重庆医科大学：《超声治疗学》课程教学课件（讲稿）第五章 生物组织的超声性质

第五章生物组织的超声性质李发琪重庆医科大学生物医学工程系重庆医科大学医学超声工程研究所省部共建超声医学工程重点实验室

第五章 生物组织的超声性质 李发琪 重庆医科大学生物医学工程系 重庆医科大学医学超声工程研究所 省部共建超声医学工程重点实验室

重醫科大学超声治疗学—Chap.5教学目的与要求掌握：反映生物组织超声性质的参数有哪些，其定义。重点掌握：声速、声吸收、声衰减的测量原理，并能设计测试方案。熟悉：认识生物组织超声性质在疾病诊断中的应用并能分析。厂了解：非线性参量、背向散射系数测量。重庆医科大学生物医学工程系

超声治疗学——Chap.5 重庆医科大学生物医学工程系 教学目的与要求 „ 掌握：反映生物组织超声性质的参数有 哪些，其定义。 „ 重点掌握：声速、声吸收、声衰减的测 量原理，并能设计测试方案。 „ 熟悉：认识生物组织超声性质在疾病诊 断中的应用并能分析。 „ 了解：非线性参量、背向散射系数测 量

重广醫科大学超声治疗学—Chap.5生物组织超声参数的实验测试方法口声速口超声吸收系数口超声衰减系数口声学非线性参量B/A口超声背向散射系数重庆医科大学生物医学工程系

超声治疗学——Chap.5 重庆医科大学生物医学工程系 一、生物组织超声参数的实验测试方法 ‰声速 ‰超声吸收系数 ‰超声衰减系数 ‰声学非线性参量B/A ‰超声背向散射系数

重产醫科大学超声治疗学—Chap.5生物组织超声参数的实验测试方法口意义超声参数一超声性质一一工程、临床、模拟计算等。口测量技术的特殊要求>动物软组织，如心、肝、脾、胃、肾及肌肉等，它们不同于一般的固体和液体，有一定的体积，但形状又易于受环境条件影响，因此对测试技术常有一定的特殊要求。重庆医科大学生物医学工程系

超声治疗学——Chap.5 重庆医科大学生物医学工程系 一、生物组织超声参数的实验测试方法 ‰ 意义 Î超声参数——超声性质——工程、临床、模拟计算 等。 ‰ 测量技术的特殊要求 Î动物软组织，如心、肝、脾、胃、肾及肌肉等，它 们不同于一般的固体和液体，有一定的体积，但形 状又易于受环境条件影响，因此对测试技术常有一 定的特殊要求

重产醫科大学超声治疗学Chap.51、瞬态热电偶法测量超声吸收口测量组织超声吸收系数的方法。口工作原理Q=pC,△TQ = 2a,I△t△T00921△t组织密度p（g/cm3），比热C，（cal/g.℃），I为声强(W/cm)；为组织吸收超声而引起的温度随时间的上升率（℃/s）重庆医科大学生物医学工程系

超声治疗学——Chap.5 重庆医科大学生物医学工程系 1、瞬态热电偶法测量超声吸收 ‰ 测量组织超声吸收系数的方法。 ‰ 工作原理 组织密度ρ（g/cm3），比热Cp（cal/g.℃），I 为声 强(W/cm2)； 为组织吸收超声而引起的温度随时间 的上升率（ ℃/s）。 Q = a I∆t 2 a Q = ρCp∆T t T I Cp ∆ ∆ = ⋅ 2 ρ αa t T ∆ ∆

方法：把直径远小于声波波长的热电偶结插入被测组织内，再用强度为I，时宽为1s的矩形脉冲超声，辐照热电偶结及其周围组织，组织吸收超声波使其自身温度上升，从而在热电偶结上产生热电动势。(2)热电动势增长可分两部分：（1）迅速上升部分，是由组织与热电偶丝之间粘滞摩擦损耗引起，它时间的平衡值决定于热电偶丝半径、组Js:织粘滞性、声强及频率。（2）线性增长部分，是由于组织对超声吸收的结果。测量出线性增长图1超声脉冲引起的部分的斜率△T/△t,即可确定组织的热电动势上升超声吸收系数αa

方法：把直径远小于声波波长的热电偶结插入被测组织内，再用强 度为I，时宽为1s 的矩形脉冲超声，辐照热电偶结及其周围组织，组 织吸收超声波使其自身温度上升，从而在热电偶结上产生热电动势。 热电动势增长可分两部分： （1）迅速上升部分，是由组织与热 电偶丝之间粘滞摩擦损耗引起，它 的平衡值决定于热电偶丝半径、组 织粘滞性、声强及频率。 （2）线性增长部分，是由于组织对 超声吸收的结果。测量出线性增长 部分的斜率 ΔT/Δt,即可确定组织的 超声吸收系数αa . （2）

重产醫科大学超声治疗学—Chap.5影响这一方法测量精度的主要因素是组织的热学性质及超声吸收本身随温度的变化，但只要在测量中使温度上升不大于1℃，这种影响可减少到很小.Dunn指出，测量（△T/△t）的总误差在5%～10%之内.为了确定热电偶结的所在位置的声强值，使用测得的深度和α的预测值，然后通过选代法对α值进行反复校准，直到找出它的收敛值为止瞬态热电偶法适用于在0.5-4MHz频段内测量动物组织的超声吸收系数频率再低，α值下降，温升太小，难以准确测量；频率过高则会出现热电偶丝对超声波的声散射等。重庆医科大学生物医学工程系

超声治疗学——Chap.5 重庆医科大学生物医学工程系 影响这一方法测量精度的主要因素是组织的热学性质及超声吸收本身随 温度的变化，但只要在测量中使温度上升不大于1℃，这种影响可减少到很 小. Dunn指出，测量（ΔT/Δt）的总误差在5%～10%之内. 为了确定热电 偶结的所在位置的声强Ⅰ值，使用测得的深度和α的预测值，然后通过迭代 法对α 值进行反复校准，直到找出它的收敛值为止. 瞬态热电偶法适用于在0.5-4MHz频段内测量动物组织的超声吸收系数. 频率再低, α值下降，温升太小，难以准确测量；频率过高则会出现热电偶 丝对超声波的声散射等

重醫科大学超声治疗学—Chap.52、辐射压力法测超声衰减口背景知识声辐射压力的定义（P110）>辐射压力法是测量声强和声功率的首选方法>辐射压力的产生是声波传输能量的直接结果，数值上等于声波动量的时间变化率。当连续声波入射到靶面上时，会对靶在传播方向上产生一个不随时间变化的辐射压力。当靶被系于悬线上，而悬线另一端与一敏感的力平衡元件（如微量电子天平等）相连接时，即可直接测出这个辐射压力的数值，重庆医科大学生物医学工程系

超声治疗学——Chap.5 重庆医科大学生物医学工程系 2、辐射压力法测超声衰减 ‰ 背景知识 Î声辐射压力的定义 （P110） Î辐射压力法是测量声强和声功率的首选方法 Î辐射压力的产生是声波传输能量的直接结果，数值 上等于声波动量的时间变化率。当连续声波入射到 靶面上时，会对靶在传播方向上产生一个不随时间 变化的辐射压力。当靶被系于悬线上，而悬线另一 端与一敏感的力平衡元件（如微量电子天平等）相 连接时，即可直接测出这个辐射压力的数值

重产醫科大学超声治疗学—Chap.52、辐射压力法测超声衰减》对于理想的声吸收靶，当声波垂直入射时，由式（4-80）并ri=0（全吸收），得辐射压力F：F_WCo式中W为靶所接收到的时间平均声功率，Co为声传播速度。在水中时，Co=1500m/s，则可以算得：1mW功率的超声波对全吸收靶产生67μg的辐射压力。重庆医科大学生物医学工程系

超声治疗学——Chap.5 重庆医科大学生物医学工程系 Î对于理想的声吸收靶，当声波垂直入射时，由式（4-80） 并r1=0（全吸收），得辐射压力F： 式中 为靶所接收到的时间平均声功率，c0为声传播速 度。在水中时， c0 =1 500 m/s，则可以算得：1mW功率 的超声波对全吸收靶产生67μg的辐射压力。 0 W F c = 2、辐射压力法测超声衰减 W

2、辐射压力法测超声衰减>采用全反射靶（r,=1)，如果此时的靶面与声头辐射面平行而置，那么在声头与靶面之间将形成驻波，影响测量。为此常使声束与靶面垂线之间呈一定角度θ，则HF, =2F'cos 0F = F, cos 0FF2 cos ? 0声靶FcF'co-F.声束2 cos? FI2Wcos? Co显然，当θ=45°时，两种方式所得公式相同，即灵敏度仍为67 μg / mW

2、辐射压力法测超声衰减 Î采用全反射靶（r1=1)，如果此时的靶面与声头辐射面 平行而置，那么在声头与靶面之间将形成驻波，影响测 量。为此常使声束与靶面垂线之间呈一定角度θ，则 θ θ θ θ θ 2 0 2 0 0 2 cos 2 2 cos 2 cos cos 2 cos c W F Fc W F c F F F F F F n n = = ′ = ′ = = = ′ θ 声束 声靶 Fn F θ θ F′ 显然，当 θ=45°时，两种方式所得公式相同，即灵敏 度仍 为67 μg / mW