超声基础知识和应用解析

悉尼听巴黎叹息

超声的概念
当物体振动时会发出声音。每秒钟振动的次数称为声音的频率，它的单位是赫兹。我们人类耳朵能听到的声波频率为20～20，000赫兹。
当物体的振动超过一定的频率，即高于人耳听阈上限时，人们便听不出来了，这样的声波称为“超声波”。
我们知道蝙蝠的眼睛并不大能看到东西，但黑夜中照样很好飞行，它们正是通过发出超声波来判断周围的环境的。

<16Hz ：次声波 16--20000Hz：可闻波 >20000Hz：超声波
超声的物理特性
束射性(或称指向性)：换能器的频率愈高，直径愈大，则超声束的指向性越好、其能量越集中。当然，指向性好还取决于材料，我们的复合材料指向性就比较好。

超声的反射与散射（超声检测就利用了反射的特性）
声阻抗：不同介质声阻抗不同，包括人体的组织、脏器反射、折射与透射：穿过不同介质的时候就会产生部分反射、折射（对于垂直入射的还会有部分是投射），介质相差越大反射越厉害，还有部分产生散射与绕射。

彩超需要用耦合剂，探伤仪要用水或油就是为了避免声波反射而无法穿过空隙。

超声衰减：超声在介质中传播时，随着传播距离的增加，声强逐渐减弱，这种现象称为超声的衰减。

多普勒效应：声源和接收体作相对运动时，接收体在单位时间内收到的振动次数（频率），除声源发出者外，还由于接收体向前运动而多接收到（距离/波长个）振动，即收到的频率增加了。相反，声源和接收体作背离运动时，接收体收到的频率就减少，这种频率增加和减少的现象称为多普勒效应。就像我们在火车站，火车冲我们而来的时候我们觉得很刺耳（频率比较高），火车离我们而去的时候比较舒缓（频率比较低）。彩超就利用了多普勒效应。
超声还有许多特性和引起的效应，比如声压特性、空化现象（应用于超声清洗）、温热等。
超声成像诊断
超声波具有良好的方向性，当在人体内传播过程中，遇到密度不同的组织和器官，即有反射、折射和吸收等现象产生。从体外向人体内部器官发射一束超声波，然后根据体内器官反射回来的超声波通过显示器显示体内各种器官和组织对超声的反射和减弱规律，来判断或检查该部分器官的生理或病理状况。
超声诊断具有所用声强较小，对人体没有损害，操作简便，结果迅速，受检查者无不适感等特点，所以超声诊断发展迅速和推广较快。目前超声诊断已用于颅脑、眼、颈部、乳腺、胃、肝、胆、脾、肾、心脏、腹部及盆腔肿块、胸腹积液等软组织疾病以及妇产科等方面的诊断与鉴别断。
我们正在开发的眼超、彩超就都属于超声诊断。
超声引导治疗
在实时超声的监视或引导下，完成各种穿刺活检、X线造影以及抽吸、插管、注药治疗等操作，可以避免某些外科手术而能达到与手术相媲美的效果。是超声成像在诊断应用之外的一种延伸，上面讲到的超声碎石也需要用超声显像来引导使碎石准确。
现在比较热门的可视人流也就是借助超声显示进行人流手术，准确性更高，减少手
术者痛苦。
优点：实时显示、引导准确、无X线损伤、操作简便、费用低廉。
超声治疗
利用频率在800～1000千赫的超声能以各种的方式作用于人体以治疗疾病的方法。超声对人体的机械作用、温热作用和理化作用，会引起机体一系列的反应，调整神经肌肉的兴奋性，加速局部血液循环，促进水肿和血肿的吸收，调整内脏器官（如肾、胃肠、膀胱）功能，软化粘连和瘢痕等。临床治疗软组织损伤、肌肉劳损、神经痛、关节炎等，还有超声美容也是超声治疗的一种。近年还试用治疗眼和脑的疾病。
超声探头的原理
定义：是将电能转换成超声能，同时将也可将超声能转换成电能的一种器件。
超声波由探头（换能器）产生，同时反馈的信号也由探头收集并转换为电信号。
目前应用的主要是压电换能器，其种类繁多，除了连续波多普勒设备中使用收发
分离的换能器结构外，其余都是采用脉冲工作方式，所以基本都是使用收发共用
的换能器结构。
医用换能器的组成
压电振子：换能器的核心，目前压电振子常用的材料是人造压电陶瓷。其中锆钛酸铅最为常用，优点：电—声转换效率高、性能稳定、易成形、成本低；缺点：频率不够高等。偏铌酸铅：频率及频宽均较锆钛酸铅好。聚偏氟乙烯薄膜：频带更宽，是理想的压电材料。我们推出的1-3复合材料在具有指向性好、灵敏度高、宽频带等优点。
匹配层：是位于压电振子前面的一层或多层的声学材料。作用：使高声阻抗的压电振子与低声阻抗的人体组织间达到阻抗匹配，以提高声能的最大传输效率。组成：通常用四分之一波长厚度的阻抗匹配层来实现。
声透镜：位于探头的匹配层与人体组织间，材料常用塑料或树脂制成，起着声聚焦和换能器的保护层的作用，其原理是透镜材料的声速大于周围介质声速时声束可折射效应发生会聚。
背衬块：位于压电振子背后；材料：由钨粉与环氧树组成的强吸声物；作用：防消除后向干扰；实现窄脉冲，提高纵向分辨力；原理：透吸收背向声波，使之能量消耗。
医用换能器的分类
根据工作原理：
1．脉冲反射式：有A超、M超和B超，B超探头括线阵、凸阵、相控阵、环阵等；
2．多普勒式：有连续波和脉冲波多普勒探头。
根据控制扫查方式：
1．电子式：线阵型、相控阵型、凸阵型及环阵式探头；
2．机械式：摆动式、旋转式探头。
根据晶片数：
1．单晶片：A超、M超及摆动式机械探头；
2．多晶片：线阵型、凸阵型、相控阵型和环形阵型等

旋转式机械扇扫探头
构成：由多块晶片组成；
原理：微型电机驱动晶片，作360度旋转；
优点：噪声小，磨损较轻；
缺点：成本高，修复较难。
这种现在用得很少
另外还有磁驱的扇扫探头。

线阵型探头
构成：由多个阵元沿一直线排列组合；每个阵元分割成若干窄条振子。
原理：阵元组依一定顺序工作，用电子开关轮番地接通，形成线性扫描。
频率较高，宽度有25、40mm。

凸阵型探头
构成：阵元的窄条振子被均匀分布在凸形圆弧上；
原理：同线阵，只是其波束是作扇形扫描；
频率:一般做得比较低以便看得深
一般曲率：R60、R40、R20、R13，
对应扫描角度60、75、90、149

相控阵探头
构成：与线阵类似，仅阵元数少些，故结构紧凑，矩阵式。
原理：通过适当调整、控制各单元激励信号的相延(或时延)，以实现声速偏转。
评估：优点与凸阵相似，但旁瓣较明显。

环形相控阵探头
构成：由一系列同心的圆环形晶元体组成。
原理：适当调整、控制圆环形晶元体的激励信号和接收信号的相延(或时延)，使声束聚焦的焦距作连续或步进式移动。
评估：全程横向分辨力高。
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