[课件]医用超声换能器PPT
合集下载
医用超声换能器专家讲座
f = c/λ= c/2L 称基本谐振频率，或基频。
11
第11页
前向 超声
表面位移
L 压电体
０ T/2 T
c, f
t
后向 超声
０ T/2
T 3T/2 t
收缩 膨胀 收缩
一般地，基频或更高频率在压电体内传播从一种
表面达到对面所用时间为：
t = L／c = (2n-1)T2n-1 ／2 即： L= (2n-1)λ2n-1 ／2 或： f2n-1 = 1／T2n-1 = (2n-1)c／2L 时，都能达到谐振。
当沿某些天然晶体或人造压电陶瓷材料旳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 上引起内部介质正负电荷中心相对位移，产生符号相反旳束缚电
荷。这种由机械力作用引起晶体表面电荷旳效应，称为正向压 电相应。
应力→电荷中心相对位移→晶体表面电荷效应。 若在上述晶体或压电陶瓷体表面沿着能产生压电效应旳电轴方
一般将任意角度 方位旳声压 PB ( ) 与 0 时声压 PB (0) 之比 Di 、称为声场指向性函数，其图形称为指向性图案，用 极坐标表达。
指向性图案中有一系列波束，其中辐射能量集中或接受灵 敏度最高旳波束称为主波束（主瓣），旁侧波束称为次波束 （付瓣）。指向性函数（directivity function），主瓣（main lobe）。
• 当检查旳组织或脏器位于近场范畴内，这时近场 内旳超声束平行度最高，反射界面与晶片旳垂直 性最佳，因此反射旳声强较高，失真度小。但在 近场之近晶片端，由于发射干扰等因素也许存在 盲区。探核对象与否位于近场范畴内，可根据表 2—2大体进行判断。
50
第50页
51
第51页
52
11
第11页
前向 超声
表面位移
L 压电体
０ T/2 T
c, f
t
后向 超声
０ T/2
T 3T/2 t
收缩 膨胀 收缩
一般地，基频或更高频率在压电体内传播从一种
表面达到对面所用时间为：
t = L／c = (2n-1)T2n-1 ／2 即： L= (2n-1)λ2n-1 ／2 或： f2n-1 = 1／T2n-1 = (2n-1)c／2L 时，都能达到谐振。
当沿某些天然晶体或人造压电陶瓷材料旳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 上引起内部介质正负电荷中心相对位移，产生符号相反旳束缚电
荷。这种由机械力作用引起晶体表面电荷旳效应，称为正向压 电相应。
应力→电荷中心相对位移→晶体表面电荷效应。 若在上述晶体或压电陶瓷体表面沿着能产生压电效应旳电轴方
一般将任意角度 方位旳声压 PB ( ) 与 0 时声压 PB (0) 之比 Di 、称为声场指向性函数，其图形称为指向性图案，用 极坐标表达。
指向性图案中有一系列波束，其中辐射能量集中或接受灵 敏度最高旳波束称为主波束（主瓣），旁侧波束称为次波束 （付瓣）。指向性函数（directivity function），主瓣（main lobe）。
• 当检查旳组织或脏器位于近场范畴内，这时近场 内旳超声束平行度最高，反射界面与晶片旳垂直 性最佳，因此反射旳声强较高，失真度小。但在 近场之近晶片端，由于发射干扰等因素也许存在 盲区。探核对象与否位于近场范畴内，可根据表 2—2大体进行判断。
50
第50页
51
第51页
52
7-8课时换能器34页PPT
医 用超声诊断 仪
五、 医用超声诊断换能器基本结构 换能器基本结构一般分三类
基本 单元 换能 器
基本 多元 换能 器
基本 聚焦 换能 器
医 用超声诊断 仪
单元压电换能器
主体部为功能部分
接收人体的 发射超声波
超声回波
作用于人体
外壳就是换 能器与超声 仪器主机连 接部分
医用B型的换能器为收发合一，发射超声能 量在 20mw/cm2 以下
一、换能器的功能
医 用超声诊断 仪
超声成像首先是要产生超声波信号和 接收超声波信号，完成这个任务的器 件就是超声换能器，常称为超声探头 （简称探头）。
医 用超声诊断 仪
将高频电能转换成 机械振荡的超声波 声能，形成超声场
向人体被测部位定 向辐射，同时又将 被测部位产生的各 种反射和散射回波 声能转变成可检测 的电能信号。
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。
医 用超声诊断 仪
压电振子的的等效电路
压电 振子
被覆激励电 极的压电体
可逆的机电换能系统
正压效应和逆压效应
电路
机械
两个系统组成的机电耦合系统
以压电振子的等效电路来分析处理力、声、电 综合系统变为简单化，所以压电振子的的等效 电路是设计制造超声换能器的主要方法。
诊断超声换能器既是超声诊断仪器的电/ 声转换的超声波发射传感器件，是声/电 转换的超声波接收传感器件
医 用超声诊断 仪
双 发射超声波
向
功
能
接收超声波
声、电 可逆变 换器件
是 医用超声诊断仪成像的重要部件
医 用超声诊断 仪
二、压电效应
1880 年法国物理学家居里兄弟将砝码分别放在 石英等晶体上，用静电计测量这些晶体表面， 发现晶体表面电荷与所加砝码的重量成正比。 居里兄弟进行试验又证明存在逆压电效应。
医用超声设备ppt课件
可编辑版课件
7
3.1 A型超声波诊断仪
A型超声诊断仪是1947年出现的幅度调制式的仪 器，我国于1958年开始生产。A超的同步电路产生几 百Hz到2KHz的正负电脉冲，使发射电路产生持续 1.5~5μs的高频电脉冲。探头在高频电脉冲的激励下， 产生超声振动，发射超声波。超声波在人体内传播， 遇到不同组织的界面时，产生反射波—回波。探头 接收反射波后，将其转换成电脉冲，进入接收电路， 再通过检波和放大等电路，送到示波器的垂直偏转 板上，而示波器的水平偏转板上加载的是时基锯齿 波，即扫描电压。因此，示波器的荧光屏上的横坐 标代表超声波的传播时间，一般以13.33μs为一大格； 而纵坐标显示的是回波的幅度与形状。
可编辑版课件
20
腔内超声可以避开胸腹壁、肺组织和 肠道内气体等结构对成像的干扰，近距离 观察器官和组织。最新的血管内超声技术 是将小型超声换能器安装于心导管顶端， 在血管内发射并接收高频超声信号，进行 血管成像，对冠状动脉病变进行研究。近 期推出的心腔内超声的探头管体纤细柔软， 可经周围静脉插入右心系统，并且发射频 率高，图像清晰，时相和方位分辨力很好， 对观察心内结构和活动情况及辅助穿刺定 位等有较高价值。
在探头长度一定的情况下，图像的质量主 要决定于阵元的数量。阵元的数量越多，垂直 扫描线就越多，图像就越清晰，有的探头可包 括256个小探头。
可编辑版课件
22
电子直线扫描 电子直线扫描原理框图
可编辑版课件
23
4. 电子扇形扫描
（电子相控阵扇形扫描）
如果对探头各阵元加 上依次延迟一定时间的激 励脉冲，则各阵元所产生 的脉冲也相应延迟，这样， 总的叠加波束方向出现相 位改变而产生扇形图像。 此种探头体积小，无噪声 和振动，寿命比较长，但 价格相对较高 。
医学超声学课件第3章
和下居里温度临界点，范围越宽越好。
3.1.4 压电体参数
1、机械品质因数Qm Qm决定换能器通频带。 Qm越大，通频带越窄。 Qm与机械损耗成反比。 Qm越大，机械损耗越小，能量衰 减越慢。 谐振时压电体贮存的机械能
Qm = 2π 压电体谐振时每周期损耗的机械能
2、机电耦合系数kt kt是表示压电体中机械能和电能之间相互转化的程度。 kt无量纲，最大值为1，当=0时，无压电效应。 在一个有E、D、T和S的压电体线性系统中，单位体积所具 有的能量Eo由弹性能Ea、压电能Eb及介电能Ec三部分组成。即： Eo=Ea+Eb+Ec 机电耦合系数kt可写为：
压电材料的特性与压电效应 压电振子 医用超声换能器的种类与结构 超声换能器的声场特性 超声换能器重要性能的测定
Chapter 3
Transducers for Medical Purpose
医学超声诊断与治疗设备中的最重要部件之一 是超声波发射与接收换能器。对于超声设备而言， 大多数采用声电换能器来实现。 声电换能器按工作原理分为电场式与磁场式。
T
C0
三、压电振子的谐振特性
• • • • • fm：最小阻抗频率，亦称最大传输频率或最大导纳频率。 fn：最大阻抗频率，亦称最小传输频率和最小导纳频率。 fr：压电振子谐振频率，在fm附近。 fa：压电振子反谐振频率，在fn附近。 1 串联谐振频率 fs =
2π lmCm
1 2π Lm ( CmCo ) Cm + Co fp =
二.
压电振子的等效电路 两种等效方法：力电类比等效电路法和波动传输法。 实用中，采用力电类比等效电路法。 Lm Cm RT C0:静态电容力质量； RT:辐射电阻，又被称为动态电阻。RT=Rm+RL
第三章 医用超声换能器
医用超声换能器应用超声波进行诊断时，首先要解决的问题是如何发射和接收超声波，通过使用超声换能器可以解决这个问题。
目前医学超声设备大多采用声电换能器来实现超声波的发射与接收。
声电换能器按工作原理分为两大类，即电场式和磁场式。
电场式中，利用电场所产生的各种力效应来实现声电能量的相互转换，其内部储能元件是电容，它又分为压电式、电致伸缩式、电容式。
磁场式中，是借助磁场的力效应实现声电能量的互相转换，内部储能元件是电感，它又分为电动式、电磁式、磁致伸缩式。
在医学超声工程中，使用的最多的是压电式超声换能器。
§3.1 压电效应与压电材料特性一、压电效应压电效应是法国物理学家Pierre Curie 和Jacqnes Curie 兄弟于1880年发现的。
图3-1 压电效应示意图对某些单晶体或多晶体电介质，如石英晶体、陶瓷、高分子聚合材料等，当沿着一定方向对其施加机械力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的两个对应表面上便产生符号相反的等量电荷，并且电荷密度与机械力大小成比例；而且当外力取消后，电荷也消失，又重新恢复不带电状态，这种现象称为正压电效应，如图3-1。
当作用力的方向改变时，电荷的极性也随着改变。
相反，当在电介质的极化方向上施加电场(加电压)作用时，这些电介质晶体会在一定的晶轴方向产生机械变形；外加电场消失，变形也随之消失，这种现象称为逆压电效应(电致伸缩)。
如果在电介质的两面外加交变电场时，电介质产生压缩及伸张，即产生振动，此振动加到弹性介质上，介质亦将振动，产生机械波。
如外加交变电场频率高于20KHz，则这种波即是超声波。
超声接收换能器采用了正压电效应，将来自人体中的声压转变为电压。
超声波发射换能器采用了逆压电效应，将电压转变为声压，并向人体发射。
压电效应是可逆的，压电材料既具有正压电效应，又具有逆压电效应。
医学超声设备中，常采用同一压电换能器作为发射和接收探头，但发射与接收必须分时工作。
《部分超声换能器》课件
1
小型化设计
微型超声换能器采用小型化设计，适用于体积有限的医疗和工业设备。
2
快速响应
微型超声换能器响应速度快，适用于高速成像和检测任务。
3
医学应用
微型超声换能器被应用于内窥镜、微创手术和移动医疗设备等领域。
《部分超声换能器》PPT 课件
这份《部分超声换能器》PPT课件将带你深入了解超声换能器的各个方面， 从介绍超声换能器的原理和应用，到讨论不同类型的超声换能器，以及它们 在各个领域的应用场景。
超声换能器介绍
超声换能器是一种将电能转化为超声波能量的装置。它在医学、工业和科学研究中扮演着重要角色，可以用于 成像、测量、检测和治疗等领域。
环形超声换能器具有较高的灵敏度和辐射范围，适用于大范围的成像和检测任务。
2 医学应用
环形超声换能器广泛应用于医学成像领域，如超声脑电图和乳腺超声等。
3 工业应用
环形超声换能器也被用于工业检测和材料分析等领域。
线性阵列超声换能器
线性阵列超声换能器由多个压电元件组成，可实现多通道成像和检测。
多通道成像
线性阵列超声换能器的多通道设 计可同时获取多个声束的信号， 从而实现高分辨率成像。
医学应用
线性阵列超声换能器被广泛应用 于医学诊断中，如超声心脏图和 超声肾脏图等。
工业应用
线性阵列超声换能器也被应用于 工业无损检测和材料分析等领域。
二维阵列超声换能器
二维阵列超声换能器由多行多列的压电元件组成，可实现三维成像和检测。
原理
应用
Innovations
超声波是通过压电材料产生的， 当施加电压时，压电材料会振动， 从而产生超声波。
超声换能器广泛应用于医疗成像、 非破坏检测、气体流量测量等领 域。
超声波发声器和换能器简介PPT课件
可编辑课件
12
发生器与换能器的匹配
超声波发生器与换能器匹配包括两个方面：
• 一是通过匹配使发生器向换能器输出额定的电功 率，这是由于发生器需要一个最佳的负载才能输 出额定功率所致，把换能器的阻抗变换成最佳负 载，也即阻抗变换作用。
• 二是通过匹配使发生器输出效率最高，这是由于 换能器有静电抗的原因，造成工作频率上的输出 电压和电流有一定相位差，从而使输出功率得不 到期望的最大输出，使发生器输出效率降低，因 此在发生器输出端并上或串上一个相反的抗，使 发生器负载为纯电阻，也即调谐作用。
超声波发生器
超声波发生器实质上是一个功 率发生器，它产生一定频率的正弦 信号，通过电缆联结线传导给换能 器，换能器再将超声波发生器提供 的电信号转换为机械振动。
可编辑课件
1
• 超声波发生器是一种用于产生并向超声换 能器提供超声能量使之工作于谐振频率的 装置，根据其激励方式可分为两种：一种 是他激式，一种是自激式。
可编辑课件
13
感谢亲观看此幻灯片，此课件部分内容来源于网络， 如有侵权请及时联系我们删除，谢谢配合！
可编辑课件
9
电路设计是设计中重要的一部分，发生 器逆变电源部分的电路以及主电路开关器 件的选择不同，需要有不同的逆变器主电 路、驱动电路、采样电路、启动电路、保 护电路的具体设计方案应该具有如下功能：
1 良好的匹配电路，能保证发生器提供给换 能器足够的电功率，并使电功率最有效率 的转换为声能。
2 频率自适应功能。因为换能器自身的机械 谐振频率对负载改变、发热以及其它外界 影响较为敏感，它们的变化会引起换能器 谐振频率变化，导致系统的振动失谐、振 幅降低。
可编辑课件
11
3 功率自适应功能。在工作过程中，隶望输 出功率能自动随着负载的变化而变化，比 较理想的状态是发生器的输出电压一定， 输出功率在空载时最小，当负载增加时输 出功率也随之增加，这样有利于超声设备 的工作，这可以通过分析超声换能器的负 载特性，选择合适的谐振频率点来实现； 另外也可以采用斩波电路，通过改变开关 管的占空比来控制输入到逆变电路的电压， 使占空比随着负载变大而变大，输出功率 便能保持恒定，当发生故障时还可将开关 管关闭。
超声波仪构造和分类医学PPT教案
35
二、Ｍ型超声诊断仪
将沿声束方向各反射点位移随时间变化而显示， 是一种以光点亮度来表示反射声信号强弱的仪 器。
2021/6/5
成时有器 多加用， 参上，如Ｍ 数心常心型 超电与脏对 声图Ｂ、探 心、型胎查 动多联心人 仪普合的体 。勒使搏内
等用动的 ，，特运 制同别动
36
Ｍ型超声基本原理
将回波强度加到显示器的控制极上作辉 度调制，代表深度的时基线加到垂直偏转 板上，而在水平偏转板上加一慢变化的时 间扫描电压，使深度的时基线以慢速沿Ｘ 方向移动，故静止目标的显示像是一条水 平亮迹，摆动着的单Ｍ型显像为一正弦曲 线。
将立体图象以投影图或透视图表现在平
面上的显示方式，可从各个角度来观察该立
体目标。
二丰而采电
维富构集子
超 声 成 像 的 不 足 。
的 三 维 空 间 信 息 ， 以 弥 补
成 三 维 图 像 ， 能 提 供 更 加
的 二 维 图 像 信 息 重 建 ， 从
计 算 机 将 一 系 列 一 定 规 律
三 维 超 声 成 像 技 术 是 利 用
同步触发脉冲信号，分别触发发射电路与扫描
发生器中的时基扫描电路。
其下限应不小于探测目标 运动波形最高频率的２倍，而 其上限则取决于声波对人体的 最大探查深度所需的时间。
选触超 择发声 必脉脉 须冲冲 满的重 足重复 如复频 下频率 要率决 求，定 ：其于
2021/6/5
20
重复频率越高，显示器图象越亮。
构频于 及宽晶 发还片 射决的
2021/6/5
22
(三)高频信号放大电路
换能器发出脉冲波后，即接收其来自人体内
的超声回波并将它转换为高频电信号，继而通
第3章 医用超声换能器与探头
第3章 医用超声换能器与探头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，它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以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，所以探头又称作超声换能器。
其原理来自于晶体的压电效应。
§3.1压电效应压电效应泛指晶体处于弹性介质中所具有的一种声-电可逆特性，此现象为法国物理学者居里兄弟于1880年所发现，故也称居里效应（图3-7）。
图3-1晶体的压电效应具有压电效应性质的晶体，称为压电晶体。
目前常用于超声探头的晶体片有锆酸铅、钛酸钡、石英、硫酸锂等人工或天然晶体。
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。
3.1.1正压电效应在晶体或陶瓷的一定方向上，加上机械力使其发生形变，晶体或陶瓷的两个受力面上，产生符号相反的电荷；形变方向相反，电荷的极性随之变换，电荷密度同外施机械力成正比，这种因机械力作用而激起表面电荷的效应，称为正压电效应，如图3-7(a)。
3.1.2逆压电效应在晶体或陶瓷表面沿着电场方向施加电压，在电场作用下引起晶体或陶瓷几何形状应变，电压方向改变，应变方向亦随之改变，形变与电场电压成比例，这种因电场作用而诱发的形变效应，称为逆压电效应，如图3-7(b)。
一般情况下，压电效应是线性的，然而，当电场过强或压力很大时，就会出现非线性关系。
晶体和陶瓷片因切割方位和几何尺寸的不同，产生机械振动的固有频率也不同，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；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。
§3.2压电换能器的特性压电换能器的特性参量很多，现只简单介绍以下3种。
医学超声原理 第八讲 超声换能器
器处于发射状态时，将电能转换成机械能，再转 换成声能。
用来接收声波的换能器称为接收器。当换 能器处于接收状态时，将声能变成机械能，再转 换成电能。
有些情况下，换能器既可以用作发射器，又 可以用作接收器，即所谓的收发两用型换能器。
一、超声换能器介绍
工作原理：
通常换能器都有一个电的储能元件和一个机械振动 系统。当换能器用作发射器时，从激励电源的输出级送 来的电振荡信号将引起换能器中电储能元件中电场或磁 场的变化，这种电场或磁场的变化通过某种效应对换能 器的机械振动系统产生一个推动力，推动与换能器机械 振动系统相接触的介质发生振动，向介质中辐射声波。
电子聚焦示意图
三、医学超声换能器结构
现以前者为例加以说明。 如图3.10所示，激励脉冲经延迟 线后激发压电材料，两边延迟时间值最小并对称、然后由两边 到中央逐渐对称地变大，中央延迟线的延迟时间值最大。因此 仿于两边的压电品片最早振动，然后依次振动，位于中央最迟 振动。这样形成的圆形波阵面，其圆心就是焦点。
二、医学超声换能器种类
单元换能器
1.按振子单元数分
多元换能器
线 阵 相控阵 方 阵
凸 阵
2.按声束特性分
聚焦换能器
一维聚焦 二维聚焦
电子聚焦 声学聚焦 电子聚焦 声学聚焦
非聚焦换能器
二、医学超声换能器种类
发射型换能器 3.按收发方式分 接收型换能器
收发兼用型换能器
圆形换能器
环形换能器
Lf=1.8λ(f/a)2 ； 其中，λ为声波波长，a为聚焦系统孔径的一半 ，f为系统焦距。
三、医学超声换能器结构
c)声反射镜 如图3-31,3-32所示的平行声束经楔形 声反射镜反射到抛物面声透镜，然后经抛物面聚焦 在它的焦点。
用来接收声波的换能器称为接收器。当换 能器处于接收状态时，将声能变成机械能，再转 换成电能。
有些情况下，换能器既可以用作发射器，又 可以用作接收器，即所谓的收发两用型换能器。
一、超声换能器介绍
工作原理：
通常换能器都有一个电的储能元件和一个机械振动 系统。当换能器用作发射器时，从激励电源的输出级送 来的电振荡信号将引起换能器中电储能元件中电场或磁 场的变化，这种电场或磁场的变化通过某种效应对换能 器的机械振动系统产生一个推动力，推动与换能器机械 振动系统相接触的介质发生振动，向介质中辐射声波。
电子聚焦示意图
三、医学超声换能器结构
现以前者为例加以说明。 如图3.10所示，激励脉冲经延迟 线后激发压电材料，两边延迟时间值最小并对称、然后由两边 到中央逐渐对称地变大，中央延迟线的延迟时间值最大。因此 仿于两边的压电品片最早振动，然后依次振动，位于中央最迟 振动。这样形成的圆形波阵面，其圆心就是焦点。
二、医学超声换能器种类
单元换能器
1.按振子单元数分
多元换能器
线 阵 相控阵 方 阵
凸 阵
2.按声束特性分
聚焦换能器
一维聚焦 二维聚焦
电子聚焦 声学聚焦 电子聚焦 声学聚焦
非聚焦换能器
二、医学超声换能器种类
发射型换能器 3.按收发方式分 接收型换能器
收发兼用型换能器
圆形换能器
环形换能器
Lf=1.8λ(f/a)2 ； 其中，λ为声波波长，a为聚焦系统孔径的一半 ，f为系统焦距。
三、医学超声换能器结构
c)声反射镜 如图3-31,3-32所示的平行声束经楔形 声反射镜反射到抛物面声透镜，然后经抛物面聚焦 在它的焦点。
最新[医学]超声学课件 第三章幻灯片课件
![最新[医学]超声学课件 第三章幻灯片课件](https://img.taocdn.com/s3/m/c3ffd8fc0066f5335a8121ff.png)
躁。
电子线阵超声探头
开关控制器 阻尼垫衬 换能器阵列 匹配层 声透镜 外壳
电子凸阵超声探头
凸阵探头的结构原理与线 阵探头相类似，只是振元 排列成凸形；
但相同振元结构凸形探头 的视野要比线阵探头大。
电子凸阵超声探头
由于其探查视场为扇形，故对某些声窗较小的 脏器的探查比线阵探头更为优越；
比如检测骨下脏器，有二氧化碳和空气障碍的 部位更能显现其特点;
但凸形探头波束扫描远程扩散，必须给予线插 补，否则因线密度低将使影像清晰度变差。
相控阵超声探头
固定聚焦探头 多阵元相控阵探头
2.2 超声换能器的结构
单阵元和多阵元换能器 声聚焦和电子聚焦换能器 一维和二维换能器 数字和模拟波束生成器
诊断部位和应用方式 探头中换能器所用振元数目 声束特性 波束控制方式 探头的几何形状
诊断部位分类：
• 眼科探头 • 心脏探头 • 腹部探头 • 颅脑探头 • 腔内探头 • 儿童探头
波束控制方式分类：
•线扫探头 •相控阵探头 •机械扇扫探头 •方阵探头
几何形状分类
•矩形探头 •柱形探头 •弧形探头(凸形) •圆形探头 •柱形探头
很明显，沿声束方向，聚焦深度不能均 匀分段。离换能器表面越近，设置的聚 焦焦点越密集。
超声波束处理技术--- 电子聚焦
一、线列阵电子聚焦 2. 电子聚焦原理及其延时公式
超声波束处理技术--- 电子聚焦
设阵元中心间距为d，换能器孔径为D， 聚焦点离换能器表面距离p，聚焦焦距为 F，传播介质中声速为c。
[医学]超声学课件 第三 章
什么是超声换能器
医学诊断上所使用的超声波频率一般为 0.5MHz～15MHz，多是由压电晶体一类 的材料制成的超声探头产生的。
电子线阵超声探头
开关控制器 阻尼垫衬 换能器阵列 匹配层 声透镜 外壳
电子凸阵超声探头
凸阵探头的结构原理与线 阵探头相类似，只是振元 排列成凸形；
但相同振元结构凸形探头 的视野要比线阵探头大。
电子凸阵超声探头
由于其探查视场为扇形，故对某些声窗较小的 脏器的探查比线阵探头更为优越；
比如检测骨下脏器，有二氧化碳和空气障碍的 部位更能显现其特点;
但凸形探头波束扫描远程扩散，必须给予线插 补，否则因线密度低将使影像清晰度变差。
相控阵超声探头
固定聚焦探头 多阵元相控阵探头
2.2 超声换能器的结构
单阵元和多阵元换能器 声聚焦和电子聚焦换能器 一维和二维换能器 数字和模拟波束生成器
诊断部位和应用方式 探头中换能器所用振元数目 声束特性 波束控制方式 探头的几何形状
诊断部位分类：
• 眼科探头 • 心脏探头 • 腹部探头 • 颅脑探头 • 腔内探头 • 儿童探头
波束控制方式分类：
•线扫探头 •相控阵探头 •机械扇扫探头 •方阵探头
几何形状分类
•矩形探头 •柱形探头 •弧形探头(凸形) •圆形探头 •柱形探头
很明显，沿声束方向，聚焦深度不能均 匀分段。离换能器表面越近，设置的聚 焦焦点越密集。
超声波束处理技术--- 电子聚焦
一、线列阵电子聚焦 2. 电子聚焦原理及其延时公式
超声波束处理技术--- 电子聚焦
设阵元中心间距为d，换能器孔径为D， 聚焦点离换能器表面距离p，聚焦焦距为 F，传播介质中声速为c。
[医学]超声学课件 第三 章
什么是超声换能器
医学诊断上所使用的超声波频率一般为 0.5MHz～15MHz，多是由压电晶体一类 的材料制成的超声探头产生的。
超声医用探头PPT课件
聚焦和延时
t
探头
t
目标物
t
图象的形成过程
TX RX
通道
通道与阵 元切换
延时处理及波束合成 逻辑控制及信号处理
阵元
发射
接收
重复周期
各种探头（换能器）
凸阵探头
线阵探头
相控阵探头
穿刺探头
腔内探头
术中探头
四、医用超声探头的分类
超声探头
脉冲回波式
多普勒式
超声探头的结构、型式，和外加激励脉冲参数、工作和聚焦方式等 条件，对其发射的超声束形状有很大关系，对超声诊断仪的性能、功能、 质量也有很大关系．而换能器阵元材料对超声束形状关系不大；但对其发 射和接收的压电效率、声压、声强及成像质量关系较大．
三、医用超声探头基本结构
壳体
换能器
超声探头
电缆
其他部分
同轴电缆 至 超 声 接 收 装 置
外壳
压电晶体
匹配层
吸声材料
电极
声透镜
同轴电缆
外壳
压电晶体
匹配层
至
超
声
接
收 装
吸声材料
电极
声透镜
置
尼匹支根制联装人产配撑据成为结置体生层，探 吸凸换，皮正。屏头声透能以肤压蔽的块镜器缩和电，种，或和短压效密类作凹主振电应封和用透机动材和和用是镜。周料负保途将，期的压护制向其。声电换成后作超特效能圆辐用声性应器片射是的阻。。或的将振抗长声换动差条能能周异形几器期较图乎发由大片全出晶，。部的体为其吸波和解谐收束阻决振 掉聚尼他频，焦材们率以，料之由消以决间其除提定的厚后高，声度向超它学决干声影匹定扰诊像配，。断成，厚它仪像在度同的的晶越时分轴片小也辨向前谐是力分方振晶。辨需频体力加率振。一越动层高的或。阻多层
超声的发射与接收 ppt课件
PPT课件
12
当超声振源线径远远大于波长时，超声波 集中成一束，并以θ角扩散。
近场：靠近振源，瞬时声压与质点振速不同相。
远场：远离振源，瞬时声压与质点振速同相。
PPT课件13来自PPT课件14
PPT课件
15
PPT课件
16
离开
PPT课件
17
PPT课件
18
腹部探头
浅表探头
心脏探头
（凸阵扫描convex） （线阵扫描linear） （扇形扫描sector）
➢ 体表探头
线阵，凸阵，扇形
➢ 腔内探头
经直肠探头，经阴道探头，
经食道探头
➢ 术中探头
心内超声导管 ，手术中探头
，腹腔镜探头
PPT课件
5
发生和接收超声功能部分。由压电晶片、 面材及背材组成。
PPT课件
6
面材：保护层。防止压电元件磨损、氧化等。选用衰减小、 高耐磨和柔顺型好的材料。声阻抗应接近人体组织声阻抗。
PPT课件
1
超声波属于机械波，由物体机械振动产生。 目前医学上产生和接收超声的器件通常采 用压电晶体作为换能器。
压电晶体：单晶体（石英、电气石等）
单晶体材料（硫酸锂、铌酸锂等）
超声诊断仪器中，广泛使用压电陶瓷。
PPT课件
2
定义：机械能与电能相互转换的物理现象。压电晶体在 交变电场作用下导致厚度的交替改变从而产生声振动， 发出超声波脉冲。
压电晶片：压电振子。关键元件，决定探头电能、声能转 换的能力。晶片越薄，频率越高。
PPT课件
7
背材：阻尼吸声块。吸收背向辐射的声能。最好全部吸收 并衰减掉。
声隔离：在压电晶片、吸声块和壳体之间加软木、橡皮等 材料进行声隔离，以消除震动耦合对超声能量辐射的影响。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
医用超声换能器
第一节
一、压电效应
1. 正向压电效应
压电换能器
++++++
------
材料两端加压力→两电极产生电场 压力 →形变→晶格电偶极矩变化→电荷积累→电场 2. 逆向压电效应
++++++
-----材料两端加电压→材料产生形变 电压→电场→晶格电偶极受力→应力→形变 材料正、逆向压电效应可逆
L=λ/2
时，压电体内传播时间
t = L/c = (λ/2)/c = (cT/2)/c = T/2
即：到达对面时，与相移180o的对面振动叠加，达到同 频同相叠加，辐射超声最强，即为谐振情况。对应频率
f = c/λ= c/2L
称基本谐振频率，或基频。
前向
超声
表面位移
０ T/2 T
L
压电体
c, f
超声
（3）组成
环氧树脂 + 钨粉 + 橡胶粉
空气背衬，几乎全反射，效率最高，用于超声治疗仪。
3．匹配层
（1）作用 ① 使晶体辐射的超声有效进入人体，实现对人体组 织的检查。换能器和人体之间声阻抗匹配，条件：
Z Z Z , l ( 2 n 1 ) ／ 4 匹 匹 匹 晶 皮
② 增加换能器的带宽 ③ 隔开晶体和人体，保护晶体，免受机械、化学 损坏；保护人体，免受激励电压的伤害。
t
后向
T/2 T 3T/2 t ０ 收缩 膨胀 收缩
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： t = L／c = (2n-1)T2n-1 ／2 (n=1,2,…) 即： L= (2n-1)λ2n-1 ／2 或： f2n-1 = 1／T2n-1 = (2n-1)c／2L 时，都能达到谐振。 f1—基频， f 3，f5，f7…—高次谐振频率， f1L＝c／2——材料的频率常数
３．探头的发射频率
超声诊断中常根据不同的受检对象和部位选 择不同的探头，如2 MHz、2.5 MHz、5 MHz、 10 MHz等，探头的发射频率是由什么决定的呢？
当一交变电压加至压电材料上时，压电晶片表面产 生相应的振动，并向与之接触的介质中辐射超声能量。 除非特性阻抗相等，一般总有部分超声能量被压电晶片 前后表面反射，在压电体内传向对面。因为前后表面振 动反相，当
（4） 特性
① 晶片厚度确定发射超声的频率 ② 晶片形状确定声束的形状和声场分布
2．吸声背块
（1）作用
பைடு நூலகம்
① 吸收晶体背向辐射的超声，减少或消除晶体两端 之间超声的多次反射造成的干扰 ② 增大晶片阻尼，使发射脉冲窄，从而提高分辨率 （2） 要求
① 与压电晶体的声阻抗相等，以全部吸收背向辐射 ② 对超声的吸收力强，很快衰减，不再反射
（2）要求 ① 衰减系数低 ② 耐磨损 （3）材料 环氧树脂、二酊脂、乙二氨等
4．电极、导线
（1） 作用 传输电信号
（2） 结构
晶体两面的银层为电极，各引出一根导线
5．声隔离层
（1） 作用 壳体与振动体之间声隔离，防止超声传至外壳引起 反射，产生干扰 （2） 材料 软木、橡胶、尼龙等
结论
探头的发射频率是由晶体的厚度决定的。
第三节
探头的结构及其作用
超声探头——超声检测用换能器
各种超声诊断仪，探头基本结构 大致相同，以Ａ型为例。
一、探头的基本结构
① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦ 压电晶片 吸声背块 匹配层 电极、导线 声隔离层 保护层 外壳
（2） 作用 发射、接收超声，即：电－声、声－电转换 （3） 要求 ① ② ③ ④ 可加工性 银层牢固 各部分性能一致性 性能稳定性和可靠性
第一节
一、压电效应
1. 正向压电效应
压电换能器
++++++
------
材料两端加压力→两电极产生电场 压力 →形变→晶格电偶极矩变化→电荷积累→电场 2. 逆向压电效应
++++++
-----材料两端加电压→材料产生形变 电压→电场→晶格电偶极受力→应力→形变 材料正、逆向压电效应可逆
L=λ/2
时，压电体内传播时间
t = L/c = (λ/2)/c = (cT/2)/c = T/2
即：到达对面时，与相移180o的对面振动叠加，达到同 频同相叠加，辐射超声最强，即为谐振情况。对应频率
f = c/λ= c/2L
称基本谐振频率，或基频。
前向
超声
表面位移
０ T/2 T
L
压电体
c, f
超声
（3）组成
环氧树脂 + 钨粉 + 橡胶粉
空气背衬，几乎全反射，效率最高，用于超声治疗仪。
3．匹配层
（1）作用 ① 使晶体辐射的超声有效进入人体，实现对人体组 织的检查。换能器和人体之间声阻抗匹配，条件：
Z Z Z , l ( 2 n 1 ) ／ 4 匹 匹 匹 晶 皮
② 增加换能器的带宽 ③ 隔开晶体和人体，保护晶体，免受机械、化学 损坏；保护人体，免受激励电压的伤害。
t
后向
T/2 T 3T/2 t ０ 收缩 膨胀 收缩
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： t = L／c = (2n-1)T2n-1 ／2 (n=1,2,…) 即： L= (2n-1)λ2n-1 ／2 或： f2n-1 = 1／T2n-1 = (2n-1)c／2L 时，都能达到谐振。 f1—基频， f 3，f5，f7…—高次谐振频率， f1L＝c／2——材料的频率常数
３．探头的发射频率
超声诊断中常根据不同的受检对象和部位选 择不同的探头，如2 MHz、2.5 MHz、5 MHz、 10 MHz等，探头的发射频率是由什么决定的呢？
当一交变电压加至压电材料上时，压电晶片表面产 生相应的振动，并向与之接触的介质中辐射超声能量。 除非特性阻抗相等，一般总有部分超声能量被压电晶片 前后表面反射，在压电体内传向对面。因为前后表面振 动反相，当
（4） 特性
① 晶片厚度确定发射超声的频率 ② 晶片形状确定声束的形状和声场分布
2．吸声背块
（1）作用
பைடு நூலகம்
① 吸收晶体背向辐射的超声，减少或消除晶体两端 之间超声的多次反射造成的干扰 ② 增大晶片阻尼，使发射脉冲窄，从而提高分辨率 （2） 要求
① 与压电晶体的声阻抗相等，以全部吸收背向辐射 ② 对超声的吸收力强，很快衰减，不再反射
（2）要求 ① 衰减系数低 ② 耐磨损 （3）材料 环氧树脂、二酊脂、乙二氨等
4．电极、导线
（1） 作用 传输电信号
（2） 结构
晶体两面的银层为电极，各引出一根导线
5．声隔离层
（1） 作用 壳体与振动体之间声隔离，防止超声传至外壳引起 反射，产生干扰 （2） 材料 软木、橡胶、尼龙等
结论
探头的发射频率是由晶体的厚度决定的。
第三节
探头的结构及其作用
超声探头——超声检测用换能器
各种超声诊断仪，探头基本结构 大致相同，以Ａ型为例。
一、探头的基本结构
① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦ 压电晶片 吸声背块 匹配层 电极、导线 声隔离层 保护层 外壳
（2） 作用 发射、接收超声，即：电－声、声－电转换 （3） 要求 ① ② ③ ④ 可加工性 银层牢固 各部分性能一致性 性能稳定性和可靠性