医用超声探头III

第3节医用超声探头

一、压电换能器

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，所以探头又称做超声换能器。其原理来自于晶体的压电效应。

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7-4）。

图7-4 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。

(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7-4（a）。

(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7-4（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。

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。

(1)频率特性压电换能器的晶体本身是一个弹性体，因此有其固有的谐振频率，当所施力的频率等于其固有频率时，它将产生机械谐振，由于正压电效应而产生最大电信号。另一方面，当所施加电的频率和压电晶体固有频率一致时，由于逆压电效应则应发生机械谐振，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。实验证明，当所施加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，可见，它们都是频率的函数。

图7-5 压电晶体的电流-频率特性

如果对压电晶体施加一定值的电压，改变所加电压的频率，回路电流或阻抗将随其变化，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。压电晶体的电流随频率而变化的现象（见图7-5），说明了压电换能器晶体的等效阻抗是一个随频率而变化的量。如果继续增加电压的频率，还可以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，而波动最小值(对应fn1、fn2…则是依次增大的，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)。

(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

因此：电声转换效率=辐射的超声功率／输入的电功率

此段未透：(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，这也是一项重要指标。换能器的暂态特性与

其频率特性是有关系的，简言之，

频率排列的图形叫做频谱。），它的暂态特性也越好，可允许的超声脉冲的宽

度越窄。在这里，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。

二、超声探头的类别

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之分（图7-6）；

②按应用方式分类，有体外探头、体内探头、穿刺活检探头之分;③按探头中换能器所用振元数目分类，又有单元探头和多元探头之说;

图7-6 应用在不同诊断部位的各类超声探头

④按波束控制方式分类，则有线扫探头、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)，则有矩形探头、柱形探头、弧形探头(又称凸形)、圆形探头等。还有其它的一些分类方法,这里不一一进行介绍。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。

图7-7 柱形单振元探头结构剖面图

1.柱形单振元探头

柱形单振元探头主要用于A超和M超，又称笔杆式探头。目前在经颅多普勒（TCD)及胎心监护仪器中亦用此探头。由于它是各型超声成像仪用探头的结构基础，特此作一介绍。

(1)结构柱形单振元探头的基本结构如图7-7所示。

它主要由5部分组成:①压电晶体，用于接收电脉冲产生机械超声振动，完成声-电和电-声转换工作。其几何形状和尺寸是根据诊断要求来设计的，上、下电极分别焊有一根引线，用来传输电信号;②垫衬吸声材料，用于衰减并吸收压电振子背向辐射的超声能量，使之不在探头中来回反射而使振子的振铃时间加长，因此要求垫衬具有较大的衰减能力，并具有与压电材料接近的声阻抗，以使

来自压电振子背向辐射的声波全部进入垫衬中并不再反射回到振子中去，吸声材料一般为环氧树脂加钨粉，或铁氧体粉加橡胶粉配合而成;③声学绝缘层，防止超声能量传至探头外壳引起反射，造成对信号的干扰;④外壳，作为探头内部材料的支承体，并固定电缆引线，壳体上通常标明该探头的型号、标称频率;⑤保护层，用以保护振子不被磨损。保护层应该选择衰减系数低并耐磨的材料，由于保护层与振子和人体组织同时接触，其声阻抗应接近人体组织的声阻，并将保护层兼做为层间插入的声阻抗渐变层，其厚度应为λ/4。

(2)基本特性超声探头作为一种传感器，其最重要的性能有:特征频率、受电激励后振动时间的长短以及其体积的大小。

探头的特征频率决定于压电晶体的厚度。给压电晶体施加电激励后，其前面和后面都会发出声能，只要周围介质的声阻抗与压电晶体不一样，部分声能就会在前后界面处反射回晶体（见②），并以声波形式在晶体内以同一速度传播。声波传至对面所需要的时间与晶体的厚度成正比，当晶体厚度恰为波长的一半时，反射应力和发射应力在每一面相互加强，压电晶体产生共振，呈现最大的位移幅度。相当于半波长厚度的频率叫压电晶体的基础共振频率。当晶体厚度与波长相等时，每一面的应力正好相反，位移幅度最小。由于任何频率下的半波长晶体的厚度决定于声波在该晶体材料中的传播速度，因此，对每一种压电材料都必须特别计算出它的半波长厚度，也就是说，不同的压电材料的半波长厚度并不相同。由于波长与频度成反比，所以压电元件的厚度与产生的频率成反比。

传感器受电激励后振动时间的长短影响超声系统的纵向分辨力。为了追求好的纵向分辨力，通常使激励电脉冲宽度尽量窄，然而由于超声探头的压电材料对电激励常呈较长时间的反应(即电脉冲结束后声振荡仍以衰减振荡方式维持一段时间),此种振铃反应会产生长超声脉冲，如不予以阻尼，就会导致分辨力减弱。为此必须在压电体后面放置特别的垫衬材料（见②），利用其吸音特性产生阻尼，使振铃反应减弱,从而缩短脉冲总长度。同时，此阻尼材料还可以吸收压电晶体后面发出的声能，否则这种能量就会在晶体中产生反射，干扰来自被检介质中的回声。阻尼强的垫衬使换能器的声脉冲时间缩短，但也使灵敏度降低;阻尼弱则有损于分辨力，却使换能器有较佳的灵敏度。