超声波生物物理特性(精)
超声波的生物物理特性 二、超声波的热作用
超声波 热量
机体
组织之间相互摩擦
机体吸收声能，将超声波的机械能转变为热能
超声波的生物物理特性 二、超声波的热作用
相关因素：
频率、剂量
频率越高，剂量越大，热作用越强
介质的物理特性
在人体组织中，神经组织吸收声能最多，肌肉次 之，脂肪更差 皮下组织– 肌肉组织 肌肉组织– 骨组织
介质
微细按摩作用是超声波治疗疾病的最基本的机制
超声波的生物物理特性 一、超声波的机械作用
超声波对细胞的微细按摩作用：
改变组织细胞的体积，减轻肿胀 改变膜的通透性，促进代谢物质的交换 改变细胞的功能，提高组织细胞的再生能力
改变细胞膜的通透性 改变膜两侧的钾、钙等离子的分布，加速组织修 复过程 改变神经的电活动，缓解疼痛
超声波疗法
超声波的生物物理特性
盐城卫生职业技术学院 唐蓉
超声波的生物物理特性
超声波的机械作用 超声波的热作用 超声波的空化作用 超声波的 生物物理 特性
超声波的生物物理特性 一、超声波的机械作用
超声波 质点往复运动 介质内部有 节律的疏密变化 压力变化 微细按 摩人体组织细胞
界面（产热较多）
超声波的生物物理特性 二、超声波的热作用
加快组织局部血液循环 加速新陈代谢 改善细胞缺血、缺氧状态 降低肌张力 减轻疼痛 改善结缔组织延展性
超声波的生物物理特性 三、超声波的空化作用
空化现象 超声波在液体介质中传播产生声压，当负声 压超过液体的内聚力，液体中出现细小空腔
分为稳定的空腔和暂时的空腔 稳定的空腔来回振动，周围产生单向的液体流动 （微流） 暂时的空腔破灭时产生高热、高压、发光、放电， 对机体有破坏作用
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超声波的生物物理特性 三、超声波的空化作用
超声波的物理特性及医学应用
超声波的物理特性及医学应用超声波是一种高频声波，频率高于人类听力范围的20kHz，通常为2MHz至20MHz。
它在医学领域应用广泛，可以用于诊断和治疗。
本文将介绍超声波的物理特性及其医学应用。
超声波是会导致压缩和稀疏的弹性机械波，它的传播速度取决于介质密度和弹性模量。
在介质密度相同的情况下，介质的弹性模量越高，传播速度也就越快。
因此，在人体内部传播的超声波速度通常大约为1540米/秒。
超声波可以通过被测物体的反射和散射来产生图像。
当超声波穿过人体组织时，它会遇到组织的不同密度和形态，进而发生反射和散射。
这些反射和散射信号可以被超声波探头捕获，并转化成图像。
超声波在医学中有许多应用，包括：a. 超声检查：超声波可以用来检查人体内部器官的大小、形态和位置。
它可以检查胎儿、甲状腺、脾脏、肝脏、心脏、乳腺等器官的情况。
b. 超声造影：超声波可以与注射的造影剂相结合，用来检测肾脏、胰腺等器官的血流情况或检查肿块等。
c. 超声诊断：医生可以根据超声波图像来判断是否存在异常情况，如囊肿、结缔组织病、肿瘤等。
d. 超声治疗：超声波可以被用来治疗一些疾病，如关节炎、肌肉痉挛等。
它可以通过加热或振荡来缓解局部疼痛和不适。
3. 超声波在医学中的优点a. 安全性高：超声波检查和治疗过程不会产生放射性辐射，安全性高。
b. 无痛性：与其他检查和治疗手段相比，超声波无痛性更好。
c. 非侵入性：超声波可以通过皮肤进行检查和治疗，不必进行手术。
d. 易于操作：超声波设备易于携带和操作，不需要特别的电源或环境条件。
总之，超声波在医学中的应用广泛，可以用于诊断和治疗多种疾病。
由于具有安全、无痛、非侵入性等优点，超声波成为了医学领域中不可或缺的一种诊断手段。
1__超声波的基本特性及在生物组织中的传播
抽气
声音的实质
机械振动在连续媒质中的传播——机械波
声波频率
目前，人类研究与使用的声波频率从10-4到1013Hz,足足跨越了17个数量级。将 声波依其频率高低和人耳对声波的感受能力，区分与命名如下
次声
可听声
超声
特超声
10-4-20
20-2*104
2*104-109
109-1013
参考声压P0 以1000 Hz纯音的听阈声压为基准声压（20µ Pa） Pi = P0， LP = 0
普通谈话约为 载重卡车行驶 喷气式飞机附近 60dB-70dB 80dB-90dB 140dB-150dB
1.3 声波的声强
超声强度：超声波在单位时间内通过与声波传播方向垂直的单 位面积的能量，通常示以I。对于平面连续波其强度I为：
Z C
讨论声波传播问题时，声阻抗Z =ρC是一个极其重要的物理量。
媒质Z均匀不变，那么声波在其中的传播方向将不会改变；
Z不均匀，在变化处呈现出声学界面，发生反射、折射、散射。
现行大部分超声诊断仪（A型、B型、M型及 多普勒型），都是建 立在超声回波（来自人体内）基础上的，其物理基础便是人体组 织的声阻抗不均匀。
达因 dyn 是（CGS）力的单位 1 dyn代表作用于1g的物体，使其产生1cm/s2的加速度的力。
பைடு நூலகம்
蚂蚁叼草的力约100 dyn
1 dyn = 10-5N 1Pa = 1N/m2 = 10 ubar = 10-5 bar 大气压约 1 bar
声压级
比较两个声压的大小，常用声压级(LP)
LP=20logPi/P0（dB）
2 1 Pm 1 2 I CVm 2 C 2
超声声波的物理特性与医学应用
超声声波的物理特性与医学应用超声声波是一种具有高频振动的机械波，其表现形式可以是横波或纵波，其能够通过生物组织中的传递和反射来达到成像的目的，在医学影像诊断、治疗和研究等领域被广泛应用。
下面将从超声声波在医学应用中的作用、声波的测量和物理特性、成像原理等方面进行探讨。
一、超声声波在医学应用中的作用声波的频率越高，其穿透性越差。
超声波具有高频的特性，因此其对于某些物质的穿透能力较差，通常只能穿透生物体内的软组织。
在医学应用中，超声波主要用于观察和诊断人体内部软组织，可以通过超声波成像技术来观察人体内部的器官、血管、肌肉和血液流动等情况，帮助医生确定疾病的诊断和治疗方案。
超声声波在医学应用中的优势是非常明显的。
相比较于X射线等其他成像技术，超声波成像更为安全，不会对人体产生辐射危害。
此外，超声波成像技术具有实时性、便利性和无侵入性等优点。
二、声波的测量和物理特性声波的测量通常用声压和声强来描述。
声压是指声波对物质造成的压力变化的幅度，是一种标量。
声强是指声波通过单位面积的能量传输量，是一种矢量。
另外，声波的频率和波长也是重要的物理特性。
声波的传播速度与介质的密度和弹性有关。
在相同介质中，声波的传播速度与声波的频率成正比，与介质的密度和弹性成反比。
声波的传播速度还与温度有关，通常情况下，温度升高，声波传播速度也会增加。
在医学应用中，超声波成像技术通常用的频率在几千赫兹到几百万赫兹之间。
声波在穿透生物组织时，其强度会减弱，部分声波会被反射，另一部分声波会穿透组织继续传播。
这些反射和穿透的声波会被记录下来，并转化成数字信号进行图像处理，最终呈现出生物组织的影像。
三、超声成像原理超声成像原理基于声波的穿透和反射原理。
当超声波穿透生物组织时，会反射出一部分声波。
反射的声波会被接收器捕获并转化成电信号，然后通过信号处理、放大、滤波等一系列过程，在显示器上呈现出生物组织的影像。
超声成像技术根据声波的不同传播速度来确定生物组织的结构。
超声波
超声波在生物医学方面的应用超声波是指振动频率大于20000Hz以上的,其每秒的振动次数（频率）甚高，超出了人耳听觉的上限（20000Hz），人们将这种听不见的声波叫做超声波。
超声和可闻声本质上是一致的，它们的共同点都是一种机械振动，通常以纵波的方式在弹性介质内会传播，是一种能量的传播形式，其不同点是超声波频率高，波长短，在一定距离内沿直线传播具有良好的束射性和方向性。
超声波在传播过程中一般要发生折射、反射以及多普勒效应等现象,超声波在介质中传播时,发生声能衰减。
因此超声通过一些实质性器官,会发生形态及强度各异的反射。
由于人体组织器官的生理、病理及解剖情况不同对超声波的反射、折射和吸收衰减也各不相同。
超声诊断就是根据这些反射信号的多少、强弱、分布规律来判断各种疾病。
超声在医学的各个领域都有应用,并取得飞速发展,从而产生了超声医学这一分支学科。
1 超声的物理特性1.1超声场特性超声在介质内传播的过程中,明显受到超声振动影响的区域称超声场。
超声场具有以下特点:如果超声换能器的直径明显大于超声波波长,则所发射的超声波能量集中成束状向前传播,这种现象称为超声的束射性(或称指向性)。
换能器近侧的超声波束宽度与声源直径相近似,平行而不扩散,近似平面波,该区域称近场区。
近场区内声强分布不均匀。
近场区以外的声波以某一角度扩散称远场区。
该区声波近似球面向外扩散,声强分布均匀,但逐渐减弱,换能器的频率愈高,直径愈大,则声波束的指向性越好,其能量越集中。
1.2超声的反射与散射超声在密度均匀的介质中传播,不产生发射和散射。
当通过不同的介质时,在两种介质的交界面上产生发射与折射或散射与绕射。
超声波的频率较大,波长较小,一般不考虑衍射与干涉。
（1）反射、折射与透射:凡超声束所遇界面的直径大于超声波波长(称大界面)时,产生反射与折射。
反射声强取决于两介质的声阻差异及入射角的大小。
垂直入射时,反射声强最大。
反射声能愈强则折射或透射声能愈弱。
超声波
超声波疗法超声波是指频率在20000Hz以上，不能引起正常人听觉反应的机械振动波。
将超声波作用于人体以达到治疗目的的方法称为超声波疗法。
一、概述超声波疗法近年来超声波疗法的使用范围日益广泛，已远远超过理疗科原来的一般疗法，如超声治癌、泌尿系碎石及口腔医学的应用等，因此超声波疗法的概念应有广义的（包括各种特殊超声疗法）及狭义的（指理疗科常用的无损伤剂量疗法）两种。
同时随着现代科学技术的进步，超声波不仅用于治疗，还已广泛用于诊断、基础及实验医学、因此已有“超声医学”之称。
二、超声波的生物物理学效应及其作用机理（一）机械作用机械作用是超声波的一种基本的原发的作用。
超声波在介质内传播过程中介质质点交替压缩与伸张形成交变声压，不仅可使介质质点受到交变压力（在治疗剂量下，每一细胞均受4－8mg压力变化影响）及获得巨大加速度而剧烈运动，相互摩擦，而且能使组织细胞产生容积和运动的变化，可引起较强的细胞浆运动（原浆微流或称环流），从而促进细胞内容物的移动，改变其中空间的相对位置（据观察，强度不大的超声波能使嗜伊红细胞的原浆颗粒旋转，剂量大时甚至颗粒被抛出细胞外），显示出超声波对组织内物质和微小的细胞结构的一种“微细按摩”的作用。
这种作用可引起细胞功能的改变，引起生物体的许多反应。
可以改善血液和淋巴循环，增强细胞膜的弥散过程，从而改善新陈代谢，提高组织再生能力。
所以治疗某些局部循环障碍性疾病，如营养不良性溃疡效果良好。
有人观察在超声波的机械作用下，脊髓反射幅度降低，反射的传递受抑制，神经组织的生物电活性降低，因而超声波有明显镇痛作用。
超声的机械作用还能使坚硬的结缔组织延长、变软，用于治疗疤痕、粘连及硬皮症等。
可见，超声波的机械作用可软化组织、增强渗透、提高代谢、促进血液循环、刺激神经系统及细胞功能，因此有重要的治疗意义，在超声治疗机理上占重要地位。
（二）温热作用超声波作用于机体时可产生热，有些人甚至称为“超声透热疗法”。
超声波
八、生殖系统：适量的超声波可使精子数目 增加，精子活动性增强，受孕率提高。促 进卵巢滤泡形成。影响胚胎发育。 九、眼：可使眼球血管扩张、促进前房与玻 璃体内的渗出和出血的吸收和消散，改善 视神经营养，恢复眼睛功能。
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超声波治疗技术和方法
一、超声波的治疗设备 １、超声波的发生 逆压电效应：在晶体的两表面加一外电场， 则晶体就会发生压缩或伸长的形变。
声波的发生过程：将一定频率的交变电压加 在石英片的两侧面，石英片的厚度将随着所 加电压的周期性变化而产生相同频率的伸缩， 即机械振动。这些振动可引起周围介质分子 运动，也就是声波。
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２、超声波治疗仪器
主机（即超声发生器）：电源电路、高频 振荡器、调制器和定时器。
声头：又称换能器，是由两面镀有金属层 的压电晶体，装在一个圆柱形的金属外壳 内构成。多为圆柱形。
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超声波的传播
１、反射与折射 ２、干涉与驻波 ３、穿透与吸收 ４、声场与声束
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１、反射与折射：入射角越小，两种介质 的声阻差越小，反射的能量越少。
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２、干涉与驻波 干涉：两列声波频率相同，振动方向相同，在空 间相遇时恰为波峰与波峰相叠加，波谷与波谷相 叠加，使得质点振幅增大，或恰为波峰与波谷相 叠加，使得质点的振幅减小。
①
同一介质中，波速一定，频率越高，波长 越短； 同一频率的波在不同介质中传播时，波速 越大，波长越长。
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医用超声波频率
诊断用 治疗用 其他
眼5～7 MHz
乳房5 MHz
躯体800～ 1000kHz
皮肤2.5～5 MHz (常用3.2 MHz)
外科2.5～5 MHz
超生物理特性
超声的物理特性一、定义1．超声为物体的机械振动波，属于声波的一种，其振动频率超过人耳听觉上限阈值[20000赫(Hz)或20千赫(kHz)]者。
2．超声诊断应用较高频率[1～40MHz，常用为2.2～10MHz间]超声作信息载体，从人体内部获得某几种声学参数的信息后，形成图形(声像图，血流流道图)、曲线(A型振幅曲线，M型心动曲线，流速频谱曲线)或其他数据，用以分析临床疾病。
二、声源、声束、声场与分辨力声源能发生超声的物体称为声源(sound Source)。
声束(sound beam) 是指从声源发出的声波，一般它在一个较小的立体角内传播。
近场与远场声束各处宽度不等。
在邻近探头的一段距离内，束宽几乎相等，称为近场区，近场区为一复瓣区，此区内声强高低起伏；远方为远场区，声束开始扩散，远场区内声强分布均匀。
分辨力(resolution power) 分辨力为超声诊断中极为重要的技术指标。
可分为两大类：基本分辨力及图像分辨力。
1．基本分辨力指根据单一声束线上所测出的分辨两个细小目标的能力。
正确分辨力的测定系两个被测小靶标移动至回声波形与波形间在振幅高度的50％处能分离时，此时两小点间距为确切的分辨力。
模拟试块上测试分辨力受总增益及DGC(深度增益补偿)调节而明显改变，只供一般参考。
基本分辨力又分3类：(1)轴向分辨力：指沿声束轴线方向的分辨力。
轴向分辨力的优劣影响靶标在浅深方向的精细度。
分辨力佳则在轴向的图像点细小、清晰。
通常用3—3.5MHz探头时，轴向分辨力在lmm左右。
(2)侧向分辨力：指在与声束轴线垂直的平面上，在探头长轴方向的分辨力。
声束越细，侧向分辨力越好，其分辨力好坏由晶片形状、发射频率、聚焦效果及距离换能器远近等因素决定。
在声束聚焦区，3～3.5MHz的侧向分辨力应在1.5～2mm左右。
(3)横向分辨力：指在与声束轴线垂直的平面上，在探头短轴方向的分辨力(国内有称厚度分辨力者)。
超声探头具有一定厚度。
超声波的特性(精)
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1 超声波的特性
声波是物体的机械振动产生的，振动的频率超过20000次/s 称为超声波，简称超声。
超声波在机体内传播的物理特性是超声影像诊断的基础，其中主要有：
一、超声的定向性
又称方向性或束性。
当探头的声源晶片振动发生超声时，形成了一股声束，以一定的方向传播。
诊断方面利用这一特性做器官的定向探查，以发现体内脏器或组织的位置和形态上的变化。
二、超声的反射性
超声在介质中传播，若遇到声阻抗不同的界面时一部分声能引起反射，所余的声能继续传播。
如介质中有多个不同的声阻界面，则可顺序产生多次的回声反射。
超声界面的大小要大于超声的半波长，才能产生反射。
若界面小于半波长，则无反射而产生绕射。
超声垂直入射界面时，反射的回声可被接收返回探头而在示波屏显示。
入射超声与界面成角而不垂直时，入射角与反射角相等，探头接收不到反射的回声。
三、超声的吸收和衰减性
超声在介质中传播时，由于与介质中的摩擦产生粘滞性和热传播而吸收，又由于声速本身的扩散、反射、散射、折射与传播距离的增加而衰减。
吸收和衰减除与介质的不同有关外，亦与超声的频率有关。
但频率又与超声的穿透力有关，频率愈高，衰减愈大，穿透力愈弱。
超声诊断主要是利用这种界面反射的物理特性。
超声波特性
2．1 超声波的定义波是由某一点开始的扰动所引起的，并按预定的方式传播或传输到其他点上。
声波是一种弹性机械波。
人们所感觉到的声音是机械波传到人耳引起耳膜振动的反应，能引起人们听觉的机械波频率在20Hz~20KHz，超声波是频率大于20KHz的机械波。
在超声波测距系统中，用脉冲激励超声波探头的压电晶片，使其产生机械振动，这种振动在与其接触的介质中传播，便形成了超声波。
2．2超声波的物理特性当声波从一种介质传播到另一种介质时，在两介质的分界面上，一部分能量反射回原介质，称为反射波；另一部分能量透射过分界面，在另一个介质内部继续传播，称为折射波，如图2．1所示，图中L为入射波，S₁为反射横波，L₁为反射纵波，L₂为折射纵波，S₂为折射横波。
S₂图2．1超声波的反射、折射及其波形转换这些物理现象均遵守反射定律、折射定律。
除了有纵波的反射波折射波以外，还有横波的反射和折射。
因为声波是借助于传播介质中的质点运动而传播的，其传播方向与其振动方向一致，所以空气中的声波属于纵向振动的弹性机械波。
在理想介质中，超声波的波动方程描述方法与电磁波是类似的。
描述简谐声波向X 正方向传播的质点位移运动可表示为：()cos()A A x t kx ω=+ （）0()ax A x A e -= （）式中，()A x 为振幅即质点的位移，0A 为常数，ω为角频率，t 为时间，x 为传播距离，2/k πλ=为波数，λ为波长，α为衰减系数。
衰减系数与声波所在介质和频率关系：2af α= （）式(2．3)中，a 为介质常数，f 为振动频率。
2．2．1超声波的衰减从理论上讲，超声波衰减主要有三个方面：(1) 由声速扩展引起的衰减在声波的传播过程中，随着传播距离的增大，非平面声波的声速不断扩展增大，因此单位面积上的声压随距离的增大而减弱，这种衰减称为扩散衰减。
(2) 由散射引起的衰减由于实际材料不可能是绝对均匀的，例如材料中外来杂质金属中的第二相析出、晶粒的任意取向等均会导致整个材料声特性阻抗不均，从而引起声的散射。
第七章 超声波物理.ppt
超声波发射
应
---------
---------
31
第七章 超声波物理
32
二、超声波的产生机制
2.电致伸缩效应
性
电场引起材料内部正负电荷重心相对位移,内部产
生应力导致宏观上的几何形变。
电能转变成机械能
压电陶瓷 超声发射换能器
第七章 超声波物理
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• 超声波有三个基本物理量，即波长（wave length,λ）,频率（f）和声速(velocity,C),它们 之间的关系为：
频率高、波长短、方向性强、能量大、危害小
第七章 超声波物理
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第七章 超声波物理
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第七章 超声波物理
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超声成像系统
显示器
控制面 板
探头 主机
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第七章 超声波物理
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超声成像系统—显示器
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第七章 超声波物理
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超声成像系统—探头种类
凸阵探头 线阵探头 相控阵探头 4D探头
穿刺探头
腔内探头
第七章 超声波物理
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• 声源 我们把能发出声音的东西叫做声源。 振动是产生声波的根源。 在超声成像中，探头晶片发射时即产生 超声，所以探头晶片就是声源。
• 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。
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一、圆形单晶片声源的超声场
2.超声场的角分布
性
换能器指向性 即描述声束集中程度
在中心轴及其以外的声压不均匀分布
中心部出现一主瓣，主瓣旁出现许多副瓣。