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1、超声成像设备,中山大学生物医学工程教研室 伍于添,第一节 概述 一、超声成像设备发展史 一八八O年法国居里兄弟（Pierre and Jacques Curie）发现压电效应。法国朗之万（Paul Langevin）于1917年应用压电原理进行超声探测，并于1921年发展成声纳（Sound Navigation and Ranging）。直至1942年，奥地利K T Dussik才使用A型超声装置，用穿透法探测颅脑。1952年美国D H Howry开始研究超声显像法，并于1954年将B超应用于临床。,1954年瑞典I Edler首先用M型检查心脏。1955年J J Wild首次成功用PPI型作
2、直肠内的体腔探查。1956年日本里村茂夫首先将多普勒效应原理应用于超声诊断，利用连续波多普勒法判断心脏瓣膜病。1959年D L Franklin研制出脉冲多普勒超声。1958年G Baum等开始眼球的扇形扫查法。同年英国I Donald等用BP型超声诊断盆腔肿物和妊娠子宫。1967年N Bom提出电子扫描法，同年J C Soner提出相控阵扫描法，同时期德国应用双晶片旋转式探头的机械方形扫查（Vidoson）。,1968年P N T Wells提出TGC补偿原理，同年W J Fry开始应用计算机技术于B超。1972年G Kossoff提出灰度回声图概念，同年H H Holm制成穿刺活检探头。1
3、973年J Plummer提出C型超声显像法。1978年伊藤提出F型扫查法。在七十年代中后期采用了灰阶及DSC技术，明显改善图像质量，实时超声显像开始受到重视，八十年代是B型超声发展最迅速的时期。彩色血流图（CFM）直到1983年才由日本Aloka公司首先研制成功。1990年奥地利Krety公司制成3D扫描器，并使3D商品化。,1991年美国ATL公司推出世界第一台全数字化超声系统后，全数字化技术即成为九十年代和目前发展的方向，它使超声诊断系统的水平进入一个新阶段，在此期间又相继出现了一些新技术，诸如：显示心肌组织运动情况的CDTI（彩色多普勒组织图）技术；能显示低速血流的CDE（彩色多普勒能
4、量图）和DPA（方向性能量图）技术；有效观察室壁运动和心肌灌注质量的对比谐波成像技术（CHI）和有效改善深部组织图像质量的组织谐波成像技术（THI）。,超声诊断设备是一个信息提取、处理和显示的综合体，它需要各相关学科的补充和渗透，其中特别是压电材料、专用VLSI、计算机和信号处理技术，才能实现系统的各种功能。它发展的方向是提高诊断的特异性和信息量，以及仪器的性能价格比。,二、超声诊断仪的基本结构 超声诊断仪的工作原理，是向被检人体组织发射超声波，并将受人体组织作用产生的回波接收，检出回波某种物理参量的变化（如幅度、频率等），然后以某种方式在显示器上显示，并由记录仪记录，供医生诊断分析。因此，超
5、声诊断仪最基本的结构包括探头、发射电路、接收电路、扫描电路、主控电路、标距电路、显示器和记录器等部分。,（一） 探头 超声诊断仪中，同时具有超声发射和接收作用的部件，称为探头。将电振荡变成超声，穿透人体组织，是探头的发射作用；将从人体组织返回的超声回波变换成电信号，馈送至接收电路，是探头的接收作用。仪器的性能，如灵敏度、分辨率和伪像的大小都与探头有关。探头是超声诊断仪的关键部件，了解它的工作原理、基本结构，以及正确使用与保养是十分必要的。,医用压电材料 超声探头是一种电声换能器。它实现电能与超声能的相互转换。压电振子是其核心器件，由具有压电效应的压电材料组成。用于医用超声诊断换能器的压电材料，
6、按物理结构分为四大类：压电单晶体（如铌酸锂、酒石酸钾钠等）、压电多晶体（又称压电陶瓷，如偏铌酸铅、锆钛酸铅等）、压电高分子聚合物（如聚偏二氟乙烯）和复合压电材料（聚偏二氟乙烯和锆钛酸铅复合）等。,压电陶瓷也有不足之处。如使用频率不能太高；抗拉强度低，具有脆性；居里点不够高，压电性能受温度影响大；具有一定时间老化性，即压电性能会随时间而变化。,医用超声换能器目前多数采用陶瓷材料制成的压电振子。它具有如下优点： （1） 电声相互转换效率高。采用较低的激励电压，也具有较高的灵敏度。 （2） 易与电路匹配。 （3） 性能比较稳定。 （4） 非水溶性，耐湿和机械强度较大。 （5） 价廉。 （6）易加工，
7、可压制成各种形状、尺寸。而且，通过掺杂、取代、改变材料配方等改性办法，可大范围调整压电陶瓷的性能参数，满足某些使用要求。,压电陶瓷的制造工艺十分复杂。它的性能不仅取决于配方，也取决于加工工艺。陶瓷属于固体无机材料。采用适当配方的原料进行混合、成型和高温烧结成的铁电陶瓷，不具压电效应。这是由粉粒之间的固相反应和烧结过程而获得的许多微细晶粒，各自按任意的无规则的方向排列，呈各向异性之故。但是它具有铁电性。对其施加直流电场进行极化处理后，使陶瓷的各个晶粒的自发极化方向将平行地取向于电场方向，而具有近似于单晶的极性，呈现明显的压电效应。通常将经过极化处理的铁电陶瓷称为压电陶瓷。,压电材料具有力学的性质
8、、电学的性质和压电的性质。压电材料是换能器的关键，这些性质决定了电能和声能互换的能力。衡量压电材料性能的主要物理参量有：,（1）居里点 当升至某一温度时，晶片内部的分子运动加剧，刚好使偶极子重新杂乱排列，以致失去压电性能，这个临界温度称为居里点。常用的PZT类压电陶瓷的居里点在300左右。居里点低的材料，易受温度影响，性能不稳定。因为，温升未达到居里点，材料内部分子排列已有变化，使压电性能降低。所以，探头不能高温消毒。,（2） 频率常数 压电陶瓷片的谐振频率（基频）和它的厚度的乘积是一个常数，称之为频率常数（fc）。单位是Hzm或MHzmm。每种材料制成的晶片，都有一个特有的频率常数。所以，晶
9、片的谐振频率（fs）由晶片的厚度（d）决定。也就是说，通过改变晶片的厚度可以改变晶片的谐振频率。由关系式fs= fc/d 可见，晶片愈厚谐振频率愈低；反之，晶片愈薄谐振频率愈高。因为高频晶片很薄，机械性能差，脆性大，加工过程损耗大，所以成本高。,（3）电容常数 也称介电常数，表示介质的介电性能。它符合关系式：C=A/S，式中C表示极间电容，A表示电极面积，S是极间距离。由关系式可见，愈低，晶片的极间电容量愈小，高频特性愈好，愈适合在高频段工作。,（4）压电应变常数D 也称发射系数，是指在应力恒定时，单位场强引起的应变变化，或在电场不变时，单位应力变化所引起的电位移变化。有关系式：,式中S表示形
10、变，E表示电场，P表示电极化强度，T表示应力。发射系数D大的材料，它的发射效率高，适用于制成发射型的换能器。,（5）压电电压常数G 也称接收系数，它表示当压电体的电位移恒定时，单位应变力变化所引起的场强变化；或在应力不变时，单位电位移变化所引起的应变变化。它符合关系式：,接收系数G大的材料，它的接收效率高，适用于制造接收型的换能器。,（6）机电耦合系数K 它表示压电体中机械能和电能之间耦合强弱的常数，可以衡量压电性能的强弱。该系数除了和材料有关外，还和振子的形状以及振动模式有关。 （7）弹性柔顺常数Sij 它表示压电材料所受应力与产生形变之间的关系。如,表示X轴向上形变与应力关系。它的倒数，即
11、1/S11就是杨氏模量。,（8） 力学品质因数Qm 它与平均损耗能量成反比。能量损耗小，Qm愈大，通频带就愈窄。 （9）介质损耗因子tg和电学品质因数Qe 介质损耗因子定义为有功电流与无功电流之比。它反映了介质的介电损耗。它的倒数为介质的电学品质因数。即,压电材料的选择，主要取决于换能器的用途。超声诊断用换能器，属于收发兼用型。应该兼顾发射性能和接收性能。所以要选用D、G和K值较高的材料。在稳定性方面，希望居里点高一点。制作高频探头，要低的。对于宽频探头则要求Qm值小的材料。,2、 探头的基本结构 探头种类繁多，性能各异。但基本结构包括以下四部分： （1） 换能器 它是探头的功能件，具有发射和
12、接收超声波的功能。完成电声能量之间的相互转换，所以称为换能器。 （2）壳体 它的功能是支撑、屏蔽、密封和保护换能器。探头种类不同，壳体的形状和性能也不同。多元阵探头一般由上、下壳体两部分组成。穿刺探头的壳体则要求能耐受消毒液的浸泡。,（3） 电缆 它起联接作用，前端连接换能器，末端连接插头。它的可靠性直接影响探头的使用。要求口径较细、柔软和耐用。 （4）其它部分 该部分因探头类型而异。例如，机械探头包括有动力部分、位置信号检测部分和传动机构部分。,下面重点介绍探头的功能件，即换能器的基本结构。换能器由聚焦件、匹配层、压电振子和背衬块所组成，如图6-1-1所示。,图6-1-1 超声换能器结构示意
13、图,压电振子（晶片）是换能器的关键部件。根据探头的种类和用途，它制成不同的形状，有圆片形、长条形、环形、圆柱形和管形等。由于人体皮肤和压电材料的声阻抗差异比较大，为了解决它们之间的声学匹配，在晶片前方加入一层或多层的声阻抗匹配层。采用匹配层后，明显提高了换能器的性能，如提高灵敏度和展宽频带。同时，为了提高横向（或侧向）分辨力，往往在匹配层前方加入声透镜，使超声波波束有效聚焦。也有不采用声透镜而直接将晶片制成聚焦凹面或凸面，同样达到声束聚焦效果。此外，为了抑制不必要的振动和消除晶片背面的反射，减少干扰和提高纵向分辨力，往往在晶片背面敷设背衬块。,3、 探头的声场特性 探头的性能，最终从它的声场特
14、性来评价。这些特性包括：超声辐射空间响应特性；空间波束指向性函数；空间波束的方向参数；辐射场函数与孔径分布函数空间相关性。 （1）圆形换能器的声场分布和方向参数 在A型、M型和机械扇扫超声诊断仪中，所采用的是圆形平面换能器，它具有结构简单，指向性好等特点。,对一个半径为的平面活塞型换能器，由于从平面边缘和平面中心的辐射波，到达声轴上某点的程差不同而引起声波相关相干，结果在轴向近场声强出现极大值和极小值的分布状态。这种分布状态一直到远场（2/）时才消失，并呈自由衰减状态。当32/时，按球面波传播规律分布。图6-1-2是图形换能器轴向声强分布示意图。近场区（2/）内是超声能量集中的区间，声束指向性
15、较好。所以，在换能器的近场区有较好的横向分辨率。近场长度L=2/。,图6-1-2 圆形换能器轴向声强分布图,声学中常用指向性图案形象地表示换能器所产生的声场。它的极坐标图（图6-1-3）中，轴向是声压级，以方向角作轴射角。,图6-1-3 均匀平面圆形换能器的指向性图 （/=5.0）,从图中可见，在声轴方向发出声强最强的主瓣声束，而在其它方向出现若干声强较低的旁瓣。对换能器指向性能的评价，常用方向锐角、波束角和旁瓣级等方向参数来度量。在声学上，也惯用指向性因数来描述声场的指向性。它是换能器声场上主轴远处某点位置的某一频率的声压，与通过此点的同心球面上同一频率声压之比，即,当偏离主轴出现第一个D（
16、）值为0时的角度，就是方向锐角，或称半扩散角。它符合关系式：,因此，要获得窄的主瓣和好的指向性，需要提高频率和增大换能器的半径。,（2）多元阵换能器的声场分布和方向参数 多元阵换能器的声场，可以分解为单晶片换能器辐射声场的组合和迭加，数学上类似于光学中利用惠更斯原理所进行的波的迭加研究。多元阵换能器有线阵、相控阵、凸阵、环阵和面阵。同时，又分别可制成均匀、非均匀式或参差宽带阵等。它们的空间声场分布都不相同。但不管哪类换能器，都要求它发射声束的主瓣要窄、旁瓣要小、阵元间横向耦合要小。目前，高密度换能器阵元数n 可达到512阵元，甚至1024阵元。但n过大，加工十分困难或探头过大。阵元间距d要适当，过大会使旁瓣增强，影响横向分辨率和伪像增加。通常线阵换能器要求d1/2,而相控阵的要求d1/4。,4、 探头的分类 超声诊断仪的探头，按工作原理可分为两大类：脉冲回声式和多普勒式。 （1）脉冲回声式探头 此类探头由同一晶片兼作发射和接收两种功能。按它们的结构可以分为单探头、机械探头和电子探头： 1）单探头 它们都
