不同材料对超声波传导衰减的影响

超声波是频率超过人耳听觉上限(20k Hz)的一种振动波,是人耳听不见的声波。超声波和声波本质是一致的,即都是一种机械振动,属机械能,其可在弹性介质中以固有的速度传播。超声波在固体中的振动状态有纵波、横波和表面波三种。在液体和气体中只有纵波。医学诊断应用的是超声波的纵波。

超声波有3种物理量,即波长(λ)、频率(f)、声速(c)。下式可表达这三者之间的关系:

超声波在弹性介质中传播时,在机械能量的作用下,介质产生压缩、稀疏的过程,压缩区加稀疏区的长度就是波长,即超声波在传播过程中介质的两个相邻和振动周期相同的质点间的距离。其物理量在医学诊断上以mm表达。超声波在介质中的传播速度就是声速,声速的快慢与介质的弹性成正比,与介质的密度成反比。其物理量以m/s表达,在医学诊断中,超声波在人体组织中的平均传播速度按1 500m/s或1 540m/s计算。频率是超声波在单位时间内的振动次数,其物理量以Hz表达。

超声波在不同的介质中传播时,波长、声速会发生不同变化:相同频率的超声波,在不同的介质中传播时,因传播速度不同,其波长也不同。相同频率的超声波,在不同介质中传播时,因介质的弹性和密度不同,声速也不同。

超声波和声波在弹性介质中传播是一种能量的传播性质,而所不同的是超声波频率高,波长短,接近于理想的直线传播,具有良好的束射性和方向性。超声波在介质中传播时介质有一定的声阻抗(Z),介质的声阻抗等于其密度(ρ)与声速(c)的乘积(Z=ρ·c)。如果两种介质的声阻抗(Z1,Z2)相同,超声波可以全部透射过两种介质的分界面。如果两种介质的声阻抗不同,一部分超声波在两种介质的分界面上产生反射,反射声能的大小取决于两种介质声阻抗的差别,声阻抗差别越大,反射的声能越大。一般可用声强反射系数I R表达。其公式为:

当反射角和入射角相同,超声波垂直入射时,在介质声阻抗差别相同的情况下,用同一超声探头能接收到最大的反射声强。两种介质的声阻抗不同,即超声波传播的声速不同,因传播速度有差别,在分界面上还可以产生折射,即超声波从第一种介质传播到第二中介质时,超声波入射角度发生了改变。这种改变了的角度称为折射角,折射角的大小决定于声速的比值,其公式为:

人体各种组织及空气、水的声阻抗值从大到小顺序为:骨骼>肌肉>肝、脾>血液、肾>乳腺>水(20℃)>脂肪>肺>空气。人体软组织的平均声阻抗值比肝略小,比肾略大。

超声波在弹性介质中传播时,弹性介质中充满超声能量的空间区域,称为超声场。超声场可分为两部分,即近场和远场。近探头处的超声束呈狭窄圆柱形,其直径略小于探头压电晶片的直径,此区域称近场。在距探头的远区,超声波束扩散变宽为远场。超声探头发射的超声波束呈狭窄的圆柱形,其横向分辨力高,但近场的声强分布不均,远场的超声波束扩散,横向分辨力下降,声强逐渐减小但比较集中。近场还存在旁瓣问题可造成伪差。但只要探头的设计使半扩散角足够小,当探头的压电晶片的半径≥8λ时,指向性最好。因为近场指向性和横向分辨力好,超声显像诊断主要利用近场区域。

当超声波传播经过声阻抗不同的介质时,若其声阻抗差>0.1%,就可发生反射。当人体组织器官反射的超声波(界面反射)经过超声仪处理形成图像,这就是超声成像的物理学原理。人体内不同组织具有不同的声阻抗,即人体自体表至体内深层组织为一连续的众多界面,这样便产生了众多的界面反射,当声束扫描时便可获得一幅幅超声断层图像。界面反射的强弱即回声的强弱与介质之间的声阻抗差大小有关,阻抗差越大,反射越强。例如胆囊结石,结石与胆汁声阻抗差较大,结石则为强回声。气体和软组织,骨和软组织之间阻抗差更大,因而体内含气的器官,如肺和胃肠以及骨骼则呈现很强的反射,其深层结构不能显示,所以超声显像不能检查肺和骨骼等器官。

超声波在介质中传播时,其能量随传播距离增加而减弱的现象称衰减。人体内不同组织和物质的衰减特性不同,超声波经过液体时,几乎不衰减,经过胃、结石和气体时则有明显的衰减。病灶的衰减特性也不相同,一些含纤维结缔组织较多的病灶或某些恶性肿瘤组织衰减较为明显。衰减最为明显的可显示为“声影”,如胆囊结石后方的声影。