医用超声探头浅析

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1、愈欣赏愈懂欣赏 http:/ 1 医用超声探头浅析 医用超声探头浅析 概 论 概 论 超声探头是医用超声仪器的心脏。不管何种超声诊断仪 ,A 型、B 型、或 M 型,其探头 结构大致相同,主要都是由换能器（压电材料，又称压电晶体、压电振子）组成，并将换能 器安放在由塑胶包裹的探头腔中。 以 A 超探头为例说明探头的基本结构： 压电晶片/换能器， 作用主要是在 发射时将电信号转换成超声波，在接收时将 超声波转换成电信号。 吸声背块，作用是吸收晶体背向 辐射的超声，减少或消除晶体两端之间超声 的多次反射造成的干扰；增大晶片阻尼，使 发射脉冲窄，从而提高分辨率。 匹配层，主要作用是使晶体辐射 的超声

2、有效进入人体，实现对人体组织的检 查。换能器和人体之间声阻抗匹配。 电极、导线，用于传到电信号。 声隔离层，位于壳体与振动体之 间声， 防止超声传至外壳引起反射产生干扰。 保护层和外壳，主要用于保护仪器。 压电晶体利用了正向压电效应和逆向压电效应来完成声-电的转换。医用压电材料种 类繁多，如压电单晶体（石英、酒石酸钾钠、磷酸二氢铵、铌酸钾、硫酸锂等） 、 压电多晶体（钛酸钡、偏铌酸铅、锆钛酸铅、铌镁-锆-钛酸铅等） 、压电高分子聚合物（聚 偏二氟乙烯等） 、复合压电材料（聚偏二氟乙烯+锆钛酸铅复合（PVDF+PZT）等） 。 各类压电材料特性不尽相同，但是都能满足特定的需求，在医用超声仪器中应

3、用广泛。 由于压电材料的特性千差万别，导致超声探头的参数、特性也差异很大。对于不同的医 用场合， 要选用不同的探头完成操作。 因此， 对超声探头的参数、 特性的研究显得极为重要。 本文结合具体应用场合和具体机型，来说明医用超声仪器探头特性参数的选取。 图 0-1，医用超声探头结构 愈欣赏愈懂欣赏 http:/ 2 一、 医用超声探头的分类 一、 医用超声探头的分类 超声探头的性能优劣， 直接影响了成像的质量。 超声探头通常是从以下几个方面进行分 类： (1) 按波束控制方式 :线扫探头、相控阵探头、机械扇扫(包括单元式 、多元切换式和 环阵)探头等； (2) 按探头中换能器所用振元（压电晶体）

4、数目:单元探头和多元探头； (3) 按探头的几何形状 :矩形探头 、弧形探头 (凸形探头)、柱形探头、圆形探头等； (4) 按诊断部位 :心脏探头、腹部探头、眼科探头、颅脑探头等； (5) 按应用方式 :体外探头、体内探头、穿刺活检探头。 为了便于联系实际临床应用，本文根据具体应用中的主流类型将超声探头分类如下： 机械扇扫探头、凸阵探头、平面线阵探头和相控阵探头。具体分类原因将在下一部分给出。 二、 各类医用超声探头对比 二、 各类医用超声探头对比 探头的发射频率是探头最重要的特性参数之一， 超声诊断中常根据不同的受检对象和部 位选择不同的探头，如 2 MHz、2.5 MHz、5 MHz、10

5、 MHz 等，探头的发射频率是由晶体的厚 度决定的。而晶片形状则确定了声束的形状和声场分布等重要特性。 机械扇扫探头机械扇扫探头全称机械扇形扫描探头， 早期通用于腹部和心脏超声检查， 现几乎仅用于 眼科 A/B 超。 这种探头手持柄部为圆柱形，接触人体的部分为半球形。为表示其内换能器扫描方向， 往往将球冠两侧切成较浅的平台。因有电机机械驱动，会有不同程度的震动感和噪声。端部 为一用透声塑料制成的充油腔体，其内为一个或多个（不超过三个）单元式超声换能器；柄 内为驱动机构。采用一个单元式换能器时，系由电机驱动其作机 械摆动，使声束扫描而成平面，从而实现超声波束对耦合位置下 方组织、器官的发射和接收

6、，采集、处理回波信号，并以图像形 式显示扫描平面内的生理结构。采用三个单元式换能器时，则由 电机驱动绕轴旋转，轮流发射-接收超声波，其声线更均匀，但造 价更高，故很少采用。图像为稍有缺损的扇形，缺损表现为无“扇 轴”部分。 目前最高档的机械扇扫探头是环阵，其晶片被切割成若 干同心圆，按照阵列方式工作实现多点聚焦，因制造复杂、价格 较贵且已有更先进探头，故很少使用。 图 1-1 常见超声换能器探头 图 2-1 扇形扫描 愈欣赏愈懂欣赏 http:/ 3 机械扇扫探头出现之初， 由于其较高的性价比而曾大行天下， 在上个世纪的超声仪器中 使用的非常多，目前只在眼科以及一些便携式仪器中使用。比如 EM

7、P-200 便携式机械扇扫 B 超，该款超声仪器只能用于 B 超，可达 3.5MHz 进行扇形扫描，横向分辨率为 2mm，纵 向分辨率为 1mm，探测深度=160mm，因而可以用于妇产科。 平面线阵平面线阵在凸阵出现之前，是腹部检查的主力，频率大多为 3.5MHz；凸阵出现并成为 腹部检查主力后，主要用于小器官和表浅组织检查，频率一般在 5MHz7.5MHz(甚至 9MHz)。这种探头的外形几乎均为长方形，其长边为辐射面(晶片)长边方向。与人体耦合 的一面为其核心部分， 表层为声透镜， 向里依次为匹配层(几乎均为两层)、 压电晶片、 背衬， 壳内大多有前放电路，外壳为塑料铸塑，内有电屏蔽层。压

8、电晶片不是整片，而是被切割成 数十至数百个小窄条，称为阵元，阵元间以吸声较强的橡胶相隔。在普通的一维探头中，沿 晶片短边方向不作切割； 但在 1.25、 1.5、 1.75 维探头中， 沿晶片短边方向也切成若干条， 也有电子聚焦。工作方式通常以多个(一般是 10 个)阵元为一组发射和接收超声波束，通过 递推错位组合和电子开关切换，实现声束沿晶片长边方向的 扫描，利用人眼的“视觉暂留”特性，看似所有阵元都在发射 和接收，由声线构成扫描平面，故称平面线阵。得到的图像 均为矩形，其中显示的是耦合位置下方组织和器官的解剖结 构。 迈瑞 DP-6600 全数字便携式超声诊断仪有一个电子线阵 的可选探头-

9、7.5MHz 75L38EA，探测深度为 2.59 11.6cm，显 示控制中的零位移动为8 级。 凸阵凸阵的大 R(晶片曲率半径)通常在 30mm 以上，用于腹部检查；小 R(1020mm， 医生们多称微凸)用于心脏检查。 凸阵的辐射面(与人体的耦合面)为向外凸出的弧形， 从表层 声透镜至内部结构均与线阵相同，差别仅在晶片形状。工作方 式与线阵相同。因阵元呈弧形分布，致使图像成为扇形，目的 在扩大中远区视野。该扇形的特征是“无扇骨部分，只有扇面”。 迈瑞 DP-6600 全数字便携式超声诊断仪四个探头之中有三 个都是凸阵。分别为发射中心频率为 3.5MHz 的 35C50EA，其探 测深度范

10、围为 5.17 24.6cm, 显示控制中零位移动15 级；发 射中心频率为 6.5MHz 的 65EC10EA，其探测深度 2.59 11.6cm, 显示控制中零位移动8 级；发射中心频率为 3.5MHz 的 35C20EA，其探测深度为 5.17 24.6cm, 显示控制中零位移 动15 级。通过配备不同特性的探头，以及各探头具有的可选多焦点（可选 1 个、最多 4 个焦点） ，使得这款小巧的仪器在使用上具有很高的灵活性，可以用于心脏、腹部、产科、 妇科、小器官、泌尿系统等全身检查。探头参数可以调节的参数如下： 图 2-2 线扫 图 2-3 凸阵扫查 愈欣赏愈懂欣赏 http:/ 4 表

11、2-1 探头页预置参数 调节项 可选项 功能描述 探头 35C50EA 关联探头类型 65EC10EA 75L38EA 35C20EA 频率 35C50EA：2.0M/3.5M/6.0M 设置探头的频率 65EC10EA：5.0M/6.5M/8.0M 75L38EA：5.0M/7.5M/10.0M 35C20EA 2.0M/3.5M/6.0M 组织优化 常规/肌骨/脂肪/液性 设置组织特性 深度 低频探头：4.3124.8 设置检查深度，低频探头分为 20 档 高频探头：2.1611.9 高频探头分为 10 档 焦点 1 2 3 4 设置焦点个数 扫描角度 0 1 2 3 设置探头的扫描角度

12、高密度 高密度/高帧率 设置扫描属性 水平翻转 / 设置图像水平翻转属性 垂直翻转 / 设置图像垂直翻转属性 相控阵相控阵用于彩超中作心血管彩色血流成像， 因该图像是镶嵌(叠加)在解剖结构的灰阶图 像上的，故黑白、彩色图像及多普勒频谱是利用该同一探头的不同工作模式获得。其外形很 像是辐射面接近正方形的平面线阵。 其结构从表层的声透镜至内部结构均与线阵相似。 工作 方式有多种： 在灰阶成像和脉冲多普勒彩色血流成像中， 其所有阵元同时参与声束发射和接 收。在连续波频谱多普勒工作模式中，是半数并联发射，另半数并联接收。与线阵、凸阵只 有电子聚焦中采用延迟线不同，相控阵有两组延迟线，一组负责多段电子聚

13、焦，另一组负责 波束方向偏转(类似汽车的方向盘和舰船的舵)，从而实现声束的扇形扫描，故称电子扇扫。 图像呈扇形，突出特征是“无缺损”。相控阵、凸阵、线阵乃至机械扇扫探头都能实现脉冲多 普勒彩色血流成像和获得脉冲多普勒频谱， 但只有相控阵能够获得连续波多普勒频谱， 从而 实现对高速(超过奈奎斯特极限)血流信号的检出和测量。 图 2-4 相控阵偏转： 改变相位线 性变化斜率， 可改变扫查声线方 向，从而形成扇形扫查。 图 2-5 相控阵聚焦发射： 改变二次曲线的形状，可 改变焦点的位置。 愈欣赏愈懂欣赏 http:/ 5 通常是将偏转和聚焦叠加使用，以达到预期效果，使得探头对复杂形状的不同位置（器

14、官） 的扫查具有很强的灵活性。 三、前景与展望三、前景与展望 随着超声技术的不断发展， 在医学领域的应用技术也得到了不断的完善。 医用超声探头 的技术革新几乎代表了整个超声仪器的前进方向。 医用超声探头技术含量越来越高， 更新换 代的周期越来越短，技术日趋成熟，但是它的发展并不会因此而止步。 成像技术的突破性往往要求彻底改变传统的方法。容积成像的优化和超声 心动图的检 查需提供高质量的心脏全容积扫描、高帧频图像和卓越的图像质量。西门子专门设计的 4Z1c 实时容积成像探头可用单一探头就能实现成人超声心动图成像 ,它融合了材料学、电 子学和人机工程学设计等领域的最新进展 ,能够以很高的容积率对整

15、个心脏进行前作未有 的成像检查,而无需采用门控采集和成像拼接技术。 全容积扫描二维阵列探头的出现是对传统技术的突破， 这也说明了超声探头技术的革新 并未停滞，或许才刚刚开始。期待新技术和新突破的出现！ 愈欣赏愈懂欣赏 http:/ 6 参考文献：参考文献： 1、 、 CCE ， ，Vol3，No.5,OCT,2004,第第 4 页，页，DP-6600 全数字便携式超声诊断仪；全数字便携式超声诊断仪； 2、 医疗设备信息、 医疗设备信息2001 年第年第 10 期，第期，第 69 页，超声探头的工作原理与使用维护；页，超声探头的工作原理与使用维护； 3、 医疗装备、 医疗装备2001 年第年第 10 期，第期，第 56 页，页，B 型超声扇扫探头的性能及分析；型超声扇扫探头的性能及分析； 4、计量与测试技术、计量与测试技术 2009 年第年第 36 卷第卷第 4 期期 28 页， 浅谈医用超声诊断仪超声探头的分类和主要特性；页， 浅谈医用超声诊断