医用超声探头浅析

医用超声探头浅析

概 论

超声探头是医用超声仪器的心脏。不管何种超声诊断仪 ,A 型、B 型、或M 型,其探头结构大致相同,主要都是由换能器（压电材料，又称压电晶体、压电振子）组成，并将换能器安放在由塑胶包裹的探头腔中。

以A超探头为例说明探头的基本结构：

① 压电晶片/换能器，作用主要是在

发射时将电信号转换成超声波，在接收时将

超声波转换成电信号。

② 吸声背块，作用是吸收晶体背向

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；增大晶片阻尼，使

发射脉冲窄，从而提高分辨率。

③ 匹配层，主要作用是使晶体辐射

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。

④ 电极、导线，用于传到电信号。

⑤ 声隔离层，位于壳体与振动体之

图0-1，医用超声探头结构

间声，防止超声传至外壳引起反射产生干扰。

⑥ 保护层和外壳，主要用于保护仪器。

压电晶体利用了正向压电效应和逆向压电效应来完成声--电的转换。医用压电材料种类繁多，如压电单晶体（石英、酒石酸钾钠、磷酸二氢铵、铌酸钾、硫酸锂等）、

压电多晶体（钛酸钡、偏铌酸铅、锆钛酸铅、铌镁-锆-钛酸铅等）、压电高分子聚合物（聚偏二氟乙烯等）、复合压电材料（聚偏二氟乙烯+锆钛酸铅复合（PVDF+PZT）等）。

各类压电材料特性不尽相同，但是都能满足特定的需求，在医用超声仪器中应用广泛。

由于压电材料的特性千差万别，导致超声探头的参数、特性也差异很大。对于不同的医用场合，要选用不同的探头完成操作。因此，对超声探头的参数、特性的研究显得极为重要。

本文结合具体应用场合和具体机型，来说明医用超声仪器探头特性参数的选取。

一、 医用超声探头的分类

超声探头的性能优劣，直接影响了成像的质量。超声探头通常是从以下几个方面进行分类：

(1) 按波束控制方式 :线扫探头、相控阵探头、机械扇扫(包括单元式 、多元切换式和

环阵)探头等；

(2) 按探头中换能器所用振元（压电晶体）数目:单元探头和多元探头；

(3) 按探头的几何形状 :矩形探头 、弧形探头 (凸形探头)、柱形探头、圆形探头等；

(4) 按诊断部位 :心脏探头、腹部探头、眼科探头、颅脑探头等；

(5) 按应用方式 :体外探头、体内探头、穿刺活检探头。

为了便于联系实际临床应用，本文根据具体应用中的主流类型将超声探头分类如下： 机械扇扫探头、凸阵探头、平面线阵探头和相控阵探头。具体分类原因将在下一部分给出。

二、 各类医用超声探头对比

探头的发射频率是探头最重要的特性参数之一，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晶体的厚度决定的。而晶片形状则确定了声束的形状和声场分布等重要特性。

机械扇扫探头全称机械扇形扫描探头，早期通用于腹部和心脏超声检查，现几乎仅用于眼科A/B 超。

这种探头手持柄部为圆柱形，接触人体的部分为半球形。为表示其内换能器扫描方向，往往将球冠两侧切成较浅的平台。因有电机机械驱动，会有不同程度的震动感和噪声。端部为一用透声塑料制成的充油腔体，其内为一个或多个（不超过三个）单元式超声换能器；柄内为驱动机构。采用一个单元式换能器时，系由电机驱动其作机

械摆动，使声束扫描而成平面，从而实现超声波束对耦合位置下

方组织、器官的发射和接收，采集、处理回波信号，并以图像形

式显示扫描平面内的生理结构。采用三个单元式换能器时，则由

电机驱动绕轴旋转，轮流发射-接收超声波，其声线更均匀，但造

价更高，故很少采用。图像为稍有缺损的扇形，缺损表现为无“扇

轴”部分。目前最高档的机械扇扫探头是环阵，其晶片被切割成若

干同心圆，按照阵列方式工作实现多点聚焦，因制造复杂、价格

较贵且已有更先进探头，故很少使用。

机械扇扫探头出现之初，由于其较高的性价比而曾大行天下，在上个世纪的超声仪器中使用的非常多，目前只在眼科以及一些便携式仪器中使用。比如EMP-200便携式机械扇扫B 超，该款超声仪器只能用于B 超，可达3.5MHz 进行扇形扫描，横向分辨率为2mm ，纵向分辨率为1mm ，探测深度>=160mm ，因而可以用于妇产科。

平面线阵在凸阵出现之前，是腹部检查的主力，频率大多为3.5MHz ；凸阵出现并成为腹部检查主力后，主要用于小器官和表浅组织检查，频率一般在5MHz~7.5MHz(甚至9MHz)。这种探头的外形几乎均为长方形，其长边为辐射面(晶片)长边方向。与人体耦合的一面为其核心部分，表层为声透镜，向里依次为匹配层(几乎均为两层)、压电晶片、背衬，壳内大多有前放电路，外壳为塑料铸塑，内有电屏蔽层。压电晶片不是整片，而是被切割成数十至数百个小窄条，称为阵元，阵元间以吸声较强的橡胶相隔。在普通的一维探头中，沿晶片短边方向不作切割；但在1.25、1.5、1.75维探头中，沿晶片短边方向也切成若干条，也有电子聚焦。工作方式通常以多个(一般是10个)阵元为一组发射和接收超声波束，通过递推错位组合和电子开关切换，实现声束沿晶片长边方向的

扫描，利用人眼的“视觉暂留”特性，看似所有阵元都在发射

和接收，由声线构成扫描平面，故称平面线阵。得到的图像

均为矩形，其中显示的是耦合位置下方组织和器官的解剖结

构。

迈瑞DP-6600全数字便携式超声诊断仪有一个电子线阵

的可选探头--7.5MHz 75L38EA ，探测深度为2.59 – 11.6cm ，显 示控制中的零位移动为±8级。

凸阵的大R(晶片曲率半径)通常在30mm 以上，用于腹部检查；小R(10~20mm ，医生们多称微凸)用于心脏检查。

凸阵的辐射面(与人体的耦合面)为向外凸出的弧形，从表层

声透镜至内部结构均与线阵相同，差别仅在晶片形状。工作方

式与线阵相同。因阵元呈弧形分布，致使图像成为扇形，目的

在扩大中远区视野。该扇形的特征是“无扇骨部分，只有扇面”。

迈瑞DP-6600全数字便携式超声诊断仪四个探头之中有三

个都是凸阵。分别为发射中心频率为3.5MHz 的35C50EA ，其探测深度范围为 5.17 – 24.6cm, 显示控制中零位移动±15 级；发

射中心频率为6.5MHz 的65EC10EA ，其探测深度 2.59 – 11.6cm, 显示控制中零位移动±8级；发射中心频率为3.5MHz 的35C20EA ，其探测深度为 5.17 – 24.6cm, 显示控制中零位移动±15级。通过配备不同特性的探头，以及各探头具有的可选多焦点（可选1个、最多4个焦点），使得这款小巧的仪器在使用上具有很高的灵活性，可以用于心脏、腹部、产科、妇科、小器官、泌尿系统等全身检查。探头参数可以调节的参数如下：