第3章——B超基本结构分析1

超声成像的换能器技术
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超声换能器——特性参量
（3）暂态特性 超声诊断仪的换能器大多工作于脉冲状态，换能器对脉冲 的响应速率称为暂态特性，这是一项重要指标。换能器的暂态 特性与其频率特性是有关系的，简言之，换能器的频谱越宽， 它的暂态特性越好，可允许的超声脉冲的宽度越窄。所描述的 脉冲宽度是指断续发射出超声的时间长度，单位是秒（s）， 它与频率（超声波每秒振动的次数）是不同的。
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超声换能器——基本结构
（2）多元超声诊断换能器 多元超声诊断换能器的基本结构为有n个小振子（称阵元） 排列成一种阵列。
超声成像的换能器技术
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超声换能器——基本结构
（3）聚焦超声诊断换能器 聚焦超声换能器可在一定深度范围内使超声束会聚收敛而 聚焦，使其超声能量集中，穿透力和回波强度增强，提高探测 灵敏度和分辨力。 聚焦分为声学聚焦和电子聚焦两种，既可采用其中一种， 也可两种同时采用。
超声成像的换能器技术
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超声换能器——基本结构
换能器基本结构一般分为三类： （1）单元压电换能器 （2）多元超声诊断换能器 （3）聚焦超声诊断换能器
超声成像的换能器技术
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超声换能器——基本结构
（1）单元压电换能器 一个单元压电换能器主要有主体和外壳两部分。 主体——功能部分， 外壳——连接部分。
超声成像的换能器技术
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超声换能器——压电材料
（4）压电复合材料 压电复合材料是有两种或多种材料复合而成的压电材料。 常见的压电复合材料为压电陶瓷和聚合物（例如聚偏氟乙烯活 环氧树脂）的两相复合材料。 这种复合材料兼具压电陶瓷和聚合物的长处，具有很好的 柔韧性和加工性能，具有较低的密度、容易和空气、水、生物 组织实现声阻抗匹配。此外，压电复合材料还具有压电常数高 的特点。压电复合材料在医疗、传感、测量等领域有着广泛的 应用。
超声成像的换能器技术
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超声换能器——特性参量
（1）频率特性 压电晶体电流随频率变化的现象，说明压电换能器晶体的 等效阻抗是一个随频率变化的量。
超声成像的换能器技术
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超声换能器——特性参量
（2）换能特性 换能器的换能特性包括两个方面:电能－机械能－超声能， 超声能－机械能－电能。 前者属于发射过程，后者属于接收过程。能量间转换必然 产生损失(产生了无益的能耗)，以转换效率来表征换能器这一 性能： 电机转换效率 = 输出的机械功率／输入的电功率 机声转换效率 = 辐射的超声功率／输入的机械功率 电声转换效率 = 辐射的超声功率／输入的电功率
F －－－－－ － ＋＋＋＋＋ 极化方向 －－－－－ ＋＋＋＋＋ ＋
超声成像的换能器技术
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超声换能器——逆压电效应
在陶瓷片上加一个与极化方向相同的电场 （1）由于电场的方向与极化强度的方向相同，所以电场的作用 使极化强度增大。这时，陶瓷片内的正负束缚电荷之间距离也 增大，即陶瓷片沿极化方向产生伸长形变（图中虚线）。 （2）如果外加电场的方向与极化强度的方向相反，则陶瓷片沿 极化方向产生缩短形变。
第三章 B超基本结构分析
目录
01 02 03 04 05 06 07 08 09 10
超声成像的换能器技术
B超成像工作原理与整机结构分析
B超发射声束的形成与扫描电路 B超接收电路的基本结构与工作原理 超声回波信号显示前处理
数字扫描变换器
超声图像数字化
TV合成与D/A变换
系统控制概述 全数字B超
超声成像的换能器技术
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超声换能器
超声换能器，又称超声探头，在医学超声仪器中完成电声 转换作用。超声诊断仪是通过探头产生入射超声波(发射波)和 接收反射超声波(回波)的，是诊断设备的重要部件。高频电能 激励探头中的晶体产生机械振动，反射超声波的机械振动又可 通过探头转换为电脉冲。也就是说探头能将电能转换成声能， 又能够将声能转换成电能，所以探头又称做超声换能器。 换能器性能状况直接关系医用超声设备性能，影响成像的 质量。使用中压电换能器在超声诊断仪中占主要地位。 其原理 来自于晶体的压电效应。
超声成像的换能器技术
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超声换能器——特性参量
（4）使用特性 一般软组织适合用2－5MHz频率的超声，对于甲状腺等 小器官的探测则要求分辨率好，宜使用5MHz以上的频率， 对于眼球的探测可用10MHz或以上的探头。 现在有的超声探头可在单个探头上发射和接收多种频率 超声波，以期适应多种用途。 有的探头采用近场使用较高频率的超声以提高分辨率， 远场使用较低的频率以期提高探查深度。
超声成像的换能器技术
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超声换能器——压电振子
晶体和陶瓷片因切割方位和几何尺寸不同，产生机械 振动的固有频率也不同。 （1）当外加的交变电压的频率与固有频率一致时，产生的 机械振动最强; （2）当外加的机械力的频率与固有频率一致时，所产生的 电荷也最多。 在超声波诊断仪中激励脉冲的频率必须与探头的固有 频率相同。
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超声换能器——压电材料
（1）压电单晶体 单晶体是原子排列规律相同，晶格位相一致的晶体。 石英单晶（水晶），按一定方向切割，具有显著压电效应 人工培养晶体，如磷酸二氢氨、硫酸锂、铌酸铅等 单晶体材料是超声换能器的最佳首选。
超声成像的换能器技术
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超声换能器——压电材料
（2）压电多晶体 多晶体是指很多具有相同排列方式但是晶格位相不一致的 很多小晶粒组成的晶体。 压电多晶体以压电陶瓷为主。首先研制出来的是钛酸钡， 1995年发展了锆钛酸铅，从而取代了钛酸铅。 多晶体压电陶瓷材料需要极化，才具有压电效应。 目前，医用超声换能器几乎都是采用锆钛酸铅材料。 钛酸钡及锆酸铅是在高温下烧结的多晶陶瓷体，把毛坯烧 结成陶瓷体后，经过适当的研磨修整，得到所需的几何尺寸， 再用高压直流电场极化后，就具有压电性质，成为换能器件。
超声成像的换能器技术
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超声换能器——类别
超声探头可以从以下不同方面来分类，它们是: ①按诊断部位分类，有眼科探头、心脏探头、腹部探头、颅脑 探头、腔内探头和儿童探头等； ②按应用方式分类，有体外探头、体内探头、穿刺活检探头； ③按探头中换能器振元数目分类，有单元探头和多元探头； ④按波束控制方式分类，有线扫探头、相控阵探头、机械扇扫 探头和方阵探头等； ⑤按探头的几何形状分类(这是一种惯用的分类方法)，有矩形探 头、柱形探头、弧形探头(又称凸形)、圆形探头等。
超声成像的换能器技术
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超声换能器——压电材料
（3）压电聚合物 早在1940年，苏联就曾发现木材具有压电性。之后又相继 在苎麻、丝竹、动物骨骼、皮肤、血管等组织中发现压电性。 1960年发现了人工合成的高分子聚合物的压电性。 1969年发现电极化后的聚偏二氟乙烯具有较强的压电性。
超声成像的换能器技术
超声成像的换能器技术
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超声换能器——压电效应
某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时， 其内部会产生极化现象，同时在它两个相对表面上出现正负 相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态， 这种现象称为正压电效应。当作用力的方向改变时，电荷的 极性也随之改变。 相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质 也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种 现象称为逆压电效应。
超声成像的换能器技术
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超声换能器——类别
通常工作中习惯使用较多的是按①、④、⑤3种方式分类。 以下仅就最常见典型探头加以介绍。
超声成像的换能器技术
超声成像的换能器技术
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超声换能器——特性参量
（4）使用特性 探头的使用特性主要有工作频率、频带宽度、灵敏度、 分辨率等。 工作频率的选择主要决定于临床诊断要求，人体各部位 对超声波的衰减很不相同，衰减系数随频率升高增加很快。 因此，对于衰减大的组织和要求探测深度大时，应选取较低 的工作频率，反之，则选取较高的工作频率。
超声成像的换能器技术
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超声换能器——正压电效应
在陶瓷片上加一个与极化方向平行的压力F： （1）陶瓷片将产生压缩形变（图中虚线），片内的正、负束缚 电荷之间的距离变小，极化强度也变小。原来吸附在电极上的 自由电荷，有一部分被释放，而出现放电荷现象。 （2）当压力撤消之后，陶瓷片恢复原状(这是一个膨胀过程)， 片内的正、负电荷之间的距离变大，极化强度也变大，电极上 又吸附一部分自由电荷而出现充电现象。
超声成像的换能器技术
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超声换能器——压电振子
压电晶体——压电体——压电振子 （1）存在自发极化，但各晶粒间自发极化方向杂乱， 各晶粒间压电效应互相抵消，宏观无极性。 （2）人工极化处理后，则宏观具有极性，有压电性， 成为压电体。 （3）压电振子指被覆有激励电极的压电体，它是构成 各种超声探头中的换能器的基本单元。一个压电换能器中 可以仅有一个压电振子，也可以有多个，每一个压点振子 都是一个可逆的机电换能系统。
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超声换能器——特性参量
（1）频率特性 如果对压电晶体施加一定值的电压，改变所加电压频率， 当电压频率为某一频率fm时，电流出现最大值Imax， 当电压频率为另一频率fn时，电流出现最小值Imin。 压电晶体电流随频率变化的现象，说明压电换能器晶体的 等效阻抗是一个随频率变化的量。如果继续增加电压的频率， 还发现有规律地出现一系列电流的波动，且波动的最大值(对应 fm1、fm2…)是依次减小的，波动的最小值(对应fn1、fn2…则 是依次增大，fm称为压电振子的最小阻抗频率(又可称为最大 传输频率)；fn称为最大阻抗频率(又可称为最小传输频率)。
－－－－－－
＋＋＋＋＋＋ 极化 方向 －－－－－－ ＋＋＋＋＋＋
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电 场 方 向
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超声换能器——压电材料
压电材料会有压电效应是因晶格内原子间特殊排列方式， 使得材料有应力场与电场耦合的效应。 根来自百度文库材料的种类，压电材料可以分成四种： 压电单晶体 压电多晶体（压电陶瓷） 压电聚合物 压电复合材料
超声成像的换能器技术
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超声换能器——压电效应
压电效应是电介质材料中一种机械能与电能互换的现象。 压电效应有两种，正压电效应及逆压电效应。 某些材料，当在其两端加一压力时，则在材料的两个电极 表面上将出现电荷的积累，这种效应称为正向压电效应。 材料的压电效应是可逆的，当在其两端加上一个电场时， 则材料将出现形变，称为逆向压电效应。
超声成像的换能器技术
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超声换能器——医学应用
医学应用中，超声波的发射是利用换能器的逆压电效应， 而超声波的接收是利用换能器的正压电效应。
超声成像的换能器技术
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超声换能器——对压电材料特性要求
①转换性能。要求具有较大压电常数。 ②机械性能。压电元件作为受力元件，希望机械强度高、 刚度大，以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率。 ③电性能。希望具有高电阻率和大介电常数，以减弱外部 分布电容的影响并获得良好的低频特性。 ④环境适应性强。温度和湿度稳定性要好，要求具有较高 的居里点，获得较宽的工作温度范围。 ⑤时间稳定性。要求压电性能不随时间变化。
超声成像的换能器技术
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超声换能器——基本结构
（3）聚焦超声诊断换能器——声学聚焦 凹面振子：压电振子制成均匀的凹面形状，凹面振子工艺 要求高，难制作。
超声成像的换能器技术
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超声换能器——基本结构
（3）聚焦超声诊断换能器——声学聚焦 声透镜：利用超声波折射原理而使声束聚焦。 透镜介质声速C1和被测介质声速C2之比大于1——凹透镜 透镜介质声速C1和被测介质声速C2之比小于1——凸透镜 通过对透镜几何尺寸和材料特性的选择，改变聚焦特性。
超声成像的换能器技术
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超声换能器——基本结构
（3）聚焦超声诊断换能器——电子聚焦 对各振元提供按二次曲线规律延时的激励，使声场区合成 波阵面呈二次曲线凹面，从而实现波束聚焦。
超声成像的换能器技术
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超声换能器——特性参量
（1）频率特性 压电换能器的晶体本身是一个弹性体，因此有固有的谐振 频率，当所施力的频率等于其固有频率时，将产生机械谐振， 由于正压电效应而产生最大电信号。 压电换能器的晶体又是压电体，当所施加电的频率和压电 晶体固有频率一致时，由于逆压电效应发生机械谐振，谐振时 振幅最大，弹性能量也最大，这时压电体获得最大形变振动， 通过介质产生超声波输出。 当所施加的力或电的频率不与晶体固有频率一致时，压电 换能器晶体产生的电信号幅度和变形振动幅度都将变小。