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1、第第三三章章 医用超声换能器医用超声换能器功能：功能：电能量电能量超声能量相互转换超声能量相互转换重要性：重要性：整台超声仪器性能的关键整台超声仪器性能的关键材料性能种类：材料性能种类：压电换能器压电换能器超声诊断仪主要用之超声诊断仪主要用之磁致伸缩换能器磁致伸缩换能器超声治疗仪用之超声治疗仪用之12 2（ 1） 压压 电电 效效 应应 （ piezoelectric effect） ， 压压 电电 现现 象象（piezoelectricity） ，压电晶体，压电晶体（piezoelectrical crystal）：l当沿某些天然晶体或人造压电陶瓷材料的一定方向施加外部应当沿某些天然晶体或人
2、造压电陶瓷材料的一定方向施加外部应力（拉力或压力）使材料发生形变时，则会在物体两个受力界面力（拉力或压力）使材料发生形变时，则会在物体两个受力界面上引起内部介质正负电荷中心相对位移，产生符号相反的束缚电上引起内部介质正负电荷中心相对位移，产生符号相反的束缚电荷荷。这这种种由由机机械械力力作作用用引引起起晶晶体体表表面面电电荷荷的的效效应应，称称为为正正向向压压电相应。电相应。应力应力电荷中心相对位移电荷中心相对位移晶体表面电荷效应。晶体表面电荷效应。l若若在在上上述述晶晶体体或或压压电电陶陶瓷瓷体体表表面面沿沿着着能能产产生生压压电电效效应应的的电电轴轴方方向向施施加加电电压压，则则由由于于电
3、电场场作作用用也也会会引引起起电电介介质质内内部部电电荷荷中中心心产产生生位位移移，并并由由这这一一极极化化位位移移又又导导致致物物体体的的几几何何形形变变。这这种种由由电电场场力力作作用用而而引引起起电电介介质质几几何何应应变变的的压压电电效效应应，称称为为逆逆向向压压电电效应。效应。电压电压电荷中心相对位移电荷中心相对位移晶体几何形变。晶体几何形变。3第一节压电换能器的基本特性第一节压电换能器的基本特性一压电效应一压电效应1.正向压电效应：正向压电效应：材料两端加材料两端加压力压力两电极产生两电极产生电场电场物理本质：物理本质：压力压力形变形变晶格电偶极矩变化晶格电偶极矩变化电荷积累电荷积
4、累电场电场2.逆向压电效应逆向压电效应材料两端加材料两端加电压电压材料产生材料产生形变形变物理本质：物理本质：电压电压电场电场晶格电偶极受力晶格电偶极受力应力应力形变形变v材料正、逆向压电效应可逆材料正、逆向压电效应可逆+ + + + + +- - - - - -+ + + + + +- - - - - -4压电效应示意图压电效应示意图5l横向压电效应横向压电效应:形变方向和电场方向垂直。l纵向压电效应纵向压电效应:形变方向和电场方向一致l电致伸缩效应电致伸缩效应:所有电介质在电场中都要受到拉伸作用，由于静电力的作用而伸长或压缩的现象称电致伸缩效应6换能器如何利用压电效应完成：电能电能量量超声
5、能量的超声能量的相互转换相互转换7二二二二 . .医用压电材料医用压电材料医用压电材料医用压电材料1.压电材料：具有压电效应特性的材料（压电材料：具有压电效应特性的材料（非晶方性非晶方性）。）。2.压电材料的种类：压电材料的种类：1)压电单晶体：压电单晶体：石英，酒石酸钾钠，磷酸二氢铵，铌酸钾，硫酸锂等石英，酒石酸钾钠，磷酸二氢铵，铌酸钾，硫酸锂等2)压电多晶体（也称压电多晶体（也称压电陶瓷压电陶瓷）：）：钛酸钡，偏铌酸铅，锆钛酸铅，铌镁钛酸钡，偏铌酸铅，锆钛酸铅，铌镁-锆锆-钛酸铅等钛酸铅等3)压电高分子聚合物：压电高分子聚合物：聚偏二氟乙烯等聚偏二氟乙烯等4)复合压电材料：复合压电材料：聚
6、偏二氟乙烯聚偏二氟乙烯+锆钛酸铅复合锆钛酸铅复合(PVDF+PZT)等等893.压电特性的获得：压电特性的获得：单晶体：某些方向本身固有压电效应单晶体：某些方向本身固有压电效应选定切割选定切割多晶体：材料加热到居里点温度（压电效应消失，各种多晶体：材料加热到居里点温度（压电效应消失，各种材料不同）材料不同），然后在强电场中冷却，然后在强电场中冷却极化。极化。居里点：石英居里点：石英=550oc，锆钛酸铅，锆钛酸铅=330oc，钛酸钡，钛酸钡=120oc4.各类压电材料的优缺点：各类压电材料的优缺点：1)压电陶瓷：压电陶瓷：电声转换效率高；易于电路匹配；性能稳定；电声转换效率高；易于电路匹配；性
7、能稳定；价廉，易加工。但频率受限；脆；物性受温度影响。价廉，易加工。但频率受限；脆；物性受温度影响。2)石英晶体：石英晶体：电容小，频率高；机械性能好。但昂贵；加工不便。电容小，频率高；机械性能好。但昂贵；加工不便。3)高分子压电聚合材料：高分子压电聚合材料：接收灵敏，效率高，易匹配，机械性能好。接收灵敏，效率高，易匹配，机械性能好。10探头的发射频率探头的发射频率超声波的产生超声波的产生超声频率交变电压超声频率交变电压压电体超声振动压电体超声振动发射超声发射超声谐振的条件谐振的条件一般前后表面总有部分超声被反射，在压电体内传一般前后表面总有部分超声被反射，在压电体内传向对面。因为向对面。因为
8、前后表面振动反相前后表面振动反相，当，当L=/2时，压电体内传播时间时，压电体内传播时间t=L/c=(/2)/c=(cT/2)/c=T/2即：到达对面时，与相移即：到达对面时，与相移180o的对面振动叠加，达到同的对面振动叠加，达到同频同相叠加，辐射超声最强。此为谐振情况。对应频率频同相叠加，辐射超声最强。此为谐振情况。对应频率f=c/=c/2L称基本谐振频率，或基频。称基本谐振频率，或基频。11T/2TTttT/2L收缩膨胀收缩表面位移c, f前向后向压电体超声超声3T/2 一般地，基频或更高频率在压电体内传播从一个一般地，基频或更高频率在压电体内传播从一个表面到达对面所用时间为：表面到达对
9、面所用时间为：t=Lc=(2n-1)T2n-12(n=1,2,)即：即：L=(2n-1)2n-12或：或：f2n-1=1T2n-1=(2n-1)c2L时，都能达到谐振。时，都能达到谐振。f1基频，基频，f3，f5，f7高次谐振频率。高次谐振频率。f1Lc2材料的频率常数材料的频率常数12 超声换能器主要特性n n一.使用特性n n二.声学特性1313一、使用特性n n使用特性实际上是探头与仪器配合使用的综合性能。14141、探头的工作频率n n指探头中的换能器与仪器连接后，实际辐射超声波的频率。n n对于收发兼用的医用超声探头来说，工作频率通常并不等于换能器的发射频率或接收频率，这是因为工作频
10、率还受信号源内阻的影响。15152、频带宽度n n指换能器的工作频率响应范围。16163.灵敏度n n换能器与超声诊断仪配合使用时，在最大探测深度上可发现最小病灶的检测能力，他主要与换能器的换能特性有关，辐射效率高、接受灵敏度高的换能器，探测灵敏度就高。17174.探测分辨率n n超声在不同界面阻抗差内传播将产生反射，而人体组织的阻抗间，两者相差很大，在其界面处容易产生反射，并影响分辨率。n n分辨率分为：n n1）纵深分辨率：与脉冲宽度有关n n2）横向分辨率：与声束直径有关1818n n1）纵向分辨率n n指能被声波分辨为前后两点的最小间距。n n其高低与声波发射脉冲的宽度（即持续时间）有
11、关。1919n n2）横向分辨率n n指与声束相垂直的直线上，能在荧光屏上被分别显示为左右两点的最小距离。n n该距离大小与声束之宽窄以及发射声束的数量有密切相关，发射声束的数量越多，横向分辨率越好，反之则较差。2020二.声学特性n n1.阻抗特性n n2.频率特性n n3.换能特性n n4.暂态特性n n5.辐射特性n n6.吸收特性21211.阻抗特性n n换能器工作在有负载的情况，压电振子的两个端面都和某种媒质声阻抗相接触。n n一个端面与被测媒质（例如人体组织）接触，另一端面可能又与其他媒质（如被衬吸收块）接触。2222原理n n1.当振子加上一个交变电压时，在端面处产生一个相应的交
12、变力，对被检测物质发射超声波，这时换能器处于发射状态。n n2.当振子端面有一交变力的作用时，则在振子上产生交变电压，这时换能器又处于接收状态。23232.频率特性n n包括：n n（1）阻抗频率特性n n（2）辐射频率特性2424n n（1）阻抗频率特性n n指换能器阻抗随频率变化的的特性。指换能器阻抗随频率变化的的特性。n n（2）辐射频率特性n n指换能器辐射状态的频率特性。指换能器辐射状态的频率特性。n n在电脉冲激励下换能器的工作频率受信号源内阻在电脉冲激励下换能器的工作频率受信号源内阻的影响，为了稳定换能器的辐射频率，可以加电的影响，为了稳定换能器的辐射频率，可以加电感匹配，使匹配
13、电感与静态电容谐振在某一特定感匹配，使匹配电感与静态电容谐振在某一特定工作频率上。工作频率上。25253.换能特性n n指换能器发射和接收状态的能量指换能器发射和接收状态的能量转转换特性。换特性。n n理论上，换能器的电声、声电能量转换是等效和理论上，换能器的电声、声电能量转换是等效和可逆的。可逆的。n n换能特性包括两方面：换能特性包括两方面：n n1 1）发射方面）发射方面n n电能电能-机械能机械能-超声能超声能n n2 2）接收方面）接收方面n n超声能超声能-机械能机械能-电能电能26264.暂态特性n n指换能器对脉冲响应的随动能力。指换能器对脉冲响应的随动能力。n n超超声声诊诊
14、断断仪仪所所采采用用的的压压电电换换能能器器大大部部分分都都是是工工作作在在脉脉冲冲状状态，即工作在暂态条件。态，即工作在暂态条件。n n暂态特性的研究基本内容暂态特性的研究基本内容：n n换换能能器器的的的的某某些些因因素素对对脉脉冲冲信信号号响响应应的的关关系系，利利用用换换能能器器的的暂暂态态特特性性，可可确确定定其其Q Q值值，而而换换能能器器被被敲敲击击后后的的自自由由振振动周期是与动周期是与Q Q值密切相关。值密切相关。n n超超超超声声声声脉脉脉脉冲冲冲冲越越越越窄窄窄窄，响响响响应应应应占占占占据据据据的的的的频频频频谱谱谱谱就就就就越越越越宽宽宽宽，对对对对换换换换能能能能器
15、器器器暂暂暂暂态态态态特特特特性的要求也就越严格。性的要求也就越严格。性的要求也就越严格。性的要求也就越严格。27275.辐射特性n n换能器的辐射特性主要是描述辐射声场在空间的分布状态，如声压在不同的距离和方位上的分布情况。2828292-2 医用超声换能器医用超声换能器声声波波辐辐射射器器反反向向压压电电效效应应(电电能能声声能能，高高频频电电流流机械振动机械振动)声声波波检检测测器器正正向向压压电电效效应应(声声能能电电能能，声声波波振振动动高频电流高频电流)超超声声场场：超超声声能能量量作作用用的的弹弹性性介介质质空空间间称称为为超超声声场场。了了解解超超声声场场在在一一定定区区域域的
16、的空空间间分分布布状状态态，对对于于超超声声诊诊断断仪的设计和应用无疑都是十分重要的。仪的设计和应用无疑都是十分重要的。第二节换能器的超声场第二节换能器的超声场30l根据惠更斯弗涅尔原理，对于单个振子，当它的尺寸极小时，可以将它看成是一个子波声源(点声源)，它所产生的声场是没有指向性的球面波，如图18所示。l如果根源尺寸不足够小，则可以将其辐射面上的每一点看成是一个子波声源，由于各个子波叠加的结果，其声场区域就具有指向性。l以两个点声源所产生的声场为例，由于两个子波叠加的结果将具有指向性函数；注意！注意！3132一、 超声辐射声场特性（描述声压、声强在空间的分布状态）超声辐射声场特性（描述声压
17、、声强在空间的分布状态）（1）指向性：）指向性：通常将任意角度通常将任意角度方位的声压方位的声压与与时声压时声压之比之比、称为声场指向性函数，其图形称为指向性图案，用、称为声场指向性函数，其图形称为指向性图案，用极坐标表示。极坐标表示。指向性图案中有一系列波束，其中辐射能量集中或接收灵指向性图案中有一系列波束，其中辐射能量集中或接收灵敏度最高的波束称为主波束（敏度最高的波束称为主波束（主瓣主瓣），旁侧波束称为次波束），旁侧波束称为次波束（付瓣）。指向性函数（付瓣）。指向性函数（directivity function），主瓣主瓣（main lobe）。33（2）近场与远场特性：）近场与远场特性
18、：物理上，近场指声源在自由场（可忽略边界影响的无限大均物理上，近场指声源在自由场（可忽略边界影响的无限大均匀各向同性媒质中的声场）辐射时，靠近声源的声场，匀各向同性媒质中的声场）辐射时，靠近声源的声场，其瞬时声其瞬时声压和质点振动速度不同相位。压和质点振动速度不同相位。在近场区，由于声波相互干涉和衍射的结果，沿传播方向各在近场区，由于声波相互干涉和衍射的结果，沿传播方向各点声能（声压或声强）会时而出现极大或极小，同时在垂直传播点声能（声压或声强）会时而出现极大或极小，同时在垂直传播方向上也可能出现声能微弱变化，即近场衍射现象。方向上也可能出现声能微弱变化，即近场衍射现象。近场区声束近场区声束基
19、本不扩散。基本不扩散。远场指自由辐射时，远离声源部分的声场，其远场指自由辐射时，远离声源部分的声场，其瞬时声压和质瞬时声压和质点振速同相位。点振速同相位。远场区声压不均匀性减弱，对圆盘振子，远场为圆锥体，远场区声压不均匀性减弱，对圆盘振子，远场为圆锥体，声声束开始扩散，声压随距离增加而单调衰减，近似球面波扩散。束开始扩散，声压随距离增加而单调衰减，近似球面波扩散。34圆形单晶片作为声源时产生的超声场l由于处于发射状态的圆形晶片相当于一个往复振动的活塞，所以常称为圆形活塞振源， 是超声诊断中常用的也是最基本的换能器，人们期望振源能发出一束均匀的超声波人们期望振源能发出一束均匀的超声波。l在计算和
20、分析圆形活塞声源辐射的超声时，假设：把圆形活塞声源看成是无限个小声源组成对每个小声源，都在 立体角的半空间辐射对称球面波对于该圆形声源声场中的某点的声压看成是每个小声源辐射到此点处的声压的叠加。35超声场：超声场：弹性介质中充满超声能量的空间。或超声传播时超弹性介质中充满超声能量的空间。或超声传播时超声能量在介质中的空间分布。声能量在介质中的空间分布。平面圆片换能器活塞振动的稳态超声场：平面圆片换能器活塞振动的稳态超声场：活塞振动活塞振动平面振动平面振动稳态超声场稳态超声场不考虑不考虑建立过程的稳定超声场建立过程的稳定超声场r,极坐标极坐标z声轴方向声轴方向a圆片半径圆片半径B(r,)zra3
21、61、声场中心轴线上的声压37383940p4142434445y17等时，等时，Dc=0,即声能限制在一个瓣内。其物理意义是这些数值相应的即声能限制在一个瓣内。其物理意义是这些数值相应的角方角方向上没有辐射声波，图向上没有辐射声波，图2-11可看出这种状况，主瓣要比辐瓣的声压强得多。可看出这种状况，主瓣要比辐瓣的声压强得多。46 对于Dc=0的第一点，即贝赛尔函数的第一个根 时，相应的角度 称为半扩散角，其值： （2-19） 此式称为主瓣指向角的Franbofer公式，常用来求主声束半扩散角。如Ka非常小，以至Dc对所有的 值几乎都为1，即圆片成点声源。对方性晶片，理论计算证明，半扩散角上式
22、d为方片的边长，方晶片的面d2，所以和方晶片直径相当的圆形晶片的直径D为：473、关于近场和远场的简略结论在式（2-14） ，而在（2-19）中 可看出，超声f越高，即波长越小，a越大，近场长度L越大，同时半扩散角越小。这表示超声的声束性好，方向性显著。 4849当检查的组织或脏器位于近场范围内，这时近场内的超声束平行度最高，反射界面与晶片的垂直性最好，因此反射的声强较高，失真度小。但在近场之近晶片端，由于发射干扰等原因可能存在盲区。探查对象是否位于近场范围内，可根据表22大致进行判断。505152533曲面换能器直接发射系统 把压电晶片做成凹面形，直接由它辐射出超声波也能产生聚焦。如图2-1
23、8所示。这种探头称为聚焦型探头或自聚焦发射器。它的聚焦原理与声透镜聚焦系统类似。54超声探头的分类555656575859第第三三节探头的结构及其作用节探头的结构及其作用v超超声声探探头头超超声声检检测测用用换换能器能器v各各种种超超声声诊诊断断仪仪，探探头头基基本本结构相同，以型为例。结构相同，以型为例。一探头的基本结构一探头的基本结构压电晶片压电晶片吸声背块吸声背块匹配层（匹配层（保护层保护层）电极、导线电极、导线声隔离层声隔离层外壳外壳60压电晶片压电晶片晶片晶片形状：圆片形、矩形、形状：圆片形、矩形、球壳圆片形、圆筒形球壳圆片形、圆筒形61作用：作用：发射、接收超声发射、接收超声，即：
24、电声、声电转换；，即：电声、声电转换；要求：要求：可加工性；可加工性；银层牢固；银层牢固；各部分性能一致性；各部分性能一致性；性能稳定性和可靠性。性能稳定性和可靠性。特性：特性：晶片厚度确定发射超声的频率晶片厚度确定发射超声的频率；晶片形状确定声束的形状和声场分布。晶片形状确定声束的形状和声场分布。622吸声背块吸声背块作用：作用：吸收晶体背向辐射的超声吸收晶体背向辐射的超声。增大晶片阻尼，使发射脉冲窄，从而提高分辨率。增大晶片阻尼，使发射脉冲窄，从而提高分辨率。要求：要求：与压电晶体的声阻抗相等，以全部吸收背向辐射。与压电晶体的声阻抗相等，以全部吸收背向辐射。对超声的吸收力强，很快衰减，不再
25、反射。对超声的吸收力强，很快衰减，不再反射。组成：组成：环氧树脂环氧树脂+钨粉钨粉+橡胶粉橡胶粉v空气背衬，几乎全反射，效率最高，用于超声治疗仪。空气背衬，几乎全反射，效率最高，用于超声治疗仪。633匹配层匹配层作用：作用：换能器和人体之间声阻抗匹配；条件：换能器和人体之间声阻抗匹配；条件：增加换能器的带宽增加换能器的带宽；隔开晶体和人体，隔开晶体和人体，保护晶体，免受机械、化学的损坏；保护晶体，免受机械、化学的损坏；保护人体，免受激励电压的伤害。保护人体，免受激励电压的伤害。要求：要求：衰减系数低；衰减系数低；耐磨损。耐磨损。材料：材料：环氧树脂、二酊脂、乙二氨等。环氧树脂、二酊脂、乙二氨等
26、。644电极、导线电极、导线 作用：作用：传输电信号传输电信号。结构：结构：晶体两面的银层为电极，各引出一根导线。晶体两面的银层为电极，各引出一根导线。5声隔离层声隔离层作用：作用：壳体与振动体之间声隔离壳体与振动体之间声隔离，防止超声传至外壳引起，防止超声传至外壳引起反射，产生干扰。反射，产生干扰。材料：材料：软木、橡胶、尼龙等。软木、橡胶、尼龙等。65二单片换能器的基本型式二单片换能器的基本型式1非聚焦换能器非聚焦换能器换能元件：平面圆片压电陶瓷，换能元件：平面圆片压电陶瓷，工作模式：厚度振动。工作模式：厚度振动。2聚焦换能器（声学聚焦）聚焦换能器（声学聚焦）球面（曲面）压电体聚焦球面（曲
27、面）压电体聚焦声透镜聚焦声透镜聚焦凹透镜凹透镜c透透c人人（金属、多数塑料）（金属、多数塑料）凸透镜凸透镜c透透c人人，1,22663. 单片聚焦换能器结构设计单片聚焦换能器结构设计6768三、探头使用注意事项三、探头使用注意事项 严守使用规定。严守使用规定。小心轻放，不得摔跌。小心轻放，不得摔跌。关电源拆装。关电源拆装。避免接触有机溶剂。避免接触有机溶剂。保护透声面。保护透声面。使用无腐蚀性的耦合剂。使用无腐蚀性的耦合剂。非水密探头不能浸水使用。非水密探头不能浸水使用。不得高温消毒。不得高温消毒。用前检查。用前检查。用后清洁。用后清洁。69机械扇形扫描探头70主要用于B超，最初扫描线数少、角
28、度小、笨重、噪声大角度小、磨损严重 直流马达驱动整个机械传动装置带动压电振子摆动，位置电位器检测振子瞬间取向，产生位置信号。旋转变压器作为角度检测器，测角精度和使用寿命有了改善；振元摆幅大，探测视野大。7172共同缺点噪声大，寿命短减小了体积和重量，减小了传动误差，扫面线更均匀。73电子线阵超声探头74线阵探头和凸形探头7576电子直线扫描原理框图电子直线扫描原理框图7778相控阵超声探头794. 电子扇形扫描（电子相控阵扇形扫描） 80矩阵探头矩阵探头矩阵探头是近几年出现的多平面超声探头，其外观如图13-15所示，主要应用于实时三主要应用于实时三维超声成像维超声成像。其换能器是由一块矩形压电
29、晶体，用激光切割成数千个小的振元排列而成81B型型 声像图显示方式声像图显示方式声声像像图图回回波波强强度度（亮亮度度影影像像）随随深深度度（Y）和和扫扫描描位位置置（X）的的变化图像。变化图像。B超的升级换代：超的升级换代： 第一代第一代单探头单探头 、手动或机械式慢扫描；、手动或机械式慢扫描； 第二代第二代单探头单探头 、快速扇形机械扫描；、快速扇形机械扫描； 第三代第三代多元阵探头多元阵探头 、高速实时电子线阵、相控阵扫描；、高速实时电子线阵、相控阵扫描； 第第四四代代在在第第三三代代技技术术基基础础上上增增加加微微处处理理技技术术（DSP,TGC,冻冻结，翻转，参数计算等）。结，翻转，参数计算等）。 82本章小结习题1.描述换能器的作用和工作原理2.列举常见压电材料的种类3.S、T、D、E在压电参数中各表示什么？并列出压电方程。4.写出圆形晶片近场长度，半扩散角表达式5.超声探头的聚焦方式有哪些？6.分析当探头不动，接收者远离探头运动时，推导探头接收到的回波频率和探头发射频率之间的关系7.描述柱型探头的组成，及主要部分的作用及要求8.列举常见的超声探头种类9.凸阵探头相对线阵探头有什么优越性？83
