超声医用探头

压电材料主要物理参数
①频率常数 fc=fs·d 压称电为陶频瓷率片常的数谐fc 。振由频于率每（种fs材）料和制其成厚的度晶的片乘，积都是有一一个个常特数， 定d↓的→频fs率↑。常高数频，晶所片以因fs 此由需d决要定做。的即很d薄↑→，所fs ↓以；机反械之强，度小， 脆性大，加工过程中易碎，成本高。 fs为压电陶瓷片谐振频率，d为其厚度，它们成反比关系。
一、压电效应
超声探头的核心是压电晶体或复合压电材料。早期用 于超声探头的换能器是具有压电效应的晶体，采用高分子 聚合物压电材料作为换能器，它具有频率带宽、低阻抗、 柔软易加工的特点。当前探头已开始采用陶瓷与高分子聚 合物合成的复合材料。
压电晶体
+
-
-
+
+
-
自然界中存在着某些特殊晶体， 当受到外力的作用产生形变时， 会在晶体表面产生电荷的聚集 而形成电压，这种效应叫做压 电效应，这种晶体叫压电晶体。
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脉冲回波式探头
经腔内探头
它通过相应的体腔，避开肺气、肠胃气和骨组织，以接 近被检的深部组织，提高可检查性和分辨力。目前已有经 直肠探头、经尿道探头、经阴道探头、经食管探头、胃镜 探头和腹腔镜探头。这些探头有机械式、线控式或凸阵式； 有不同的扇形角；有单平面式和多平面式。其频率都比较 高，一般在6MHz左右。近年还发展了口径小于2mm、频 率在30MHz以上的经血管探头。
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源自文库
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连续波发射晶片与接收晶片分隔方式
脉冲波多普勒探头
结构一般与脉冲回波式探头相同，采用单压 晶片，具有匹配层和吸收块。
梅花形探头
其结构为中心只有一只发射晶片，周围有六只接收晶片，排梅花 状，用于检查胎儿，获取胎儿心率。
梅花形探头晶片分布图
超声探头
讨论：如何区别不同电子探头?
⑤晶体的温度效应：当晶体本身的温度超过某一数值时，晶 体内部的电偶极子可在晶体内部迁移，从而使该晶体不再 具有压电效应。此温度点称为居里温度。不同晶体的居里 温度不同，PZT的居里温度为328~385℃，这主要取决于 制造工艺。
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
外壳
至 超 声 接 收 装 置
不完整的晶格结构, 多种结
完美的晶格结构, 晶粒一致，
晶，随机排列晶粒，最大
100%极化排列
70%偶极子极化排列
(８００倍放大)
PZT陶瓷
纯净波晶体
不完整的晶格结构, 多种结 晶，随机排列晶粒，最大
70%偶极子极化排列
完美的晶格结构, 晶粒一致，
(８００倍放大)
100%极化排列
传统的 PZT 材料
术中探头
它是在手术过程中用来显示体内结构及手术器械位置的， 属于高频探头，频率在7MHz左右，具有体积小，分辨力高 的特点。它有机械扫描式、凸阵式和线控式三种。
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脉冲回波式探头
穿刺探头
它通过相应的体腔，避开肺气、肠胃气和骨组织，以接 近被检的深部组织，提高可检查性和分辨力。目前已有经 直肠探头、经尿道探头、经阴道探头、经食管探头、胃镜 探头和腹腔镜探头。这些探头有机械式、线控式或凸阵式； 有不同的扇形角；有单平面式和多平面式。其频率都比较 高，一般在6MHz左右。近年还发展了口径小于2mm、频 率在30MHz以上的经血管探头。
技术限制
• 快速生成技术
• 晶体难以聚集
• 晶体形态不规则甚至缺失
• 对压电效应的反应较差
• 由于陶瓷材料的种种缺陷， 使得只有约70%的能达到 最好的极向性
纯净波单晶体技术
表现更为优越
• 利用高温和高压的全新工 业制造方法使晶体的生产 速度减慢
• 完美的晶格结构
• 良好的极向性
• 比传统的PZT陶瓷效率提 高85%
聚焦和延时
t
探头
t
目标物
t
TX RX
图象的形成过程
延时处理及波束合成
通道
逻辑控制及信号处理
通道与阵 元切换
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．
超声波的发射与接收
➢ 发射：将电脉冲（电能）转换成机械振动（声能） （逆压 电效应）
➢ 接收：将机械振动（声能）转换成电脉冲（电能）（正压 电效应）
换能器（压电晶体）
声波的发射
声波的接收
脉冲—回波系统
a
发射脉冲
b
c
接收回波
a、b、c代表在人体 组织中不同深度的反 射体
脉冲宽度
发射脉冲的重复周期
时间轴
发射与接收
＋
探头
通道延时处理
τ
τ
＋
τ
扫描线的切换
单通道发射接收 多通道发射接收
发射聚焦
延 时 控 制
通过延时，使各阵元的子波合成聚焦与焦点处的波震面， 形成的声束窄，能量集中，提高图像的横向的分辨力。
接收聚焦
∑
波束合成
延
时
∑
控
制
波束合成
通过延时，使得波束合成时各通道的信号为同一深度的 回波信号，增强回波信号同时减少通道间的相互干扰。
脉冲回波式探头
单探头
机械探头
它通常选用磨制成平面薄圆片形的压电陶瓷作为换能器。 超声聚焦通常采电用薄子 壳探球头形或碗型换能器有源聚焦和平面 薄圆片配声透镜聚焦两种方式。常用于A型、M型、机械扇
扫和脉冲多普勒术工作中方探式头的超声诊断仪中。
穿刺探头
经腔内探头
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脉冲回波式探头
机械探头 机械探头
按压电晶片数和运动方式可分为单元换能器往返摆动扫 描和多元换能器旋转切换扫描探头两类。按扫差平面特性 可分为扇形扫查、全景径向扫查和矩形平面线形扫查探头。
？
腔内探 头
线阵探头
凸阵探头
相控阵探 头
思考题：简述超声探头的作用？
超声探头同时具有发射和接收作用。将电信号加载在超声振子上引 起震荡产生超声，这就是探头的逆压电效应，也被称为探头的发射作 用；将从人体组织返回的超声回波作用在超声振子上转换成电信号， 这是探头的压电效应，也被称为探头的接收作用。
+++++++
-+++
---------
+++++++
-
-
-
+
+
+
---------
超声波发射形成
二、医用压电材料
压电晶体（振子）是超声换能器的核心部件。压电晶 体可分为天然和人造两种。石英晶体是一种天然压电料， 但价格昂贵，性能指标一致性不好。目前使用压电材料基 本上都是人造压电晶体。
医用压电材料的分类
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多普勒探头
主要利用多普勒效应测量血流参数，以及心血管疾病的诊断，亦可以用 于胎儿监护。
多普勒探头
连续多普勒探头
脉冲多普勒探头
梅花形探头
连续波多普勒探头
大多数发射晶片与接收晶片是分隔式的。为使连续 波多普勒探头具有高的灵敏度，一般都不加吸收块。 根据用途不同，连续波多普勒探头发射晶片与接收晶 片分开的方式也不同。
医用压电材料 压电陶瓷
压电单晶体
压电多晶体
压电高分子 聚合物
复合压电材料
压电陶瓷（piezoelectric ceramic）
①声-电相互转换效率高，灵敏度较高，可采用较低的激励电压 ②易于电路匹配。 ③性能稳定。 ④非水溶性，耐湿防潮，机械强度大。 ⑤价格低廉。 ⑥易于加工。
PZT陶瓷
纯净波晶体
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脉冲回波式探头
最常见
电子探头
它采用多元结构，利用电子学原理进行声束扫查。 按结构和工作原理它可分为线阵、凸阵和相控阵 探头。
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电子探头
电子探头
电子探头
线阵探头
凸阵探头
相控阵探头
电子探头
线阵探头
电子探头
凸阵探头
电子探头
相控阵探头
电子探头
新技术
聚焦效果好 同时实现面阵扫描方式
脉冲回波式探头
医学影像设备学
第七章 超声成像设备
医学工程教研室
第一节 医用超声探头
• 超声探头 （ultrasonic probe）
是超声诊断仪必不可少 的关键部位，它既能将电 信号变换为超声信号，又 能将超声信号变换为电信 号，即具有超声发射和接 受双重功能。
医用超声探头
一、压电效应 二、医用压电材料 三、医用超声探头基本结构 四、医用超声探头的分类
正压电效应 当在压电材料两端加一压力时，则在此材料的两个电极
面上将产生电荷，将机械能变成电能。这种效应称为正压 电效应。
正压电效应
机械能转换为电能
•形变产生电压 •形变消失则电压消失
+++++++
-+ ++
---------
F
F
+++++++
+ +
+
------------
F
负压电效应
当在压电将材电料能两转端换加为一机交械变能电场时，则压电材料出现 与交变电场同样• 频施率加的电压机则械产振生动形，变将电能变为机械能。这 种效应称负压电• 效消应除。外加电压则形变相应消失
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
厚它和在支根制仪联度同阻人产晶撑为据成的结越时尼体生片，凸探吸分换小也材皮正前屏透头声辨能谐是料肤压方蔽镜的块力器振晶决和电需，或种，。和频体定压效加密凹类作主率振，电应一封透和用机越动它材和层和镜用是。高的影料负或保，途将。阻像的压多 护其制向尼成声电层换作成后装像特效匹能用圆辐置的性应配器是片射，轴阻。层。将或的以向抗。换长声缩分差能条能短辨异器形几振力较发图乎动。大出片全周，的。部期为波其吸。解束谐收超决聚振掉声他焦频，的们，率以振之以由消动间提其除周的高厚后期声超度向由学声决干晶匹诊定扰体配断，。，
②发射系数和吸收系数 发射系数大的材料，它的发射效率高，适用于制成发射型 的换能器。接收系数大的材料，它的接收效率高，适用于 制成接收型的换能器。
压电材料主要物理参数
③介电常数ε：与平行板电容器相似，若晶体表面积为S，标 准电容为C0。晶体厚度为d，则有
ε=C0d/0.884S
④机电耦合系数K：它表示机械能转换电能的效率。它除了 与材料有关外，还与压电振子的形状和振动模式有关。