力或拉力 当拉力达到一定强度 可以使液体分子断裂 产生近于真空的空穴 引起所谓空穴效应 也称空化效应 等 当超声作用于生物组织时 以上提到的各种物理效应同样存在 因而会对生物组织产生某些生物效应 比如 由于生物组织的粘滞性而造成的吸收 将使一部分声能转化为热能 使生物组织产生温升 当超声能量达到一定强度的时候 除产生热效应外 空化效应的结果还可能使组织细胞产生破坏性形变 因此 虽然目前普遍地认为超声对人体的危害甚微 但诊断用超声剂量并不被认为是越大越好 一般接受的剂量应小于安全剂量50焦耳 平方厘米 J cm2 并且最大照射强度低于100mW cm2 然而 超声能终归是一种机械能 它不同于各种有损射线 所以 利用超声波所实现的各种检查治疗手段 应该说是比较安全的 四 B超原理 B超属于超声诊断学 在现代医学影像学中超声诊断学与CT X线 核医学 磁共振并驾齐驱 B超经过了3个发展阶段 普通B超 彩色B超 三维B超 五 工作原理 基本原理 在超声诊断仪中探头是一种声电换能器 同时兼有超声波发射器及接收器的功能 超声探头以逆电装置 以电脉冲转变成为声脉冲 发射超声波 通过与人体组织复合的阻抗作用产生回波 由正压电装置 脉冲转为电脉冲 接收回波 形成图像 简单的说B超就是向人体发射超声波 同时接收体内脏器的反射波 将所携带信息反映在屏幕上 六 B超的优缺点 优点 无创性检查 能够实时显示体内结构 软组织优于CT 区别囊实性优于CT 及时判断 复查便捷 设备投资相对较少 对工作环境要求相对较低 缺点 对含气脏器和骨质结构难以传到至深部成像 成像效果不如CT及MRI重复性不好图象易受气体和皮下脂肪的干扰伪像干扰图象显示范围较小医生手法要求高 十 整机组成 主机 探头 监视器 专用软件组成