醫(yī)學(xué)超聲傳感器課件

醫(yī)學(xué)超聲學(xué)-原理與技術(shù)

第三章醫(yī)用超聲換能器1.掌握超聲換能器的工作原理·特性及聲場(chǎng)特性3.了解壓電振子的等效電路分析及參數(shù)2.熟悉超聲換能器的種類與結(jié)構(gòu)超聲波的發(fā)射與接收超聲診斷儀由探頭（換能器）和主機(jī)構(gòu)成超聲波的發(fā)射與接收均由換能器來(lái)完成超聲波探頭按其工作原理可分為壓電式、磁致伸縮式、電磁式等，其中以壓電式最為常用。發(fā)射：電訊號(hào)→換能器→超聲波(逆效應(yīng))

接收：反射波→換能器→電信號(hào)(正效應(yīng))超聲診斷儀換能器探頭超聲診斷儀換能器探頭超聲診斷儀換能器探頭第一節(jié)壓電效應(yīng)與壓電材料特性一、壓電效應(yīng)1.正向壓電效應(yīng)材料兩端加壓力→兩電極產(chǎn)生電場(chǎng)壓力→形變→晶格電偶極矩變化→電荷積累→電場(chǎng)

2.逆向壓電效應(yīng)材料兩端加電壓→材料產(chǎn)生形變電壓→電場(chǎng)→晶格電偶極受力→應(yīng)力→形變材料正、逆向壓電效應(yīng)可逆++++++------++++++------壓電效應(yīng)示意圖

石英晶體的壓電效應(yīng)

1）石英晶體切片三角晶系光軸(z軸)，電軸(x軸)，機(jī)械軸(y軸)。沿X切割后壓電晶體切片具有壓電效應(yīng)；優(yōu)點(diǎn)：性能穩(wěn)定缺點(diǎn)：昂貴，加工不便用途：用的很少

高分子壓電材料（PVDF）

半結(jié)晶聚合物

制膜拉伸極化制電極

優(yōu)點(diǎn)：很好的柔性和加工性能；化學(xué)穩(wěn)定性和耐疲勞性高、吸濕性低缺點(diǎn)：易老化；制作工藝較復(fù)雜；極化電壓高用途：廣泛應(yīng)用于壓力、加速度、溫度、聲和無(wú)損檢測(cè)；尤其在醫(yī)學(xué)中，由于它與人體聲阻抗十分接近，無(wú)需阻抗變換，且便于和人體貼緊接觸、安全舒適、靈敏度高、頻帶寬，故廣泛用作脈搏計(jì)、血壓計(jì)、起搏計(jì)、生理移植和胎心音探測(cè)器等傳感元件。

高分子壓電材料（PVDF）第二節(jié)壓電振子的基本特性1.壓電振子的等效電路由靜態(tài)電阻Ro和靜態(tài)電容Co相并聯(lián)，構(gòu)成壓電振子電端等效輸入端。由表示振子自身力阻的等效動(dòng)態(tài)電阻Rd，表示輻射力阻的等效動(dòng)態(tài)電阻Rm，二者相加合稱動(dòng)態(tài)電阻RT;動(dòng)態(tài)電感Lm和動(dòng)態(tài)電容Cm,構(gòu)成壓電振子機(jī)械等效輸出端。由上圖可見(jiàn)，當(dāng)滿足：時(shí)。fs即為串聯(lián)諧振頻率，此時(shí)具有最低的阻抗，當(dāng)滿足：時(shí)，fp并聯(lián)諧振頻率，此時(shí)具有最高的阻抗從發(fā)射考慮，只有阻抗最小時(shí)，輻射出去的超聲能量才最大。從接收靈敏度考慮，只有阻抗最大時(shí)，才有最大的靈敏度。因而實(shí)用的超聲頻率，應(yīng)選擇在晶片的串聯(lián)諧振和并聯(lián)諧振之間。第二節(jié)壓電振子的基本特性2.頻率特性圖3-8壓電晶體的電流-頻率特性壓電晶體的電流隨頻率而變化的現(xiàn)象（見(jiàn)圖3-8），說(shuō)明了壓電換能器晶體的等效阻抗是一個(gè)隨頻率而變化的量。第二節(jié)壓電振子的基本特性3.壓電參數(shù)綜上所述，我們可以總結(jié)出在超聲檢測(cè)的實(shí)際應(yīng)用中選擇壓電材料制作壓電換能器時(shí)主要的選擇原則如下：

超聲診斷中常根據(jù)不同的受檢對(duì)象和部位選擇不同的探頭，如2MHz、2.5MHz、5MHz、10MHz等，探頭的發(fā)射頻率是由什么決定的呢？探頭的發(fā)射頻率結(jié)論

探頭的發(fā)射頻率是由晶體的厚度決定的。第三節(jié)醫(yī)用換能器的種類.結(jié)構(gòu)①按診斷部位分類：眼科探頭、心臟探頭、腹部探頭、顱腦探頭、腔內(nèi)探頭和兒童探頭等之分；②按應(yīng)用方式分類：體外探頭、體內(nèi)探頭、穿刺活檢探頭之分;③按探頭中換能器所用振元數(shù)目分類：?jiǎn)卧筋^和多元探頭④按波束控制方式分類：線掃探頭、相控陣探頭、機(jī)械扇掃探頭和方陣探頭等;⑤按探頭的幾何形狀分類：矩形探頭、柱形探頭、弧形探頭(又稱凸形)、圓形探頭等。第三節(jié)探頭的結(jié)構(gòu)及其作用超聲探頭——超聲檢測(cè)用換能器各種超聲診斷儀，探頭基本結(jié)構(gòu)大致相同，以Ａ型為例。一、探頭的基本結(jié)構(gòu)①壓電晶片

②吸聲背塊③匹配層④電極、導(dǎo)線⑤聲隔離層⑥保護(hù)層⑦外殼１.壓電晶片

（1）晶片形狀：圓片形、矩形、球殼圓片形、圓筒形2．吸聲背塊

（1）作用①吸收晶體背向輻射的超聲，減少或消除晶體兩端之間超聲的多次反射造成的干擾②增大晶片阻尼，使發(fā)射脈沖窄，從而提高分辨率

（2）要求①與壓電晶體的聲阻抗相等，以全部吸收背向輻射②對(duì)超聲的吸收力強(qiáng)，很快衰減，不再反射

（3）組成環(huán)氧樹脂+鎢粉

或鐵氧體粉+橡膠粉

空氣背襯，幾乎全反射，效率最高，用于超聲治療儀。3．匹配層

（1）作用①使晶體輻射的超聲有效進(jìn)入人體，實(shí)現(xiàn)對(duì)人體組織的檢查。換能器和人體之間聲阻抗匹配，條件：

②增加換能器的帶寬③隔開(kāi)晶體和人體，保護(hù)晶體，免受機(jī)械、化學(xué)損壞；保護(hù)人體，免受激勵(lì)電壓的傷害。

（2）要求①衰減系數(shù)低②耐磨損

（3）材料環(huán)氧樹脂、二酊脂、乙二氨等4．電極、導(dǎo)線

（1）作用傳輸電信號(hào)（2）結(jié)構(gòu)晶體兩面的銀層為電極，各引出一根導(dǎo)線5．聲隔離層（1）作用殼體與振動(dòng)體之間聲隔離，防止超聲傳至外殼引起反射，產(chǎn)生干擾（2）材料軟木、橡膠、尼龍等5.外殼作用支承、容納、密封、絕緣、承壓、屏蔽和保護(hù)主體部分殼體上通常標(biāo)明該探頭的型號(hào)、標(biāo)稱頻率;6.保護(hù)層（1）作用保護(hù)、聲阻抗?jié)u變層（2）要求低衰減高耐磨，聲阻抗應(yīng)接近人體組織的聲阻，其厚度應(yīng)為λ/4

2.機(jī)械扇掃超聲探頭

機(jī)械扇形掃描超聲探頭配用于扇掃式B型超聲診斷儀，它是依靠機(jī)械傳動(dòng)方式帶動(dòng)傳感器往復(fù)搖擺或連續(xù)旋轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)扇形掃描的.比如早期的機(jī)械扇掃探頭的重量達(dá)0.6kg以上，且掃描角度僅30°。隨著技術(shù)的進(jìn)步，到80年代中期，機(jī)械扇掃超聲換能器的產(chǎn)品性能日趨改善，重量可以做到0.2kg以下，掃描幀頻約30幀/s,掃描角度達(dá)85°，2.機(jī)械扇掃超聲探頭3-8機(jī)械扇掃超聲探頭工作原理

機(jī)械扇掃探頭除換能器聲學(xué)特性的基本要求之外，還應(yīng)滿足以下要求:①保證探頭中的壓電振子作30次/s左右的高速擺動(dòng)，擺動(dòng)幅度應(yīng)足夠大；②擺動(dòng)速度應(yīng)均勻穩(wěn)定；③整體體積小、重量輕，便于手持操作;④外形應(yīng)適合探查的需要，并能靈活改變掃查方向;⑤機(jī)械振動(dòng)及噪聲應(yīng)小到不致引起病人的緊張和煩躁。

目前來(lái)看，機(jī)械扇掃探頭主要存在的不足之處，是噪聲大和探頭壽命短。多數(shù)的機(jī)械扇掃探頭壽命僅有數(shù)千小時(shí)3.電子線陣超聲探頭

電子線陣超聲探頭配用于電子式線性掃描超聲診斷儀。它主要由6部分組成:開(kāi)關(guān)控制器、阻尼墊襯、換能器陣列、匹配層、聲透鏡和外殼。

(1)開(kāi)關(guān)控制器用于控制探頭中各振元按一定組合方式工作，若采用直接激勵(lì)，則每一個(gè)振元需要一條信號(hào)線連接到主機(jī)，目前換能器振元數(shù)已普遍增加到數(shù)百個(gè)，則與主機(jī)的連線需要數(shù)百根，這不僅使工藝復(fù)雜，因此而增加的探頭和電纜的重量也是不堪設(shè)想的。采用開(kāi)關(guān)控制器就可以使探頭與主機(jī)的連線數(shù)大大減小。

(2)阻尼墊襯其作用與柱形單振元探頭中的墊襯作用相同，用于產(chǎn)生阻尼,抑制振鈴并消除反射干擾。阻尼墊襯材料的構(gòu)成要求亦和柱形單振元探頭相似。

(3)換能器陣列換能器的晶體振元通常是采用切割法制造工藝，即對(duì)一寬約10mm，一定厚度的矩形壓電晶體，通過(guò)計(jì)算機(jī)程控順序開(kāi)槽。開(kāi)槽寬度應(yīng)小于0.1mm，開(kāi)槽深度則不能一概而論，這是因?yàn)樗镁暮穸热Q于探頭的工作頻率，相當(dāng)于半波長(zhǎng)厚度的頻率叫做壓電晶體的基礎(chǔ)共振頻率。晶體材料的半波長(zhǎng)厚度σ可由下式給出。

σ=Cp·T·1／2

式中:Cp為超聲波在該材料中的傳播速度，T為工作頻率超聲波的周期。

(4)匹配層由于聲透鏡同時(shí)與晶體振元和人體接觸，兩者的聲阻抗差別甚大：壓電晶體振元的阻抗Zf≈(20～35)×106kg·s－１·m－2，人體組織的阻抗Ze≈(1.58～1.7)×106kg·s－１·m－2］，難于使聲透鏡的特性阻抗同時(shí)與兩者匹配。超聲經(jīng)不同阻抗界面?zhèn)鞑?，將產(chǎn)生反射，會(huì)增加能量損耗并影響分辨力，因此，往往需要采用匹配層來(lái)實(shí)現(xiàn)探頭與負(fù)載之間的匹配。

對(duì)匹配層除厚度與聲阻抗的要求外，還要求其聲阻尼要小，以減小對(duì)超聲能量的損耗。在工藝上應(yīng)保證其同時(shí)與晶體振元和聲透鏡接觸良好。

匹配層材料通常也采用環(huán)氧加鎢粉配制4.電子凸陣超聲探頭3-9電子凸陣超聲探頭工作原理4.電子凸陣超聲探頭凸陣探頭的結(jié)構(gòu)原理與線陣探頭相類似，只是振元排列成凸形。但相同振元結(jié)構(gòu)凸形探頭的視野要比線陣探頭大。由于其探查視場(chǎng)為扇形，故對(duì)某些聲窗較小的臟器的探查比線陣探頭更為優(yōu)越，比如檢測(cè)骨下臟器，有二氧化碳和空氣障礙的部位更能顯現(xiàn)其特點(diǎn)。但凸形探頭波束掃描遠(yuǎn)程擴(kuò)散，必須給予線插補(bǔ)，否則因線密度低將使影像清晰度變差。

探頭中的振元都不是同時(shí)被激勵(lì)的，它們總是被分組分時(shí)受激勵(lì)，而且分配的方法有多樣。

5.相控陣超聲探頭5.相控陣超聲探頭

相探陣超聲探頭可以實(shí)現(xiàn)波束扇形掃描，因此又稱為相控電子扇掃探頭。相控陣超聲探頭外形及內(nèi)部結(jié)構(gòu)與線陣探頭頗有相似之處。其一是所用換能器也是多元換能器陣列;其二是探頭的結(jié)構(gòu)、材料和工藝亦相近，主要由換能器、阻尼墊襯、聲透鏡以及匹配層幾部分組成；

5.相控陣超聲探頭但它們的不同之處也主要有兩點(diǎn)：第一是在探頭中沒(méi)有開(kāi)關(guān)控制器，這是因?yàn)橄嗫仃囂筋^換能器中，各振元基本上是同時(shí)被激勵(lì)的，而不是像線陣探頭換能器那樣分組、分時(shí)工作的，因此，不需要用控制器來(lái)選擇參與工作的振元。第二是相控陣探頭的體積和聲窗面積都較小，這是因?yàn)橄嗫仃囂筋^是以扇形掃描方式工作的，其近場(chǎng)波束尺寸小，也正因?yàn)榇?，它具有機(jī)械扇形掃描探頭的優(yōu)點(diǎn)，可以通過(guò)一個(gè)小的“窗口”，對(duì)一個(gè)較大的扇形視野進(jìn)行探查。

6.矩陣式探頭由切割成的數(shù)百個(gè)到數(shù)千個(gè)矩陣組成。如Philips*4Matrix型超級(jí)矩陣式探頭，由3000個(gè)陣元塊組成。150多個(gè)計(jì)算機(jī)電子板進(jìn)行接收惡化處理超聲回波信號(hào)。7.穿刺活檢換能器中心部位有一個(gè)2~3mm的圓孔，用來(lái)通過(guò)不同型號(hào)的穿刺線或活檢鉗。超聲診斷儀換能器探頭第四節(jié)換能器的超聲場(chǎng)超聲場(chǎng)彈性介質(zhì)中充滿超聲能量的空間，或超聲傳播時(shí)超聲能量在介質(zhì)中的空間分布。平面圓片換能器活塞振動(dòng)的穩(wěn)態(tài)超聲場(chǎng)活塞振動(dòng)——平面振動(dòng)穩(wěn)態(tài)超聲場(chǎng)——不考慮建立過(guò)程的穩(wěn)定超聲場(chǎng)

r,θ——

極坐標(biāo)

z——

聲軸方向

a——

圓片半徑B(r,θ)zθra

可看成無(wú)數(shù)頻率、振幅、相位相同的點(diǎn)聲源聲場(chǎng)疊加，在B(r,θ)點(diǎn)積分求得P，并進(jìn)而求得I=P2/Z一、軸向聲場(chǎng)分布（θ=0,r可變）（1）聲軸上聲強(qiáng)表達(dá)式式中：Z——介質(zhì)聲阻抗，V0——速度振幅，λ——波長(zhǎng)可見(jiàn)：（2）軸向聲場(chǎng)分布圖（據(jù)上式）當(dāng)0＜r≤r0，存在數(shù)個(gè)極大值和極小值，當(dāng)r＞r0

后，隨著r的增大，聲強(qiáng)逐漸減弱。

軸向上聲場(chǎng)分布圖

（3）近場(chǎng)距離(r0)式中，D=2a——壓電體直徑，如a>>λ，則聲學(xué)上稱：①r<r0——近場(chǎng)區(qū)②r>r0——遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)

（4）軸向聲強(qiáng)分布特點(diǎn)①近場(chǎng)區(qū)：聲強(qiáng)軸向起伏分布，但平均強(qiáng)度不變②遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)：聲強(qiáng)軸向單調(diào)衰減，I∝1／r2二、徑向聲場(chǎng)分布（r=定值,θ可變）

（1）徑向近場(chǎng)分布近場(chǎng)衍射現(xiàn)象：聲束截平面上聲強(qiáng)分布為許多最大強(qiáng)度和最小強(qiáng)度的同心圓環(huán)，環(huán)的數(shù)量隨著距離的增加而減少。聲能幾乎不擴(kuò)散，聲束寬度接近相等（等于D）。

（2）徑向遠(yuǎn)場(chǎng)分布波束如圖2－6所示。遠(yuǎn)場(chǎng)聲強(qiáng)呈多個(gè)瓣形，主瓣最強(qiáng)(>98%)，旁瓣多但較弱。

（3）主瓣角θ

θ又稱半發(fā)射角或擴(kuò)散角，表示聲束集中程度

Sinθ≈0.61λ／a

一般θ角很小，sinθ≈θ，故有