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1、目录,超声成像的换能器技术,超声换能器，又称超声探头，在医学超声仪器中完成电声转换作用。超声诊断仪是通过探头产生入射超声波(发射波)和接收反射超声波(回波)的，是诊断设备的重要部件。高频电能激励探头中的晶体产生机械振动，反射超声波的机械振动又可通过探头转换为电脉冲。也就是说探头能将电能转换成声能，又能够将声能转换成电能，所以探头又称做超声换能器。换能器性能状况直接关系医用超声设备性能，影响成像的质量。使用中压电换能器在超声诊断仪中占主要地位。其原理来自于晶体的压电效应。,超声成像的换能器技术,压电效应是电介质材料中一种机械能与电能互换的现象。压电效应有两种，正压电效应及逆压电效应。某些材料，当

2、在其两端加一压力时，则在材料的两个电极表面上将出现电荷的积累，这种效应称为正向压电效应。材料的压电效应是可逆的，当在其两端加上一个电场时，则材料将出现形变，称为逆向压电效应。,超声成像的换能器技术,某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应。,在陶瓷片上加一个与极化方向平行的压力F：（1）陶瓷片将产生压

3、缩形变（图中虚线），片内的正、负束缚电荷之间的距离变小，极化强度也变小。原来吸附在电极上的自由电荷，有一部分被释放，而出现放电荷现象。（2）当压力撤消之后，陶瓷片恢复原状(这是一个膨胀过程)，片内的正、负电荷之间的距离变大，极化强度也变大，电极上又吸附一部分自由电荷而出现充电现象。,超声成像的换能器技术,在陶瓷片上加一个与极化方向相同的电场（1）由于电场的方向与极化强度的方向相同，所以电场的作用使极化强度增大。这时，陶瓷片内的正负束缚电荷之间距离也增大，即陶瓷片沿极化方向产生伸长形变（图中虚线）。（2）如果外加电场的方向与极化强度的方向相反，则陶瓷片沿极化方向产生缩短形变。,超声成像的换能器技

4、术,压电材料会有压电效应是因晶格内原子间特殊排列方式，使得材料有应力场与电场耦合的效应。根据材料的种类，压电材料可以分成四种：压电单晶体 压电多晶体（压电陶瓷）压电聚合物 压电复合材料,超声成像的换能器技术,（1）压电单晶体 单晶体是原子排列规律相同，晶格位相一致的晶体。石英单晶（水晶），按一定方向切割，具有显著压电效应 人工培养晶体，如磷酸二氢氨、硫酸锂、铌酸铅等 单晶体材料是超声换能器的最佳首选。,超声成像的换能器技术,（2）压电多晶体 多晶体是指很多具有相同排列方式但是晶格位相不一致的很多小晶粒组成的晶体。压电多晶体以压电陶瓷为主。首先研制出来的是钛酸钡，1995年发展了锆钛酸铅，从而取

5、代了钛酸铅。多晶体压电陶瓷材料需要极化，才具有压电效应。目前，医用超声换能器几乎都是采用锆钛酸铅材料。钛酸钡及锆酸铅是在高温下烧结的多晶陶瓷体，把毛坯烧结成陶瓷体后，经过适当的研磨修整，得到所需的几何尺寸，再用高压直流电场极化后，就具有压电性质，成为换能器件。,超声成像的换能器技术,（3）压电聚合物 早在1940年，苏联就曾发现木材具有压电性。之后又相继在苎麻、丝竹、动物骨骼、皮肤、血管等组织中发现压电性。1960年发现了人工合成的高分子聚合物的压电性。1969年发现电极化后的聚偏二氟乙烯具有较强的压电性。,超声成像的换能器技术,（4）压电复合材料 压电复合材料是有两种或多种材料复合而成的压电

6、材料。常见的压电复合材料为压电陶瓷和聚合物（例如聚偏氟乙烯活环氧树脂）的两相复合材料。这种复合材料兼具压电陶瓷和聚合物的长处，具有很好的柔韧性和加工性能，具有较低的密度、容易和空气、水、生物组织实现声阻抗匹配。此外，压电复合材料还具有压电常数高的特点。压电复合材料在医疗、传感、测量等领域有着广泛的应用。,超声成像的换能器技术,医学应用中，超声波的发射是利用换能器的逆压电效应，而超声波的接收是利用换能器的正压电效应。,超声成像的换能器技术,转换性能。要求具有较大压电常数。机械性能。压电元件作为受力元件，希望机械强度高、刚度大，以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率。电性能。希望具有高电阻率和大介

7、电常数，以减弱外部分布电容的影响并获得良好的低频特性。环境适应性强。温度和湿度稳定性要好，要求具有较高的居里点，获得较宽的工作温度范围。时间稳定性。要求压电性能不随时间变化。,超声成像的换能器技术,压电晶体压电体压电振子（1）存在自发极化，但各晶粒间自发极化方向杂乱，各晶粒间压电效应互相抵消，宏观无极性。（2）人工极化处理后，则宏观具有极性，有压电性，成为压电体。（3）压电振子指被覆有激励电极的压电体，它是构成各种超声探头中的换能器的基本单元。一个压电换能器中可以仅有一个压电振子，也可以有多个，每一个压点振子都是一个可逆的机电换能系统。,超声成像的换能器技术,晶体和陶瓷片因切割方位和几何尺寸不

8、同，产生机械振动的固有频率也不同。（1）当外加的交变电压的频率与固有频率一致时，产生的机械振动最强;（2）当外加的机械力的频率与固有频率一致时，所产生的电荷也最多。在超声波诊断仪中激励脉冲的频率必须与探头的固有频率相同。,超声成像的换能器技术,换能器基本结构一般分为三类：（1）单元压电换能器（2）多元超声诊断换能器（3）聚焦超声诊断换能器,超声成像的换能器技术,（1）单元压电换能器 一个单元压电换能器主要有主体和外壳两部分。主体功能部分，外壳连接部分。,超声成像的换能器技术,（2）多元超声诊断换能器 多元超声诊断换能器的基本结构为有n个小振子（称阵元）排列成一种阵列。,超声成像的换能器技术,（

9、3）聚焦超声诊断换能器 聚焦超声换能器可在一定深度范围内使超声束会聚收敛而聚焦，使其超声能量集中，穿透力和回波强度增强，提高探测灵敏度和分辨力。聚焦分为声学聚焦和电子聚焦两种，既可采用其中一种，也可两种同时采用。,超声成像的换能器技术,（3）聚焦超声诊断换能器声学聚焦 凹面振子：压电振子制成均匀的凹面形状，凹面振子工艺要求高，难制作。,超声成像的换能器技术,（3）聚焦超声诊断换能器声学聚焦 声透镜：利用超声波折射原理而使声束聚焦。透镜介质声速C1和被测介质声速C2之比大于1凹透镜 透镜介质声速C1和被测介质声速C2之比小于1凸透镜 通过对透镜几何尺寸和材料特性的选择，改变聚焦特性。,超声成像的

10、换能器技术,（3）聚焦超声诊断换能器电子聚焦 对各振元提供按二次曲线规律延时的激励，使声场区合成波阵面呈二次曲线凹面，从而实现波束聚焦。,超声成像的换能器技术,（1）频率特性 压电换能器的晶体本身是一个弹性体，因此有固有的谐振频率，当所施力的频率等于其固有频率时，将产生机械谐振，由于正压电效应而产生最大电信号。压电换能器的晶体又是压电体，当所施加电的频率和压电晶体固有频率一致时，由于逆压电效应发生机械谐振，谐振时振幅最大，弹性能量也最大，这时压电体获得最大形变振动，通过介质产生超声波输出。当所施加的力或电的频率不与晶体固有频率一致时，压电换能器晶体产生的电信号幅度和变形振动幅度都将变小。,超声

11、成像的换能器技术,（1）频率特性 如果对压电晶体施加一定值的电压，改变所加电压频率，当电压频率为某一频率fm时，电流出现最大值Imax，当电压频率为另一频率fn时，电流出现最小值Imin。压电晶体电流随频率变化的现象，说明压电换能器晶体的等效阻抗是一个随频率变化的量。如果继续增加电压的频率，还发现有规律地出现一系列电流的波动，且波动的最大值(对应fm1、fm2)是依次减小的，波动的最小值(对应fn1、fn2则是依次增大，fm称为压电振子的最小阻抗频率(又可称为最大传输频率)；fn称为最大阻抗频率(又可称为最小传输频率)。,超声成像的换能器技术,（1）频率特性 压电晶体电流随频率变化的现象，说明

12、压电换能器晶体的等效阻抗是一个随频率变化的量。,超声成像的换能器技术,（2）换能特性 换能器的换能特性包括两个方面:电能机械能超声能，超声能机械能电能。前者属于发射过程，后者属于接收过程。能量间转换必然产生损失(产生了无益的能耗)，以转换效率来表征换能器这一性能：电机转换效率=输出的机械功率输入的电功率 机声转换效率=辐射的超声功率输入的机械功率 电声转换效率=辐射的超声功率输入的电功率,超声成像的换能器技术,（3）暂态特性 超声诊断仪的换能器大多工作于脉冲状态，换能器对脉冲的响应速率称为暂态特性，这是一项重要指标。换能器的暂态特性与其频率特性是有关系的，简言之，换能器的频谱越宽，它的暂态特性

13、越好，可允许的超声脉冲的宽度越窄。所描述的脉冲宽度是指断续发射出超声的时间长度，单位是秒（s），它与频率（超声波每秒振动的次数）是不同的。,超声成像的换能器技术,（4）使用特性 探头的使用特性主要有工作频率、频带宽度、灵敏度、分辨率等。工作频率的选择主要决定于临床诊断要求，人体各部位对超声波的衰减很不相同，衰减系数随频率升高增加很快。因此，对于衰减大的组织和要求探测深度大时，应选取较低的工作频率，反之，则选取较高的工作频率。,超声成像的换能器技术,（4）使用特性 一般软组织适合用25MHz频率的超声，对于甲状腺等小器官的探测则要求分辨率好，宜使用5MHz以上的频率，对于眼球的探测可用10MHz

14、或以上的探头。现在有的超声探头可在单个探头上发射和接收多种频率超声波，以期适应多种用途。有的探头采用近场使用较高频率的超声以提高分辨率，远场使用较低的频率以期提高探查深度。,超声成像的换能器技术,超声探头可以从以下不同方面来分类，它们是:按诊断部位分类，有眼科探头、心脏探头、腹部探头、颅脑探头、腔内探头和儿童探头等；按应用方式分类，有体外探头、体内探头、穿刺活检探头；按探头中换能器振元数目分类，有单元探头和多元探头；按波束控制方式分类，有线扫探头、相控阵探头、机械扇扫探头和方阵探头等；按探头的几何形状分类(这是一种惯用的分类方法)，有矩形探头、柱形探头、弧形探头(又称凸形)、圆形探头等。,超声

15、成像的换能器技术,通常工作中习惯使用较多的是按、3种方式分类。以下仅就最常见典型探头加以介绍。,超声成像的换能器技术,1.柱形单振元探头 柱形单振元探头主要用于A超和M超，又称笔杆式探头。目前在经颅多普勒（TCD）及胎心监护仪器中亦用此探头。由于它是各型超声成像仪探头的结构基础，特此作一介绍。,超声成像的换能器技术,1.柱形单振元探头（1）结构柱形单振元探头的基本结构如图所示。它主要由5部分组成:压电晶体；垫衬吸声材料；声学绝缘层；外壳；保护层。,超声成像的换能器技术,1.柱形单振元探头（1）结构 压电晶体，用于接收电脉冲产生机械超声振动，完成声-电和电-声转换工作。其几何形状和尺寸是根据诊断

16、要求来设计的，上、下电极分别焊有一根引线，用来传输电信号；,超声成像的换能器技术,1.柱形单振元探头（1）结构 垫衬吸声材料，用于衰减并吸收压电振子背向辐射的超声能量，使之不在探头中来回反射使振子振铃时间加长，要求垫衬具有较大的衰减能力和与压电材料接近的声阻抗，使来自压电振子背向辐射的声波全部进入垫衬中并不再反射回到振子中去；,超声成像的换能器技术,1.柱形单振元探头（1）结构 声学绝缘层，防止超声能量传至探头外壳引起反射，造成对信号的干扰；,超声成像的换能器技术,1.柱形单振元探头（1）结构 外壳，作为探头内部材料支承体，并固定电缆引线，壳体上通常标明该探头的型号、标称频率；,超声成像的换能

17、器技术,1.柱形单振元探头（1）结构 保护层，用以保护振子不被磨损。保护层应选择衰减系数低并耐磨的材料，保护层与振子和人体组织同时接触，其声阻抗应接近人体组织的声阻，并将保护层兼做层间插入的声阻抗渐变层，其厚度应为/4的奇数倍。,超声成像的换能器技术,1.柱形单振元探头（2）特性 超声探头作为一种传感器，最重要性能有：特征频率、受电激励后振动时间的长短以及其体积的大小。探头的特征频率决定于压电晶体的厚度。传感器受电激励后振动时间的长短影响超声系统纵向分辨力。振元直径的大小主要影响超声场的形状。,超声成像的换能器技术,2.机械扇形扫描超声探头 机械扇形扫描超声探头配用于扇扫式B型超声诊断仪，它是

18、依靠机械传动方式带动传感器往复摇摆或连续旋转来实现扇形扫描的。,超声成像的换能器技术,2.机械扇形扫描超声探头 利用机械扫描实现超声影像的实时动态显示，是70年代后期趋于成熟的一项技术。开始时扫描线数较少，扫描角度也不大，扫描线的间隔角度的均匀性亦差，而且探头的体积和重量都较大，操作使用十分不便。比如早期机械扇扫探头的重量达0.6kg以上，且扫描角度仅30。80年代中期机械扇扫超声换能器的产品性能日趋改善，重量可做到0.2kg以下，扫描帧频约30帧/s，扫描角度85，扫描线的均匀性也大大改善。不仅给操作使用带来了方便，而且使机械扇扫超声影像的质量获得明显的提高。,超声成像的换能器技术,2.机械

19、扇形扫描超声探头 一种较成熟的机械摆动式扇扫探头的结构如图，它由压电振子、直流马达、旋转变压器、曲柄连杆结构组成。,超声成像的换能器技术,2.机械扇形扫描超声探头 机械扇扫探头应满足以下要求：保证探头中的压电振子作30次/s左右的高速摆动，摆动幅度应足够大；摆动速度应均匀稳定；整体体积小、重量轻，便于手持操作；外形应适合探查的需要，并能灵活改变扫查方向；机械振动及噪声应小到不致引起病人的紧张和烦躁。,超声成像的换能器技术,2.机械扇形扫描超声探头 目前来看，机械扇扫探头主要存在的不足之处，是噪声大和探头寿命短。多数的机械扇扫探头寿命仅有数千小时，对于这种结构而言，无论是技术、工艺、或者材料都是

20、十分难以解决的问题。目前，机械扇扫探头的生产已越来越少，大有被电子凸阵及相控阵扇扫探头所取代的趋势。,超声成像的换能器技术,3.电子线阵探头 电子线阵超声探头配用于电子式线性扫描超声诊断仪。其结构如图，主要由6部分组成：开关控制器、阻尼垫衬、换能器阵列、匹配层、声透镜和外壳。,超声成像的换能器技术,3.电子线阵探头（1）开关控制器用于控制探头中各振元按一定组合方式工作，若采用直接激励，则每一个振元需要一条信号线连接到主机，目前换能器振元数已普遍增加到数百个，则与主机的连线需要数百根，这不仅使工艺复杂，因此而增加的探头和电缆的重量是不堪设想的。采用开关控制器就可以使探头与主机的连线数大大减小。,

21、超声成像的换能器技术,3.电子线阵探头（2）阻尼垫衬其作用与柱形单振元探头的垫衬作用相同，用于产生阻尼，抑制振铃消除反射干扰。阻尼垫衬材料的构成要求亦和柱形单振元探头相似。,超声成像的换能器技术,3.电子线阵探头（3）换能器阵列换能器的晶体振元通常是采用切割法制造工艺，即对一宽约10mm，一定厚度的矩形压电晶体，通过计算机程控顺序开槽。开槽宽度小于0.1mm，开槽深度不能一概而论，因为所用晶片厚度取决于探头的工作频率，相当于半波长厚度的频率叫做压电晶体的基础共振频率。,超声成像的换能器技术,3.电子线阵探头（3）换能器阵列 当换能器的工作频率确定后，根据所用晶片材料的半波长厚度，即可确定所用晶

22、片的厚度。显然，探头的工作频率越高，所用晶片的厚度则越薄。开槽的深度主要影响振元间互相耦合的大小，振元间互耦大则相互干扰大，使收发分辨力降低。一般开槽深则互耦小。,超声成像的换能器技术,3.电子线阵探头（3）换能器阵列 每个振元的宽度，一是考虑辐射强度，宽度窄则振元有效面积小，辐射强度小，影响探测灵敏度。二是波束和扩散角，宽度窄则近场区域以外扩散角大，声束主瓣宽，副瓣大，横向分辨力下降，要使副瓣小，应满足振元中心间距d1/2。通常取单个振元宽度与厚度之比小于0.6。,超声成像的换能器技术,3.电子线阵探头（4）匹配层由于声透镜同时与晶体振元和人体接触，两者声阻抗差别甚大，难于使声透镜的特性阻抗

23、同时与两者匹配。超声经不同阻抗界面传播，将产生反射，会增加能量损耗并影响分辨力，因此，往往需要采用匹配层来实现探头与负载之间的匹配。对匹配层除厚度与声阻抗要求外，还要求声阻尼要小，以减小对超声能量的损耗。工艺上应保证其同时与晶体振元和声透镜接触良好。,超声成像的换能器技术,4.电子凸阵探头 凸阵探头的结构原理与线阵探头相类似，只是振元排列成凸形。但相同振元结构凸形探头的视野要比线阵探头大。,超声成像的换能器技术,4.电子凸阵探头 由于其探查视场为扇形，故对某些声窗较小的脏器探查比线阵探头更优越，比如检测骨下脏器，有二氧化碳和空气障碍的部位更能显现其特点。凸形探头波束扫描远程扩散，必须给予线插补

24、，否则因线密度低将使影像清晰度变差。探头的工作情况，不论是线阵探头还是凸形探头，探头中的振元不是同时被激励的，它们总是被分组分时受激励，而且分配的方法有多样。,超声成像的换能器技术,5.相控阵探头 相探阵超声探头可实现波束扇形扫描，因此又称为相控电子扇扫探头，它配用于相控阵扇形扫描超声诊断仪。相控阵超声探头外形及内部结构与线阵探头颇为相似。其一是所用换能器是多元换能器阵列；其二是探头的结构、材料和工艺亦相近，主要由换能器、阻尼垫衬、声透镜以及匹配层几部分组成。,超声成像的换能器技术,5.相控阵探头 但它们的不同之处也主要有两点：第一是在探头中没有开关控制器，因为相控阵探头换能器中，各振元基本上

25、同时被激励，而不是像线阵探头换能器那样分组、分时工作的，不需要用控制器来选择参与工作的振元。第二是相控阵探头体积和声窗面积都较小，相控阵探头以扇形扫描方式工作，其近场波束尺寸小，它具有机械扇形扫描探头的优点，可以通过一个小的“窗口”，对一个较大的扇形视野进行探查。,超声成像的换能器技术,声束掠过某剖面的过程称为扫描。理解B超的工作原理，关键是各种超声扫描制式。B超分类：,超声成像的换能器技术,简单扫描制式,超声成像的换能器技术,a.线扫 b.扇扫 c.弧形扫 d.径向扫,1.高速机械扇形扫描B超 特点：超声波束以扇形方式扫查，不受透声窗口的限制而保持较大的扫查范围。方法：摆动式扇扫B超仪旋转式

26、扇扫B超仪,超声成像的换能器技术,诊断用B型超声波探头,1.高速机械扇形扫描B超 摆动式扇扫B超仪 结构简单，只需一个晶片与一个驱动机构，但视场有限。,超声成像的换能器技术,1.高速机械扇形扫描B超 摆动式扇扫B超仪原理框图,超声成像的换能器技术,1.高速机械扇形扫描B超 旋转式扇扫B超仪,超声成像的换能器技术,2.高速电子线形扫描B超 线阵：将许多声学上相互独立的压电振子成一线排列。电子线扫：用电子开关切换接入发射/接收电路的振子，使之分时组合轮流工作，组合是探头一侧向另一侧顺序进行的且每次仅有接入电路的振元组被激励，产生合成超声波束发射并接收。,超声成像的换能器技术,2.高速电子线形扫描B

27、超,超声成像的换能器技术,2.高速电子线形扫描B超 电子开关控制扫描方式是指控制探头中振子投入工作的次序和方式，直接影响到扫描的线数。,超声成像的换能器技术,超声成像的换能器技术,2.高速电子线形扫描B超常规扫描,超声成像的换能器技术,2.高速电子线形扫描B超半间距扫描,超声成像的换能器技术,2.高速电子线形扫描B超微角扫描,3.高速电子扇形扫描B超 应用相控技术，对施加于线阵探头的所有晶体振元的激励脉冲进行相控制，亦可以实现合成波束的扇形扫描，用此技术实现波束扫描的B型超声波诊断仪称为电子相控阵扇型扫描B超仪。,超声成像的换能器技术,3.高速电子扇形扫描B超 前已述及，对成线阵排列的多个声学上相互独立的压电晶体振元同时给予电激励，可产生合成波束发射，且合成波束方向与振元排列平面的法线方向一致，这种激励方式称为同相激励。,超声成像的换能器技术,3.高速电子扇形扫描B超 如果对线阵排列的各振元不同时给予电激励，而使施加到各振元的激励脉冲有一个等值的时间差，则合成波束的波前平面与振元排列平面之间，将有一相位差。通过控制激励时间而实现波束方向变化的扫描方式为相控阵扫描。,超声成像的换能器技术,