超声医学设备原理及其发展趋势[J]精选.pdfVIP

超声医学设备原理及其发展趋势 程自峰 李永勤 兰州军区总医院器材科 超声是指高于人耳听觉范围的声波，通常是指频率高于20kHz 的高频振动机 械波，应用于医学诊断的超声频率一般在1MHz 至几十MHz 之间。自1958 年商 用超声成像产品问世以来，超声医学设备以其实时性、对人体无损伤、无痛苦、 显示方法多样，尤其对人体软组织的探测和心血管脏器的血流动力学观察有其独 到之处而成为在医学中应用最为广泛的成像设备之一。同时在医学的其他方面也 受到越来越大的重视。 超声在医学中的重要作用在于它不但可以穿透人体，而且可以与身体组织相 互作用。超声波穿过人体时则还要经过折射和反射，这可发生在超声波经过的任 何交界面上，其作用就如同光束经过一个非均匀物质一样。超声波的波长很短， 从而易于窄脉冲波束的实现，因此超声换能器可以做得小而紧凑。 超声在临床应用中主要分为诊断与治疗两个方面：超声诊断采用的是较高频 率(多在2MHz 以上)与较低声强的超声波，高频可提高对组织的分辨率，用以获 得清晰、细致的声像图，而低声强则可降低对组织损伤的副作用。超声治疗采用 的是较低频率(通常1MHz)与较高声强的超声波，低频超声增大对组织的穿透率， 而高声强(特别是聚焦后)超声可对组织产生生物效应，用以选择性破坏局灶性病 变。 一 超声传播的物理特性 医学中应用的超声波是指纵向压力波，因为除骨骼以外，生物组织同液体一 样，均不支持横波的传播。若不考虑骨骼，则超声波在人体的传播速度大约在1350 至 1800ms-1 之间，而在软组织中的平均速度通常为 1540ms-1 。由于超声波的传 播速度对于不同组织成分差异较小，在低强度的条件下，可以认为它与频率无关 (骨骼除外)。传播速度cL 与频率f 和波长λ 的关系是： c =fλ L 如果考虑到医学超声的频率范围，那么最低频率为 1MHz(波长 1.5mm)，最 高频率为 20MHz(波长 0.075mm) 。此外超声波的传播速度与体温相关，非脂肪 成分为正温度系数，脂肪成分则为负温度系数。 超声波在媒介中传播时会像光通过光学媒介或X 线穿过物体一样发生衰减。 这个过程可以用朗伯定律来描述，它通过下式建立入射强度I 与距离x 上的强度 0 I 的关系： x I =I exp(-µx) x 0 其中µ为线性衰减系数，单位为 m-1 或 cm-1 。还可用同样的方法描述压力或 质点速率的幅度，如： p =p exp(-αx) x 0 其中α 为幅度衰减系数，单位也是 m-1 。超声波的幅度衰减随频率的升高而 增加，在衰减对频率的依赖性方面人体大多数组织表现出相似的特性。 当组织吸收使得强度降低时，声波能量转化为热能，使得组织的温度升高， 这就是超声波产生高温的基础。超声波能量转化为热能的主要机制有三种：(1) 传统的粘滞损失(Viscous Loss)；(2)分子驰豫(Molecular Relaxation)；(3)相对运 动损失(Rela-tive Motion Losses)。在软组织中最重要的作用就是分子驰豫，入射 超声波使得组织的分子结构发生可逆变化。通常分子的结构越复杂，它对超声波 的吸收作用就越大。 超声波在体内的散射可以分为以下三种：(1) 几何散射(Geometrical Scattering) ；(2)随机散射(Stochastic or Probabilistic Scattering)；(3)瑞利散射 (Rayleigh Scattering)。 几何散射可以用光学定律来描述，因此在接触面较大的两种不同媒质之间， 应用反射定律和折射定律来确定折射波束和反射波束(图1(a))。如果入射角为θ1， 反射角为θ ，折射角为θ ，则有： 2 3 sinθ sinθ sinθ 1 2 3 = C C C 1 1 2 其中c 、c 为声波在这两种不同媒质中的传播速度，并且θ =θ 。 1 2