河南科技大学教案-----《医学超声学基础》
心对入射波能量的消耗尚不致妨碍超声检测，但是在波的传播区域内有许许多多这种散射中心时，那么入射波的能量将由此渐渐地被大量甚至全部散射殆尽，散射是引起超声波衰减的重要因素之一。
§2.5 生物组织的超声特性
随组织的类型和状态不同，生物组织的超声特性存在差异。生物组织的声阻抗、声速和声衰减等特性在确定医学超声探测与成像技术的有用性方面起了至关重要的作用。
一、 生物组织
细胞是基本的组织单元，由它组合构成了各种人体组织。作为仅仅为了便于理解组织中超声波传播规律的考虑，可粗略地将软组织根据它们的功能分为五个基本组织类型：上皮组织、肌肉组织、神经组织、连缔组织和血液及其它液体组织。 二、超声衰减
超声波在生物组织中传播时，随着距离增加，超声波能量逐渐减弱的现象叫做超声衰减。 （一）衰减系数
影响衰减的因素很多，如组织对超声波的反射、散射及吸收等引起的能量的分散。
通常用α衰减系数描述衰减，α表示每厘米衰减多少分贝，即db/cm。 （二）衰减因素 1、扩散衰减
超声在理想介质中传播时，超声衰减主要来自超声波束的扩散，即由于离声源一定距离后，声场面积扩大，声能分散在更大面积上。 2、散射系数
实际介质是非均匀的，声波传到不同声阻抗的界面时，将引起镜面反射（界面大时）及散射（界面小时），散射使超声能量沿着新的路径传播，使原方向传播能量变小，即引起散射衰减，散射衰减系数与介质中散射粒子的尺寸（d）有关。一般当d/λ<0.01～0.1时，散射衰减不大，可忽略不计。当d/λ>1时，散射衰减明显增加。 3、吸收衰减
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超声在均匀介质中传播时，由于振动引起的弹性摩擦将一部分超声能量转变为其它形式的能量，因而表现为超声能量被介质吸收了，原传播方向的超声能量衰减了。 4、界面上反射引起的超声衰减
在声阻抗差异面上，超声波的弹性反射将使透射进入更深层组织中的声波能量下降，从而引起传播超声波随距离增加而衰减。
（三）衰减随超声频率的变化
实验结果表明，当超声频率在1MHz～15MHz范围内，超声波被人体组织吸收而引起的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0.81 dB/(cm·MHz)（几乎80%的超声波被胶原蛋白所吸收），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：
0.81 dB/(cm·MHz) ×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：
0.81 dB/(cm·MHz) ×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。
三、生物组织超声特性参数值
各种生物组织声学参数的测量目前仅仅完成了一部分，且大多数采用离体实验方法。同时，测量方法及设备既不统一，也存在很大误差。总之，目前所得到的声学参数还缺乏全面性和准确性。不同的试验者在不同的条件下采用不同的方法，使测试结果的分散程度很大。 （一）声速
目前，医学超声领域主要应用纵波。
人体组织结构复杂，其软组织性质接近流体性质，故超声波在大多数软组织内的传播速度亦相差不大，并与超声波在流体中的传播速度相近，其平均声速c=1540m/s即1.5mm/μs。人体骨骼性质与固体相近，故其传播速度也相接近，其声速为软组织中的三倍左右。
表2-2给出了在人体组织器官中与超声诊断有关的介质中的声速。
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表2-2 在有关介质中的超声速度?
介 质 空气(0℃) 石蜡油(33.5℃) 海水(30℃) 生理盐水 人体软组织(平均值) 血液 脑组织 脂肪 肌肉(平均值) 1570 1540 1476 1568 传播速度(m/s) 332 1420 1545 1534 1540 介 质 肾 脏 肝 脏 头颅骨 巩 膜 角 膜 房 水 水晶体 玻璃体 传播速度(m/s) 1560 1570 3360 1604 1550 1532 1641 1532 （二）声阻抗与声压反射系数
表2-3 几种物质及人体组织的声阻抗?
介 质 空气(0℃) 水(37℃) 生理盐水(37℃) 石蜡油(33.5℃) 血 液 脑脊水 羊 水 肝 脏 肌肉(平均值) 软组织(平均值) 脂 肪 颅 骨 水晶体 密度(g／cm 3 ) 0.00129 0.9934 1.002 0.835 1.055 1.000 1.013 1.050 1.074 1.016 0.955 1.658 1.136 声阻抗 (×10 6 N·s／m 3 ) 0.000428 1.513 1.537 1.186 1.656 1.522 1.493 1.648 1.684 1.524 1.410 5.570 1.874 人体各组织声阻抗以及主要由声阻抗差确定的声压反射系数是目前所有脉冲回波超声诊断系统的基础。
几种物质及人体组织的声阻抗见表2-3。 声阻抗差界面上的声压反射系数见表2-4。
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水 脂肪 肌肉 皮肤 脑 肝 血液 颅脑 表2-4 垂直入射时，人体各组织界面的声压反射系数 水 脂肪 肌肉 皮肤 脑 肝 血液 0 0.047 0.020 0.029 0..007 0.035 0.007 0 0.067 0.076 0.054 0.049 0.047 0 0.009 0.013 0.015 0.020 0 0.022 0.006 0.029 0 0.028 0 0.028 0 颅脑 0.570 0.610 0.560 0.660 0.570 0.550 0.570 0 （三）超声衰减系数
吸收是引起超声衰减的主要原因，几乎大部分的超声波被生物组织中胶原蛋白所吸收。
表2-5列出了人体组织对超声波的吸收系数。
表2-5 人体组织对超声波的吸收系数
人体组织 水、液体 血浆 血液 脂肪 玻璃体 软组织（平均值） 肝 大脑 肾 肌肉（平均值） 肺 空气 颅骨 吸收系数（dB/cm） 0.002 0.380 0.200 0.400 1.000 2.000 3.000 0.600 0.700 0.800 0.900 0.900 1.000 2.300 4.800 12.000 13.000 超声频率（MHz） 1 2 1 2 4 7 10 1 3 1 1 1 1 1 1 1 1 超声波在人体某些组织中的平均衰减系数见表2-6。
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表2-6 超声在人体组织中的平均衰减系数?
人体组织 眼球玻璃体液 血液 脂肪 延髓(顺纤维) 脑组织 肝脏 肾脏 脊髓 肌肉(顺纤维) 颅骨 肺 平均衰减系数(dB/cm·MHz ) 0.10 0.18 0.68 0.80 0.85 0.94 1.00 1.00 1.30 20.00 41.00 频率范围 (MHz) 6～30 1.0 0.8～7.0 1.7～3.4 0.9～3.4 0.3～3.4 0.3～4.5 1.0 0.8～4.5 1.6 1.0 超声波在人体组织中的衰减系数是随频率升高而增
大，因而在探测深部组织或较厚的脏器时不宜使用过高的频率，对浅层组织则可用较高的频率，以提高分辨率。一般，眼科用10~20MHz，心脏和腹部用2.0~3.5MHz。
§2.6 超声生物效应
什么是超声生物效应？
用一定强度的超声辐照生物组织后所引起的生物体细胞及其内含物的组织形态、结构、性质等变化，从而影响其功能的效应。
任何一种超声生物效应都是超声与其辐照的生物体之间相互作用的结果。
超声波是一种依靠介质来传播的声波，因此，它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。如热效应、机械效应、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。 一、 超声生物效应的机理
（一） 热效应
由于生物组织对超声能量的吸收，将使一部分声能转化为热能，使生物组织温度升高，从而引起热效应。
组织吸收的超声波对分子产生作用会导致两种基本的
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