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超声基础知识总结物理基础基本概念人耳听觉范围:20-20000HZ 超纵声波频率20000HZ纵波(疏密波):粒子运动平行于波传播轴; 诊断最常用超声频率:2-10MHZ基本物理量:频率(f)、波长()、声速(c);三者关系:cf 人体软组织的声速平均为1540m/s,与水的声速相近;骨骼的声速最高,相当于软组织平均声速的2倍以上。 超声场:发射超声在介质中传播时其能量所达到的空间;简称声场,又称声束。 声束的影响因素:探头的形状、大小;阵元数及其排列;工作频率(超声的波长);有无聚焦及聚焦的方式;吸收衰减;反射、折射和散射等。 声束由一个大的主瓣和一些小的旁瓣组成。超声的成像主要依靠探头发射高度指向性的主瓣并接收回声;旁瓣的反向总有偏差,容易产生伪像。 声场可分为近场和远场两部分 (1)近场声束集中,呈圆柱状; 直径探头直径(较粗); (横断面声能分布不均匀) 长度超声频率和探头半径。 公式:L(2rf)c L为近场长度, r为振动源半径, f为频率, c为声速 (2)远场声束扩散,呈喇叭状;声束扩散角越小,指向性越好。(横断面声能分布较均匀) 声束两侧扩散的角度为扩散角(2);半扩散角()。 超声波指向性优劣指标是近场长度和扩散角。 影像因素:增加超声频率;近场变断、扩散角变小; 增加探头孔径(直径)但横向分辨率下降。 采用聚焦技术方法:固定式声透镜聚焦; 电子相控阵聚焦; 声束聚焦:采用声束聚焦技术,可改善图像的横向和(或)侧向分辨力。 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; 可提高横向分辨力,但远场仍散焦。电子相控阵聚焦(1)利用延迟发射是声束偏转,实现发射聚焦或多点聚焦;可提高侧向分辨力; 常用于线阵探头、凸阵探头; (2)动态聚焦:在长轴方向上全程接收聚焦。 (3)利用环阵探头进行环阵相控聚焦; 可改善横向、侧向分辨力; (4)其他聚焦技术:如二维多阵元探头。超声物理特性: 一、束射特性(方向性)是诊断用超声首要的物理特性; (如反射、折射、聚焦、散焦) 大界面:指长度大于声束波长的界面;大界面的回声反射有显著的角度依赖性。 入射声束垂直于大界面时,回声反射强; 入射声束与大界面倾斜时,回声反射减弱甚至消失。 两种介质存在真声阻抗,是界面反射的必要条件。声强反射系数(R1)(Z2Z1)2(Z2Z1) Z1,Z2代表两种介质的声阻抗;声阻抗密度声速 界面回声反射的能量与界面形状密切相关:垂直于凹面聚焦;垂直于凸面散焦; 垂直于不规则面乱散射。 超声界面反射的特点:非常敏感。 人体许多器官如肝、脾、胆囊的包膜、腹壁各层肌肉筋膜以及皮肤层都是典型的大界面。 小界面:指小于声束波长的界面。其后散射(背向散射)回声无角度依赖性。 后散射:超声遇到肝、脾等实质性器官或软组织内的细胞、包括成堆的红细胞(称散射体),会发生微弱的散射波。散射波向四面八方分散能量,只有朝向探头的微弱散射信号后散射(背向散射),才会被检测到。 现代超声诊断仪正是利用大界面反射原理,能够清楚显示体表和内部的表面和轮廓;还利用无数小界面后散射的原理,清楚显示人体表层,以至于内部器官、组织复杂而细微的结构。 二、衰减特性衰减与超声传播距离和频率有关; 衰减的原因主要有吸收、散射、声束扩散。 软组织平均衰减系数:1dB/cmMHz;蛋白质成分是人体组织衰减的主要因素(占80%)。 衰减规律:骨软骨肌腱肝、肾血液尿液、胆汁; 超声的分辨力:显示器上能区分声束中两个细小目标的能力或最小距离。 影像因素:超声波得频率; 脉冲宽度;声束宽度(聚焦);声场远近和能量分布;探头类型;仪器功能(二维图像中像素多少、灰阶的级数多少等)。 分类:空间分辨力(与声束特性有关) 轴向(纵向)分辨力:与超声频率(正)和超声宽度(负)有关;理论值:2 横向分辨力:与探头厚度方向上声束的宽度和曲面聚焦性能有关;常采用透镜聚焦 侧向分辨力:与探头长轴方向上声束的宽度有关; 常采用相控聚焦 细微分辨力宽频带和数字化声束处理; 对比分辨力与灰阶级数有关; 时间分辨力单位时间成像速度即帧频 超声的生物学效应声功率:单位时间内探头发出的功率。单位:W或mW; 声强:单位面积上声功率。单位:W/cm2或mW/cm2; ISPTA:空间峰值时间平均声强(mW/cm2) ISPPA:空间峰值脉冲平均声强(W/cm2) 分贝:两个声强的比值;超声系统可控制的最大能量与最小能量之比为动态范围。 生物学分类热效应:诊断用超声一般不会造成明显的温度升高;(mW/cm2级) 空化效应:可形成气体微泡;诊断用超声尚未得到证实; 对细胞畸变、染色体、组织器官的影响; 高强聚焦超声(HIFU):热凝固和杀灭肿瘤细胞作用; (KW/cm2级) 强烈机械震荡用于碎石治疗; 在物理治疗学方面的作用(W级,一般0.5-3 W/cm2) 超声辐射剂量是超声强度与辐射时间的乘积。 热指数(TI):1.0以下无致伤性,胎儿应调至0.4以下;眼球应0.2以下; 机械指数(MI):指超声驰张期的负压峰值(MPa数)与探头中心频率(MHz)的平方的比值。1.0以下无致伤性,胎儿应调至0.3以下;眼球应0.1以下; 超声声学造影应采用低机械指数,可以防止微气泡破裂,提高造影效果。多普勒超声技术的基础及应用 多普勒效应的公式:fd2Vcosf0cVfd c2f0cos 在超声医学诊断中,V为红细胞运动速度;fd为多普勒效应产生的红细胞散射回声的频移;c探头发射的超声在人体组织中的传播速度;f0为探头发射的超声频率;为探头发射的超声的传播方向与红细胞运动方向间的夹角。 分类脉冲多普勒:选择性接收回声信号,所需检测位置的深度用延迟电路完成; 连续多普勒:无选择检测深度的功能,但可测很高速的血流; 高脉冲重复频率(HPRF)多普勒:增大检测血流的能力;可有多个取样容积。 多普勒超声所检测的不是一个红细胞,而是众多的红细胞,各个红细胞的运动速度及方向不可能完全相同,因此,出现多种不同颜色的频移信号,被接受后成为复杂的频谱分布(波形),对它用快速傅立叶转换技术(FFT)进行处理后,把复杂的频谱信号分解为若干个单频信号之和,以流速-时间曲线波形显示,以便于从中了解血流的方向、速度、时相、血流性质等问题。 脉冲多普勒技术的局限性: (1)最大频移即最大测量速度受脉冲重复频谱频率的限制(fdPRF/2) (2)PRF与检测深度(d)的关系:dc/2PRF,说明检测深度受PRF的影响; (3)检测深度(d)与速度(v)关系:vdc2/8f0cos,为常数,v、d相互制约; (4)当被检测目标的运动速度超过PRF/2时,出现混迭现象。 增大脉冲波多普勒技术检测速度、检测深度的方法: 降低发射频率; 移动零位基线; 减低检测深度; 增大超声入射角(),但cos在分母位置,值越小计算出速度值误差越大,所以此法不可取。 用HPRF的频谱多普勒:fdHPRF/2彩色多普勒原理:以脉冲多普勒技术为基础,用运动目标显示器(MTI),自相关函数计算(自相关处理技术),数字扫描转换、彩色编码等技术,达到对血流的彩色现象。
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