超聲波物理基礎(chǔ)

冀敏復(fù)旦大學(xué)物理系超聲波物理基礎(chǔ)前言第一節(jié)超聲波基本概念第二節(jié)超聲波的一般性質(zhì)第三節(jié)超聲波與物質(zhì)的作用第四節(jié)超聲波的產(chǎn)生與探測(cè)前言

1793年意大利生物學(xué)家斯帕拉捷通過對(duì)蝙蝠的飛行觀察而發(fā)現(xiàn)超聲波.1917年法國物理學(xué)家Langevin研制出超聲發(fā)射器,并用于航海.1922年德國最早獲超聲治療專利.1946年Firstone提出A型診斷技術(shù)

英國唐納德醫(yī)生首先把超聲應(yīng)用于產(chǎn)科診斷.1949年第一次醫(yī)學(xué)超聲波學(xué)術(shù)國際會(huì)議.

前言1950年獲得腦腫瘤反射波1952年開始B型超聲研究,1956年D型超聲研究1958年我國第一臺(tái)超聲診斷儀在上海誕生,復(fù)旦大學(xué)附屬中山醫(yī)院內(nèi)科醫(yī)生徐智章,上海市第六人民醫(yī)院周永昌提出并參與研究.(A型)1967年適時(shí)B型超聲診斷儀誕生第一節(jié)超聲波的基本概念

1超聲波的頻率:20KHz—500MHz.機(jī)械縱波

醫(yī)用超聲頻率:2MH—5MH,與聲波傳播速度相同.

可產(chǎn)生聲壓,聲壓幅值

Pm=ρc

ωΑ

媒質(zhì)的聲阻抗:Z=ρc(軟組織Z=1.524×105瑞利)3超聲波的強(qiáng)度I(與機(jī)械波強(qiáng)度定義相同)

超聲波強(qiáng)度與振幅的平方成正比,與頻率的平方成正比.

強(qiáng)度I=ρc

ω2Α2

/2

第二節(jié)超聲波的性質(zhì)一.超聲波的一般性質(zhì)

在媒質(zhì)中傳播時(shí):

產(chǎn)生反射,折射,干涉,衍射現(xiàn)象

兩媒質(zhì)交界面處-反射強(qiáng)度與入射強(qiáng)度的關(guān)系:

Ir=(z2-z1/z2+z1)2Ii

折射強(qiáng)度與入射強(qiáng)度的關(guān)系:It=4z2z1Ii/(z2+z1)2

第二節(jié)超聲波的性質(zhì)二.超聲波的特性

1方向性好

因頻率高波長短,衍射現(xiàn)象不明顯,易定向發(fā)射

2強(qiáng)度大(或能量密度大)

與頻率有關(guān),穿透性較強(qiáng)功率:幾百瓦----幾千瓦聲壓:可達(dá)數(shù)千大氣壓;高能量超聲治癌.碎石

3聲阻抗差較大的兩媒質(zhì)界面反射能量大使用時(shí)在人體表面涂耦合劑的作用?

空氣中的吸收比在液體或固體中大得多(不顯示肺)

4穿透能力隨頻率增大而減小?第三節(jié)超聲波與物質(zhì)的作用一.超聲波的衰減規(guī)律

I=I0e-2μx

(μ為媒質(zhì)的聲衰減系數(shù),x為在媒質(zhì)中傳播厚度)

μ=(2π2ν2/C3)[(3η/ρ)+K(1-1/γ)/ρ]

μ與頻率平方成正比,與聲速的3次方成反比.*頻率越大衰減越快.所以探察深部組織時(shí)需用較低聲頻.*聲速越快,在媒質(zhì)中衰減越慢.第三節(jié)超聲波與物質(zhì)的作用二.超聲波與物質(zhì)作用的微觀機(jī)制

1.黏滯吸收

2.熱傳導(dǎo)吸收

3.馳豫吸收

三.超聲波與物質(zhì)相互作用的效應(yīng)1.機(jī)械作用

媒質(zhì)中粒子做高頻機(jī)械振動(dòng),其加速度可達(dá)g的幾十萬~幾百萬倍,強(qiáng)烈的機(jī)械動(dòng)能破壞物質(zhì)的力學(xué)結(jié)構(gòu).粉碎細(xì)胞.引起組織化學(xué)性質(zhì)改變.

可用于切割,攪拌,鉆孔,清洗,乳化.等,2.空化作用

產(chǎn)生在液體中.因縱波引起液體疏密變化.液體局部被拉斷形成空腔,當(dāng)此處為正聲壓時(shí),空腔迅速閉合,瞬間產(chǎn)生局部高壓,高溫和放電現(xiàn)象.此作用用于清洗,霧化,乳化,促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)等.空化作用可破壞組織.3.熱作用

因媒質(zhì)吸收的部分超聲能量轉(zhuǎn)化為熱量,引起媒質(zhì)溫度升高的現(xiàn)象.4.超聲的生物作用

適當(dāng)能量:*對(duì)生物大分子;*對(duì)細(xì)胞;*對(duì)人體組織(升溫,增加血管通透性和促進(jìn)血液循環(huán),增強(qiáng)細(xì)胞代謝功能和活力,消炎鎮(zhèn)痛)

較高能量:細(xì)胞生長受到抑制,分子鍵斷裂,生物組織壞死等安全劑量:聲強(qiáng)值10-40mW/cm2,與照射時(shí)間也有關(guān).

第四節(jié)超聲波的產(chǎn)生和探測(cè)一.超聲波的產(chǎn)生

(一)壓電效應(yīng)

1壓電晶體

壓電材料(如石英,鈦酸鋇,硫酸鋰等)摻雜配方,在1200-1600度高溫絕緣油中加3500-6000v/m的電場(chǎng)中極化30分鐘,緩慢冷卻除去電場(chǎng).形狀一般為半圓片狀,厚度為超聲波的半波長.2壓電效應(yīng)

當(dāng)壓電晶體兩面受壓或受拉厚度變化時(shí),晶體兩表面分別出現(xiàn)等量異號(hào)電荷的現(xiàn)象.(拉力或壓力越大,兩表面間電壓也越大)3逆壓電效應(yīng)

若把某一規(guī)律的交變電壓加在晶體兩表面上,兩表面就會(huì)做相應(yīng)規(guī)律的機(jī)械振動(dòng),此現(xiàn)象即---.

(二)超聲波的產(chǎn)生與探測(cè)1.超聲波的產(chǎn)生

利用逆壓電效應(yīng)把超聲頻交變電壓>壓電晶體>>機(jī)械振動(dòng)>>超聲波2.超聲波的探測(cè)

利用正壓電效應(yīng)

超聲波>>機(jī)械振動(dòng)>>壓電晶體>>產(chǎn)生交變電壓超聲波的發(fā)射和探測(cè)可以共用同一探頭.怎樣工作呢?