超聲波超聲診斷儀的物理原理

1、超聲波 超聲診斷儀的物理原理Supersonic wavePhysics principle of ultrasonic diagonstic apparatus,簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng),機(jī)械波,判斷方法,運(yùn)動(dòng)方程,特征量,振動(dòng)能量,振動(dòng)合成,阻尼與共振,波動(dòng)方程,波的能量,波的干涉,駐波,多普勒效應(yīng),,,,惠更斯原理,復(fù) 習(xí),聲波,超聲波,聲壓,聲強(qiáng)級(jí),響度級(jí),特點(diǎn),作用,產(chǎn)生原理,,,,聲阻,聲強(qiáng),診斷原理,最新進(jìn)展,知識(shí)

2、結(jié)構(gòu),超聲成像儀ultrasonic imaging device,,三維動(dòng)態(tài)超聲圖像,,超聲波 超聲診斷儀的物理原理,一、聲波的性質(zhì)二、人的聽(tīng)覺(jué)范圍三、超聲波的性質(zhì)四、超聲波在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用五、總結(jié),一、聲波的性質(zhì)properties of sound wave,超聲和次聲聲壓和聲阻聲強(qiáng)反射和折射,,1890年， 一艘名叫“馬爾波羅號(hào)”帆船在從新西蘭駛往英國(guó)的途中，突然神秘地失蹤了。 1948年初，一

3、艘荷蘭貨船在通過(guò)馬六甲海峽時(shí)，一場(chǎng)風(fēng)暴過(guò)后，全船海員莫明其妙地死光；上述慘案，引起了科學(xué)家們的普遍關(guān)注，其中不少人還對(duì)船員的遇難原因進(jìn)行了長(zhǎng)期的研究。,,關(guān)于次聲infrasonic wave,經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)查，終于弄清了制造上述慘案的“兇手”，是一種為人們所不很了解的次聲的聲波。,人體內(nèi)臟固有的振動(dòng)頻率和次聲頻率相近似（0.0001－20赫），倘若外來(lái)的次聲頻率與人體內(nèi)臟的振動(dòng)頻率相似或相同，就會(huì)引起人體內(nèi)臟的"共振"

4、;，從而使人產(chǎn)生上面提到的頭暈、煩躁、耳鳴、惡心等等一系列癥狀。,,超聲和次聲supersonic wave & infrasonic wave,在連續(xù)介質(zhì)中傳播的彈性波，若其頻率f在20?2?104 Hz之間，則能使人產(chǎn)生聲音的感覺(jué)，這種波稱為聲波(sound wave)；,,若其頻率在10?4?20 Hz之間，則這種波稱 為次聲波(infrasonic wave)；,若其頻率在2?104?5?108 Hz之間，則這

5、種 波稱為超聲波(supersonic wave)。,人能聽(tīng)到聲音的頻率為20Hz～20000Hz，其中最敏感的頻率2000Hz～3000Hz。老年人的聽(tīng)覺(jué)隨著年齡而衰退，能聽(tīng)到的頻率約為50Hz～12000Hz。,聽(tīng)閾,,聲壓sound pressure,在媒質(zhì)中，有聲波傳播時(shí)的壓強(qiáng)與無(wú)聲波傳播時(shí)的靜壓強(qiáng)的差值為聲壓，以P表示 ：,,,,,聲壓幅,有效聲壓,,聲阻acoustic impedance,在同一聲壓下，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度v

6、與ρc成反比。將此式與歐姆定律相比較，聲壓與電壓對(duì)應(yīng)，振動(dòng)速度與電流對(duì)應(yīng)，則ρc與電阻對(duì)應(yīng)，稱為聲阻抗Z,,,,聲強(qiáng)sound intensity,定義：是單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)垂直聲波傳播方向的單位面積上的能量。,,,聲壓、聲阻、聲強(qiáng),,聲壓P,電壓U,聲阻Z,電阻R,聲強(qiáng)I,功率P,振動(dòng)速度v,電流I,,,,,有效聲壓PC,有效電壓UC,,反射和折射reflection & transmission,在聲波的傳播過(guò)程中，當(dāng)遇到兩種

7、不同媒質(zhì)的界面時(shí)，要發(fā)生發(fā)射、折射，他們遵守反射、折射定律。,,反射波強(qiáng)度與入射波強(qiáng)度之比，為反射 系數(shù)，用air表示。,折射波強(qiáng)度與入射波強(qiáng)度之比，為媒質(zhì) 的折射系數(shù)或透射系數(shù)，用ait表示。,incidence----reflection,incidence----transmission,反射和折射 reflection & transmission,對(duì)于垂直入射的情況，有理論證明：,,,阻抗差值越大，反射越強(qiáng)

8、；聲阻抗相近時(shí)，透 射強(qiáng)，反射弱。,,人體各部分聲阻抗是不同的，導(dǎo)致超聲波入射到各組織界面反射時(shí)的反射量不同，成為超聲診斷的物理基礎(chǔ)。,二、人耳的聽(tīng)覺(jué)范圍the human ear's hearing range,人耳的靈敏度對(duì)于每一個(gè)頻率都有一個(gè)最小聲強(qiáng)，低于它的聲音人耳就聽(tīng)不見(jiàn)了，這個(gè)最小聲強(qiáng)稱為聽(tīng)閾(threshold of hearing)；,,同時(shí)，還有一個(gè)最大聲強(qiáng)，高于它的聲音 會(huì)使人耳感到不適或痛苦

9、，這個(gè)最大聲強(qiáng)稱 為痛閾(threshold of feeling)。,聲強(qiáng)與聲強(qiáng)級(jí)sound intensity & intensity level,人耳對(duì)聲音的感覺(jué)，近似地與聲強(qiáng)的對(duì)數(shù)成正比，常用聲強(qiáng)級(jí)L來(lái)表示：,,,聲強(qiáng)級(jí)L的單位為dB（分貝）。 I0=10-12W/m2，是接近1000 Hz時(shí)的聽(tīng)閾。,聲強(qiáng)增加10倍，聲強(qiáng)級(jí)增加多少？,聲強(qiáng)增加1倍，聲強(qiáng)級(jí)增加多少？,,,0-50分貝：舒適，細(xì)語(yǔ)聲；50-9

10、0分貝：妨礙睡眠、難過(guò)、焦慮；90-130分貝：耳朵發(fā)癢、耳朵疼痛；130分貝以上：耳膜破裂、耳聾。,噪音對(duì)人體的危害是很大的，噪音量（分貝）對(duì)人體影響：,,,演示,響度與響度級(jí) loudness & loudness level,聲強(qiáng)、聲強(qiáng)級(jí)是根據(jù)聲波的能量來(lái)確定的，是客觀物理量。響度是人耳對(duì)聲音強(qiáng)弱的主觀感受，不僅取決聲強(qiáng)，也與聲音的頻率有關(guān)。,,為比較聲音響度的大小，提出了響度級(jí)的概念。 以1000Hz聲音的

11、響度為標(biāo)準(zhǔn)，將其他頻率聲音的 響度與其比較，只要它們響度相同，則有相同的 響度級(jí)。響度級(jí)的單位是方(phon)。,把頻率不同，響度級(jí)相同的各點(diǎn)連成的一條線， 就構(gòu)成了等響曲線。,演示,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,0,20,40,60,80,100,120,20,100,1000,2000,5000,10000,10?12,10?10,10?8,10?6,10?4,10?2,1,,,,,,,,

12、,,,,,,,0,20,40,60,80,100,120,,痛閾,聽(tīng)閾,聲強(qiáng) (W/m2）,聲強(qiáng)級(jí) (dB）,Hz,,,,,,響度級(jí) (方）,關(guān)于聽(tīng)閾threshold of hearing,同一頻率，聲強(qiáng)越大，響度越大,同一聲強(qiáng)，頻率不同，響度不同,人耳對(duì)2500－3000Hz最敏感,20Hz，20000Hz，聽(tīng)閾曲線，痛閾曲線組成人的聽(tīng)覺(jué)區(qū)域。,1000Hz時(shí)，響度級(jí)等于聲強(qiáng)級(jí),,三、超聲波的特性u(píng)ltrasound featu

13、res,機(jī)械作用、空化作用、熱作用。,,方向性好。,強(qiáng)度大。,固體、液體貫穿本領(lǐng)強(qiáng)，氣體中衰減大,,為什么超聲探頭表面和人體皮膚之間需加石蠟等耦合劑？,超聲波的產(chǎn)生ultrasonic generation,,,高頻信號(hào)發(fā)生器,,,,,,壓電晶體,探頭,,,,,發(fā)射超聲波：逆壓電效應(yīng)，高頻電壓轉(zhuǎn)化為機(jī)械振動(dòng)接收超聲波：正壓電效應(yīng)，機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)化為高頻電壓。,,四、超聲波的醫(yī)學(xué)應(yīng)用ultrasonic medical applicat

14、ions,1、超聲診斷基本原理A型超聲診斷儀B型超聲診斷儀M型超聲診斷儀超聲多普勒2、超聲成像最新進(jìn)展3、超聲治療,,超聲診斷基本原理 the basic principles of ultrasound diagnosis,超聲診斷儀應(yīng)用超聲脈沖回波技術(shù)，遇到幾個(gè)反射面就有幾個(gè)回波信號(hào)，顯示在顯示屏上?；夭ǖ拿}沖幅度提供了產(chǎn)生反射的界面種類的信息，各回波脈沖與始波的時(shí)間間隔提供了各反射面的深度信息。,,,,,,,,,

15、,,脈沖信號(hào),回波信號(hào),t,超聲診斷基本原理 the basic principles of ultrasound diagnosis,根據(jù)顯示的方式不同，超聲診斷儀分為A（Amplitude）型M（Motion）型B（Brightness）型已為臨床廣泛應(yīng)用。,,A型超聲診斷儀amplitude ultrasound diagnosis,,,,,,一維成像，測(cè)量器官長(zhǎng)度,,,B型超聲診斷儀 brightness ultr

16、asound diagnosis,,,,,,,,,,,,,,,二維成像，顯示器官斷層圖像,M型超聲診斷儀 motion ultrasound diagnosis,,,時(shí)間,深度,探頭,,,,,,,,二維成像，顯示器官運(yùn)動(dòng)軌跡,,,,,,,,,,,,,超聲多普勒Ultrasound Doppler,由多普勒效應(yīng)可知，利用多普勒效應(yīng)可檢測(cè)運(yùn)動(dòng)物體。當(dāng)超聲波傳入人體某一血液流動(dòng)區(qū)，被紅細(xì)胞散射返回探頭，回波信號(hào)的頻率將會(huì)變化，可求血液的速

17、度。,,超聲成像具有實(shí)時(shí)性好、無(wú)損傷、無(wú)痛苦，以及低成本等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)近年來(lái)，超聲成像在彩色血流測(cè)量技術(shù)、三維超聲等方面的發(fā)展特別引人注目,彩色多普勒血流成像系統(tǒng)（通常稱為彩超）是一種能同時(shí)顯示B型圖像和多普勒血流數(shù)據(jù)（血流方向、流速、流速分布）的雙重超聲掃描系統(tǒng)，可以得到彩色多普勒血流圖三維超聲圖像的重建及實(shí)時(shí)顯示,超聲成像最新進(jìn)展the latest progress of ultrasound imaging,超聲成像的發(fā)展,超

18、聲成像原理及超聲成像儀,Medison SONOACE 9900,Medison SONOACE 8000,腎臟,心臟,30周胎兒的臉,I am angry,唇裂的胎兒,胎兒的手指,胎兒的脊椎,胼胝體動(dòng)脈,心臟動(dòng)態(tài)血流圖,三維動(dòng)態(tài)超聲圖像,,超聲治療,小劑量超聲波能使神經(jīng)興奮性降低，傳導(dǎo)速度減慢，因而對(duì)神經(jīng)炎、神經(jīng)痛等疾病具有明顯的鎮(zhèn)痛作用。超聲藥物透入療法：利用超聲波把藥物經(jīng)過(guò)完整的皮膚或粘膜，送入人體內(nèi)的治療方法。超聲聚焦刀，將