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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