超聲波的特性及在醫學診斷中的應用

張明霞

【摘要】隨著科技的進步，超聲波廣泛應用于各個方面，在醫學領域應用中也得到了快速的發展。本文主要基于對超聲波的總體概述，對其特性進行全面的介紹，并重點總結分析了超聲波在醫學診斷中的廣泛應用及其發展前景。

【關鍵詞】超聲波；特性；醫學診斷

【中圖分類號】R445.1 【文獻標識碼】B【文章編號】1004-4949（2014）03-0369-01

1超聲波的概述

機械振動在介質中傳播而形成機械波。其中，人耳能夠聽到的頻率范圍大致在20Hz-20000Hz稱為聲波，而頻率低于20Hz的稱為次聲波，頻率高于人耳能聽到的上限20000Hz的機械波則稱為超聲波。近年來，超聲波的應用范圍在各大領域都迅速地擴大開來，它已在海洋探查與開發、無損評價與檢測、醫學診斷及微電子學等領域發揮作用；同時，超聲波作為一種能量形式，通過它與傳聲媒質相互作用而產生的種種效應，在物理、化學、生物及醫學等基礎研究和應用技術開發中展示出廣闊的前景。在醫學領域中，超聲的性質無論在醫學的診斷或是治療都是極為適宜的，用功率大的超聲作治療，用功率小的超聲作診斷，施用超聲波的最大優點是對患者和醫生都無害處，這是X光所不能及的。

2 超聲波的特性

由于頻率f升高，波長λ變短，超聲波具有其特殊性，近似于光的某些特征，如束射性，由一種媒質進入另一種媒質發生折射、反射等；同時有很強的被吸收性與衰減性，帶有很強的能量。以下簡要介紹超聲波的幾個主要特性：

2.1 超聲波的束射性

人耳可感受的聲音是無指向性的球面波，即以聲源為中心呈球面向四周擴散。而超聲波頻率很高，方向性（即束射性）較強。當超聲波發生體——壓電晶體的直徑尺寸遠大于超聲波波長時，則晶體所產生的超聲波就類似于光的特性。超聲波的頻率高、波長短，和光波一樣可以集中向一個方向傳播，并可用適當的方法使它會聚和發散，所以超聲波射線可以與光線一樣，進行折射、反射，同時也可以聚焦。而且，超聲波的束射特性遵循幾何光學上的定律。

2.2 超聲波的透射、反射、折射與聚集

由于超聲波頻率較高，因此超聲波在定向傳播時，在兩種不同媒質的分界面上，會出現類似于光線的透射、反射和折射現象。超聲波的聚集現象和光線的聚集現象是一樣的。利用超聲波聚集裝置可以將超聲波束會聚到一點，從而將超聲波的聲強提高幾倍甚至幾千倍，利用這樣巨大的聲強可以做許多很有意義的工作，例如超聲波切割、超聲波鉆孔、超聲波打磨等。

2.3 超聲波的吸收與衰減

當超聲波在各種媒介物質中傳播之時，由于媒質要吸收掉它的一部分能量，隨著傳播距離的增加，其強度也會漸漸的減弱。而對于同一物質來說，超聲波的頻率越高，其吸收也就越強。

2.4 超聲波的巨大能量

超聲波具有著更加強大的功率。超聲波可以使得物質分子獲得十分巨大的能量。根據聲學工作者的實驗測定，頻率為100萬Hz的超聲波的能量，要比同幅度的頻率為1000Hz的聲波的能量大100萬倍。

2.5 超聲波的聲壓特性

所謂“聲壓”指的是由于聲波的振動而使聲場中的物體受到的附加壓力的強度。超聲波的頻率很高，所以進入介質時，高密度分子間的伸拉很快，致使其間形成瞬時的真空與壓縮高密度區，產生巨大的壓力差。當振幅達到一定程度時，超聲波擁有的能量十分巨大。

3超聲波在醫學診斷中的應用

超聲波在醫學領域中的應用包括兩大方面：超聲診斷和超聲治療。超聲診斷研究如何利用各種組織聲學特性的差異來區分不同組織，特別是區分正常和病變組織。超聲診斷是借助超聲波在人體組織中的傳播、反射散射、吸收衰減和多普勒效應等物理現象，提取病灶信息，并轉換為電信號，作為診斷的依據。

如今，超聲診斷儀已由一維發展到三維，由靜態發展到實時，回波信息量大大增加，生物體內的病灶愈加清晰易辨。目前醫學應用的超聲診斷方法有不同的形式，可分為A型、B型、M型及D型。A 型超聲診斷儀為調幅式，顯像屏幕上縱軸顯示反射波的幅度，橫軸顯示時間，這種診斷儀可探查點的斷層聲像。70 年代以來，A 型被B 型超聲顯像儀取代，B超幅度調制顯示為輝度調制顯示，使顯示的亮度隨著回聲信號的大小而變化；另外B超采用單晶片或多晶片掃描技術，產生若干條超聲信息線，以構成一幅二維切面圖像。醫生可根據切面圖像的形態、灰度、組織結構、邊界回聲、回聲總體分布、臟器后方情況及周圍組織表現等做出綜合判斷。B超在臨床應用范圍廣泛，幾乎涉及到臨床所有學科疾病的診斷，目前B超和X射線已成為兩種相互補充的常規的檢查手段。M型超聲診斷儀是在A型的基礎上改造而成的，它是一種用于診斷活動器官的超聲診斷儀，用單晶片探頭、回聲以輝度調制顯示。現在超聲診斷儀由于出現多探頭陣列聲成像技術，為采用各種信息處理帶來了方便。將電子計算機技術引入超聲診斷，它將獲取超聲通過臟器的傳播時間及幅度或衰減隨頻率的變化數據，經過信號數字處理、綜合后再給出組織的切面圖像，從而產生了超聲CT技術，這種技術能得到活體組織內部超聲參量的空間分布。對于1MHz的超聲，切面圖像的分辨力可到5mm，目前已進入臨床試驗階段。計算機技術還可以抑制假信號，使聲像圖更為清晰，甚至還進行了把兩套二維成像合成一個三維立體像的嘗試。

4結束語

近幾年來，醫學超聲成像系統想更高層次發展，其目標主要是：利用更多的聲學參數作為載體，以獲取體內更多的生理、病例信息；提高圖像質理，使圖形清晰；顯示更為細微的組織結構。從工程技術角度看，醫學超聲成像在彩色血流測量技術、數字化波束形成技術、諧波成像技術、三維超聲等方面的發展特別引人注目。總之，超聲診斷技術發展迅速，已從形態學過渡到生物力學、生物物理學的分析階段，即從靜態到動態，從定性到定量，從模擬到全數字化，從二維到三維顯示，多普勒彩色血液顯示代替了創傷性導管檢查，使超聲圖像的質量和分辨率大幅度提高，提高了臨床診斷好應用的范圍。由此可見，超聲診斷技術不僅現在已給人類帶來了巨大的利益，同時還有極為廣闊的開發前景。

參考文獻

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