超声检测耦合剂应用的物理分析

林凤华 彭俊珍

（湖北职业技术学院，湖北孝感 432000）

超声检测耦合剂应用的物理分析

林凤华 彭俊珍

（湖北职业技术学院，湖北孝感 432000）

本文介绍了超声波的产生及物理特性，说明了声学中介质的划分方法，定义了声强透射系数，从物理学角度对超声波通过介质薄层进行了分析讨论，指出了探头与体表间存在很大声阻抗差的消除方法是引入耦合剂，超声波通过介质薄层的分析讨论为超声检测耦合剂的应用提供了物理依据。

超声波 介质薄层 耦合剂 物理依据

1　引言

20世纪初，法国物理学家朗之万首次研制成了石英晶体超声发生器，40年代后的半个世纪超声波医学迅猛发展，基于回波扫描和多普勒效应的超声诊断技术以其非电离辐射的独到之处、对软组织鉴别力高、仪器价格便宜的优势被迅速用于临床。耦合剂作为超声检测中探头表面和人体表面之间传导超声波的中间物质，它的物理分析为耦合剂的临床应用提供了技术支持。

2　超声波的物理特性

超声波是一种高频机械波，其频率范围20000Hz～1015Hz，临床诊断超声的频率范围为1MHz（106Hz）～100MHz，它具有频率高、波长短、方向性强、能量大、危害小的特点。超声波换能器也叫超声波探头，超声探头应用压电式换能法发射和接收超声波。

在声学中介质是以声阻抗划分，声波介质界面就是声阻抗不同的介质分界面。在声学介质中，两物质物理性质不同，或由不同的原子、分子组成，如果其声阻抗相同，则认为它们是声学的同种均匀介质，其间不存在界面。

超声波传播遵循几何声学原则：①直线传播②遇到界面发生反射和透射。反射或透射的条件是：①界面线度远大于声波波长及声束直径②介质声阻抗在界面处发生突变 ，也就是 说 “不连续”

声阻抗（Z）是声压与声振动速度之比。当声压与振动速度同相位时cZ·=ρ。

单位：瑞利（Rayleigh）（10-1kg·m-2·s-1），声阻抗与温度有关。

3　超声束通过介质薄层的物理分析

3.1声强透射系数

透射系数是衡量超声在不同介质中透射能量大小的物理量，如图1，声波垂直通过厚度d的介质薄层。探头表面声阻抗1Z，介质薄层阻抗为2Z，人体表面阻抗为3Z，三种介质对应波长为1λ，2λ，3λ，忽略介质对声能量吸收，只考虑入射波和反射波在各层间叠加造成各层间声压重新分布，得出声强透射系数it由透射声强tI与入射声强iI之比来表示

图1　声束通过介质薄层

3.2声束通过介质薄层的讨论

（1）Z1·Z3＞＞Z2

如Z2为探头表面和体表间的空气薄层的阻抗，则声束不能透射，tI→0超声束能通过介质薄层。

（2）d =λ2/2，λ2，3/2λ2，…，nλ2/4（n不等于零的偶数），或d＜＜λ2时

相当于介质薄层消失了。

相当于两个介质界面不存在。

上述三种情况发生时都会有测量误差。

4　耦合剂（coupling gel）

从上面分析可以知道，超声检测中，探头与体表间存在声阻抗差很大的界面，使超声波难以进入人体，填充厚度极小的耦合剂，相当于声束垂直通过介质薄层，使耦合剂厚度等于奇数倍，阻抗值平方等于两侧介质阻抗的乘积，导致两介质界面不存在，可使超声尽可能完全进入人体。连接探头与病人体表介质就是耦合剂。科学研究表明超声从高声阻探头射向低声阻皮肤时应选择声阻大小介于探头与皮肤声阻之间某一值的耦合剂，这样可增加超声的初始透射率。

超声耦合剂一般选择液性传导介质，其原因首先是充填接触面之间的微小空隙，不使这些空隙间的微量空气影响超声的穿透；其次是通过耦合剂“过渡”作用，使探头与皮肤之间的声阻抗差减小，从而减小超声能量在此界面的反射损失。另外，还起到“润滑”作用，减小探头面与皮肤之间的摩擦，使探头能灵活的滑动探查。临床使用液体石蜡，其最大透射率是入射强度的四分之三左右。

［1］吉强，洪洋.医学影像物理.北京：人民卫生出版社，2010.

［2］梁森，王侃夫，黄杭美.自动检测与转换技术.北京：机械工业出版社，2005.

［3］王化祥，张淑英.传感器原理及应用.天津：天津大学出版社，2002.

林凤华（1966—），女，湖北职业技术学院副教授，从事电子电气技术研究。彭俊珍，（1965—），女。