第2节 超声波的基础知识

一、超声波的产生和特性
1. 超声波的产生
　　 物体的机械振动是产生波的源泉 , 波的频率取决于物体的振动频率。频率范围在 20 ～ 20000Hz 内的波称为可听声波 , 频率范围在 20 ～ 10 － 4 Hz 内的波称为次声波 , 频率范围在 2 × 10 4 ～ 10 8 Hz 的波称为超声波 , 频率范围在 10 8 ～ 10 12 Hz 的波称为特超声波。次声波、可听声波、超声波、特超声波统称声波。可见，整个声波频谱是比较宽的，其中只有可听声波才能为人耳所听到，而次声、超声、特超声虽然属于声波却不能为人耳所察觉。
　　 在自然界存在着多种多样的超声波 , 如某些昆虫和哺乳动物就能发出超声波 , 又如风声、海浪声、喷气飞机的噪声中都含有超声波成分。在医学诊断上所使用的超声波是由压电晶体一类的材料制成的超声探头产生的。眼科方面所使用的超声频率在 5 ～ 15MHz 范围内 , 心和腹部所使用的超声频率在 2 ～ 10MHz 范围内。
2. 超声波的特性
　　 超声波和可听声波一样 , 也是一种机械波 , 它是由介质中的质点受到机械力的作用而发生周期性振动产生的。依据质点振动方向与波的传播方向的关系 , 超声波亦有纵波和横波之分。纵波是质点的振动方向与波的传播方向相同的波。例如音叉在空气介质中振动所产生的声波 , 空气介质中的质点沿水平方向振动 , 振动的方向与声波的传播方向一致 , 传播时介质的质点发生疏密的变化 , 如图 7-1(a) 所示。纵波可以在固体、液体、气体介质中传播。
图 7-1 　波动传播的 2 种主要形式——纵波与横波
　　 横波是质点振动方向与波的传播方向垂直的波。一个典型的例子便是如图 7-1(b) 所示的软绳上的波 , 我们不妨把软绳看成密集质点的集合 , 如果不断地摆动软绳的一头 , 则一系列的横向振动的波就由绳子的左端向右端移去 , 而绳上各质点并不随波的传播方向移去 , 只是在各自的平衡位置附近作横向 ( 剪切形式 ) 的振动。横波不能在液体及气体介质中传播 , 这是因为液体和气体无切变弹性。
　　 由超声诊断仪所发射的超声波 , 在人体组织中是以纵波的方式传播的。就是因为人体软组织基本无切变弹性 , 横波在人体组织中不能传播。
与普通声波 ( 可闻波 ) 相比 , 超声波具有许多特性 , 其中最突出的有 : ①由于超声波的频率高 , 因而波长很短 , 它可以像光线那样沿直线传播 , 使我们有可能只向某一确定的方向发射超声波 ; ②由超声波所引起的媒质微粒的振动 , 即使振幅很小 , 加速度也非常大 , 因此可以产生很大的力量。超声波的这些特性 , 使它在近代科学研究、工业生产和医学领域等方面得到日益广泛的应用。例如 , 我们可以利用超声波来测量海底的深度和探索鱼群、暗礁、潜水艇等。在工业上 , 则可以用超声波来检验金属内部的气泡、伤痕、裂隙等缺陷。在医学领域则可以用超声波来灭菌、清洗 , 更重要的用途是做成各种超声波治疗和诊断仪器。
二、超声波的物理量
　 1. 声速
　　 声波在介质中单位时间内传播的距离 , 称为声速。用符号 c 表示 , 单位为 m ／ s( 米／秒 ) 。声波的传播过程实质上是能量的传递过程 , 它不仅需要一定时间 , 而且其传递速度的快慢还与介质的密度及弹性、介质的特性以及波动的类型有关。对于纵向传播的平面波 , 其声速为式中 : ρ为介质密度； k 为介质的体积弹性模量。
又由于弹性模量与温度有关 , 因而声速还受温度的影响。例如 , 空气的温度在 0 ℃ 时 , 声速为 332m /s, 气温每升高 1 ℃ , 则声速增加 0.6m /s, 至 15 ℃ 时 , 则为 341m /s 。表 7-1 给出了在人体组织器官中和与超声诊断有关的介质中的声速。
表 7-1 　在有关介质中的超声速度

2. 周期和频率
介质中的质点在平衡位置往返振动 1 次所需要的时间叫周期 , 用 T 表示，单位是秒（ s ）；在 1s 的时间内完成振动的次数称为频率 , 用 f 表示 , 单位为周 /s ，又称作 Hz(Hz) 。周期与频率成互为倒数关系 , 以下式表示：
图 7-2 波长与振幅
 f=1 ／ T
　　 超声诊断常用的频率范围在 0.8 ～ 15MHz 之间 , 而最常用的为 2.5 ～ 10 （ MHz ）。
3. 波长
在一个周期内 , 声波所传播的距离就是一个波长 , 用λ表示。对于纵波 , 等于两相邻密集点 ( 或稀疏点 ) 间的距离 , 如图 7-2(a) 所示 ; 对于横波 , 则是从一个波峰 ( 或波谷 ) 到相邻波峰 ( 波谷 ) 的距离 , 如图 7-2(b) 所示。
　　 波长λ、声速 c 与频率 f 之间满足以下关系：
 λ＝ c/f
　　 频率和波长在超声成像中是 2 个极为重要的参数 , 波长决定了成像的极限分辨率 , 而频率则决定了可成像的组织深度。表 7-2 给出了医学超声诊断常用的几种超声波频率与其波长、周期和极限分辨力的关系。
表 7-2 　波长、周期与极限分辨力之间的关系

注：取超声波在人体中传播的平均声速 c=1540mm/s 作为换算标准

4. 声压
纵波在弹性媒质内传播过程中 , 媒质质点的压强是随时间变化的 , 媒质质点的密度时疏时密 , 从而使平衡区的压力时强时弱 , 结果导致有波动时压强 (P W ) 与无波动时压强 (P O ) 之间有一定额压强差 (P W － P O ), 这一波动压强称为声压。对于一无吸收媒质的平面波 , 有波动时压强的最大值与没有波动作用时各点压强的差值称为压强振幅 (P m ), 它可由下式确定：
 P m = ρ cV m
即：声压振幅 P m 与媒质密度ρ、质点运动速度的最大值 V m 及波速 c 成正比。
　　 声压有效值为：
5. 声强
　　 声强是表示声的客观强弱的物理量 , 它用每秒钟通过垂直于声波传播方向的 1 平方厘米面积的能量来度量 , 它的单位是焦耳／ ( 秒·平方厘米 ) ［ J/(s · cm 2 ) ］。
　　 声强与声源的振幅有关 , 振幅越大 , 声强也越大 ; 振幅越小 , 声强也越小。当声源发出的声波向各个方向传播时 , 其声强将随着距离的增大而逐渐减弱。这是由于声源在单位时间内发出的能量是一定的 , 离开声源的距离越远 , 能量的分布面也越大 , 因此通过单位面积的能量就越小。基于这一原理 , 在超声诊断探头发射超声时 , 必须考虑波束的聚焦 , 它可以减小声能的分散 , 使声能向一个比较集中的方向传播 , 因而可以增加诊断探测的深度。
6. 声阻抗率
声阻抗率是描述声波传播弹性媒质的一个重要物理量。对于各向同性的均匀媒质中无衰减的平面自由行波来说 , 媒质中某点有效声压 P 与振动质点速度有效值 V 之比称为声阻抗率 , 它用 Zs 表示：
 Zs = P ／ V= ρ c
实际上 , 声压与质点振速不一定同相位 , 所以声阻抗率是 2 个同频率、但不同相的余弦量的比值 , 并不是一个恒量。对于无衰减的平面行波 , 声压和振速可视为同相 , 媒质各点的声阻抗率是同一个恒量ρ c, 对一定频率的声波来说 , 它只决定于媒质密度ρ和波速 c 的乘积。
　　 声阻抗率和电学中一个无限长、无损耗传输线的特性阻抗相似 , 其中声压相当于电压 , 振速相当于电流强度 , 声阻抗率相当于电阻。通常声阻抗率是一个复数 , 其实部称为声阻率 , 虚部称为声抗率。人体正常组织的声阻抗率的平均值约为 1.5 × 10 6 牛顿·秒 / 米 3 (N · s ／ m 3 ), 而与超声测量有关材料的密度和声阻抗率则如表 7-3 所示。
表 7-3 　几种物质及人体组织的声阻抗率

三、生物组织与超声波之间的相互影响
 1. 生物组织对超声的衰减
　　 当超声波在生物组织中传播时 , 作为传播介质的生物组织对超声的衰减机制是十分复杂的。除组织对超声波的反射、散射等引起的能量的分散之外 , 组织对超声能量的吸收而造成的衰减亦不可忽视。在生物组织中 , 造成吸收衰减的内在原因主要有介质质点的粘滞性、导热系数和温度等因素 , 而这些因素造成对超声衰减的大小又与超声的频率有关 , 超声衰减在人体中与传播距离成正比。超声传播到其强度减弱一半的距离叫半价层 , 因此 , 可以用半价层来表明生物组织吸收的大小。人体组织、器官的超声半价层如表 7-4 所示。
表 7-4 　人体组织、器官的超声半价值

由表 7-4 可见 , 血液的半价层最大 , 这说明血液对超声的衰减最小。在人体中 , 不同的组织由于具有不同的介质密度和性质 , 也往往表现出对超声不同的衰减系数。实测结果表明 , 人体中血液和眼球玻璃体液吸收声能最小 , 肌肉组织吸收稍强 , 纤维组织及软骨吸收声能较大 , 而骨骼对超声的吸收最大。表 7-5 列出了人体主要组织成分对不同频率超声的衰减系数。
表 7-5 　人体主要组织成分对不同频率超声的衰减系数

由于超声在人体中的衰减与超声频率有关 , 因此 , 研究超声衰减与频率的关系 , 对超声仪器的设计和使用都颇具意义。实验结果表明 , 在 1 ～ 15MHz 超声频率范围内 , 人体组织对超声波的吸收衰减系数几乎与频率成正比。人体软组织对超声的平均衰减系数约为 0.81dB · cm － 1 · MHz － 1 , 其含义是超声波频率每增加 1MHz 或超声传播距离每增加 1cm , 则组织对超声的衰减增加 0.81dB 。因此 , 对一个 3MHz 声束 , 当其在人体软组织中传播 10cm 时 , 则声强衰减可达 :  0.81dB · cm －１ · MHz －１ × 3MHz × 10cm =24.3dB
而当频率升高到 10MHz 时 , 传播相同的距离所导致的声强衰减将达 :
0.81dB · cm －１ · MHz －１ × 10MHz × 10cm =81dB
　　 这就说明频率的因素甚为重要。因此 , 根据探查部位的组织不同和深度不同 , 合理选择使用探头的频率 , 对诊断效果将有较大影响。
2. 超声波的反射、折射与透射
　　 超声波在人体组织内传播不仅有衰减 , 同时还存在着反射、折射与透射现象。在人体均质性组织内传播时 , 超声波只沿其传播方向前进 , 此时不存在反射、折射问题。如果超声波在非均质性组织内传播或从一种组织传播到另一种组织 , 由于两种组织声阻抗的不同 , 在声阻抗改变的分界面上便会产生反射、折射与透射 , 见图 7-3 。
图 7-3 　超声在不同介质中的反射、入射与折射
　　 原介质中的超声波称为入射波 , 在分界面处入射波的能量一部分将产生反射 , 另一部分能量将通过界面后继续传播，这就是透射。透射的超声波传播方向与入射波的传播方向不同 , 因而这部分透射过的超声波又称折射波。入射波与界面法线的夹角叫入射角θ 1 , 反射波与界面法线的夹角叫反射角θ 1 ′ , 入射角与反射角是相等的 , 即θ 1 = θ 1 ' 。这被称作超声波的反射定律。若入射波与界面是垂直的 , 则反射波即按入射波方向反射 , 故可以在超声波诊断仪器中用一个探头，既发射超声波又接收反射波 ( 回波 ) 。折射波与界面法线的夹角称为折射角θ 2 ，入射角θ 1 的正弦与折射角θ 2 的正弦之比，等于入射波在介质 1 中的声速 c 1 与折射波在介质 2 中的声速 c 2 之比 (sin θ 1 ／ sin θ 2 =c 1 /c 2 ) ，这被称作超声波的折射定律。若入射波与界面垂直，透过界面的超声波的传播方向与入射波方向一致，即不产生折射。
　　 反射波的能量除取决于两种介质的声阻抗差别外，还取决于界面的大小，反射界面越大，反射波的能量也越强，当反射界面的尺寸远小于超声波波长λ时，可以认为不产生反射。
　　 当被探查的人体组织结构很小，与入射超声波的波长相差不多时，会产生波的衍射现象。当被探查的组织结构小于入射波波长时，就会产生波的散射。
3. 超声波的生物效应
超声波是一种依靠介质来传播的声波，它具有机械能，因此，在传播的过程中将不可避免地和介质相互作用，产生各种效应。比如声波能量作用于介质，会引起质点高频振动，产生速度、加速度、声压和声强等力学量的改变，从而引起机械效应 ; 由于介质对超声能量的吸收，将使介质温度升高，从而引起热效应 ; 当超声波作用于液体时，会使液体内部压力发生变化，产生压力或拉力，当拉力达到一定强度，可以使液体分子断裂，产生近于真空的空穴，引起所谓空穴效应（也称空化效应）等。当超声作用于生物组织时，以上提到的各种物理效应同样存在，因而会对生物组织产生某些生物效应。比如，由于生物组织的粘滞性而造成的吸收，将使一部分声能转化为热能，使生物组织产生温升，当超声能量达到一定强度的时候，除产生热效应外 , 空化效应的结果还可能使组织细胞产生破坏性形变。因此，虽然目前普遍地认为超声对人体的危害甚微，但诊断用超声剂量并不被认为是越大越好。一般接受的剂量应小于安全剂量 50 焦耳／平方厘米 (J ／ cm 2 ) ，并且最大照射强度低于 100mW ／ cm 2 。然而 , 超声能终归是一种机械能，它不同于各种有损射线，所以，利用超声波所实现的各种检查治疗手段，应该说是比较安全的。