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1、医学影像设备学,第七章 超声成像设备,医学工程教研室,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 医用超声探头,医用超声探头,一、压电效应,二、医用压电材料,三、医用超声探头基本结构,四、医用超声探头的分类,一、压电效应,超声探头的核心是压电晶体或复合压电材料。早期用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、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。,压电晶体,自然界中存在着某
2、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。,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,+ + + + + + +,- - - - - - - - -,+ + + + + + +,- - - - - - - - - -,+,+,+,-,-,-,F,F,正压电效应 机械能转换为电能 形变产生电压 形变消失则电压消失,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
3、变为机械能。这种效应称负压电效应。,+,+,+,-,-,-,+ + + + + + +,- - - - - - - - -,+,+,+,-,-,-,+ + + + + + +,- - - - - - - - -,超声波发射形成,将电能转换为机械能 施加电压则产生形变 消除外加电压则形变相应消失,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,压电陶瓷,压电陶瓷（piezoelectric ceramic）,性能稳定。,声-电相互转换效率
4、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, 多种结晶，随机排列晶粒，最大70%偶极子极化排列,完美的晶格结构, 晶粒一致，100%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, 多种结晶，随机排列晶粒，最大70%偶极子极化排列,完美的晶格结构, 晶粒一致，100%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
5、 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,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
6、率高，适用于制成接收型的换能器。,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/0.884S 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,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，以提高超声诊断仪的分辨力。,
7、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。,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。,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。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。,支撑，屏蔽，密封和保护换能器。,联结换能器和主机。,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） （逆压电效应） 接收：将机械振动（声能）转换成电脉冲（电能）（正压电效应）,声波的接收,
8、声波的发射,换能器（压电晶体）,脉冲回波系统,发射脉冲,接收回波,时间轴,a,b,c,脉冲宽度,a、b、c代表在人体 组织中不同深度的反 射体,发射脉冲的重复周期,发射与接收,单通道发射接收,多通道发射接收,发射聚焦,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。,接收聚焦,波束合成,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。,聚焦和延时,探头,目标物,t,图象的形成过程,逻辑控制及信号处理,RX,TX,通道与阵 元切换,重复周期,发射,接收,阵元,通道,延时处理及波束合成,各种探头（
9、换能器）,凸阵探头,线阵探头,相控阵探头,穿刺探头,腔内探头,术中探头,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,29,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。,脉冲回波式探头,30,按
10、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,31,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、凸阵和相控阵探头。,最常见,电 子 探 头,电 子 探 头,电 子 探 头,相 控 阵 探 头,凸 阵 探 头,线 阵 探 头,电 子 探 头,线 阵 探 头,电 子 探 头,凸 阵 探 头,电 子 探 头,相 控 阵 探 头,电 子 探 头,新 技 术,同时实现面阵扫描方式,聚 焦 效 果 好,脉冲回波式探头,38,它是在手术过程中用来显示体内结构及
11、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。它有机械扫描式、凸阵式和线控式三种。,脉冲回波式探头,39,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,40,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
12、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。,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,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,收,收,发,发,发,发,发,收,收,收,收,连续波发射晶片与接收晶片分隔方式,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,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。,超声探头,讨论：如何区别不同电子探头?,？,腔 内 探 头,线 阵 探 头,凸 阵 探 头,相控阵探头,思考题：简述超声探头的作用？ 超声探头同时具有发射和接收作用。将电信号加载在超声振子上引起震荡产生超声，这就是探头的逆压电效应，也被称为探头的发射作用；将从人体组织返回的超声回波作用在超声振子上转换成电信号，这是探头的压电效应，也被称为探头的接收作用。,
