精选超声物理基础及图像基础
超声检测-物理基础
机械振动
机械波
机械振动——谐振动
振动：质点不停地在平衡位置附近往复运动的状态。 谐振动：质点受到跟位移成正比、方向总是指向平衡位置的回 复力作用下的振动。
振动方程：
y A cos t A : 振幅
＝2 f ：角频率 ：初始相位
机械振动——谐振动
特点： 位移随时间的变化符合余弦规律； 振幅和频率始终保持不变、自由、周期的振 动——最基本、最简单的理想的振动； 固有频率由系统本身决定； 只有弹力或重力做功，机械能守恒。
频谱分析在超声检测中的应用 ——提高超声无损检测分辨率的方法 （《无损检测》 1997（4），P91 ）
远场分辨率：两相距2mm反射体
c d 2f 测得：f 1.4MHz d 2.1mm
频谱分析在超声检测中的应用 ——提高超声无损检测分辨率的方法 （《无损检测》 1997（4），P91 ）
机械波——产生与传播
机械波 机械振动在介质中传播形成机械波。 弹性介质 由以弹性力保持平衡的各个质点所构成。
机械波——产生与传播
产生机械波的条件 机械振动源、弹性介质。 特点： 机械振动是机械波的根源、机械波是机械振动状态的 传播。 机械波的传播不是物质的传播，而是振动状态和能量 的传播。
超声检测的历史
1964年，焊缝超声检测技术。
70’，裂纹高度测量，结合断裂力学，评估结 构强度和寿命预测。 80’，随着电子技术和计算机的发展，超声检 测自动化和成像技术发展迅速。
超声波的特点
超声波能量高
超声波穿透力强 超声波方向性好
超声诊断的物理基础
超声诊断的物理基础超声诊断是一种通过利用超声波在人体组织内的传播和反射特性，来获取人体结构和病变信息的无创检查方法。
超声波是一种机械波，具有高频率、短波长和强穿透力的特点，被广泛应用于临床医学领域。
超声波的物理特性为超声诊断提供了基础。
首先，超声波的频率决定了它在人体组织中的传播速度。
一般来说，超声波在软组织中的传播速度约为1540米/秒。
不同组织的声速略有差异，这也是超声诊断中可以区分不同组织结构的原因之一。
超声波的传播和反射特性使得超声诊断成为一种无创的检查方法。
超声波在人体组织中传播时，会遇到不同组织的界面，如肌肉和骨骼之间的交界处。
当超声波遇到这些界面时，会发生反射和折射，一部分能量被反射回来形成回波，另一部分能量继续传播。
通过接收回波信号，超声设备可以计算出声波从发射到接收的时间，从而确定声波传播的距离。
超声波的反射特性也使得超声诊断可以观察到人体内部的结构和病变。
不同组织对超声波的反射能力不同，这取决于组织的声阻抗差异。
声阻抗是指声波在穿过介质界面时遇到的阻力，它与介质的密度和声速有关。
当声波从一个组织进入另一个组织时，如果两者的声阻抗差异大，则会发生明显的反射。
这样，超声波就可以探测到组织的边界和病变部位。
超声波的频率也决定了它的穿透能力和分辨率。
低频超声波能够穿透较深的组织，但分辨率相对较低，无法清晰地显示细小结构。
高频超声波则能够提供更高的分辨率，但穿透能力相对较弱。
因此，在超声诊断中，医生需要根据不同情况选择适当的频率，以获得较好的图像质量。
超声波的多次反射和散射也会影响超声图像的质量。
当声波在组织中传播时，会受到散射和吸收的影响，导致声波的能量逐渐减弱。
这也是为什么超声波不能穿透骨骼和气体的原因，因为它们对超声波的传播具有较强的散射和吸收能力。
超声诊断是一种基于超声波的无创检查方法，其物理基础包括超声波的频率、传播速度、反射特性和穿透能力等。
通过利用超声波在人体组织内的传播和反射特性，超声诊断可以获取人体结构和病变信息，为临床医学提供重要的辅助诊断手段。
超声检测物理基础第二章2
yy ,
v u xy yx x y u w xz zx z x w v zy yz y z v u 2 z x y u w 2 y z x w v 2 x y z
第二章
超声检测的物理基础
Txx
小体积元运动分析 作用在小体元上X轴的 合力为
Txx Tyx Tzx Fx ( )dxdydz x y z
根据牛顿第二定律可 建立小体元在x方向的 运动方程 u T T
2 xx
Txx Txx dx x
t 2
x
Tzx y z
第二章
1.应变
超声检测的物理基础
某一点A ,坐标为（x,y,z） 相邻点C，坐标为（x+dx,y+dy,z+dz) 固体产生变形时， A点产生位移，变为 A 位移为(u,v,w) A C点变为 C 位移为（u+du,v+dv,w+dw)。 两点之间的位移差为： A (du,dv,dw)
C
Txx ( xx yy zz ) 2 xx 2 xx T ( ) 2 2 xx yy zz yy yy yy Tzz ( xx yy zz ) 2 zz 2 zz Tyz yz Txy xy Tzx zx
拉梅系数与弹性模量和拍松比的关系 一般材料中常用杨氏模量E 和泊松比 表示弹性性质 T
E
xx
Txx
xz
xx yy
Txy
Txx
杨氏模量（弹性模量）
E (1 )(1 2 )
E 2(1 )
超声基础知识部分
第一单元超声波检测的物理基础1、机械振动：有些物体在某一固定的位置（即平衡位置）附近作周期性的往复运动，这种运动形式被称为机械振动，简称振动。
2、自由振动：做振动的系统在外力的作用下物体离开平衡位置以后就能自行按其固有频率振动，而不再需要外力的作用，这种不在外力作用下的振动称为自由振动。
3、无阻尼自由振动：理想情况下的自由振动叫无阻尼自由振动。
自由振动时的周期叫固有周期，自由振动时的频率叫固有频率，它们由振动系统自身条件所决定，与振幅无关。
4、简谐振动：最简单最基本的直线无阻尼自由振动称为简谐振动，简称谐振。
5、在周期性外力的作用下产生的振动称为受迫振动，这个周期性的外力称为策动力。
6、机械波：机械振动在弹性介质中的传播过程，称为机械波。
机械波产生的条件：有机械振动振源和传播振动的弹性介质。
7、波长：在同一波线上两个相邻的振动相位相同的质点之间的距离，称为波长（即一个“波”的长度），用符号λ表示。
波长的常用单位是毫米（mm）或米（m）。
8、频率：单位时间内波动通过某一位置的完整波的数目，称为波动频率，也是质点在单位时间内的振动次数，用符号f表示。
频率的常用单位是赫兹（Hz），即（次）/秒。
波的频率是波源的振动频率，与介质无关。
9、周期：周期在数值上等于频率的倒数，它是波动前进一个波长的距离所需要的时间，用符号T表示。
周期的常用单位有秒（s）。
10、波速：在波动过程中，某一振动状态（即振动相位）在单位时间内所传播的距离叫做波速，用c表示，其常用单位为米/秒（m/s）。
波速的影响因素有：（1）介质的弹性模量和密度；（2）波的类型；（3）传播过程中的温度。
11、惠更斯原理：媒质中波动传到的各点，都可以看作是发射子波的波源，在其后的任一时刻，这些子波的包迹就决定新的波阵面。
惠更斯原理对任何波动过程都适用，不论是机械波或电磁波，不论这些波动经过的媒质是均匀的或非均匀的。
利用惠更斯原理可以确定波前的几何形状和波的传播方向。
超声基础知识及临床应用 ppt课件
弥漫型： 肝内呈多发、可疑结节样回声，静脉扭曲变形。
小肝癌型： <3cm的单发结节为主，多为弱回声，边界清。
肝癌（大块型）
胆囊结石超声诊断
胆囊内强回声光团或光点 结石回声后方伴有声影 改变体位结石强回声依重力方向移动
横向分辨率的上限是显示器扫描线的宽度。
超声波的分辨率—纵向分辨力
➢超声波频率越高，纵向分辨力越好。
振元
靶点
低频率
振元
回波信号 靶点
高频率
回波信号 20
超声波的分辨率—横向分辨力
➢频率越高，波束越集中，横向分辨力越好。
不能分辨
能分辨
21
超声物理基础—小结
1.哪些器官不能（不适合）超声检查？ 2.超声检查时为什么要搽耦合剂？
第三种，对超声的测量存在困惑。
一个病灶不同超声医师测出的大小 不一样，有时甚至相差较远，比如肾 结石上午在这个医院做了是这么大， 而下午跑到另外一个医院来做又是那 么大，难以理解。
未来趋势
超声报告的内容
• 超声报告单分上项、中项、下项。 • 上项：为病人的基本信息和机器的品牌、型号等。 • 中项：记录检查时的发现（包括图片和描述）。应细致、
第一种，临床医生只看结论,不看描述。
有的临床医生说，你们彩超的报告单，我们只看结论， 你们描述的内容我们根本不看，看也不明白什么意思。
第二种，看了描述，解读错了
曾经有一位临床医生看到我的描写（脾厚 4.5cm，肋下未探及）跟患者如此解释：脾已经 比正常厚了4.5公分......。好在患者也看不懂描述。ຫໍສະໝຸດ 炎症积液实性占位
纤维化
钙化
超声基础-物理基础
物理基础第一节声波的定义及分类一、定义物体的机械性振动在具有质点和弹性的媒介中的传播现象称为波动，而引起听觉器官有声音感觉的波动则称为声波。
根据声波的传导方向与介质的的振动方向的关系，声波有纵波和横波之分。
二、横波所谓横波是指介质中的质点都垂直于传播方向运动的波。
人体的骨骼中，不但传播纵波，还传播横波。
三、纵波即介质中质点沿传播方向运动的波。
在纵波通过的区域内，介质各点发生周期性的疏密变化，因此纵波是胀缩波。
理想流体(气体和液体)中声振动传播方向与质点振动方向是平行的，只存在于纵波。
人体中含水70—80％，故除骨路、肺部以外软组织中的声速和密度均接近于水。
目前医用超声的研究和应用主要是纵波传播方式。
第二节超声显像物理基础一、超声波基本物理量1、超声波是声源振动的频率大于20000 Hz的声波。
2、超声波有三个基本物理量，即频率（f），波长（λ），声速（c），它们的关系是：c=f·λ或λ=c/f，传播超声波的媒介物质叫做介质，不同频率的超声波在相同介质中传播时，声速基本相同。
3、相同频率的超声波在不同介质中传播，声速不相同，人体软组织中超声波速度总体差异约为5％。
因此目前医用超声仪一般将软组织声速的平均值定为1541m/s。
通过该声速可测量软组织的厚度，由于目前超声仪所采用的是脉冲回声法，故该回声测距的公式是：t组织厚度=Ｃ·───2利用超声方法进行测距的误差也是5％左右。
4、声阻抗是用来表示介质传播超声波能力的一个重要的物理量，其数值的大小由介质密度ρ与声波在该介质中的传播速度c的乘积所决定，即：Z=ρ·c单位为Kg／m2·s。
5．临床常用的超声频率在2～10 MHz之间。
二、超声波的物理性能l、超声波在介质中传播时，遇到不同声阻的分界面且界面厚度远大于波长，会产生反射，反射的能量由反射系数R I=〔（Z2-Z1）/（Z2+Z1）〕2决定。
Z1、Z2为两种介质的特性声阻抗，Z=ρ·c (密度·声速）当Z1=Z2，为均匀介质，则RI＝0，无反射。
超声波检测的物理基础
周期、频率、波长、波速为四个特征量。
令波在一个周期T内所传播的路程为波长，用λ 表示。根据频率f和波速C的 定义，四者关系如下：
C=fλ =λ /T
(1-4)
波动每传播一个波长，波的相位就变化ω λ /C=2π，也即相隔整数倍波
长的各点是作同相位振动的。令k=ω /c=2π/λ ，k称为波数，描述波动的常
2 t T
弹簧振子受力振动后，振子Q离开平衡位置位移量X随时间 t的变化规律可由下列余弦函数（或正弦函数）描述：
X=Acos（2πt/T+φ）
或 X=Acos (ωt+φ)=Asin (ωt+φ+ π/2)
（1-2）
式中，X为t时刻振子Q离开平衡位置的距离；
A为振幅，表示振子Q在振动过程中的最大位移量；
钢板、锻件探伤
横波 振动方向垂直于播向 固体介质
焊缝、钢管探伤
表面波 质点椭圆运动，
长轴垂直播向
固体介质
钢管、薄板探伤
短轴平行播向
板波 对称(S)型
上下表面：椭圆运动
中心：纵向振动
固体介质(波长薄板)薄板薄壁管探伤
非对称(A)型上下表面：椭圆运动 中心：横向振动
主要特征量
质点振动方向与波动传播方向相互垂直的波型称为横波。当固体弹性介质 受到交变的剪切应力作用时，产生剪切变形，介质质点就会产生相应的横 向振动，质点的振动方向与波动的传播方向垂直，这种波型称为横波。因 横波是在剪切应力作用下产生的，故也称剪切波或切变波，用S表示。
横波S
图2.2.2
质 点 振 动 方 向
球面波
超声检测物理基础第二章1
第二章
超声检测的物理基础
2、描述波动的物理量 波长:沿波的传播方向,两个相邻的、 相位差为 2 的振动质点之间的距离，即一个完整 y 波形的长度。A
O A
x
第二章
超声检测的物理基础
频率: 任一给定点在单位时间内所通过的完整 波的个数, 单位：Hz 波的频率是由波源决定的 波速:波在单位时间内所传播的距离
第二章
超声检测的物理基础
按介质形状分类 1 体波 横波 纵波 2 表面波－瑞利波 3 导波 分管中导波和板中导波 板中导波－板波 Lamb波
第一章
超声检测的物理基础
表面波（瑞利波） 介质表面受到交变应力作用时，产 生沿着固体表面传播的具有纵波和横 波的双重性质的波。 表面质点的运动轨迹为椭圆 振幅随深度的增加迅速减少 用于发现表面缺陷
c f
波速只取决于介质的性质
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
第二章
超声检测的物理基础
波按频率分类： 次声波：频率小于20Hz 声波：20－20000Hz 超声波：20000Hz以上 超声波的特点 具有良好的方向性 能量高 在界面处产生反射、折射和波型转换 穿透力强
第二章
超声检测的物理基础
超声波的应用 医学上：疾病的诊断和治疗 机械加工：玻璃，金刚石等材料的 加工 焊接：塑料的焊接 材料检测和性能测试
第一章
超声检测的物理基础
地震波
地震发生时，震源区的介质发生急速的 破裂和运动，这种扰动构成一个波源。由于 地球介质的连续性，这种波动就向地球内部 及表层各处传播开去，形成了连续介质中的 弹性波。
由三部分组成：纵波、横波、表面波
第二章 超声检测的物理基础 按波的形状分类 波的形状是指波阵面的形状。 波阵面：同一时刻，振动相位相同所 有点联成的面。 波前：某一时刻，波动所到达的空间 各点所联成的面。 波线：波的传播方向 1 平面波 2 球面波 * 3 柱面波
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人体软组织的声速分布在1500m/s～1680m/s之间,利用超声方法对软组织 测距存在一定的误差。而骨组织的声速则高于2800m/s、肺组织的声速大约在 1200m/s以下，了解人体不同组织声速的分布对判断由超声测量引起的误差是
k p
而与超声的频率无关。声速在决定声阻抗以及回声测距精度上是重要 因素。超声在人体软组织中精平选均超声速物度理基为础及15图4像0基m础/s,探测1cm深度目标所6需时 间为 13.4μs.
波长 压力波的波峰被特殊的距离所分开，这个距离叫波长 （λ）。波长表示声波在介质中传播时，两个相邻的周期质点之 间的长度。对纵波来说，是两个相邻的稠密区（压缩区）中心点 的波动距离。振动的传播过程就是波动（wave motion ）
9
超声波频率、波长、声速及人体组织的关系错误的是：
A、 不 同 频 率 的 探 头 检 查 肝 组 织 时 ， 声 速 基 本 相 同 B、 同 一 探 头 检 查 不 同 脏 器 时 ， 声 速 不 相 同 C、 不 同 频 率 探 头 检 查 相 同 的 脏 器 时 ， 波 长 与 频 率 成 反 比 D、 同 一 探 头 检 查 不 同 脏 器 时 ， 波 长 不 相 同 E、 在 肝 脏 检 查 中 ， 频 率 高 的 探 头 其 波 长 也 愈 长
在超声诊断中，人体脏器、器官都是介质。介质的声学特 性与成像的关系非常密切。
超声与声音除了频率高低有别外，它们在本质上是一致的， 都是一种机械振动，并以确定的速度通过介质。
精选超声物理基础及图像基础
3
（二）频谱图与超声波
1。谱图 在很宽的频率范围内，机械波和振动都可以产生声音，这种 频率范围叫做声学频谱。这个频谱从可听范围到构成物质振动状态的声子 的范围（>1012），在图1-1-1谱图中给出了声学频谱的图形解释。
（2）不同介质 同一频率的超声波，在不同介质内传播， 因传播声速不同，则波长也不相同。频率为3MHz的超声波在人 体软组织中传播时，其波长为0．5mm，而在空气中传播，其波 长为0.114mm。
所以用同一种探头检查人体不同的组织时，由于声速存在差 异，所以波长也是不相同的。
精选超声物理基础及图像基础
2。超声波 人们能听到的声音，大约是20～20000Hz。高于20000Hz的声 音叫做“超音”，也就是通常所说的超声波
图1-1-精1选声超学声物频理基谱础及图图像基础
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（三）超声波应用范围
在20到100KHz的频率范围内，很多动物都用超声波进 行交流、导航及追捕它们的猎物。
从100 KHz（105Hz）到1MHz（106Hz），超声波最重 要的应用就是声呐（声音导航及测距）。
很有帮助的。
图1-1-3生物材料中的超声速 横条代表实验测的的速度范围
精选超声物理基础及图像基础
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2、波长与介质的关系
（1）同一介质 不同频率的超声波，在同一介质内传播时其 波长与频率成反比。
1MHz 的 超 声 波 在 人 体 软 组 织 中 传 播 时 ， 其 波 长 为 1.5mm 。 3MHz 的 超 声 波 在 人 体 软 组 织 中 传 播 时 ， 其 波 长 为 0.5mm 。 5MHz 的 超 声 波 在 人 体 软 组 织 中 传 播 时 ， 其 波 长 为 0.3mm ， 所以频率越高的超声波在同一脏器组织中传播其波长愈短。 例如：用高频率的探头检查肝脏其波长也愈短。
（a）传播声波的媒质（介 质）的分子
(b) 波长为λ的平面连续 压缩波的压力分布
图1-1-2质点振动传播声波
精选超声物理基础及图像基础
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(五) 声速、波长与介质的关系
1、声速与介质的关系
（1）.同一介质 不同频率的探头在同一介质中传播时声速基本相同。所以 用不同频率的探头检查肝脏时，声速基本相同。
2.5 MHz到5 MHz的频率用于心脏、腹部及软组织成像。 这 些 频 率 能 穿 透 组 织 可 到 达 20-15cm 的 深 度 。
5-10MHZ的频率的超声波可以用于小器官的成像，例如： 腮腺、甲状腺、颈部血管及眼睛显像，它只需要4-5cm的 穿透深度。
10-30MHz 用于皮肤及血管内检查，可以获得高分辩 力的图像。
40-100MHz 用于生物显微镜成像，对眼活组织表面下 的显微诊断。
精选超声物理基础及图像基础
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（四）超声波的三个基本物理量
1、超声波的振态
超声波的振态在固体中有纵波 、横波 和表面波三种，而在液体和
气体中只有纵波振态，在超声诊断中应用的是超声纵波。
2、超声波的三个基本物理量
超声波有三个基本物理量，即波长（wave length,λ）,频率（f）和
精选超声物理基础及图像基础
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第一章 物理基础
第一节 超声显像物理基础
一、超声波基本物理量
（一）声源、介质 1、声源 我们把能发出声音的东西头晶片发射时即产生超声，所以探头晶
片就是声源。 2、介质 声源和接收声音之间的空间充满了气体(空气)，
或是液体，或是固体，即有种传播声音的媒介物——介质。声 波必须在介质中传播，在真空中声波是不能传播的。
全国大型医用设备使用人员上岗资格考试
彩色多普勒(超声医师应知/应会)
辅导材料 (第一章~第四章)
精选超声物理基础及图像基础
1
掌握超声医学基础知识
一、重点理解——原理、概念 二、加强记忆——规律、数据 三、融会贯通——联想、判断
理解 —— 记忆 —— 贯通
打好坚实基础 规范检查操作
正确使用仪器 提高诊断水平
声速(velocity,C),它们之间的关系为：
C=λ×f 也就是λ=C/f
（1-1-1）
频率 即一秒钟内声源振动的次数,以赫兹为单位，并常用1kHz、 1MHz（1 Hz=1次/秒）。频率是周期的倒数，如振动周期为T，则f=1/T。
声速 声波在某种介质中的传播速度，即一秒钟传播的距离，单位为 米/秒（m/s）。它与介质的弹性（K）和密度（ρ）有关,