有關超音波的敘述，下列何者較不適當？

本題觀念：

本題考查的是醫用超音波的物理原理（Physics of Ultrasound），主要涵蓋聲波在不同介質中的傳導速度、探頭成像原理（壓電效應），以及頻率（Frequency）、解析度（Resolution）與穿透深度（Penetration depth）之間的交互關係。

選項分析

• A. 超音波在軟組織的傳導速度約為1540 m/s（公尺／秒）：適當

  • 醫用超音波儀器在進行距離換算時，均假設聲波在人體軟組織（Soft tissue）中的平均傳導速度為 1540 m/s（或 1.54 mm/μs）。這是一個標準的校正數值，雖然不同軟組織（如脂肪、肌肉）的實際速度略有差異（脂肪約 1450 m/s，肌肉約 1580 m/s），但臨床成像通用的平均值即為 1540 m/s。

• B. 音波傳遞速度在固體最高，其次為液體，而在氣體內最慢：適當

  • 聲波是機械波，需要介質傳遞。傳導速度主要取決於介質的硬度（Stiffness/Bulk modulus）與密度（Density），公式為 $c = \sqrt{K/\rho}$。
  • 雖然固體密度通常較高，但其硬度（抗壓縮性）遠高於液體與氣體，因此聲速在固體中最快（如骨骼約 3000-4000 m/s），液體次之（如水約 1480 m/s），氣體最慢（空氣約 330 m/s）。

• C. 超音波的原理是應用壓電效應（piezoelectric effect）：適當

  • 超音波探頭內部的晶體（如 PZT 陶瓷）利用壓電效應進行能量轉換。
  • 逆壓電效應（電能轉機械能）：施加電壓使晶體震動，發射出超音波。
  • 正壓電效應（機械能轉電能）：接收回聲信號使晶體形變，產生電訊號以形成影像。

• D. 頻率愈高穿透能力愈好：不適當

  • 這是本題的錯誤敘述。超音波的頻率（Frequency）與穿透深度（Penetration）成反比關係。
  • 高頻率（High Frequency）：波長短，解析度（Resolution）佳，但在組織中的衰減（Attenuation）快，因此穿透力差，適用於淺層器官（如甲狀腺、乳房、血管）。
  • 低頻率（Low Frequency）：波長長，解析度較差，但衰減慢，因此穿透力好，適用於深層器官（如腹部、肝臟、腎臟）。

答案解析

正確答案為 D。因為頻率越高，聲波在組織傳播時的能量衰減（Attenuation）越劇烈，導致穿透深度變淺，而非變好。

核心知識點

1. 聲速公式：$c = f \times \lambda$ （波速 = 頻率 × 波長）。在軟組織中 $c$ 恆定為 1540 m/s。
2. 頻率 vs. 解析度 vs. 穿透力：
   • 高頻探頭（如 >7 MHz）：高解析度（Axial resolution 佳），低穿透力（衰減大）。
   • 低頻探頭（如 2-5 MHz）：低解析度，高穿透力（衰減小）。
3. 衰減（Attenuation）：聲波在傳遞過程中能量的減弱，主要原因為吸收（Absorption，轉為熱能，最主要原因）、反射（Reflection）與散射（Scattering）。衰減係數與頻率成正比（軟組織中約為 $0.5 \text{ dB} / \text{cm} / \text{MHz}$）。
4. 聲速比較：骨骼（固體） > 軟組織（液體似） > 肺/空氣（氣體）。氣體會造成強烈反射，阻礙超音波穿透。

參考資料

1. Ultrasound Physics and Instrumentation - StatPearls - NCBI Bookshelf
2. Physics of Ultrasound - NYSORA
3. Speed of Sound in Soft Tissue - Burwin Institute