醫(yī)學超聲原理第五講超聲波散射以及多普勒效應資料

1、第五講 超聲波的散射與多普勒效應,主講：牛金海聯(lián)系方式：jhniu@sjtu.edu.cn,指定教材,目前，關于生物醫(yī)學超聲的參考書很多；但是從教十年多來，一直很難找到一本非常適合本科生的教材。這也是編者下定決心編寫本書的主要原因之一。本書的內容主要包括超聲物理基礎，壓電效應與換能器技術，超聲成像診斷原理，超聲治療技術，醫(yī)學超聲實驗，醫(yī)學超聲的最新進展等。每章節(jié)都配置了一定量的練習與思考題，以幫助讀者鞏固書中的內容，并提高分析解決問

2、題的能力。為配合雙語教學，本書保留了關鍵專業(yè)詞匯的中英文對照。本書的特點是在注重基本概念，基本原理，基本方法的同時，兼顧一定的工程技術實用性，如包含聲場的數(shù)值模擬，超聲圖像的C語言程序處理，超聲波發(fā)射電路原理，換能器的匹配技術等。本書適合醫(yī)學超聲以及相關領域的本科生作教材，也可供該領域的研究生，科研及工程技術工作者參考。,第五講 超聲波的散射與多普勒效應,本講主要內容一、超聲波的散射二、剛性球的散射三、超聲散射波的理論模型四

3、、超聲散射的表示參數(shù)五、超聲散射在生物醫(yī)學中的應用六、超聲造影劑七、多普勒效應八、本講思考題,一、 超聲波的散射,當聲波傳播過程中遇到其線度接近或小于聲波波長的障礙物時，反射波就不再是平面波，而是向各個方向散射出去，這種情況與界面的反射大不相同，這就是聲散射(scattering)。除了聲的吸收以及反射，其它的原因引起聲場的變化，都可以理解為散射。超聲波在生物組織中的衰減主要由吸收與散射組成。,scattering,Rayle

4、igh scattering occurs at interfaces involving structures of small dimensions.  This is common with red blood cells (RBC), where the average diameter of an RBC is 7μm, and an ultrasound wavelength may be 300μm (5 MHz

5、).  When the sound wave is greater than the structure it comes in contact with, it creates a uniform amplitude in all directions with little or no reflection returning to the transducer.In the image below of the le

6、ft saphenous vein (SV), common femoral vein (CFV), superficial femoral (SFA) and profunda femoris (PFA) arteries, Rayleigh scattering is present within each of the blood vessels.  Scattering is dependent for four di

7、fferent factors: the dimension of the scatterer, the number of scatterers present, the extent to which the scatterer differs from surrounding material, and the ultrasound frequency.,,,一、 超聲波的散射,一、散射的分類與研究方法 當超聲波與載波介質相互作

8、用時,超聲波的幅度、波前方向、相位以及頻率由于介質中非均勻體(粒子或界面)對超聲波的再輻射而發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為超聲波的散射。這種由入射波與散射波相干而形成的超聲波場稱為散射波場。思考題：為什么天空是藍色的？ 為什么早晨或者晚上的太陽是紅色的？,一、 超聲波的散射,根據(jù)散射體的大小與波長的關系，（廣義）散射分為三種類型：當散射體的尺寸遠大于波長時，即為反射，透射，折射。當散射體的尺寸遠遠小于波長時，為瑞利散射或者為分子散射。當散

9、射體的尺寸與波長相當時，可以用衍射理論，與幾何光學的類似。,,瑞利散射,瑞利散射（Rayleigh scattering）由英國物理學家瑞利的名字命名。它是半徑比光的波長小很多的微粒對入射光的散射。瑞利散射光的強度和入射光波長λ的4次方成反比： 其中 是入射光的光強分布函數(shù)。也就是說，波長較短的藍光比波長較長的紅光更易散射。,一、 超聲波的散射,前面討論的反射和折射，有一個重要條件，即反射界面對于超聲波波長來說是無限大的：d>

10、;>λ。 當d與λ可比，則發(fā)生繞射。例如膽結石。 當d<<λ，則發(fā)生散射。例如紅細胞。,二、球體的散射,二、球體的散射簡化模型: 由于超聲散射場設計的數(shù)學知識很多，且很復雜，感興趣的同學可以參閱《聲學基礎》，《數(shù)學物理方法》等。 其它模型如圓柱體的散射，這里不再介紹。,二、球體的散射,若無散射粒子介入時,可按此問題的對稱性將平面波表示如下:(2-4-1)式中:

11、 ,Pm為m階拉格朗日函數(shù); jm為m階球貝塞爾函數(shù)的實部.當入射波與剛性球相互作用時,將產生下述散射波:(2-4-2)式中: nm為m階球貝塞爾函數(shù)的虛部; （參考自白凈的《醫(yī)學超聲成像機理》P80）,二、球體的散射,δm定義如下:當 時,(2-4-3)當 時,(2-4-4)有關jm，nm，δm等的取值已有數(shù)據(jù)表可查。

12、,二、球體的散射,可估算出散射波場強度Is如下式:（2-4-5）在波長遠大于粒子尺度及波長遠小于粒子尺度兩種情況下可以將上式簡化：（2-4-6）,二、球體的散射,球體散射分布,三、超聲散射波的理論模型,三、超聲散射波的理論模型1）離散模型 計算離散模型散射的方法之一是波恩(Born)近似方法，即認為總散射為每個粒子散射的簡單求和，且單個粒子的散射可在不計其余粒子存在的條件下分別求得。2）連續(xù)

13、非均勻介質模型,四、超聲散射的表示參數(shù),四、超聲散射的表示參數(shù)：1）目標強度 Ts2）散射截面S,四、超聲散射的表示參數(shù),1）目標強度Ts:定義為：（2-4-7）如圖所示，O點為散射體所處位置，Ii為入射波在O點的聲強。I（θ）為以O點為中心的球面上一點P的散射波聲強，球的半徑R為單位距離， θ角為OP與入射聲線之間的夾角。,目標強度,四、超聲散射的表示參數(shù),假定圖中，處于O點位置的散射體是一個靜止的鋼球，其半徑為

14、a。剛球的意思是指其體積彈性率無限大，即使在聲壓作用下也不變形。那么在ka<0.5的情況下，可以計算得到：（2-4-8）,四、超聲散射的表示參數(shù),2).散射截面S：障礙物所產生的總的散射功率與入射強度之比。a）障礙物的尺寸遠遠大于超聲波波長，散射截面為1，主要是反射。b）障礙物的尺寸遠遠小于超聲波波長，形成散射輻射。如果障礙物為剛性的，則服從瑞利散射分布，散射強度與波長的四次方成反比，與球體半徑的六次方成正

15、比。 S∝k4a6c)障礙物的尺寸與超聲波波長接近時，散射比較復雜。,五、超聲背散射系數(shù)臨床醫(yī)學的應用,,超聲背散射系數(shù)臨床醫(yī)學的應用,超聲散射系數(shù)在臨床醫(yī)學上還有哪些應用？有興趣的同學可以再找找相關文獻。,六、超聲造影劑（Ultrasound contrast agent）,定義：超聲造影劑是在超聲成像中用來增強圖像對比度的物質。一般為微米量級直徑的包膜微氣泡，通過靜脈注射進入血液循環(huán)

16、系統(tǒng)，以增強超聲波的散射強度,從而達到超聲造影成像的目的。作用：超聲造影劑注入血管后，可以改變組織的超聲特性（如背向散射系數(shù)、衰減系數(shù)、聲速及非線性效應）產生造影效果，增強效果取決于超聲造影劑的濃度、尺寸以及超聲發(fā)射頻率。它的最基本性質就是能增強組織的回波能力，可在B型超聲成像中提高圖像的清晰度和對比度。其非線性效應產生一定能量的諧波分量，利用諧波成像和諧波Doppler技術可測量體內微小血管血流與組織灌流，能抑制不含超聲造影劑的組織

17、運動在基頻上產生的雜波信號，大大提高信噪比。,指定教材,目前，關于生物醫(yī)學超聲的參考書很多；但是從教十年多來，一直很難找到一本非常適合本科生的教材。這也是編者下定決心編寫本書的主要原因之一。本書的內容主要包括超聲物理基礎，壓電效應與換能器技術，超聲成像診斷原理，超聲治療技術，醫(yī)學超聲實驗，醫(yī)學超聲的最新進展等。每章節(jié)都配置了一定量的練習與思考題，以幫助讀者鞏固書中的內容，并提高分析解決問題的能力。為配合雙語教學，本書保留了關鍵專業(yè)詞匯的

18、中英文對照。本書的特點是在注重基本概念，基本原理，基本方法的同時，兼顧一定的工程技術實用性，如包含聲場的數(shù)值模擬，超聲圖像的C語言程序處理，超聲波發(fā)射電路原理，換能器的匹配技術等。本書適合醫(yī)學超聲以及相關領域的本科生作教材，也可供該領域的研究生，科研及工程技術工作者參考。,超聲造影劑原理,造影劑微氣泡在超聲的作用下會發(fā)生振動，散射強超聲信號。這也是超聲造影劑的最重要的特性——增強背向散射信號。例如在B超中，通過往血管中注入超聲造影劑，

19、可以得到很強的B超回波，從而在圖像上更清晰的顯示血管位置和大小。接收到的超聲強度是入射強度和反射體的散射截面的函數(shù)。散射截面是與頻率的四次方和散射體半徑的六次方成正比，這對所有的造影劑介質都適用。理論上，通過簡單的計算就可以看到氣泡粒子的散射截面要比同樣大小的固體粒子（例如鐵）大1億倍。這也是氣泡組成的造影劑的造影效果比別的散射體優(yōu)越的原因所在。氣泡散射還有一個十分有意義的特性——氣泡共振。當入射聲波的頻率與氣泡共振頻率一致時，入射

20、聲波的能量全部被氣泡共振吸收，形成共振散射，這時散射截面遠比上述公式給定的大。,超聲造影劑結構圖,第一代超聲造影劑結構圖第一代造影劑包括Albunex、Echo-vist(SHU-454)和Levovist(SHU-508A),第一代超聲造影劑的物理特性，包括包膜較厚，彈性差，而且包裹的空氣易溶于水等，決定了它持續(xù)時間短，容易破裂，從而限制了臨床應用中觀察和診斷的時間。,第二代超聲造影劑結構圖第二代造影劑包括Aerosomes(D

21、MP-115)、EchoGen、Imagent(AFO150)、NC100100、Quantison、Sonovue(BR-1)、AI-700、Bisphere、Sonovist(SHU-563A)、PESDA以及Optison(FS069)。第二代超聲造影劑為包裹高密度惰性氣體（不易溶于水或血液）為主的外膜薄而柔軟的氣泡，直徑一般在2-5um左右，穩(wěn)定時間長，振動及回波特性好。,請查找更為清晰的超聲造影比對圖片，加造影劑以及不加造影

22、劑的？,超聲造影圖像比較,,有無造影劑的比對圖,七、多普勒效應,1、概述 前面所討論的波源、介質、觀察者(接收裝置)之間都是相對靜止的。接收到的波的頻率并沒有發(fā)生變化。下面幾種情況下，1）當波源相對于介質、觀察者之間； 2）觀察者相對于波源、介質之間； 3）波源、觀察者相對于介質之間是運動的。這時觀察者發(fā)覺波的頻率發(fā)生變化。這種現(xiàn)象稱為多普勒效應。變化的

23、頻率(增減)稱為多普勒頻移。這個現(xiàn)象是奧地利物理學家和數(shù)學家克里斯蒂安·多普勒(1803-1853）在1842年發(fā)現(xiàn)的，后人以他的名字命名。下面分簡單介紹其中兩種情況。多普勒效應在醫(yī)學上的應用主要為，多普勒測血流。,指定教材,目前，關于生物醫(yī)學超聲的參考書很多；但是從教十年多來，一直很難找到一本非常適合本科生的教材。這也是編者下定決心編寫本書的主要原因之一。本書的內容主要包括超聲物理基礎，壓電效應與換能器技術，超聲成像診斷原理

24、，超聲治療技術，醫(yī)學超聲實驗，醫(yī)學超聲的最新進展等。每章節(jié)都配置了一定量的練習與思考題，以幫助讀者鞏固書中的內容，并提高分析解決問題的能力。為配合雙語教學，本書保留了關鍵專業(yè)詞匯的中英文對照。本書的特點是在注重基本概念，基本原理，基本方法的同時，兼顧一定的工程技術實用性，如包含聲場的數(shù)值模擬，超聲圖像的C語言程序處理，超聲波發(fā)射電路原理，換能器的匹配技術等。本書適合醫(yī)學超聲以及相關領域的本科生作教材，也可供該領域的研究生，科研及工程技

25、術工作者參考。,超聲多普勒示意圖,七、多普勒效應,2、 觀察者以速度V相對于介質運動,波源與介質相對靜止 假定觀察這項波源運動.此時1s內不僅原來位于觀察處的波向右傳播了c,而且還由于觀察者本身向左運動了V,相當于波通過觀察者的總距離為c+V,因而觀察者在單位時間內接收的波數(shù)發(fā)生變化。在單位時間內觀察者所接受的波數(shù)（頻率）f’為（2-5-1）此時觀察者接收到的頻率為原來的 倍，其過程如圖（2

26、.5.1）。,七、多普勒效應,3、波源以速度V相對于介質運動，觀察著相對于介質靜止 波源運動會影響波在介質中的分布式波陣面不再是同心球面。若波源向右運動則波陣面向右擠緊。當下一個振動從波源發(fā)出時，波源已經向前運動了一段距離VT。這相當于波長縮短了VT。所以通過觀察著所在處的波長λ’為（2-5-2）但是單位時間內觀察者處的波陣面仍舊向前傳播了c,所以觀察著接收到的波數(shù)f’為：（2-5-3）

27、此時觀察者接收到的頻率為原來的 倍，其過程如圖（2.5.2）所示,七、多普勒效應,圖 2.5.1 觀察者運動產生多普勒效應,圖 2.5.2 波源運動產生多普勒效應,超聲多普勒測血流,東芝Power Vision 8000全數(shù)字化全身性彩色多普勒超聲診斷儀,指定教材,目前，關于生物醫(yī)學超聲的參考書很多；但是從教十年多來，一直很難找到一本非常適合本科生的教材。這也是編者下定決心編寫本書的主要原因之一。本書的內容主要包括超聲物理

28、基礎，壓電效應與換能器技術，超聲成像診斷原理，超聲治療技術，醫(yī)學超聲實驗，醫(yī)學超聲的最新進展等。每章節(jié)都配置了一定量的練習與思考題，以幫助讀者鞏固書中的內容，并提高分析解決問題的能力。為配合雙語教學，本書保留了關鍵專業(yè)詞匯的中英文對照。本書的特點是在注重基本概念，基本原理，基本方法的同時，兼顧一定的工程技術實用性，如包含聲場的數(shù)值模擬，超聲圖像的C語言程序處理，超聲波發(fā)射電路原理，換能器的匹配技術等。本書適合醫(yī)學超聲以及相關領域的本科

29、生作教材，也可供該領域的研究生，科研及工程技術工作者參考。,八、本講思考題,,,1、超聲波在遇到障礙物的時候，什么情況下發(fā)生散射？什么情況下發(fā)生反射？2、什么是多普勒效應？多普勒效應在醫(yī)學超聲中的應用？3、血液對超聲的散射與哪些因素有關，簡述這些因素與散射波強度的關系？4、生物組織的超聲散射模型有哪些？5、超聲散射場的表征參數(shù)有哪些？ 各自的定義是什么？6、請用瑞利散射原理解釋“藍天與夕陽”現(xiàn)象？7、請用散射理論，解釋微氣泡

30、超聲造影劑的原理？8、請調研超聲散射的基礎研究以及臨床應用。主要包括，超聲散射的模型，生物組織的散射模型，超聲散射的臨床應用。從參考書，期刊雜志，網絡網站等查找？,指定教材,目前，關于生物醫(yī)學超聲的參考書很多；但是從教十年多來，一直很難找到一本非常適合本科生的教材。這也是編者下定決心編寫本書的主要原因之一。本書的內容主要包括超聲物理基礎，壓電效應與換能器技術，超聲成像診斷原理，超聲治療技術，醫(yī)學超聲實驗，醫(yī)學超聲的最新進展等。每章節(jié)都