超声波的基本原理和成像方法

一、超声波的基本原理

1.超声波（ultrasound）　超声波是机械压力波，通常以纵波的形式在弹性介质中传播。超声波的频率极高，频率范围在20 000kHz以上，医用诊断的超声波范围多在1～15MHz，超声心动图常用2.25～3.5MHz。为婴幼儿检查时可使用5MHz，经食管超声心动图使用频率为3.75～7MHz。

2.振动（vibration）　振动是指物体沿直线或弧线经过某一中心位置所做的周期性的往复运动。如果将一个处于自然振动状态下物体的运动轨迹在时间轴上展开，则会得到一条正弦曲线。

3.机械波（mechanical wave）　当物体在弹性体中振动时，此振动即可在弹性体中传播。这种机械振动在弹性体中的传播称为机械压力波动或机械压力波，所有声波都属于这种机械压力波，该弹性体通常称作传播介质或介质，振动物体则称作振源。介质质点振动方向和波的传播方向一致的波称为纵波，而振动方向和传播方向垂直的波称为横波。声波是一种纵波。

二、声波的几个物理量

1.频率（frequency）　在单位时间内振动物体所完成的全振动的次数称为频率（f），其单位为赫兹（Hertz，简称赫Hz）。赫即每秒振动1周，用tHz表示；kHz代表千赫，即每秒振动1000周；MHz代表兆赫，即每秒振动100万周。

2.周期（cycle）　振动物体从平衡位置运动到一端再经过平衡位置和另一端回到平衡位置所需要的时间称为周期（T）。

3.声速（sound velocity）　单位时间内，声波在介质中传播的距离称为声速，通常用c表示。介质不同，超声在介质中的声速也不同，超声在不同组织中的传播速度不同，在不同软组织中的传播速度稍有差异，考虑超声在软组织中传播速度时，我们通常取1540m/s。但是在同一介质中，诊断频段的声速可以相同。声波在介质中的传播速度（c）与介质的弹性系数（K）和介质密度（p）有关。其关系表述如下：c=K/p。

4.波长（wave length）　在纵波传播时，两个相邻的压缩区中心点的距离或两个相邻的稀疏区中心点的距离称为波长（γ）。在波所传播的一个周期时间内，波所传播的距离称为一个波长。

声速、频率、波长和周期是描述波的几个重要物理参数，它们之间的关系可用下列公式表示：

T=1/f，　　f=c/γ

三、超声波的产生和探测

声音是以播散形式在空气、水和固体材料中传播。每一种声音都有自己的频率和强度。超声波传播的介质决定其传播速度。超声在人体软组织（血液、体液、心脏）中的声速为1540m/s，骨与软骨组织中声速约为软组织中的2.5倍；而在气体中的声速为340m/s。声波的波长等于速度与频率的比值，一方面波长越短，超声频率越高，分辨率就越高；另一方面，波长越短，穿透力越低，深部组织不易成像。因此，在超声检查中就必须选择分辨率和穿透力比较理想的波长。

压电效应（piezoelectric effect）：自然界中有种晶体如石英等具有特殊的性能，当在它的一定方向上施加压力或拉力时，晶体两侧表面上即出现异名电荷。反之，如果将晶体置于交变电场之中，并使电荷方向与晶体压电轴的方向一致，则可发现晶体厚度有所改变，出现强烈的压缩或扩张。这种压力与电荷互相转换的物理现象称压电效应。

超声探头含有压电晶体，当受到电场激发时快速振动便发出超声波。超声波沿介质传导，只要介质均一超声波将沿直线传播，当遇到具有不同声阻的两种介质的界面时它会产生折射和反射，被反射的超声波碰击压电晶体便产生一电信号。根据超声波在探头和界面的往返时间和介质中的传播速度便可计算出探头和反射界面的距离。