超声波的物理性质

超声波是指频率超过人耳听觉范围上限（20000Hz）的声波。临床诊断使用超声频率的高低由探头的频率决定，国内诊断常用的探头频率有1.25MHz、2.5MHz和5MHz、7.5MHz等，可根据不同的探查部位而选择使用。

一、声速、波长与频率

1.声速（传播速度）

超声波在不同的介质中传播的速度不同，介质密度越高，传播速度越快。在固体中大于液体，液体中大于气体。

超声在介质中的传播速度与水相近。因此，在实践中一般以1500m/s作为测定病灶深度的常数。

2.波长、频率与声速的关系

波长是超声和声波在一个周期时间内，波所传播的距离。波长、频率与声速的关系可用下列公式表示：

声速＝波长×频率

因此，当声速一定时，波长与频率成反比，频率越高，则波长越短，其传播的距离越近，而对病灶最小直径的分辨力越好。所以，在实际探查中，不同部位选择不同的探头。

• 通常对肝脏、胆囊、脾脏等软组织，用3.5MHz的探头；
• 眼及浅表部位的探查用5~10MHz；
• 而头颅的探查则用0.8~2.0MHz。

二、声阻抗（声阻）

声阻抗简称声阻，是介质密度与超声在其中传播速度的乘积。即： 声阻 ＝ 密度 × 声速

• 各种介质的声阻不同，固体的声阻最大，液体次之，气体最小。
• 超声波反射的强弱决于形成声学界面的两种介质的声阻抗差值，声阻抗差值越大，反射强度越大，反之则小。

三、超声波的主要物理特性

1.束射性

束射性即超声传播的方向性或指向性。超声由于频率高，且辐射面大于波长，因此从声源发出之后几乎全部成束状直线向前传播，具有良好的指向性。

束射性主要与换能器晶片的直径大小、超声波的频率和超声束扩散角的大小有关。

• 换能器晶片的直径大于超声波长很多倍时，发时的超声就集中射向一个方向，即成束性好。
• 扩散角及超声束在近场以后扩散的角度。扩教角越小，频率越高，超声束的束射性越好。

2.透射

超声穿过某一介质或通过两种介质的界面而进入第二种介质内称为超声的透射(transmission)。除介质外，决定超声透射能力主要因素是超声的频率和波长。

• 超声频率越大，其透射能力（穿透力）越弱，探测的深度越浅；
• 超声频率越小，波长越长，其穿透力越强，探测的深度越深。
• 因此，临床上进行超声探查时，应根据探测组织器官的深度及所需的图像分辨力选择不同频率的探头。

3.反射与折射

超声在传播过程中，如遇到两种不同声阻抗(acoustic impedance)物体所构成的声学界面时，一部分超声波会返回到前一种介质中，称作反射(reflection)；另一部分超声波在进入第二种介质时发生传播方向的改变，即折射(refraction)。

超声波反射的强弱主要取决于形成声学界面的两种介质的声阻抗差值，声阻抗差值越大，反射强度越大，反之则小。两种介质的声阻抗差只需达到0.1%，即两种物质的密度(density)差值只要达到0.1%，超声就可在其界面上形成反射，反射回来的超声称回声(echo)。

反射强度通常以反射系数表示：反射系数＝反射的超声能量÷入射的超声能量

举例：空气的声阻抗值为0.000428，软组织的声阻抗值为1.5，二者声阻抗值相差约4000倍，故其界面反射能力特别强。

临床上在进行超声探测时，探头与动物体表之间一定不要留有空隙，以防声能在动物体表大量反射而没有足够的声能达到被探测的部位。这就是超声探测时必须使用耦合剂(coupling medium)的原因。

4.绕射

超声遇到小于其波长一半的物体时，会绕过障碍物的边缘继续向前传播，称绕射或衍射(diffraction)。实际上，当障碍物与超声的波长相等时，超声即可发生绕射，只是不很明显。

根据超声绕射规律，在临床检查时，应根据被探查目标的大小选择适当频率的探头，使超声波的波长比探测目标小的多，以便超声波在探测目标时不发生绕射，把比较小的病灶也检查出来，提高分辨力和显现力。

5.超声的散射和衰减

超声在介质内传播时，会随着传播距离的增加而减弱，这种现象称为超声衰减。引起超声衰减的原因是：

• 超声束的扩散以及在不同声阻抗界面上发生的反射、折射及散射等，使主声束方向上的声能减弱。
• 超声在传播介质中，由于介质的粘滞性（内摩擦力）、导热系数和温度等的影响，使部分声能被吸收，从而使声能降低。

声能的衰减与超声频率和传播距离有关。

• 超声频率越高或传播距离越远，声能的衰减，特别是声能的吸收衰减越大；反之，声能衰减越小。
• 动物体内血液对声能的吸收最小，其次是肌肉组织、纤维组织、软骨和骨骼。

6.多普勒效应

Hristian Doppler发现，声源与反射物体之间出现相对运动时，反射物体所接收到的频率与声源所发出的频率不一致，当声源向着反射物体运动时，声音频率升高，反之降低，此种频率发生改变（频移）的现象称为多普勒效应(Doppler effect)。

频移的大小取决于声源与反射物体间相对运动速度。

• 速度越大，频移越大，反射物体所接收的声音频率增高的越多，声响越强；
• 声源与反射物体反向运动时，反射物体所接收的声音频率比声源发射的频率要小，故反射物体所接受的声音比实际音响要小。

D型超声诊断仪就是利用超声的多普勒效应把超声频移转变为不同的声响以检查物体内活动的组织器官，包括妊娠检查。

 四、超声的分辨性能

1.超声的显现力

超声的显现力(discoverable ability)是指超声能检测出物体大小的能力。能被检出物体的直径大小常作为超声显现力的大小。能被检出的最小物体直径越大，显现力越小；能被检出的物体直径越小，显现力越大。

理论上讲，超声的最大显现力是波长的一半，如5.0MHz的超声波长为3.0mm，其显现力为1.5mm。实际上，病灶要比超声波波长大数倍时才能发生明显的反射，故超声频率越高，波长越短，其显现力也越高，但穿透能力会降低。

2.超声的分辨力

超声的分辨力是超声能够区分两个物体间的最小距离，以横向分辨力和纵向分辨力2个指标进行衡量。

• 横向分辨力是指超声能分辨与声束相垂直的界面上两物体（或病灶）间的最小距离，以mm计。决定超声横向分辨力的因素是声束直径。
• 纵向分辨力是指声束能够分辨位于超声轴线上两物体（或病灶）间最小距离。决定纵向分辨力的因素是超声的脉冲宽度。

超声的纵向分辨力约为脉冲宽度的一半。脉冲宽度＝脉冲时间×超声速度。

影响脉冲时间的一个因素是超声频率，频率越高，脉冲时间可以越短，脉冲宽度越小，超声的纵向分辨力越大，反之，则越小。

3.超声的透入深度

超声频率越高，其显现力和分辨力越强，显示的组织结构或病理结构越清晰；但频率越高，其衰减也越显著，透入的深度就会大为下降。

脉冲宽度不仅决定纵向分辨力，也决定了超声能检测的最小深度。探测的组织或病灶与探头的距离应大于1/2脉冲宽度，才能被检出，小于1/2脉冲宽度的近场称为盲区。

实际上，盲区深度比脉冲宽度的1/2要大数倍。盲区内的组织或病灶不能被检出。解决这一问题的主要方法是：

• 加大探头的频率。
• 在体表与探头之间增加透声垫块。

在探头与腹壁间垫透声垫块后探查膀胱

资源描述：膀胱腹侧面与腹底壁相邻，恰好位于B超探查的盲区内，增加透声垫块可使其位于盲区之外。 文件来源：周庆国主编，犬猫疾病诊治彩色图谱