三、医用超声探头

第三章:医用超声探头
３.５超声波束的扫描 振元等效宽度b的加大，既使波束的近场区增 加，也使远场区的分辨力和灵敏度也得到一定程 度的改善。另外，也便于对波束的电子聚焦和多 点动态聚焦，从而改善整个探测深度范围内的分 辨力和图像清晰度。这就是对线阵探头实施多振 元组合发射的原因。 选用线阵各振元不同的工作次序和方式，会 直接影响成像质量。由于振元不同顺序的分组激 励，也就形成不同的发射束扫描。目前B超仪中 常用的扫描方式有组合顺序扫描、组合间隔扫描 和微角扫描等。
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医用超声探头:超声诊断仪借以将高频电能转换为超声机械能向外辐
射,并接收超声回波将声能转换为电能的一种声——电可逆转换器件。
3.1压电振子的基本特性：
1、压电振子的等效电路：
动态支路由下列元件串联组成：表示振子自身力阻的等效动态电阻 Rd，表示辐射力阻等效动态电阻Rm。二者相加合称动态电阻R1；动 态电感Ld和动态电容Cd。
是第几次发射、接收？ 第一次 发射哪些振元？ 1~5 接收哪些振元？ 1~5 声束中心位于何处？ 位于振元3中心 波束位移多少？
第二次
第三次 第四次 第五次 ┇
1~6
2~6 2~7 3~7 ┇
1~6
2~6 2~7 3~7 ┇
位于振元3、4中间
位于振元4中心 位于振元4、5中间 位于振元5的中心 ┇
d/2
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它主要由六部分组成：电子开 关、阻尼垫衬、多元换能器、匹 配层、声透镜和外壳。换能器阵 元数目已普遍增加到数百个。 （2）相控阵：工作时，同时激励 所有的单元，并适当地控制加到 各单元上的激励信号的相位（实 际上是控制延时）来改变超声的 发射方向。接收时，对被接收信 号也作类似的相控，形成扇形扫 描。
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3.3超声探头的分类：
按换能器所有的振子数分类：
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１、柱形单振元探头： a、结构：主要由五部分组成：压 电振子、引线、垫衬吸声材料、声 学绝缘体、外壳。 b、基本特性：特征频率、受电 激励后振动时间的长短以及体积的 大小。
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２、扫描方式： （1）线扫：换能器作横向平移，它的线距均匀，视场的横向 尺寸由换能器移动距离所限制，纵向尺度由作用距离所限制。 （2）扇扫：换能器在被检查目标的上面（直接接触型）或上 方（通过水路耦合）作摆动，它的声线不均匀，近距离处密度大， 远处疏松。这种扫描的特点是可以通过狭窄的窗孔检查待查的区 域，如通过肋骨之间的间隙检查心脏。 （3）弧向扫：它的声线分布与扇扫相反。
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３、机械扫描与电子扫描 ：
a、机械扫描： 借电机带动换能器摆 动或旋转，同时位置传感器连续地检 测换能器的瞬间取向，并产生位置信 号，使显示器的扫描线有相应的取向。 右图是一种较典型的摆动式机械扫探 头的结构示意图。其单一压电振子置 于一个盛满水的小盒中，通过齿轮和 连杆的传动，可作300角的摆动。位 置电位器用于测定驱动轴的位置变化， 从而可换算出压电振子的角度变化， 它是一种低噪声电位器。直流马达作 为驱动力源，它驱动整个机械传动装 置带动压电振子作扇扫运动。
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２、电子聚焦 原理：用一组相邻振元组合工作。
a、发射时：各振元的激励信号相位按二次曲线变化，使发射超声经空间叠 加后，合成超声波束产生会聚。 b、各振元的接收信号相位按同样变化，使接收信号经电路叠加后，接收灵 敏区域产生会聚。 改变相位二次曲线变化曲率，可以改变会聚焦距。二次曲线常为圆弧线。
是第几次发射、接收？ 第一次 第二次 第三次 发射、接收哪些振元？ 1~4 2~5 3~6 声束中心位于何处？ 振元2、3中间 振元3、4中间 振元4、5中间 d d 波束位移多大？
第四次
┇ 第n-3次
4~7
┇ （n-m+1）~n
振元5、6中间
┇ 振元（n-2）中间
d
┇ d
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２、组合间隔扫描
a、探头的工作频率：探头中的换能器与仪器联接后，实际辐射超声 波的 频率。 b、频率宽度：指换能器的工作频率响应的范围。 c、灵敏度：指探头与超声诊断仪器配合使用时，在最大探测深度上，可发现 最小病灶的能力。 d、分辨力：分辨力的高低主要与以下因素有关： Ⅰ、探头中换能器的辐射特性，若辐射特性好，则声束截面尺寸小，扩散 角小，指向性好，横向分辨力就高；辐射特性好．声束能量集中，旁瓣小， 近场区干扰小，也有利于提高分辨力。 Ⅱ、换能器的辐射面积越大，声束的扩散角越小，横向分辨力也将提高。 Ⅲ、换能器的频率响应好，距离分辨力高。 Ⅳ、换能器的机械品质因素低，也有利于纵向分辨力的提高。 Ⅴ、换能器的层间匹配的好坏，也直接影响分辨力。如果层间匹配不佳时， 超声在超声探头中来回发射，造成回波叠加，从而使纵向分辨力下降。
是第几次发射、接收？ 第一次 第二次
发射哪些振元？ 1~3 1~3
接收哪些振元？ 1~3 1~4
声束中心位于何处？ 位于振元2的中心 位于振元2~3间d/4处
波束位移多少？ d/4
第三次
第四次 第五次 ┇
1~3
1~4 2~4 ┇
2~4
2~4
位于振元2~3间d/2处
位于振元2~3间3d/4 处 位于振元3的中心 ┇
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2、压电振子的频率特性： 压电振子本身是一个弹性体，当所施加力的频率等于其固有频率 时，由于正压电效应而产生最大电信号。当所施加的电频率等于其 固有频率时，由于逆压电效应则发生机械谐振，谐振时振幅最大， 弹性能量也最大。
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3.2医用超声探头的主要特性： 1、使用特性：
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３、实时成像与非实时成像
按成像的速度将扫描方式分为实时成像（动态成像）与非实时成像（静 态成像）。 a、实时成像： 实时地显示组织与器官的图像，这对于扫描运动器官有重要意 义。例如检查心脏瓣膜或确定胎儿运动时，就要求有实时显像。一般说它的 成像帧频要在20帧/秒以上。 b、非实时成像：帧频达不到一定的要求，只能显示静止结构的图像。凡是采 用手动方式移动换能器来移动扫描声线的，或者虽是采用机械方式扫描，但 为了获得高质量（线数多）、大视场（深度大）的像，只能是静态成像。非 实时成像系统要产生一幅完整的像，必须要有相应的存贮器件和显示装置相 配合，现多用数字扫描变换器的数字贮器件。这种器件有较大的灵便性，有 图像电子放大、灰阶图像变化、左右图像翻转、屏面字符、电子标尺等功能。
d/2 d/2 d/2 ┇
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b、d/4间隔扫描 若要进一步的 提高图像的清晰度，可采用d/4间隔 扫描，如图所示。这种扫描方式与组 合顺序方式相比较，其线密度提高了 4倍，见表。因此图像质量得到进一 步的改善。其缺点是，由于每次发射 和接收振元的分组并不一定相同，因 此收发控制电路就相对复杂些。
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2、声学特性： a、频率特性：指换能器阻抗频率特性和辐射频率特性的总称。阻抗 频率特性是指换能器阻抗随频率的变化的特性。辐射频率特性指换能 器辐射状态的频率特性。 b、换能特性：指换能器发射和接收状态的能量转换特性。 c、暂态特性：指换能器对脉冲响应的随动能力。 d、辐射特性：指换能器的辐射声场在空间的分布状态，主要以指向 性和声束尺寸来进行描述。 e、吸收特性：指压电振子垫衬的吸收特性。
d/4
d/4 d/4 ┇
┇
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３.６声束的聚焦
要提高超声探测器的灵敏度和分辨力，除了对线阵探头实施多振 元组合发射之外，还需将探头发射的超声束在一定的深度范围内汇聚 收敛，使之增强波束的穿透力和回波强度。 声束聚焦通常分为两类：声学聚焦和电子聚焦。声学聚焦又分为振 元声透镜聚焦和平凸形声透镜聚焦；而电子聚焦又分为发射电子聚焦 和动态电子聚焦。到底采用何种聚焦方式，视不同的应用场合而定。 有些场合仅采用一种聚焦就满足了要求，有的场合同时用两种聚焦。 例如，线阵探头通常在短轴方向采用声学聚焦，而在长轴方向采用了 电子聚焦。 １、声学聚焦：声学聚焦与光学聚焦的基本原理相似。光学聚焦 要用透镜，声学聚焦用声透镜。声透镜是利用声波经过声速不同的介 质时会产生折射的原理而制成的聚焦元件。
另：为了进一步提高在图像切面内的分辨力，线扫阵和相控扇扫阵 中往往还采用聚焦。线阵探头结构如右图所示。
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４、直接接触式与水路耦合式 按探头与被查者的皮肤接触与否，即按耦合方式，扫描方 式可分为直接耦合式和水路耦合式两种。 1．直接接触式 超声波通过探头与人体皮肤间的胶状液体介质 耦合层直接向人体入射。它具有声程短、穿透深度可达最大的特 点。可取探头与皮肤垂直的方向，可取比较有利的角度。由于手 持探头运用的灵活性，有时可以压下皮肤，以避开一些有碍于声 传播的结构（如肋骨）。 2．水路耦合式 探头与皮肤之间用一定厚度的水或其他液体作 耦合体，与皮肤接触处有透声膜。其特点是：①探头不与皮肤直 接接触，因此换能器大小不受限制，宜采用直径较大、聚焦稍强 的换能器，以提高分辨力；②配合多元换能器，易实现简单和复 合扫描结合；③较容易实现自动化，从而获得可重复的、与操作 人员主观因素无关的图像；④容易对人体表面弯曲得厉害的部位 及直接接触不易耦合到的部位进行扫描。
要提高图像质量，必须缩小声束的线距。在讨论 组合顺序扫描时可以得到一种启发：改变振元组合方 式是否可以减小声束间的线距。下述的间隔扫描只不 过对顺序扫描的一种改进，间隔扫描又分为d/2间隔扫 描和d/4间隔扫描两种。 a、d/2间隔扫描 设总振元数为n，子振元组合分 为两组：一组为m，一组为m+1。对其分组间隔激励。 右图中，m=5，m+1=6，分组激励次序为1~5，1~6， 2~7，3~7，……。这时可见声束间距为d/2，与组合 顺序扫描相比，线数增加1倍，使生成的图像更加清晰。 其工作过程如表所示。
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b、电子扫描： 用电子方式控制多阵元换能器实现扫描。有两种不同类型的阵：一 是线形步距阵，通称线阵；另一种是线形相控阵，通称相控阵。它们的换能器都是 由排成一线的许多单元组成。线阵的长度一般为10~15cm，宽1cm左右；相控阵的 阵元数较少，长度短，约1~3cm左右。 （1）线阵：用电子开关切换多元换能器阵元，使之轮流工作。为了提高系统的 分辨力与灵敏度，实用时通常有若干个相邻的小单元同时受到激励，发射一束超声 并接收其回波，例如先由第1至12个小单元（同时受激励）发射第1个超声波束并接 收其回波，然后由第2至13个小单元发射第2个超声束并接收其回波，依次下去，即 每次舍去前面的一个单元，纳入后面的一个，发射许多平行波束，扫描目标区。
第三章:来自百度文库用超声探头
１、组合顺序扫描
如下图所示，设总振元数为n，子振 元数为m(设m=4)，则激励顺序为：1~4， 2~5，3~6，4~7……。由图可见，顺序扫 描是用电子开关顺序切换方式，将相邻m 个振元构成一个组合，接入发射/接收电路 的振子，使之分时组合轮流工作，产生合 成超声波束发射并接收。具体工作过程如 表所示。这种顺序扫描方法最简单，虽然 它也使等效孔径加大，波束变窄，分辨力 有所提高，但从表可知，此种扫描声束的 线距等于振元间距，则图像质量不高。
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３.４超声波束的聚焦、发射与控制
１、对线阵探头实施多振元组合发射的原因 线阵探头换能器中单个振元的尺寸很小，则辐射面积也就相应很小。例 如，尺寸为10mm×0.3mm×0.5mm的振元，其辐射面积仅为3mm2。振元有 效面积小，对声场特性造成极为不利的影响。 第一，辐射面积小，对超声扩散角的影响。 第二，幅射面积小，对超声近场的影响。 由上述两点可知，振元尺寸小，波束幅面积就小。幅射面积小既使扩散 角增大，又使近场区变短，从而导致分辨力和灵敏度指标的降低。为克服上 述缺点，采用多振元组合发射，就是一个很好的办法。所谓多振元组合发射， 就是将若干个矩形振元组合成一个阵，每次发射时对阵内各振元同时激励。 由于多阵元组合发射，等效于单个振元的宽度加大。振元等效宽度b的加大， 既使波束的近场区增加，也使远长区的分辨力和灵敏度也得到一定程度的改 善。另外，也便于对波束的电子聚焦和多点动态聚焦，从而改善整个探测深 度范围内的分辨力和图像清晰度。这就是对线阵探头实施多振元组合发射的 原因。