超聲基#礎(chǔ)入門知識(shí)資料

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1、-_超聲基礎(chǔ)部分1．何謂超聲波?診斷用超聲波是如何產(chǎn)生的?人耳能感知的聲波頻率范圍為20—20000Hz。低于20Hz者稱為雌聲波，高于20000Hz者稱為超聲波。醫(yī)用診斷用超聲波的范圍多在1—15MHz。超聲波是機(jī)械波。可由多種能量通過換能器轉(zhuǎn)變而成。醫(yī)用超聲波是由壓電晶體（壓電陶瓷等）產(chǎn)生。壓電晶體在交變電場的作用下發(fā)生厚度的交替改變，即機(jī)械振動(dòng)。其振動(dòng)頻率與交變電場的變化頻率相同。當(dāng)電場交變電頻率等于壓電晶片的固有頻率時(shí)其電能轉(zhuǎn)換為聲能（電—聲）效率最高，即振幅最大。壓電晶體只有兩種可逆的能量轉(zhuǎn)變效應(yīng)。上述在交變電場的作用下，由電能

2、轉(zhuǎn)換為聲能，稱為逆壓電效應(yīng)。相反，在聲波機(jī)械壓力交替變化的作用下，晶體變形而表面產(chǎn)生正負(fù)電位交替變化，稱壓電效應(yīng)。超聲探頭(換能器)中的壓電晶片,在連接電極電壓交替變化的作用下產(chǎn)生逆壓電效應(yīng),稱為超聲發(fā)生器;而在超聲波機(jī)械壓力下產(chǎn)生壓電效應(yīng),又成為超聲波接收器。這是超聲波產(chǎn)生和接收的物理學(xué)原理。2．超聲波物理特性及其在介質(zhì)中傳播的主要物理量有哪些？它們之間有何關(guān)系？（1）頻率（frequency）：質(zhì)點(diǎn)單位時(shí)間內(nèi)振動(dòng)的次數(shù)稱為頻率（f）。（2）周期（cycle）：波動(dòng)傳播一個(gè)波長的時(shí)間或一個(gè)整波長通過某一點(diǎn)的時(shí)間（T）。（3）波長（wav

3、elength）：聲波在同一傳播方向上，兩個(gè)相鄰的相位相差2π的質(zhì)點(diǎn)間的距離為波長（λ）。（4）振幅（amplitude）:振動(dòng)質(zhì)點(diǎn)離開平衡位置的最大位移稱振幅，或波幅（A）。（5）聲速（velocityofsound,soundvelocity）:單位時(shí)間內(nèi)，聲波在介質(zhì)中傳播的距離稱聲速（C）。介質(zhì)不同，超聲在介質(zhì)中的聲速度也不同，但是在同一介質(zhì)中，診斷頻段超聲波的聲速可認(rèn)為相同。聲波在介質(zhì)中的傳播速度與介質(zhì)的彈性系數(shù)（k）和介質(zhì)密度（ρ）有關(guān)。其聲速與k和ρ比值的平方根成正比，即式中C為聲速，E為楊式模量。根據(jù)物理學(xué)意義，c、f、T、

4、λ之間有下列關(guān)系：f＝1/T，c＝λf＝λ/T，λ＝c/f超聲在人體軟組織（包括血液、體液）中的聲速約為1540m/s；骨與軟骨中的聲速約為軟組織中的2.5倍；而在氣體中的聲速僅為340m/s左右。近年來的研究發(fā)現(xiàn)，不僅離體組織與活體組織有較大的聲速差別，而且使用不同的固定溶液、固定速度也常影響聲速。此外，聲速尚與組織溫度有關(guān)。通常，非脂肪組織的聲速隨溫度上升而增快，脂肪組織的聲速隨溫度上升而減慢。當(dāng)脂肪組織由20o升到40o時(shí)，聲速可下降15％之多。在進(jìn)行精細(xì)的研究工作時(shí)，這些因素必須予以注意。（6）超聲能量與能量密度：當(dāng)超聲波在介質(zhì)中

5、傳播時(shí)，聲波能到達(dá)之處的質(zhì)點(diǎn)發(fā)生機(jī)械振動(dòng)和位移。前者產(chǎn)生動(dòng)能而后者產(chǎn)生彈性勢能。動(dòng)能和勢能之和組成波動(dòng)質(zhì)點(diǎn)的總能量。也即超聲波的能量。聲波在介質(zhì)中傳播的過程，也是能量在介質(zhì)中傳遞的過程。設(shè)介質(zhì)的密度為ρ,聲波傳播到的質(zhì)點(diǎn)體積元為△V，其位移為x，△V將鞠有的動(dòng)能為Wk，產(chǎn)生的勢能為Wp。則：Wk＝Wp＝1/2ρA2ω2（△V）sin2ω（t－x/c）△V具有的總能量為：W＝Wk+Wp＝ρA2ω2（△V）sin2ω（t－x/c）從表達(dá)式中可以看出超聲波傳播過程中總能量傳遞方式為：①介質(zhì)振動(dòng)質(zhì)點(diǎn)的動(dòng)能和勢能隨時(shí)間同時(shí)發(fā)生周期性變化。②振動(dòng)質(zhì)點(diǎn)

6、以獲得能量又向下一質(zhì)點(diǎn)放出（傳遞）能量的方式傳遞聲波。-_在超聲波的傳播中，表示單位體積介質(zhì)中所具有的能量稱為能量密度（w）。即：w＝△w/△V＝ρA2ω2sin2ω（t－x/c）由前所述可知，w也時(shí)隨時(shí)間而變化的。在一個(gè)周期中，其平均值為：w＝1/2ρA2ω2（單位：焦耳/厘米3，J/cm3）即平均能量密度與振幅的平方、角頻率的平方和介質(zhì)密度成正比。因此，在能量密度一定的情況下，，介質(zhì)密度越小，振幅越大。（7）聲壓：聲壓指聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，介質(zhì)單位截面積所產(chǎn)生的壓力變化，也即介質(zhì)中有聲波傳播時(shí)的壓強(qiáng)與無聲波傳播時(shí)的壓強(qiáng)之差。根據(jù)聲波傳

7、播的特點(diǎn)，聲壓也周期性變化于正常值與負(fù)值之間，一個(gè)振動(dòng)周期的聲壓為：Pm＝ρCAω（單位：N/cm2）即聲強(qiáng)與介質(zhì)密度（ρ）、振動(dòng)幅度（A）、振動(dòng)速度（ω）和傳播速度（C）成正比。（8）聲強(qiáng)與聲強(qiáng)級別（分貝）：超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)通過與傳播方向垂直的單位面積的能量，稱為超聲強(qiáng)度，簡稱聲強(qiáng)（I）。單位為瓦/厘米2（W/cm2，mW/cm2）。聲強(qiáng)與聲場中的能量密度（w）和超聲傳播速度（C）成正比，即：I=ρCA2ω2/2也即聲強(qiáng)與振幅的平方、角頻率的平方、介質(zhì)的密度成正比。聲強(qiáng)可以小到每平方厘米數(shù)維瓦，也可以大到每平方厘米數(shù)千瓦

8、。人耳對聲強(qiáng)變化的分辨能力較差，聲強(qiáng)每增加10倍，人耳主觀感覺只增加1倍。為了解決聲強(qiáng)很大差別在表示中的不便，在時(shí)間應(yīng)用中，一般采用聲強(qiáng)的自然數(shù)來表示聲強(qiáng)的級別，稱其為聲強(qiáng)級（L），單位為貝爾