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1、医学影像设备学医学影像设备学第七章第七章 超声成像设备超声成像设备 超声探头（ultrasonic probe）是超声诊断仪必不可少的关键部位，它既能将电信号变换为超声信号，又能将超声信号变换为电信号，即具有超声发射和接受双重功能。第一节第一节 医用超声探头医用超声探头医用超声探头医用超声探头一、压电效应一、压电效应二、医用压电材料二、医用压电材料三、三、医用超声探头医用超声探头基本结构基本结构四、医用超声探头的分类四、医用超声探头的分类一、压电效应一、压电效应 超声探头的核心是超声探头的核心是压电晶体压电晶体或或复合压电材料复合压电材料。早期用。早期用于超声探头的换能器是具有压电效应的晶体，
2、采用高分子于超声探头的换能器是具有压电效应的晶体，采用高分子聚合物压电材料作为换能器，它具有频率带宽、低阻抗、聚合物压电材料作为换能器，它具有频率带宽、低阻抗、柔软易加工的特点。当前探头已开始采用陶瓷与高分子聚柔软易加工的特点。当前探头已开始采用陶瓷与高分子聚合物合成的复合材料。合物合成的复合材料。压电晶体压电晶体+-自然界中存在着某些特殊晶体，当受到外力的作用产生形变时，会在晶体表面产生电荷的聚集而形成电压，这种效应叫做压电效应，这种晶体叫压电晶体压电晶体。正压电效应正压电效应 当在压电材料两端加一压力时，则在此材料的两个电极面上将产生电荷，将机械能变成电能。这种效应称为正压电效应。+-F+
3、-+-+-FF正压电效应正压电效应机械能转换为电能机械能转换为电能形变产生电压形变产生电压形变消失则电压消失形变消失则电压消失负压电效应负压电效应 当在压电材料两端加一交变电场时，则压电材料出现与交变电场同样频率的机械振动，将电能变为机械能。这种效应称负压电效应。+-+-+-+-超声波发射形成超声波发射形成将电能转换为机械能将电能转换为机械能施加电压则产生形变施加电压则产生形变消除外加电压则形变相应消失消除外加电压则形变相应消失二、医用压电材料二、医用压电材料 压电晶体（振子）是超声换能器的核心部件。压电晶体可分为天然和人造两种。石英晶体是一种天然压电料，但价格昂贵，性能指标一致性不好。目前使
4、用压电材料基本上都是人造压电晶体。医用压电材料的分类医用压电材料的分类医用压电材料医用压电材料压电单晶体压电单晶体压电多晶体压电多晶体复合压电材料复合压电材料压电高分子压电高分子聚合物聚合物压电陶瓷压电陶瓷压电陶瓷（压电陶瓷（piezoelectric ceramic）性能稳定。声-电相互转换效率高，灵敏度较高，可采用较低的激励电压易于电路匹配。非水溶性，耐湿防潮，机械强度大。价格低廉。易于加工。PZT陶瓷纯净波晶体不完整的晶格结构不完整的晶格结构,多种结多种结晶，随机排列晶粒，最大晶，随机排列晶粒，最大70%偶极子极化排列偶极子极化排列完美的晶格结构完美的晶格结构,晶粒一致，晶粒一致，100
5、%极化排列极化排列(倍放大)PZT陶瓷纯净波晶体(倍放大)不完整的晶格结构不完整的晶格结构,多种结多种结晶，随机排列晶粒，最大晶，随机排列晶粒，最大70%偶极子极化排列偶极子极化排列完美的晶格结构完美的晶格结构,晶粒一致，晶粒一致，100%极化排列极化排列传统的 PZT 材料技术限制 快速生成技术 晶体难以聚集 晶体形态不规则甚至缺失 对压电效应的反应较差 由于陶瓷材料的种种缺陷，使得只有约70%的能达到最好的极向性纯净波单晶体技术表现更为优越 利用高温和高压的全新工业制造方法使晶体的生产速度减慢 完美的晶格结构 良好的极向性 比传统的PZT陶瓷效率提高85%压电材料主要物理参数压电材料主要物
6、理参数频率常数 fc=fsd 压电陶瓷片的谐振频率（fs）和其厚度的乘积是一个常数，称为频率常数fc。由于每种材料制成的晶片，都有一个特定的频率常数，所以fs 由d决定。即d fs；反之，d fs。高频晶片因此需要做的很薄，所以机械强度小，脆性大，加工过程中易碎，成本高。fs为压电陶瓷片谐振频率，d为其厚度，它们成反比关系。发射系数和吸收系数 发射系数大的材料，它的发射效率高，适用于制成发射型的换能器。接收系数大的材料，它的接收效率高，适用于制成接收型的换能器。压电材料主要物理参数压电材料主要物理参数介电常数：与平行板电容器相似，若晶体表面积为S，标准电容为C0。晶体厚度为d，则有=C0d/0
7、.884S机电耦合系数K：它表示机械能转换电能的效率。它除了与材料有关外，还与压电振子的形状和振动模式有关。晶体的温度效应：当晶体本身的温度超过某一数值时，晶体内部的电偶极子可在晶体内部迁移，从而使该晶体不再具有压电效应。此温度点称为居里温度。不同晶体的居里温度不同，PZT的居里温度为328385，这主要取决于制造工艺。三、医用超声探头基本结构三、医用超声探头基本结构换能器换能器其他部分其他部分电缆电缆壳壳 体体超声探头超声探头声透镜声透镜匹配层匹配层电极电极压电晶体压电晶体吸声材料吸声材料外壳外壳同轴电缆同轴电缆至超声接收装置至超声接收装置声透镜声透镜匹配层匹配层电极电极压电晶体压电晶体吸声
8、材料吸声材料外壳外壳同轴电缆同轴电缆至超声接收装置至超声接收装置 为凸透镜或凹透镜，其作用是将换能器发出的波束聚焦，以提高超声诊断为凸透镜或凹透镜，其作用是将换能器发出的波束聚焦，以提高超声诊断仪的分辨力。仪的分辨力。人体皮肤和压电材料的声特性阻抗差异较大，为解决他们之间的声学匹配，人体皮肤和压电材料的声特性阻抗差异较大，为解决他们之间的声学匹配，在晶片前方需加一层或多层匹配层。在晶片前方需加一层或多层匹配层。根据探头的种类和用途制成圆片或长条形图片。其谐振频率由其厚度决定，根据探头的种类和用途制成圆片或长条形图片。其谐振频率由其厚度决定，厚度越小谐振频率越高。厚度越小谐振频率越高。产生正压电
9、效应和负压电效应。产生正压电效应和负压电效应。制成吸声块，作用是将向后辐射的声能几乎全部吸收掉，以消除后向干扰。制成吸声块，作用是将向后辐射的声能几乎全部吸收掉，以消除后向干扰。它同时也是晶体振动的阻尼装置，以缩短振动周期。超声的振动周期由晶体它同时也是晶体振动的阻尼装置，以缩短振动周期。超声的振动周期由晶体和阻尼材料决定，它影像成像的轴向分辨力。和阻尼材料决定，它影像成像的轴向分辨力。支撑，屏蔽，密封和保护换能器。支撑，屏蔽，密封和保护换能器。联结换能器和主机。联结换能器和主机。超声波的发射与接收超声波的发射与接收 发射：将电脉冲（电能）转换成机械振动（声能）发射：将电脉冲（电能）转换成机械
10、振动（声能）（逆压（逆压电效应）电效应）接收：将机械振动（声能）转换成电脉冲（电能）（正压接收：将机械振动（声能）转换成电脉冲（电能）（正压电效应）电效应）声波的接收声波的接收声波的发射声波的发射换能器（压电晶体）换能器（压电晶体）脉冲脉冲回波系统回波系统发射脉冲发射脉冲接收回波接收回波时间轴时间轴abc脉冲宽度脉冲宽度a、b、c代表在人体代表在人体组织中不同深度的反组织中不同深度的反射体射体发射脉冲的重复周发射脉冲的重复周期期发射与接收发射与接收探头探头扫描线的切换扫描线的切换单通道发射接收单通道发射接收 多通道发射接收多通道发射接收通道延时处理通道延时处理发射聚焦发射聚焦通过延时，使各阵元
11、的子波合成聚焦与焦点处的波震面，通过延时，使各阵元的子波合成聚焦与焦点处的波震面，形成的声束窄，能量集中，提高图像的横向的分辨力。形成的声束窄，能量集中，提高图像的横向的分辨力。延延时时控控制制接收聚焦接收聚焦波束合成波束合成波束合成波束合成延延时时控控制制通过延时，使得波束合成时各通道的信号为同一深度的通过延时，使得波束合成时各通道的信号为同一深度的回波信号，增强回波信号同时减少通道间的相互干扰。回波信号，增强回波信号同时减少通道间的相互干扰。聚焦和延时聚焦和延时探头探头目标物目标物ttt图象的形成过程图象的形成过程逻辑控制及信号处理RXTX通道与阵通道与阵 元切换元切换重复周期重复周期发射
12、发射接收接收阵元阵元通道通道延时处理及波束合成各种探头（换能器）各种探头（换能器）凸阵探头凸阵探头线阵探头线阵探头相控阵探头相控阵探头穿刺探头穿刺探头腔内探头腔内探头术中探头术中探头四、医用超声探头的分类四、医用超声探头的分类 超声探头的结构、型式，和外加激励脉冲参数、工作和聚焦方式等条件，对其发射的超声束形状有很大关系，对超声诊断仪的性能、功能、质量也有很大关系而换能器阵元材料对超声束形状关系不大；但对其发射和接收的压电效率、声压、声强及成像质量关系较大脉冲回波式多普勒式 超声探头脉冲回波式探头脉冲回波式探头29单单 探探 头头机机 械械 探探 头头电电 子子 探探 头头术术 中中 探探 头
13、头穿穿 刺刺 探探 头头经经 腔腔 内内 探探 头头 它通常选用磨制成平面薄圆片形的压电陶瓷作为换能器。超声聚焦通常采用薄壳球形或碗型换能器有源聚焦和平面薄圆片配声透镜聚焦两种方式。常用于A型、M型、机械扇扫和脉冲多普勒工作方式的超声诊断仪中。机机 械械 探探 头头脉冲回波式探头脉冲回波式探头30机机 械械 探探 头头 按压电晶片数和运动方式可分为单元换能器往返摆动扫描和多元换能器旋转切换扫描探头两类。按扫差平面特性可分为扇形扫查、全景径向扫查和矩形平面线形扫查探头。脉冲回波式探头脉冲回波式探头31电电 子子 探探 头头它采用多元结构，利用电子学原理进行声束扫查。按结构和工作原理它可分为线阵、
14、凸阵和相控阵探头。最常见最常见电电 子子 探探 头头电电 子子 探探 头头 电电 子子 探探 头头相相 控控 阵阵 探探 头头凸凸 阵阵 探探 头头 线线 阵阵 探探 头头电电 子子 探探 头头 线线 阵阵 探探 头头电电 子子 探探 头头凸凸 阵阵 探探 头头电电 子子 探探 头头相相 控控 阵阵 探探 头头电电 子子 探探 头头新新 技技 术术同时实现面阵扫描方式同时实现面阵扫描方式 聚聚 焦焦 效效 果果 好好脉冲回波式探头脉冲回波式探头38术术 中中 探探 头头 它是在手术过程中用来显示体内结构及手术器械位置的，属于高频探头，频率在7MHz左右，具有体积小，分辨力高的特点。它有机械扫描
15、式、凸阵式和线控式三种。脉冲回波式探头脉冲回波式探头39穿穿 刺刺 探探 头头 它通过相应的体腔，避开肺气、肠胃气和骨组织，以接近被检的深部组织，提高可检查性和分辨力。目前已有经直肠探头、经尿道探头、经阴道探头、经食管探头、胃镜探头和腹腔镜探头。这些探头有机械式、线控式或凸阵式；有不同的扇形角；有单平面式和多平面式。其频率都比较高，一般在6MHz左右。近年还发展了口径小于2mm、频率在30MHz以上的经血管探头。脉冲回波式探头脉冲回波式探头40经经 腔腔 内内 探探 头头 它通过相应的体腔，避开肺气、肠胃气和骨组织，以接近被检的深部组织，提高可检查性和分辨力。目前已有经直肠探头、经尿道探头、经
16、阴道探头、经食管探头、胃镜探头和腹腔镜探头。这些探头有机械式、线控式或凸阵式；有不同的扇形角；有单平面式和多平面式。其频率都比较高，一般在6MHz左右。近年还发展了口径小于2mm、频率在30MHz以上的经血管探头。多普勒探头多普勒探头 主要利用多普勒效应测量血流参数，以及心血管疾病的诊断，亦可以用主要利用多普勒效应测量血流参数，以及心血管疾病的诊断，亦可以用于胎儿监护。于胎儿监护。连续多普勒探头脉冲多普勒探头 多普勒探头梅花形探头连续波多普勒探头连续波多普勒探头 大多数发射晶片与接收晶片是分隔式的。为使连续波多普勒探头具有高的灵敏度，一般都不加吸收块。根据用途不同，连续波多普勒探头发射晶片与接收晶片分开的方式也不同。发发发发收收收收发发发发发发发发发发收收收收收收收收连续波发射晶片与接收晶片分隔方式连续波发射晶片与接收晶片分隔方式脉冲波多普勒探头脉冲波多普勒探头 结构一般与脉冲回波式探头相同，采用单压晶片，具有匹配层和吸收块。梅花形探头梅花形探头 其结构为中心只有一只发射晶片，周围有六只接收晶片，排梅花状，用于检查胎儿，获取胎儿心率。梅花形探头晶片分布图梅花形探头晶片分布图超声探头超声
