一、超聲波的產(chǎn)生和特性
1. 超聲波的產(chǎn)生
　　 物體的機(jī)械振動(dòng)是產(chǎn)生波的源泉 , 波的頻率取決于物體的振動(dòng)頻率。頻率范圍在 20 ～ 20000Hz 內(nèi)的波稱為可聽聲波 , 頻率范圍在 20 ～ 10 － 4 Hz 內(nèi)的波稱為次聲波 , 頻率范圍在 2 × 10 4 ～ 10 8 Hz 的波稱為超聲波 , 頻率范圍在 10 8 ～ 10 12 Hz 的波稱為特超聲波。次聲波、可聽聲波、超聲波、特超聲波統(tǒng)稱聲波?？梢?，整個(gè)聲波頻譜是比較寬的，其中只有可聽聲波才能為人耳所聽到，而次聲、超聲、特超聲雖然屬于聲波卻不能為人耳所察覺(jué)。
　　 在自然界存在著多種多樣的超聲波 , 如某些昆蟲和哺乳動(dòng)物就能發(fā)出超聲波 , 又如風(fēng)聲、海浪聲、噴氣飛機(jī)的噪聲中都含有超聲波成分。在醫(yī)學(xué)診斷上所使用的超聲波是由壓電晶體一類的材料制成的超聲探頭產(chǎn)生的。眼科方面所使用的超聲頻率在 5 ～ 15MHz 范圍內(nèi) , 心和腹部所使用的超聲頻率在 2 ～ 10MHz 范圍內(nèi)。
2. 超聲波的特性
　　 超聲波和可聽聲波一樣 , 也是一種機(jī)械波 , 它是由介質(zhì)中的質(zhì)點(diǎn)受到機(jī)械力的作用而發(fā)生周期性振動(dòng)產(chǎn)生的。依據(jù)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與波的傳播方向的關(guān)系 , 超聲波亦有縱波和橫波之分。縱波是質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向相同的波。例如音叉在空氣介質(zhì)中振動(dòng)所產(chǎn)生的聲波 , 空氣介質(zhì)中的質(zhì)點(diǎn)沿水平方向振動(dòng) , 振動(dòng)的方向與聲波的傳播方向一致 , 傳播時(shí)介質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)發(fā)生疏密的變化 , 如圖 7-1(a) 所示?？v波可以在固體、液體、氣體介質(zhì)中傳播。
圖 7-1 　波動(dòng)傳播的 2 種主要形式——縱波與橫波
　　 橫波是質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與波的傳播方向垂直的波。一個(gè)典型的例子便是如圖 7-1(b) 所示的軟繩上的波 , 我們不妨把軟繩看成密集質(zhì)點(diǎn)的集合 , 如果不斷地?cái)[動(dòng)軟繩的一頭 , 則一系列的橫向振動(dòng)的波就由繩子的左端向右端移去 , 而繩上各質(zhì)點(diǎn)并不隨波的傳播方向移去 , 只是在各自的平衡位置附近作橫向 ( 剪切形式 ) 的振動(dòng)。橫波不能在液體及氣體介質(zhì)中傳播 , 這是因?yàn)橐后w和氣體無(wú)切變彈性。
　　 由超聲診斷儀所發(fā)射的超聲波 , 在人體組織中是以縱波的方式傳播的。就是因?yàn)槿梭w軟組織基本無(wú)切變彈性 , 橫波在人體組織中不能傳播。
與普通聲波 ( 可聞波 ) 相比 , 超聲波具有許多特性 , 其中最突出的有 : ①由于超聲波的頻率高 , 因而波長(zhǎng)很短 , 它可以像光線那樣沿直線傳播 , 使我們有可能只向某一確定的方向發(fā)射超聲波 ; ②由超聲波所引起的媒質(zhì)微粒的振動(dòng) , 即使振幅很小 , 加速度也非常大 , 因此可以產(chǎn)生很大的力量。超聲波的這些特性 , 使它在近代科學(xué)研究、工業(yè)生產(chǎn)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域等方面得到日益廣泛的應(yīng)用。例如 , 我們可以利用超聲波來(lái)測(cè)量海底的深度和探索魚群、暗礁、潛水艇等。在工業(yè)上 , 則可以用超聲波來(lái)檢驗(yàn)金屬內(nèi)部的氣泡、傷痕、裂隙等缺陷。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域則可以用超聲波來(lái)滅菌、清洗 , 更重要的用途是做成各種超聲波治療和診斷儀器。
二、超聲波的物理量
　 1. 聲速
　　 聲波在介質(zhì)中單位時(shí)間內(nèi)傳播的距離 , 稱為聲速。用符號(hào) c 表示 , 單位為 m ／ s( 米／秒 ) 。聲波的傳播過(guò)程實(shí)質(zhì)上是能量的傳遞過(guò)程 , 它不僅需要一定時(shí)間 , 而且其傳遞速度的快慢還與介質(zhì)的密度及彈性、介質(zhì)的特性以及波動(dòng)的類型有關(guān)。對(duì)于縱向傳播的平面波 , 其聲速為式中 : ρ為介質(zhì)密度； k 為介質(zhì)的體積彈性模量。
又由于彈性模量與溫度有關(guān) , 因而聲速還受溫度的影響。例如 , 空氣的溫度在 0 ℃ 時(shí) , 聲速為 332m /s, 氣溫每升高 1 ℃ , 則聲速增加 0.6m /s, 至 15 ℃ 時(shí) , 則為 341m /s 。表 7-1 給出了在人體組織器官中和與超聲診斷有關(guān)的介質(zhì)中的聲速。
表 7-1 　在有關(guān)介質(zhì)中的超聲速度

2. 周期和頻率
介質(zhì)中的質(zhì)點(diǎn)在平衡位置往返振動(dòng) 1 次所需要的時(shí)間叫周期 , 用 T 表示，單位是秒（ s ）；在 1s 的時(shí)間內(nèi)完成振動(dòng)的次數(shù)稱為頻率 , 用 f 表示 , 單位為周 /s ，又稱作 Hz(Hz) 。周期與頻率成互為倒數(shù)關(guān)系 , 以下式表示：
圖 7-2 波長(zhǎng)與振幅
 f=1 ／ T
　　 超聲診斷常用的頻率范圍在 0.8 ～ 15MHz 之間 , 而最常用的為 2.5 ～ 10 （ MHz ）。
3. 波長(zhǎng)
在一個(gè)周期內(nèi) , 聲波所傳播的距離就是一個(gè)波長(zhǎng) , 用λ表示。對(duì)于縱波 , 等于兩相鄰密集點(diǎn) ( 或稀疏點(diǎn) ) 間的距離 , 如圖 7-2(a) 所示 ; 對(duì)于橫波 , 則是從一個(gè)波峰 ( 或波谷 ) 到相鄰波峰 ( 波谷 ) 的距離 , 如圖 7-2(b) 所示。
　　 波長(zhǎng)λ、聲速 c 與頻率 f 之間滿足以下關(guān)系：
 λ＝ c/f
　　 頻率和波長(zhǎng)在超聲成像中是 2 個(gè)極為重要的參數(shù) , 波長(zhǎng)決定了成像的極限分辨率 , 而頻率則決定了可成像的組織深度。表 7-2 給出了醫(yī)學(xué)超聲診斷常用的幾種超聲波頻率與其波長(zhǎng)、周期和極限分辨力的關(guān)系。
表 7-2 　波長(zhǎng)、周期與極限分辨力之間的關(guān)系

注：取超聲波在人體中傳播的平均聲速 c=1540mm/s 作為換算標(biāo)準(zhǔn)

4. 聲壓
縱波在彈性媒質(zhì)內(nèi)傳播過(guò)程中 , 媒質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的壓強(qiáng)是隨時(shí)間變化的 , 媒質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的密度時(shí)疏時(shí)密 , 從而使平衡區(qū)的壓力時(shí)強(qiáng)時(shí)弱 , 結(jié)果導(dǎo)致有波動(dòng)時(shí)壓強(qiáng) (P W ) 與無(wú)波動(dòng)時(shí)壓強(qiáng) (P O ) 之間有一定額壓強(qiáng)差 (P W － P O ), 這一波動(dòng)壓強(qiáng)稱為聲壓。對(duì)于一無(wú)吸收媒質(zhì)的平面波 , 有波動(dòng)時(shí)壓強(qiáng)的最大值與沒(méi)有波動(dòng)作用時(shí)各點(diǎn)壓強(qiáng)的差值稱為壓強(qiáng)振幅 (P m ), 它可由下式確定：
 P m = ρ cV m
即：聲壓振幅 P m 與媒質(zhì)密度ρ、質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度的最大值 V m 及波速 c 成正比。
　　 聲壓有效值為：
5. 聲強(qiáng)
　　 聲強(qiáng)是表示聲的客觀強(qiáng)弱的物理量 , 它用每秒鐘通過(guò)垂直于聲波傳播方向的 1 平方厘米面積的能量來(lái)度量 , 它的單位是焦耳／ ( 秒·平方厘米 ) ［ J/(s · cm 2 ) ］。
　　 聲強(qiáng)與聲源的振幅有關(guān) , 振幅越大 , 聲強(qiáng)也越大 ; 振幅越小 , 聲強(qiáng)也越小。當(dāng)聲源發(fā)出的聲波向各個(gè)方向傳播時(shí) , 其聲強(qiáng)將隨著距離的增大而逐漸減弱。這是由于聲源在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)出的能量是一定的 , 離開聲源的距離越遠(yuǎn) , 能量的分布面也越大 , 因此通過(guò)單位面積的能量就越小?；谶@一原理 , 在超聲診斷探頭發(fā)射超聲時(shí) , 必須考慮波束的聚焦 , 它可以減小聲能的分散 , 使聲能向一個(gè)比較集中的方向傳播 , 因而可以增加診斷探測(cè)的深度。
6. 聲阻抗率
聲阻抗率是描述聲波傳播彈性媒質(zhì)的一個(gè)重要物理量。對(duì)于各向同性的均勻媒質(zhì)中無(wú)衰減的平面自由行波來(lái)說(shuō) , 媒質(zhì)中某點(diǎn)有效聲壓 P 與振動(dòng)質(zhì)點(diǎn)速度有效值 V 之比稱為聲阻抗率 , 它用 Zs 表示：
 Zs = P ／ V= ρ c
實(shí)際上 , 聲壓與質(zhì)點(diǎn)振速不一定同相位 , 所以聲阻抗率是 2 個(gè)同頻率、但不同相的余弦量的比值 , 并不是一個(gè)恒量。對(duì)于無(wú)衰減的平面行波 , 聲壓和振速可視為同相 , 媒質(zhì)各點(diǎn)的聲阻抗率是同一個(gè)恒量ρ c, 對(duì)一定頻率的聲波來(lái)說(shuō) , 它只決定于媒質(zhì)密度ρ和波速 c 的乘積。
　　 聲阻抗率和電學(xué)中一個(gè)無(wú)限長(zhǎng)、無(wú)損耗傳輸線的特性阻抗相似 , 其中聲壓相當(dāng)于電壓 , 振速相當(dāng)于電流強(qiáng)度 , 聲阻抗率相當(dāng)于電阻。通常聲阻抗率是一個(gè)復(fù)數(shù) , 其實(shí)部稱為聲阻率 , 虛部稱為聲抗率。人體正常組織的聲阻抗率的平均值約為 1.5 × 10 6 牛頓·秒 / 米 3 (N · s ／ m 3 ), 而與超聲測(cè)量有關(guān)材料的密度和聲阻抗率則如表 7-3 所示。
表 7-3 　幾種物質(zhì)及人體組織的聲阻抗率

三、生物組織與超聲波之間的相互影響
 1. 生物組織對(duì)超聲的衰減
　　 當(dāng)超聲波在生物組織中傳播時(shí) , 作為傳播介質(zhì)的生物組織對(duì)超聲的衰減機(jī)制是十分復(fù)雜的。除組織對(duì)超聲波的反射、散射等引起的能量的分散之外 , 組織對(duì)超聲能量的吸收而造成的衰減亦不可忽視。在生物組織中 , 造成吸收衰減的內(nèi)在原因主要有介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的粘滯性、導(dǎo)熱系數(shù)和溫度等因素 , 而這些因素造成對(duì)超聲衰減的大小又與超聲的頻率有關(guān) , 超聲衰減在人體中與傳播距離成正比。超聲傳播到其強(qiáng)度減弱一半的距離叫半價(jià)層 , 因此 , 可以用半價(jià)層來(lái)表明生物組織吸收的大小。人體組織、器官的超聲半價(jià)層如表 7-4 所示。
表 7-4 　人體組織、器官的超聲半價(jià)值

由表 7-4 可見 , 血液的半價(jià)層最大 , 這說(shuō)明血液對(duì)超聲的衰減最小。在人體中 , 不同的組織由于具有不同的介質(zhì)密度和性質(zhì) , 也往往表現(xiàn)出對(duì)超聲不同的衰減系數(shù)。實(shí)測(cè)結(jié)果表明 , 人體中血液和眼球玻璃體液吸收聲能最小 , 肌肉組織吸收稍強(qiáng) , 纖維組織及軟骨吸收聲能較大 , 而骨骼對(duì)超聲的吸收最大。表 7-5 列出了人體主要組織成分對(duì)不同頻率超聲的衰減系數(shù)。
表 7-5 　人體主要組織成分對(duì)不同頻率超聲的衰減系數(shù)

由于超聲在人體中的衰減與超聲頻率有關(guān) , 因此 , 研究超聲衰減與頻率的關(guān)系 , 對(duì)超聲儀器的設(shè)計(jì)和使用都頗具意義。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明 , 在 1 ～ 15MHz 超聲頻率范圍內(nèi) , 人體組織對(duì)超聲波的吸收衰減系數(shù)幾乎與頻率成正比。人體軟組織對(duì)超聲的平均衰減系數(shù)約為 0.81dB · cm － 1 · MHz － 1 , 其含義是超聲波頻率每增加 1MHz 或超聲傳播距離每增加 1cm , 則組織對(duì)超聲的衰減增加 0.81dB 。因此 , 對(duì)一個(gè) 3MHz 聲束 , 當(dāng)其在人體軟組織中傳播 10cm 時(shí) , 則聲強(qiáng)衰減可達(dá) :  0.81dB · cm －１ · MHz －１ × 3MHz × 10cm =24.3dB
而當(dāng)頻率升高到 10MHz 時(shí) , 傳播相同的距離所導(dǎo)致的聲強(qiáng)衰減將達(dá) :
0.81dB · cm －１ · MHz －１ × 10MHz × 10cm =81dB
　　 這就說(shuō)明頻率的因素甚為重要。因此 , 根據(jù)探查部位的組織不同和深度不同 , 合理選擇使用探頭的頻率 , 對(duì)診斷效果將有較大影響。
2. 超聲波的反射、折射與透射
　　 超聲波在人體組織內(nèi)傳播不僅有衰減 , 同時(shí)還存在著反射、折射與透射現(xiàn)象。在人體均質(zhì)性組織內(nèi)傳播時(shí) , 超聲波只沿其傳播方向前進(jìn) , 此時(shí)不存在反射、折射問(wèn)題。如果超聲波在非均質(zhì)性組織內(nèi)傳播或從一種組織傳播到另一種組織 , 由于兩種組織聲阻抗的不同 , 在聲阻抗改變的分界面上便會(huì)產(chǎn)生反射、折射與透射 , 見圖 7-3 。
圖 7-3 　超聲在不同介質(zhì)中的反射、入射與折射
　　 原介質(zhì)中的超聲波稱為入射波 , 在分界面處入射波的能量一部分將產(chǎn)生反射 , 另一部分能量將通過(guò)界面后繼續(xù)傳播，這就是透射。透射的超聲波傳播方向與入射波的傳播方向不同 , 因而這部分透射過(guò)的超聲波又稱折射波。入射波與界面法線的夾角叫入射角θ 1 , 反射波與界面法線的夾角叫反射角θ 1 ′ , 入射角與反射角是相等的 , 即θ 1 = θ 1 ' 。這被稱作超聲波的反射定律。若入射波與界面是垂直的 , 則反射波即按入射波方向反射 , 故可以在超聲波診斷儀器中用一個(gè)探頭，既發(fā)射超聲波又接收反射波 ( 回波 ) 。折射波與界面法線的夾角稱為折射角θ 2 ，入射角θ 1 的正弦與折射角θ 2 的正弦之比，等于入射波在介質(zhì) 1 中的聲速 c 1 與折射波在介質(zhì) 2 中的聲速 c 2 之比 (sin θ 1 ／ sin θ 2 =c 1 /c 2 ) ，這被稱作超聲波的折射定律。若入射波與界面垂直，透過(guò)界面的超聲波的傳播方向與入射波方向一致，即不產(chǎn)生折射。
　　 反射波的能量除取決于兩種介質(zhì)的聲阻抗差別外，還取決于界面的大小，反射界面越大，反射波的能量也越強(qiáng)，當(dāng)反射界面的尺寸遠(yuǎn)小于超聲波波長(zhǎng)λ時(shí)，可以認(rèn)為不產(chǎn)生反射。
　　 當(dāng)被探查的人體組織結(jié)構(gòu)很小，與入射超聲波的波長(zhǎng)相差不多時(shí)，會(huì)產(chǎn)生波的衍射現(xiàn)象。當(dāng)被探查的組織結(jié)構(gòu)小于入射波波長(zhǎng)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生波的散射。
3. 超聲波的生物效應(yīng)
超聲波是一種依靠介質(zhì)來(lái)傳播的聲波，它具有機(jī)械能，因此，在傳播的過(guò)程中將不可避免地和介質(zhì)相互作用，產(chǎn)生各種效應(yīng)。比如聲波能量作用于介質(zhì)，會(huì)引起質(zhì)點(diǎn)高頻振動(dòng)，產(chǎn)生速度、加速度、聲壓和聲強(qiáng)等力學(xué)量的改變，從而引起機(jī)械效應(yīng) ; 由于介質(zhì)對(duì)超聲能量的吸收，將使介質(zhì)溫度升高，從而引起熱效應(yīng) ; 當(dāng)超聲波作用于液體時(shí)，會(huì)使液體內(nèi)部壓力發(fā)生變化，產(chǎn)生壓力或拉力，當(dāng)拉力達(dá)到一定強(qiáng)度，可以使液體分子斷裂，產(chǎn)生近于真空的空穴，引起所謂空穴效應(yīng)（也稱空化效應(yīng)）等。當(dāng)超聲作用于生物組織時(shí)，以上提到的各種物理效應(yīng)同樣存在，因而會(huì)對(duì)生物組織產(chǎn)生某些生物效應(yīng)。比如，由于生物組織的粘滯性而造成的吸收，將使一部分聲能轉(zhuǎn)化為熱能，使生物組織產(chǎn)生溫升，當(dāng)超聲能量達(dá)到一定強(qiáng)度的時(shí)候，除產(chǎn)生熱效應(yīng)外 , 空化效應(yīng)的結(jié)果還可能使組織細(xì)胞產(chǎn)生破壞性形變。因此，雖然目前普遍地認(rèn)為超聲對(duì)人體的危害甚微，但診斷用超聲劑量并不被認(rèn)為是越大越好。一般接受的劑量應(yīng)小于安全劑量 50 焦耳／平方厘米 (J ／ cm 2 ) ，并且最大照射強(qiáng)度低于 100mW ／ cm 2 。然而 , 超聲能終歸是一種機(jī)械能，它不同于各種有損射線，所以，利用超聲波所實(shí)現(xiàn)的各種檢查治療手段，應(yīng)該說(shuō)是比較安全的。