浅谈超声技术的基本原理与医学应用[摘要] 本文分析了医用物理技术之一——超声技术。

主要内容包括超声波的特性及其对介质的作用,超声波的产生与探测以及超声波在医学诊断中的应用等。

[关键词] 超声技术医用物理医学应用教学研究随着医用物理、电子技术和信息技术的发展,各种新型的医学物理诊断技术不断涌现,极大地推动了现代医学影像诊断技术的进步。

这里不妨先对b超、x-ct、核磁共振这三种常用的医学物理诊断技术作一比较。

所谓b型超诊断技术,是指运用超声波的物理特性,通过高科技电子工程技术,对超声波的发射和它在人体内的反射、折射、散射等信息进行接收和转换,并经电子计算机分析、处理和显像,以实现对人体组织和器官的形态结构与功能状态的检查。

所谓x-ct,是指利用x射线束对人体的一定部位按一定厚度分层面进行扫描,由探测器接收透过该层面的x射线,把所测得的信号经过模数转换,转变为数字信息后由计算机进行处理,从而得到该层面的各个单位容积的x射线吸收值(即ct值)。

这些数据再经过数模转换后形成模拟信号,并通过计算机的变换和处理后输出到显示设备上,显示出人体检查部位的横断面图像。

所谓核磁共振成像(简称mri),是利用人体内的原子核在磁场内共振所产生信号经重建成像的一种成像技术。

这是在80年代开始应用于临床医学的影像诊断高新技术。

它具有无电离辐射性损害;无骨性伪影;能多方向(横断、冠状、矢状切面等)和多参数成像;具有高度的软组织分辨能力等优点。

由于参与成像的因素多、信息量大,因而不同于现有的其它影像诊断技术,它在临床诊断中具有明显的优越性和应用潜力。

被誉为医学影像诊断领域中继x-ct之后的又一重大发展。

需要指出的是,我们应将超声诊断、x光摄影、x-ct、核磁共振成像检查,共同视为医学物理影像诊断技术中不可分割的整体。

它们之间的作用是相互补充、相互印证、密切关联的。

任何与此相悖的认识,都是偏离医学影像诊断发展方向的,也是不值得提倡的。

下面就来讨论超声波的特性及其对介质的作用、超声波的产生与探测原理,以及超声技术在医学诊断中的一些应用。

一、超声波的特性及其对介质的作用频率高于20khz的机械波,由于不能引起人耳的听觉,故称超声波。

超声波在工农业生产、科研、军事以及医学中都有广泛应用。

超声诊断在医学临床诊断中占有重要地位。

1.超声波的特性超声波也属机械波,它具有声波的通性。

它的传播速度和声波的相同,在传播过程中会发生反射和折射,也会因介质的吸收而衰减。

超声波因频率高,除了具有通常声波的一般性质外,它还具有如下一些特性。

(1)方向性好超声波因为频率高、波长短,所以它可以像光一样沿直线传播。

频率越高,传播的直线性越好。

超声波也能像光一样会聚和发散。

利用这一特性,可进行超声探测和定位。

(2)强度大由理论计算可知,声强与频率的平方成正比。

频率越高,声强越大。

例如,同一种介质中,在振幅相同的情况下,频率为103khz的超声波,其声强为频率是1khz声波的106倍。

(3)对固体、液体的穿透本领强超声波在液体、肌肉、脂肪、软组织以及有些固体中传播时衰减很小。

但因气体吸收超声波的能力强,所以超声波在空气中衰减比较快。

这也是在作超声检查时为什么要使用耦合剂的主要原因。

2.超声波对介质的作用超声波在介质中传播时,对介质的作用主要表现在以下几个方面。

(1)机械作用超声波在通过介质时,使介质中的微小颗粒产生剧烈的高频振动。

介质微粒振动的振幅虽然很小,但由于频率很高,所以其加速度很大,往往可达重力加速度的几十万甚至上百万倍。

这在介质的局部可造成很大的压强变化,强烈的机械振动可破坏物体的力学结构。

超声波的这种力学效应,称为超声波的机械作用。

利用这种作用,可以对材料进加工。

医学上,利用超声波的机械作用,可以对细胞进行按摩,能起到活血化瘀的作用。

超声波碎石机可击碎人体脏器中的结石,如肾结石、膀胱结石、尿道结石等。

但强度过大的超声波进入人体也会产生不良效果,它可能破坏细胞的力学结构。

(2)热作用超声波在介质中传播时,有一部分能量被介质吸收,转化为介质的内能,使介质的局部温度升高。

超声波的这种作用,称为热作用。

超声波的强度越大,产生的热作用越强。

工业上可以利用超声波进行焊接。

医学上利用超声波的热作用,可使局部血管扩张、血液循环加快、组织代谢加强、促进病理产物的吸收,还可用来治疗神经炎、坐骨神经痛、骨、关节、肌肉和软组织扭伤,以及呼吸系统和心血管系统等疾病。

(3)空化作用在液体中,往往存在一些极细微的气泡或固体颗粒。

当超声波在液体中以高频纵波形式传播时,这些极细微的气泡和颗粒在超声波的高频压、拉作用下,液体中微粒的疏密随之发生迅速变化,可使位于该处的极细微的气泡迅速形成近似真空的空腔,并在极短时间内又突然闭合,从而可在局部产生高温、高压和放电现象。

超声波的这种作用,称为空化作用。

超声波的空化作用可以用来杀灭细菌,对食品进行消毒等。

利用空化作用,还可以将液体“粉碎”,使通常情况下不能混合的液体(如油和水)混合,进行超声乳化,用于制造出各种乳剂。

二、超声波的产生与探测超声波是超声振动在介质中的传播。

产生频率高于2×104hz的超声振动,是获得超声波的前提。

产生超声波的方法很多,在医用超声仪器中,常用的超声波发生元件主要是利用某些压电晶体(如石英、锆钛酸铅、酒石酸钾钠等)的压电效应来获得。

一般是将这种晶体沿某个特定方向加工成薄片,称作压电晶片。

1.正压电效应和逆压电效应(1)正压电效应若对压电晶片的两个面施以压力作用,它的厚度变薄,同时在晶片的两个面上出现等量异号电荷;若对晶片的两个面施以拉力作用,它的厚度变厚,同时在晶片的两个面上出现与压力作用时相反的等量异号电荷。

这种由机械作用而引起电荷分布发生变化的现象,称为正压电效应。

正压电效应是把机械能转化为电能。

(2)逆压电效应与正压电效应相反,当在晶片的两个面上施加某一方向的电压,晶片因两个面带上了等量异号电荷而变薄;若改变施加在晶片的两个面上的电压方向,晶片因两个面所带的电荷变号而变厚。

这种由电荷作用而引起晶片发生机械变化的现象,称为逆压电效应(也称电致伸缩效应)。

逆压电效应是把电能转化为机械能。

只要明白了正压电效应和逆压电效应,再来说明超声波的产生与探测就比较容易理解了。

2.超声波的产生与探测(1)利用逆压电效应产生超声波若在压电晶片上施加高频交变的电压,压电晶片将在高频交变电压的作用下产生同样频率的高频振动,这样即可产生并向外发射超声波。

(2)利用正压电效应探测超声波当有超声波作用在压电晶片上时,超声波的密部和疏部不断地对晶片两个面施加压力和拉力,晶片产生与超声波频率相应的由薄到厚,又由厚到薄的机械变化,从而在晶片的表面上出现了交变的电荷和电压,这样即实现了对超声波的接收和探测。

在实际应用中,是用压电晶片制成超声诊断仪的探头(换能器),和高频信号发生器一起组成超声波发生器。

这里的探头,既能产生超声波以向人体内发射,又能对探测从人体反射回来的超声波(回波)。

这就是说,在超声波的产生和探测过程中,仪器的探头就是一个换能器,它既能产生(发射)超声波,又能探测(接收)超声波。

三、超声波在医学诊断中的应用超声诊断技术是超声、电子技术和计算机技术相结合而应用于临床医学的一种诊断技术。

超声诊断具有迅速、灵敏、无痛苦、无损伤、低成本等优点。

因此,超声诊断技术发展快、应用广,仪器的种类也很多。

用于医学诊断的超声图像是来自人体内部组织界面上的反射波所形成。

各种超声诊断设备都是应用超声波的反射和折射等原理。

超声波在人体不同组织界面上发生反射和折射,是超声诊断的主要依据。

根据超声图像可以判断各种组织的形态、位置及病变情况。

超声波用于治疗,主要是通过超声波对介质的作用,包括机械作用、热作用等,来达到治疗疾病的目的。

超声波在医学上应用包括诊断和治疗两个方面,下面主要介绍临床中常用的超声诊断技术的工作原理,并简要介绍超声治疗的应用。

超声诊断设备一般由四个部分组成,包括探头、高频信号发生器、显示器和电源。

高频信号发生器能产生频率高于 2.0×104hz 的交变电压,该交变电压加到超声探头上,并根据正压电效应和逆压电效应的原理,实现超声波的发射与接收。

利用逆压电效应,使压电晶片产生与交变电压频率相同的超声振动,从而将电能转换成机械能,产生并发射超声波。

当超声波进入人体后,在遇到不同组织的界面时,有一部分被反射回来(称回波)。

回波作用到压电晶片上,利用的是正压电效压,将探测到的回波转换成交变的电压信号,将机械能转变为电能。

实际上,这个电信号中包含了关于人体内部状况的回波信息。

高频信号发生器将高频交流电输送到探头,利用逆压电效应使之产生超声振动,并在介质中传播形成超声波。

超声波进入人体后,在不同脏器的界面上发生反射,反射波(回波)又由探头探测接收,利用正压电效应将回波转变成高频电信号,该信号经放大处理后输送到显示器,在荧光屏上显示出与人体内器官间距、界面等回波相对应的图像。

医生从中可以了解到人体内部不同组织的病变及组织界面间距离变化等一系列信息。

1.a型超声诊断如图1,是利用a型超声诊断仪探测脑部病患的示意图。

超声波进入颅内后,在颅骨和脑中线部分发生反射,正常人的脑中线回波应在两侧颅骨回波的中央,其回声图如图1(a)。

如果颅内一侧因伤出现血肿或患有肿瘤,则在回波图中可以看到脑中线发生偏移,如图1(b)。

在a超诊断中,回声信号与发射信号的时间间隔提供了各反射界面的深度信息,所以a型超声诊断仪为幅度调制型。

a 超诊断只能提供人体组织或器管的一维信息,它不具备显示平面图像的功能。

2.b型超声诊断仪b型超声诊断仪,是目前临床中广泛应用的一种超声诊断设备。

它能得到人体内部器官的二维断层图像,并能对脏器进行实时动态观察。

当探头在被检体表沿某一方向移动,对被检部位进行扫描时,探头移动的同时发射超声波,并探测接收回波,在荧屏上就以光点形式显示出超声波行进方向线与探头移动方向线所决定平面的相应脏器的截面超声像图。

改变探头的位置及和移动方向,就可得到不同位置、不同方向的断层图像。

b超显示屏上光点的亮度由回波信号的强度决定,所以b型超声诊断仪是亮度调制型。

回波信号越强,光点就越亮。

如图2所示,b超探头由多个相互独立的压电晶片构成,每块晶片都是一个小探头,晶片依次工作,由机器中的电子开关自动而快速地切换,在显示时则采用长余辉显像管,这样就能得到有关人体内部脏器的二维平面图像。

b超能对肝、胆、脾、肾、胰、膀胱、子宫等器官的外形和内部结构等进行静态观察分析,还可以区分肿块的性质。

当肿块有膜时,其边界有回声且显示平滑;若是浸润性病变,则往往无边界回声或边缘不平滑。

b超还能对心脏活动、胎儿状况等进行动态观察。

b 超诊断对胆结石、肝外胆管扩张、肝脏灶性结节增生等都具有相当高的准确性。