第9章第3节超声波的物理性质 - 眼视光器械学

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第9章第3节超声波的物理性质

2009-12-02 18:29:06 来源:网络作者:天鸿【大中小】浏览:51048次评论:0条

超声诊断是利用声波传播产生的回声显像进行诊断，要掌握超声的物理性质、原理，以解剖学、物理学等形态学为基础，并与临床医学密切结合。超声波在传播的过程中，遇到声学性质（声学密度，声速）不同的介质的分界面时就发生反射，反射回来的声波称为回声或回波；将回声加以接收，转变成电信号，经过两次放大；检波、修饰，显示为波形(A超)或图像(B超)于荧光屏上，来进行诊断和鉴别诊断，也称为回声诊断法。由于眼球和眼眶位置表浅，构造规则，从前到后如角膜、晶体、玻璃体和视网膜，界面清楚，声衰减较少，是最适合超声检查和诊断的器官。同其他医学影像方法比较，超声检查有简便、迅速、经济和无损伤等优点，因而颇受临床医生的重视。超声诊断的不足之处是特异性不够高。由于不同疾病的病理组织结构不一样，对超声波的反射、吸收就不一样。虽然能够利用回声来作病变组织的诊断和鉴别诊断，但是，病灶的声学切面不像病理组织学切面那样直接和精确，只能间接地从组织的声学性质来推断其组织结构，将病灶按其声学性质分类，再结合其他临床资料而做出诊断。

超声波的物理性质
一、波长、频率、声速
超声波是一种介质颗粒振动形成的能量形式，是一种机械能，介质颗粒振动传播开来就形成波，超声波有三个基本物理量，即波长(λ)，频率(f)和声速(c)。波长是一个波周期在空间里的长度。频率为每秒钟内介质颗粒完成全振动的次数，单位是周/秒，称Herfz，简称赫兹（Hz）。1赫兹即每秒振动1周，百万赫兹称兆赫兹，以MHz表示。声速是在媒质中传播的速度。波长（λ）、频率（f）与声速（c）的关系如下：
λ=c/f 9-2
生物体中的声速为1530m/s，频率为3.5MHz时波长为0.44㎜。实际上人体各种组织密度不同，声速也有差别（表9-1）。
表9-1 超声在几种眼组织中的传播速度
组织传播速度（m/s）组织传播速度（m/s）
水 1480 正常眼的平均速度 1550
角膜 1620 白内障眼的平均速度 1548
正常晶体 1640 无晶体眼的平均速度 1532
白内障晶体 1629

二、超声波的波衰减
声波在介质中传播时，其强度亦将随传播距离的增大而减弱，这种现象称为超声衰减。造成衰减的主要原因是介质对超声波的吸收。生物组织的超声吸收取决于其黏滞性、热传导及各种弛豫过程。另外，介质的不均匀性或微小散射体的存在，引起散射；声波按球面状扩散。在人体中，尿、血液、胆汁、囊肿、眼前房液等吸收量小，肌肉组织的吸收有所增加，纤维组织及软骨吸收大量能量，骨质吸收更大。由于衰减现象的普遍存在，故需在仪器设计时使用“深度增益补偿（DGC）调节”，使声像图深浅均匀。
吸收即组织吸收声能，使它减弱，超声的频率越高，分辨力越好，组织对它的吸收也越多，穿透力也越差；相反，频率越低的超声，分辨力越差，组织吸收少，穿透力较好。眼球位置表浅，结构精细，不需要高的穿透力，而要求高的分辨力，所以，眼科诊断用的超声频率比一般医用超声高得多（表9-2）。
表9-2 眼科超声诊断的最适宜频率
用途频率（MHz）
A-scan 组织诊断 8
测量 8～12
B-scan 眼球 10～15
眼眶 8～10

在眼科超声检查中，超声遇到高密度的组织如钙化病灶、骨和金属异物等时，发生强烈的反射和吸收，通过病灶之后，声能明显衰减，病灶后的组织回声很弱或没有回声，在B-scan显示为暗区，称声影。骨组织能大量吸收声能，超声对骨组织的分辨力很差，骨病的诊断主要依靠X线，超声主要显示软组织形态的改变来作诊断。

三、超声波的反射和折射
在分界面上超声波具有反射和折射的特性。
超声波在传播时像光线一样，在均匀介质中沿直线传播，遇到两种不同性质（声学密度和声速）的介质的分界面时就发生反射和折射（图9-3）。

反射性能与两种介质的声阻抗差有关，分界面两边的声阻抗值决定入射超声如何在透射和反射之间分配。介质的声阻抗Z等于它的密度ρ和声速c的乘积，即
Z=ρc 9-3
物质的密度一般是固体＞液体＞气体，超声波在介质中的速度是固体＞液体＞气体，故声阻抗值也是固体＞液体＞气体。眼内组织如房水、晶体和玻璃体的密度、声速和声阻抗与水近似。如果两种介质的声阻抗相等，即Z1=Z2时，称为均匀介质，没有界面，不产生反射，如正常的玻璃体。如果声阻抗不同，就出现声阻抗差，只要两者的声阻抗差大于0.1%时，超声波就会在这两种介质的界面上产生反射，产生回声。和光学的情况一样，反射角等于入射角，入射波能量在反射波和透射波之间分配。入射角为90°时，即超声束垂直于界面时，产生最大的反射。
反射系数为

此主题相关图片如下：

透射系数为
r1=4Z1Z2/(Z1+Z2)2 9-5
R1+r1=1
式中Z1是入射边介质的声阻抗，Z2是透射边介质的声阻抗，反射程度取决于Z1和Z2的相对值。以上式可知，当Z1和Z2相差很大时，无论Z1＜Z2（气体-固体），还是Z1＞Z2，都会发生近乎全部反射。如在水和空气的界面上，其Z水=1.492， Z气=0.00428，则反射回来的能量比为：

此主题相关图片如下：

此时入射波超声能量中有99%被反射。由此可见，超声从液体向气体中传播几乎是不可能，反之从气体向液体（或固体）中传播也同样不可能。所以在临床检查时，要在探头与受检部位之间涂上2%甲基纤维素，防止空气层的存在，就像我们用三面镜和前房角镜时要避免气泡一样。
界面反射是超声诊断的基础，如果没有界面反射，就得不到诊断需要的信息，但是反射太强，透射的能量太弱，则影响超声进入更深层的组织，即穿透力太弱，使诊断效果受到限制。反射发生于大界面上，反射能量取决于：
1、仪器的灵敏度灵敏度高时，声束宽，能量大，反射能量也大，这种声束用来检出和鉴别病灶。灵敏度低时，声束是窄的，能量较低，这种声束用来获得最大的分辨力，用于测量组织。
2、声束的方向声束与接口垂直时产生最大的反射。为了显示一个肿瘤病灶的内部结构和反射性，必须使声束垂直于病灶的表面，只有这样才能从这个面上得到最高的回波，这个回波并不影响来自肿声结构的回波。如果用斜的入射声束，表面回波不是最高，与内部结构的回波混淆不清，不能分辨，无法确认病灶的边界，不能准确地测量病灶。垂直声束保证声束通过病灶的中心，并有代表性地截取病灶的一部分来加以分析，初学者一定要通过不断的实践，学会调整声束的方向，使之垂直于病灶的表面，以便得到高反射的表面回波。
在一般情况下，声束的折射常产生杂音，引起干扰，应该避免，但在视神经测量时，折射特别重要，超声波的折射发生于视神经鞘的外层而使它垂直于视神经鞘的表面，产生垂直上升和下降的视神经鞘的表面回波（图9-4），两个表面回波的宽度代表超声从视神经鞘的一侧到另一侧的时间，从而可以测量视神经的宽度。

当声波在均质性的介质中传播时，基本上是按直线持续传播，无任何反射。但当声波在两种不同密度的介质的分界面上，则会在分界面上产生反射和折射现象（见图9-3）。一部分声波在界面处反射而成为返回第一介质的反射波，反射使入射超声能量中的较大部分向一个方向折返，大界面反射应按照斯奈耳定律：①入射声波与反射声波在同一平面上；②入射声束与反射声束在法线的两则；③入射角α与反射角α’相等。另一部分声波则透过界面被第二介质折射，Snellius的折射定律在这里是适用的（见图9-3）。
当一个纵波出现在两种介质的分界面上，其Snellius折射定律如下：
sin α/c1=sinβ/c2 9-7
式中，α：波的入射角；β：波的折射角；C1和C2分别为波在介质1和介质2中的传播速度。
由上式入射角、折射角与声速的关系可得当C1＜C2时，则β＞α；在一定条件下将出现全反射。
当C1＞C2时，则β＜α；不会出现全反射。
在C1＜C2情况下：当β0=90°时，sinβ0=1，sinα0=C1/C2。此时为产生反射条件，即声波不能从第1介质进入第2介质中，完全被反射回第1介质内。把这里的α0称为临界角。
当α=0时，α’=0，β=0，这时入射波叫做垂直入射波，反射波叫做返回波，折射波叫做穿透波。穿透波进入第二、第三层介质，又将有第二层面，第三层面的返回波。这些不同密度介质层面的返回波，将先后返回到超声探头，界面反射现象是超声诊断的主要基础。

四、超声波的散射
当声波的传播途中遇到障碍物时，则在此障碍物产生多方向的不规则反射、折射和衍射，称声散射，其返回到振源的回声能量甚低。此散射回声来自各脏器内部的微细结构，其临床意义十分重要。在超声探测中，如果入射波不垂直于层面时，反射波与入射波之间方向成2α夹角，反射波将不返回到超声探头，这时只有依赖层面的粗糙度形成的散射，使一部分反射波能返回探头。当入射角较大时，即层面与入射线接近平行，这时散射量很小，可能返回波非常微弱，这种现象称做“回波失落”。

五、超声波的衍射
声波传播时，可以越过障碍物的直径小于λ/2（λ波长），再继续前进，这一现象称为衍射。若障碍的直径小于λ/2时，在该物体表面产生回声反射，而在其边缘仍然有衍射发生，但在障碍物的后方有一块没有声振动的区域，通常称为“声影”区。

六、超声波的干涉
如果在一种介质中发生许多声波，并且这些声波在空间内无干扰地传播出去，那么这些波就将彼此叠加，于是产生所谓干涉的现象。由于各种不同的干涉现象，在发生器的周围将形成一个包括最大和最小声强地点的声场，而一个像活塞样的振动着的超声发生器呈现一种类似于光学Frauenhofer绕射现象的特性。干涉现象使空间某些点处振动始终加强，某些点处振动始终减弱。在相对应的屏幕上可看到明暗相间的条纹，称干涉条纹。干涉现象是波动形式所具的重要特征之一，它用于超声全息成像等技术研究。

七、超声波的多普勒效应
当我们在听行进中的火车汽笛声时，火车由远及近，声音的音调变高（频率变高），当火车逐渐远离时，则音调变低。这是众所周知的现象。此现象就是多普勒效应在实际生活中的现象。超声多普勒检查运动物体（胎心、血液等）的速度υ时，探头发射频率为f0，频率变化为Δf，人体软组织的声速为c，探头与被检物体的运动方向间存在一个夹角为θ，故频率的变化为

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其中，f和c不变，因此υ正比于Δf。即反射波的频率随被测物的运动速度而改变。而可用Δf的差拍频反映出运动速度。

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责任编辑：peijingshi

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