醫(yī)學(xué)超聲儀器原理 第4講 超聲換能器及聲場

2024/10/21醫(yī)學(xué)超聲診斷設(shè)備1第4講超聲換能器與聲場醫(yī)學(xué)超聲儀器原理2024/10/21醫(yī)學(xué)超聲診斷設(shè)備2超聲換能器壓電效應(yīng)PiezoelectricEffect逆壓電效應(yīng)ConversePiezoelectricEffect2024/10/21醫(yī)學(xué)超聲診斷設(shè)備3超聲波治療探頭2024/10/21醫(yī)學(xué)超聲診斷設(shè)備4工業(yè)用超聲波探頭

2024/10/21醫(yī)學(xué)超聲診斷設(shè)備5壓電陶瓷片2024/10/21醫(yī)學(xué)超聲診斷設(shè)備6診斷用B型超聲波探頭2024/10/21醫(yī)學(xué)超聲診斷設(shè)備72024/10/21醫(yī)學(xué)超聲診斷設(shè)備8基本概念換能器——是把一種能量轉(zhuǎn)化為另一種能量的設(shè)備，我們主要討論聲換能器，即把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能或聲能，或者相反。產(chǎn)生超聲波的裝置分為兩類：機(jī)械方式加爾統(tǒng)笛、哈特曼笛、液哨和氣流旋笛等電氣方式壓電型、磁致伸縮型和電動型等2024/10/21醫(yī)學(xué)超聲診斷設(shè)備91.壓電效應(yīng)PiezoelectricEffect1880年法國物理學(xué)家居里兄弟(PaulJacquis和PierreCurie)首先發(fā)現(xiàn)結(jié)晶物質(zhì)具有壓電現(xiàn)象(Piezoelectricity)。1881年李普曼(G.Lipmann)根據(jù)熱力學(xué)概念預(yù)言壓電現(xiàn)象是可逆的，同年居里兄弟證實了壓電效應(yīng)的可逆性，即逆壓電現(xiàn)象2024/10/21醫(yī)學(xué)超聲診斷設(shè)備102024/10/21醫(yī)學(xué)超聲診斷設(shè)備11壓電體未收外力時，兩側(cè)不帶電荷壓電體受到壓縮力兩側(cè)帶電荷壓電體受到拉力兩側(cè)帶電荷（與B相反）2024/10/21醫(yī)學(xué)超聲診斷設(shè)備12正壓電效應(yīng)（directpiezoelectriceffect)在某些晶體的一定方向上，受到應(yīng)力（拉力或壓力）而形變時，在晶體的兩個受力界面上，引起內(nèi)部介質(zhì)正負(fù)電荷中心相對位移，從而產(chǎn)生符號相反的束縛電荷，其電荷密度與所施加的外力成正比例,由于機(jī)械力的作用而激起電介質(zhì)晶體表面電荷的效應(yīng)，稱為正壓電效應(yīng)（DirectPiezoelectricEffect)2024/10/21醫(yī)學(xué)超聲診斷設(shè)備13壓電體兩側(cè)加電場時，長度伸展壓電體兩側(cè)加與（d）相反電場時，長度壓縮2024/10/21醫(yī)學(xué)超聲診斷設(shè)備14逆壓電效應(yīng)（conversepiezoelectriceffect)如果在晶體表面沿著電軸方向施加電壓，則由于電場作用，引起內(nèi)部電介質(zhì)正負(fù)電荷中心相對位移（受到電場拉曳而分離），而這一極化位移又導(dǎo)致晶體的幾何形變這種相反的壓電效應(yīng)，稱為逆壓電效應(yīng)（conversepiezoelectriceffect)。2024/10/21醫(yī)學(xué)超聲診斷設(shè)備15閃鋅礦ZnS的四面體結(jié)構(gòu)兩種壓電晶體結(jié)構(gòu)2024/10/21醫(yī)學(xué)超聲診斷設(shè)備16四方的鈦酸鋇BaTiO3的晶胞2024/10/21醫(yī)學(xué)超聲診斷設(shè)備17石英晶體的類比電路及其聲抗2024/10/21醫(yī)學(xué)超聲診斷設(shè)備18壓電材料的性質(zhì)性質(zhì)晶體陶瓷羅歇鹽ADPLH石英亞鈮酸鹽鈦酸鋇PZT-4PZT-5可用應(yīng)變橫向橫向橫、縱橫、縱橫、縱橫、縱橫、縱切割X,45°Y,45°Z,45°LYX,Y,ATX阻抗率

m1010>1012109>1011>1012>1013居里溫度℃55-125-76575550115320365最高濕度70%94%95%密度103kg/m31.771.802.062.6555.67.67.7厚度振動103kHz

mm2.732.871.42.7421.82024/10/21醫(yī)學(xué)超聲診斷設(shè)備19當(dāng)壓電片和厚度l

為半波長的奇數(shù)時，兩表面的振動恰好相反，此時兩表面的相對位移為最大，這個厚度稱為共振厚度。式中：fn為n次諧波頻率；ct為壓電材料內(nèi)的波速。2024/10/21醫(yī)學(xué)超聲診斷設(shè)備20超聲輻射聲場軸向橫向2024/10/21醫(yī)學(xué)超聲診斷設(shè)備21圖3-15換能器及其所在的坐標(biāo)系（Page56）換能器的輻射聲場2024/10/21醫(yī)學(xué)超聲診斷設(shè)備22式中：dp—聲壓；ds—面積元；Zc聲阻抗率；vm面元振動速度。聲場的總和圓柱坐標(biāo)系2024/10/21醫(yī)學(xué)超聲診斷設(shè)備23圓形換能片遠(yuǎn)場、近場半徑R，

=0，r=z

(即：軸向的聲場)積分后可得2024/10/21醫(yī)學(xué)超聲診斷設(shè)備24當(dāng)z=0時，k=ω/c和差化積有2024/10/21醫(yī)學(xué)超聲診斷設(shè)備25取得峰值當(dāng)n=0取得最后一個峰值2024/10/21醫(yī)學(xué)超聲診斷設(shè)備26因為R>>

2024/10/21醫(yī)學(xué)超聲診斷設(shè)備272024/10/21醫(yī)學(xué)超聲診斷設(shè)備28近場與遠(yuǎn)場R的選擇波長的影響2024/10/21醫(yī)學(xué)超聲診斷設(shè)備29對于遠(yuǎn)場，r>>ρ可以近似取分母中可取r’=r2024/10/21醫(yī)學(xué)超聲診斷設(shè)備30整理可得式中：J1為一階柱貝賽爾函數(shù)定義指向因子H(φ)2024/10/21醫(yī)學(xué)超聲診斷設(shè)備31在平面坐標(biāo)下1.隨著kR值的增大，即輻射面積的加大或頻率的提高，指向性愈加尖銳；2.J1函數(shù)有一系列的零值，即當(dāng)指向性函數(shù)出現(xiàn)零值，在小于3.83的范圍為指向性的主瓣，其它為旁瓣。2024/10/21醫(yī)學(xué)超聲診斷設(shè)備322024/10/21醫(yī)學(xué)超聲診斷設(shè)備33通常，把2

成為主瓣開角或發(fā)散角，

稱為半擴(kuò)散角。2024/10/21醫(yī)學(xué)超聲診斷設(shè)備342024/10/21醫(yī)學(xué)超聲診斷設(shè)備35換能器線陣換能器線陣2024/10/21醫(yī)學(xué)超聲診斷設(shè)備36分辨率問題●橫向分辨率●縱向分辨率2024/10/21醫(yī)學(xué)超聲診斷設(shè)備37超聲探頭的類別①按診斷部位分類：眼科、心臟、腹部、顱腦、腔內(nèi)和兒童探頭等；②按應(yīng)用方式分類：有體外、體內(nèi)、穿刺活檢探頭；③按探頭中換能器所用振元數(shù)目分類：單元探頭、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(這是一種慣用的分類方法)：則有矩形探頭、柱形探頭、弧形探頭(又稱凸形)、圓形探頭等。2024/10/21醫(yī)學(xué)超聲診斷設(shè)備382024/10/21醫(yī)學(xué)超聲診斷設(shè)備39柱形單振元探頭柱形單振元探頭主要用于A超和M超，又稱筆桿式探頭。目前在經(jīng)顱多普勒（TCD）及胎心監(jiān)護(hù)儀器中亦用此探頭。它是各型超聲成像儀用探頭的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。2024/10/21醫(yī)學(xué)超聲診斷設(shè)備40它主要由5部分組成：①壓電晶體②墊襯吸聲材料用于衰減并吸收壓電振子背向輻射的超聲能量一般為環(huán)氧樹脂加鎢粉，或鐵氧體粉加橡膠粉配合而成③聲學(xué)絕緣層防止超聲傳至探頭外殼引起反射，造成對信號的干擾④外殼⑤保護(hù)層防磨損，保護(hù)層應(yīng)該選擇衰減系數(shù)低并耐磨的材料聲阻抗應(yīng)接近人體組織的聲阻，其厚度應(yīng)為λ/4

2024/10/21醫(yī)學(xué)超聲診斷設(shè)備41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)械傳動方式帶動傳感器往復(fù)搖擺或連續(xù)旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)扇形掃描的2024/10/21醫(yī)學(xué)超聲診斷設(shè)備42利用機(jī)械掃描實現(xiàn)超聲影像的實時動態(tài)顯示，是70年代后期才趨于成熟的一項技術(shù)。開始時掃描線數(shù)較少，掃描角度也不大，掃描線的間隔角度的均勻性亦差，而且探頭的體積和重量都較大，操作使用十分不便。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°，而且掃描線的均勻性也大大改善。這不僅給操作使用帶來了方便，而且使機(jī)械扇掃超聲影像的質(zhì)量獲得明顯的提高。2024/10/21醫(yī)學(xué)超聲診斷設(shè)備43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，擺動幅度應(yīng)足夠大；②擺動速度應(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)械振動及噪聲應(yīng)小到不致引起病人的緊張和煩躁。2024/10/21醫(yī)學(xué)超聲診斷設(shè)備44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，對于這種結(jié)構(gòu)而言，無論是技術(shù)、工藝、或者材料都是十分難以解決的問題。目前，機(jī)械扇掃探頭的生產(chǎn)已越來越少，大有被電子凸陣及相控陣扇掃探頭所取代的趨勢。2024/10/21醫(yī)學(xué)超聲診斷設(shè)備45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：開關(guān)控制器、阻尼墊襯、換能器陣列、匹配層、聲透鏡和外殼。2024/10/21醫(yī)學(xué)超聲診斷設(shè)備46開關(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，則每一個振元需要一條信號線連接到主機(jī)，目前換能器振元數(shù)已普遍增加到數(shù)百個，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。采用開關(guān)控制器就可以使探頭與主機(jī)的連線數(shù)大大減小。2024/10/21醫(yī)學(xué)超聲診斷設(shè)備47(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。2024/10/21醫(yī)學(xué)超聲診斷設(shè)備48(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，即對一寬約10mm，一定厚度的矩形壓電晶體，通過計算機(jī)程控順序開槽。開槽寬度應(yīng)小于0.1mm，開槽深度則不能一概而論，這是因為所用晶片的厚度取決于探頭的工作頻率，相當(dāng)于半波長厚度的頻率叫做壓電晶體的基礎(chǔ)共振頻率。晶體材料的半波長厚度σ可由下式給出。σ=0.5·Cp·T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。2024/10/21醫(yī)學(xué)超聲診斷設(shè)備49(4)匹配層由于聲透鏡同時與晶體振元和人體接觸，兩者的聲阻抗差別甚大難于使聲透鏡的特性阻抗同時與兩者匹配。超聲經(jīng)不同阻抗界面?zhèn)鞑?，將產(chǎn)生反射，會增加能量損耗并影響分辨力，因此，往往需要采用匹配層來實現(xiàn)探頭與負(fù)載之間的匹配。對匹配層除厚度與聲阻抗的要求外，還要求其聲阻尼要小，以減小對超聲能量的損耗。在工藝上應(yīng)保證其同時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。2024/10/21醫(yī)學(xué)超聲診斷設(shè)備50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。由于其探查視場為扇形，故對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。但凸形探頭波束掃描遠(yuǎn)程擴(kuò)散，必須給予線插補，否則因線密度低將使影像清晰度變差。2024/10/21醫(yī)學(xué)超聲診斷設(shè)備51相控陣超聲探頭相控陣超聲探頭可以實現(xiàn)波束扇形掃描，因此又稱為相控電子扇掃探頭，它配用于相控陣扇形掃描超聲診斷儀。2024/10/21醫(yī)學(xué)超聲診斷設(shè)備52相控陣超聲探頭外形及內(nèi)部結(jié)構(gòu)與線陣探頭相似。