超聲檢測(cè)耦合劑應(yīng)用的物理分析

林鳳華 彭俊珍

（湖北職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北孝感 432000）

超聲檢測(cè)耦合劑應(yīng)用的物理分析

林鳳華 彭俊珍

（湖北職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北孝感 432000）

本文介紹了超聲波的產(chǎn)生及物理特性，說(shuō)明了聲學(xué)中介質(zhì)的劃分方法，定義了聲強(qiáng)透射系數(shù)，從物理學(xué)角度對(duì)超聲波通過(guò)介質(zhì)薄層進(jìn)行了分析討論，指出了探頭與體表間存在很大聲阻抗差的消除方法是引入耦合劑，超聲波通過(guò)介質(zhì)薄層的分析討論為超聲檢測(cè)耦合劑的應(yīng)用提供了物理依據(jù)。

超聲波 介質(zhì)薄層 耦合劑 物理依據(jù)

1　引言

20世紀(jì)初，法國(guó)物理學(xué)家朗之萬(wàn)首次研制成了石英晶體超聲發(fā)生器，40年代后的半個(gè)世紀(jì)超聲波醫(yī)學(xué)迅猛發(fā)展，基于回波掃描和多普勒效應(yīng)的超聲診斷技術(shù)以其非電離輻射的獨(dú)到之處、對(duì)軟組織鑒別力高、儀器價(jià)格便宜的優(yōu)勢(shì)被迅速用于臨床。耦合劑作為超聲檢測(cè)中探頭表面和人體表面之間傳導(dǎo)超聲波的中間物質(zhì)，它的物理分析為耦合劑的臨床應(yīng)用提供了技術(shù)支持。

2　超聲波的物理特性

超聲波是一種高頻機(jī)械波，其頻率范圍20000Hz～1015Hz，臨床診斷超聲的頻率范圍為1MHz（106Hz）～100MHz，它具有頻率高、波長(zhǎng)短、方向性強(qiáng)、能量大、危害小的特點(diǎn)。超聲波換能器也叫超聲波探頭，超聲探頭應(yīng)用壓電式換能法發(fā)射和接收超聲波。

在聲學(xué)中介質(zhì)是以聲阻抗劃分，聲波介質(zhì)界面就是聲阻抗不同的介質(zhì)分界面。在聲學(xué)介質(zhì)中，兩物質(zhì)物理性質(zhì)不同，或由不同的原子、分子組成，如果其聲阻抗相同，則認(rèn)為它們是聲學(xué)的同種均勻介質(zhì)，其間不存在界面。

超聲波傳播遵循幾何聲學(xué)原則：①直線傳播②遇到界面發(fā)生反射和透射。反射或透射的條件是：①界面線度遠(yuǎn)大于聲波波長(zhǎng)及聲束直徑②介質(zhì)聲阻抗在界面處發(fā)生突變 ，也就是 說(shuō) “不連續(xù)”

聲阻抗（Z）是聲壓與聲振動(dòng)速度之比。當(dāng)聲壓與振動(dòng)速度同相位時(shí)cZ·=ρ。

單位：瑞利（Rayleigh）（10-1kg·m-2·s-1），聲阻抗與溫度有關(guān)。

3　超聲束通過(guò)介質(zhì)薄層的物理分析

3.1聲強(qiáng)透射系數(shù)

透射系數(shù)是衡量超聲在不同介質(zhì)中透射能量大小的物理量，如圖1，聲波垂直通過(guò)厚度d的介質(zhì)薄層。探頭表面聲阻抗1Z，介質(zhì)薄層阻抗為2Z，人體表面阻抗為3Z，三種介質(zhì)對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)為1λ，2λ，3λ，忽略介質(zhì)對(duì)聲能量吸收，只考慮入射波和反射波在各層間疊加造成各層間聲壓重新分布，得出聲強(qiáng)透射系數(shù)it由透射聲強(qiáng)tI與入射聲強(qiáng)iI之比來(lái)表示

圖1　聲束通過(guò)介質(zhì)薄層

3.2聲束通過(guò)介質(zhì)薄層的討論

（1）Z1·Z3＞＞Z2

如Z2為探頭表面和體表間的空氣薄層的阻抗，則聲束不能透射，tI→0超聲束能通過(guò)介質(zhì)薄層。

（2）d =λ2/2，λ2，3/2λ2，…，nλ2/4（n不等于零的偶數(shù)），或d＜＜λ2時(shí)

相當(dāng)于介質(zhì)薄層消失了。

相當(dāng)于兩個(gè)介質(zhì)界面不存在。

上述三種情況發(fā)生時(shí)都會(huì)有測(cè)量誤差。

4　耦合劑（coupling gel）

從上面分析可以知道，超聲檢測(cè)中，探頭與體表間存在聲阻抗差很大的界面，使超聲波難以進(jìn)入人體，填充厚度極小的耦合劑，相當(dāng)于聲束垂直通過(guò)介質(zhì)薄層，使耦合劑厚度等于奇數(shù)倍，阻抗值平方等于兩側(cè)介質(zhì)阻抗的乘積，導(dǎo)致兩介質(zhì)界面不存在，可使超聲盡可能完全進(jìn)入人體。連接探頭與病人體表介質(zhì)就是耦合劑?？茖W(xué)研究表明超聲從高聲阻探頭射向低聲阻皮膚時(shí)應(yīng)選擇聲阻大小介于探頭與皮膚聲阻之間某一值的耦合劑，這樣可增加超聲的初始透射率。

超聲耦合劑一般選擇液性傳導(dǎo)介質(zhì)，其原因首先是充填接觸面之間的微小空隙，不使這些空隙間的微量空氣影響超聲的穿透；其次是通過(guò)耦合劑“過(guò)渡”作用，使探頭與皮膚之間的聲阻抗差減小，從而減小超聲能量在此界面的反射損失。另外，還起到“潤(rùn)滑”作用，減小探頭面與皮膚之間的摩擦，使探頭能靈活的滑動(dòng)探查。臨床使用液體石蠟，其最大透射率是入射強(qiáng)度的四分之三左右。

［1］吉強(qiáng)，洪洋.醫(yī)學(xué)影像物理.北京：人民衛(wèi)生出版社，2010.

［2］梁森，王侃夫，黃杭美.自動(dòng)檢測(cè)與轉(zhuǎn)換技術(shù).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［3］王化祥，張淑英.傳感器原理及應(yīng)用.天津：天津大學(xué)出版社，2002.

林鳳華（1966—），女，湖北職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授，從事電子電氣技術(shù)研究。彭俊珍，（1965—），女。