第一章超声成像的基础
第一节超声波的基本概念
一、超声波的定义
自然界中充斥着各种声音，人类能听见的声音（可闻声）的频率范围为20～2×104Hz。频率低于20Hz的声波称为次声波；频率高于2×104Hz的声波称为超声波，这种频率超出人耳听阈，是听不到的。医学上用于诊断的频率范围一般为1～40MHz。
二、超声波的产生
（一）压电晶体与压电效应
自然界中存在某种特殊的晶体，在其表面施加一定的压力及拉力时晶体表面会出现正负电荷。反之，将晶体置于交变电场中，晶体的厚薄会发生剧烈的改变产生振动，这种机械能与电能相互转换的现象就叫压电效应。由电能转变成机械能叫逆压电效应；由机械能转变成电能叫正压电效应。具有这种特殊性能即能实现机械能与电能相互转换的晶体就叫压电晶体。
（二）超声波的发射与接收
医学超声探头是由压电晶体构成的，由于它具有电能与机械能相互转换的功能，故也叫换能器，具备超声波的发生和接收双重功能。开机探头通电后，由于逆压电效应，压电晶体厚薄发生剧烈变化产生振动，产生超声波。超声波在传输过程中遇到界面就会反射，反射回来的超声波作用于晶体的表面，由于正压电效应，晶体表面就会出现正负电荷，被主机接收、放大、处理，显示出来。
三、超声波的基本物理量
超声波有三个基本物理量，即波长（λ）、频率（f）和声速（c）。
（一）频率
单位时间内声源振动的次数就称为频率，它以赫兹（Hz）为单位（1Hz＝1次／s），需要注意的是，在超声诊断中，常用千赫兹（kHz）、兆赫兹（MHz）为单位。频率是周期的倒数，如果振动周期为T，则f=1/T。临床诊断用的声波频率范围1～40MHz。频率越高分辨率越好，但穿透力越差。
（二）声速
声速是指单位时间内超声波在介质中传播的距离，单位为米／秒（m／s）。声速反映了振动传播的快慢，它与介质的弹性（K）和介质的密度（ρ）有关，还与温度有关，即，而与超声波的频率无关。超声波在人体软组织内的平均声速为1540m/s。
（三）波长
波长是指介质中两个相邻周期质点之间的长度。根据质点振动方向与声波传播方向的关系分为横波和纵波。对纵波而言，波长就是两个相邻压缩区中心点之间的距离。它们之间的关系为：
（1.1）
四、超声波的分类
（一）根据质点振动方向
质点的振动方向与声波的传播方向相垂直，这种波称为横波（transverse wave），如表面水波。质点的振动方向和声波的传播方向相平行，这种波称为纵波（longitudinal wave）（图11）。在液体和气体中因不存在切变力，故不存在横波，只有纵波。声波是由物体振动产生的，其本质是力的作用。横波是由于切变力的作用产生的，而纵波是由于压力或拉力的作用产生的，纵波可以在固体、液体和气体中传播。在医学超声成像中主要应用纵波，它是通过激励电压迫使探头晶片做厚度方向振动，对人体组织施加压力或拉力而产生的。纵波在人体中传播时，使有的部位质点密集，有的部位质点稀疏，密集与稀疏交界的部位，产生的声压*大［1，2］。
（二）根据波阵面的形态
从波源出发，声波在介质中向各个方向传播。在某一时刻，介质中位相相同的各点所组成的面称为波面。声波在介质的传播过程中，形成的波面有无数个，*前面开始的一个波面即波源，*初振动状态传播的各点组成的面称为波阵面。波面有各种各样的形态，波面是平面的波称为平面波（图12）;波面是球面的波称为球面波（图13）。
（李保启）
第二节超声波的基本特性
一、束射性（指向性）
当声源的直径远大于超声波的波长时，所发射的超声能量几乎全部集中成束状呈直线向前传播，这就是超声的束射性。束射性是超声对人体组织器官定向探测的基础。束射性与频率及传播的距离有关。
二、反射和折射
（一）超声波的反射与折射
超声波在软组织中传播时，遇到不同声阻抗组织构成的界面时部分声波反射回来，形成反射，反射遵循反射定理。部分声能会穿过该界面继续向前形成透射，而界面两边的特性声阻抗值则决定了入射超声波在穿过界面时发生声波的角度反射改变，而形成折射。
折射和反射之间的分配，见图14。两种声阻抗不同的物体接触形成一个界面（interface）。界面尺寸大于波长时叫大界面；小于波长时叫小界面。
1.声阻抗概论
介质对声波传播的阻碍作用为声阻抗；介质的声阻抗（Z）等于介质密度（ρ）和超声波在该介质中传播速度（c）的乘积，即Z=ρ×c。
物体密度的一般规律：固体＞液体＞气体；超声波在介质中的传播速度一般规律：固体＞液体＞气体，故特性声阻抗值一般也是固体＞液体＞气体。人体软组织及实质性脏器的密度、声速及特性声阻抗值与水接近（因脏器含水量为60%～70%)。
超声波在传递过程中遵循能量守恒定律即除去组织的吸收之外，反射的能量应等于入射的能量。至于某一具体界面是反射多还是透射多，取决于界面两边组织的声阻抗差。声阻抗差大，反射多透射少;声阻抗差小，透射多反射少［3］。如果界面两侧介质的特性声阻抗值相等（即Z1＝Z2）时，则称为均匀介质，不会产生超声波反射；如果界面两侧介质的特性声阻抗值不同，则一部分超声波被反射，与光学反射的物理现象一样，反射遵循反射定理即反射角等于入射角，这种反射又称为镜面反射（图15）。反射波带回来人体各层的组织信息。
声学的反射与折射定律与光学是一致的。
反射定律：入射角等于反射角，即θi＝θr
折射定律：入射角的正弦与折射角的正弦之比等于入射边与透射边介质中的声速之比，即
（1.2）
式中，θr为入射角，θi为折射角，c1为入射边介质中的声速，c2为折射边介质中的声速。
当超声波垂直入射时，即θi=θr=θj，取决于入射边介质的声阻抗值（Z1）和折射边介质的声阻抗值（Z2）的相对值，如式1.3、1.4所示。
反射系数：
（1.3）
折射系数：
（1.4）
反射系数（Ri）＋折射系数（Ti）＝1
2.声阻抗差异大的界面反射特性
界面反射是超声波诊断的基础。当Z1和Z2相差很大时，即无论是Z1>>Z2(从固体→气体）还是Z1<
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