超声医师必备12超声基础部分

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1、十二、超声基础部分366.何谓超声波?诊断用超声波是如何产生的?人耳能感知的声波频率范围为20—20000Hzo低于20Hz者称为雌声波，高于20000Hz者称为超声波。医用诊断用超声波的范围多在1—15MHzo超声波是机械波。可由多种能量通过换能器转变而成。医用超声波是由压电晶体（压电陶瓷等）产生。压电晶体在交变电场的作用下发生厚度的交替改变，即机械振动。其振动频率与交变电场的变化频率相同。当电场交变电频率等于压电晶片的固有频率时其电能转换为声能（电一声）效率最咼，即振幅最大。压电晶体只有两种可逆的能量转变效应。上述在交变电场的作用下，由电能转换为声能，称为逆压电效应

2、。相反，在声波机械压力交替变化的作用下，晶体变形而表面产生正负电位交替变化，称压电效应。超声探头（换能器）中的压电晶片，在连接电极电压交替变化的作用下产生逆压电效应，称为超声发生器;而在超声波机械压力下产生压电效应，又成为超声波接收器。这是超声波产ABC图1超声波发生的原理：压电效应（B）和逆压电效应（C）生和接收的物理学原理。367.超声波物理特性及其在介质中传播的主要物理量有哪些？它们之间有何关系？(1)频率(frequency)：质点单位时间内振动的次数称为频率(f)o(2)周期(cycle)：波动传播一个波长的时间或一个整波长通过某一点的时间(T)。(3)波长(

3、wavelength)：声波在同一传播方向上，两个相邻的相位相差2ji的质点间的距离为波长(X)。(4)振幅(amplitude):振动质点离开平衡位置的最大位移称振喳或波幅(A)。亠、(5)声速(velocityofsound，soundvelocity):单位时间内，声波在介质中传播的距离称声速(C)。介质不同，超声在介质中的声速度也不同，但是在同一介质中，诊断频段超声波葩声速可认为相向。声菠在介质中时传皤速度号齐贡的弹性系数(k)和介质密度(p)有关。其声速与k和p比值的平方根成正比，即式中C为声速，E为杨式模量。根据物理学意义，-f、T、入之间有下列关系:f=l

4、/T,c=Nf=入/1X=c/f超声在人体软组织(包括血液、体液)中的声速约为1540m/s；骨与软骨中的声速约为软组织中的2.5倍；而在气体中的声速仅为340m/s左右。近年来的研究发现，不仅离体组织与活体组织有较大的声速差别，而且使用不同的固定溶液、固定速度也常影响声速。此外，声速尚与组织温度有关。通常，非脂肪组织的声速随温度上升而增快，脂肪组织的声速随温度上升而减慢。当脂肪组织由20。升到40°时，声速可下降15%之多。在进行精细的研究工作时，这些因素必须予以注意。(6)超声能量与能量密度：当超声波在介质中传播时,声波能到达之处的质点发生机械振动和位移。前者产生

5、动能而后者产生弹性势能。动能和势能之和组成波动质点的总能量。也即超声波的能量。声波在介质中传播的过程，也是能量在介质中传递的过程。设介质的密度为p，声波传播到的质点体积元为AV,其位移为X,AV将鞠有的动能为Wk,产生的势能为Wpo贝!］：Wk=Wp=l/2pA2o2（AV）sin2co（t-x/c）AV具有的总能量为：W=Wk+Wp=pA2co2（AV）sin2co（t—x/c）从表达式中可以看出超声波传播过程中总能量传递方式为：①介质振动质点的动能和势能随时间同时发生周期性变化。②振动质点以获得能量又向下一质点放出（传递）能量的方式传递声波。在超声波的传播中，表示单

6、位体积介质中所具有的能量称为能量密度（w）o即：w=Aw/AV=pA2co2sin2co（t—x/c）由前所述可知，w也时随时间而变化的。在一个周期中,其平均值为：w=l/2pA2（02（单位：焦耳/厘米3,J/cm3）即平均能量密度与振幅的平方、角频率的平方和介质密度成正比。因此，在能量密度一定的情况下,，介质密度越小，振幅越大。（7）声压：声压指声波在介质中传播时，介质单位截面积所产生的压力变化，也即介质中有声波传播时的压强与无声波传播时的压强之差。根据声波传播的特点，声压也周期性变化于正常值与负值之间，一个振动周期的声压为：Pm=pCA3（单位：N/cm2）即声强

7、与介质密度（p）、振动幅度（A）、振动速度（3）和传播速度（C）成正比。（8）声强与声强级别（分贝）：超声波在介质中传播时,单位时间内通过与传播方向垂直的单位面积的能量，称为超声强度，简称声强（I）。单位为瓦/厘米2（W/cm2,mW/cm2）o声强与声场中的能量密度（w）和超声传播速度（C）成正比，即：I=pCA2w2/2也即声强与振幅的平方、角频率的平方、介质的密度成正比。声强可以小到每平方厘米数维瓦,也可以大到每平方厘米数千瓦。人耳对声强变化的分辨能力较差，声强每增加10倍，人耳主观感觉只增加1倍。为了解决声强很大差别在表示中的不便