放射 - 超音波物理與換能器考古題解析 - 民國115年

本題觀念：

本題測驗超音波物理學中「責任因子（Duty factor）」的概念與計算公式。在脈衝式超音波（Pulsed-wave ultrasound）中，超音波並非持續發射，而是以「發射脈衝」與「接收回波（休息）」交替的方式運作。責任因子即代表超音波系統處於「發射脈衝狀態」的時間佔整體循環時間的百分比。

選項分析

(A) 1：正確。根據公式：責任因子（Duty factor）= [ 脈衝期間（Pulse duration, PD）/ 脈衝重複週期（Pulse repetition period, PRP）] × 100%。將題目數值代入：(1 μs / 100 μs) × 100% = 1%。
(B) 10：錯誤。若責任因子為 10%，在 PRP 為 100 μs 的條件下，脈衝期間必須為 10 μs，與題幹條件不符。此選項通常是考生計算時小數點轉換錯誤（例如直接取 0.1 而未乘上百分比）所致。
(C) 50：錯誤。責任因子若為 50%，代表發射與接收的時間各佔一半。此時脈衝期間應為 50 μs。
(D) 100：錯誤。責任因子為 100% 代表超音波探頭沒有接收的休息時間，持續不斷地發射超音波，這屬於連續波超音波（Continuous wave, CW）的操作模式，而非題幹所述的脈衝參數狀況。

答案解析

脈衝式超音波中，有兩個重要的時間參數：

脈衝期間（Pulse duration, PD）：單一脈衝持續發射能量的時間。
脈衝重複週期（Pulse repetition period, PRP）：從一個脈衝開始到下一個脈衝開始的總時間（包含發射脈衝與接收回音的總時間）。

責任因子（Duty factor, DF） 用來描述超音波探頭實際發射聲波能量的時間比例，公式如下： $Duty\ factor\ (\%) = \frac{Pulse\ duration\ (PD)}{Pulse\ repetition\ period\ (PRP)} \times 100\%$

依據題目給定的數值：

脈衝期間（PD） = 1 μs
脈衝重複週期（PRP） = 100 μs

代入公式計算： $DF = \frac{1\ \mu s}{100\ \mu s} \times 100\% = 0.01 \times 100\% = 1\%$ 故正確答案為 (A)。

核心知識點

醫事放射師考生應熟練掌握以下超音波物理核心參數與關聯公式：

脈衝期間（Pulse duration, PD）： $PD = Number\ of\ cycles \times Period$ 。
**脈衝重複週期（Pulse repetition period, PRP）與脈衝重複頻率（Pulse repetition frequency, PRF）**互為倒數： $PRP = \frac{1}{PRF}$ 。
責任因子（Duty factor, DF）的特性：
- 診斷用脈衝式超音波（PW）的 DF 通常極低，介於 0.1% 至 1% 之間，這意味著探頭絕大部分的時間（>99%）都在「聽（接收）」訊號。
- 連續波超音波（CW）的 DF 為 100%（或 1.0）。
- DF 會影響超音波的時間平均強度。例如空間峰值時間平均強度（Spatial peak-temporal average intensity, $I_{SPTA}$ ）的換算公式為： $I_{SPTA} = DF \times I_{SPPA}$ 。

臨床重要性

在臨床超音波掃描中，責任因子的數值具有重要的生物效應（Bioeffects）安全評估意義。由於責任因子直接關聯到人體組織實際曝露於超音波能量的時間比例，因此它與**超音波的熱效應（Thermal effects）**息息相關。當放射師在操作儀器增加「掃描深度」時，超音波系統必須增加脈衝重複週期（PRP）以等待深處組織的回音，這會導致脈衝重複頻率（PRF）下降，進而使得責任因子（Duty factor）變小。這說明了在進行深部器官掃描時，組織接收到的時間平均能量比例實際上是較低的，這也是美國 FDA 及各超音波安全指引中評估超音波熱指標（Thermal Index, TI）時必須考量的關鍵參數。

若超音波脈衝期間（ pulse duration ）為1 μs，而脈衝重複週期（ pulse repetition period ）為100 μs，則責任因子（ duty factor ）為多少％？

詳細解析

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核心知識點

臨床重要性

參考資料