第三章医学超声传感器2

超声诊断仪换能器探头
超声诊断仪换能器探头
超声诊断仪换能器探头
第一节
压电效应与压电材料特性
一、压电效应
1. 正向压电效应
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
极化处理后
剩余极化强度
当沿极化方向（定为z轴）施力时，则在垂直于该方向的两个极化面上产 生正、 负电荷，具有压电效应。
优点：性能稳定；价廉，易于加工；耐湿防潮 缺点：频率受限；具有脆性；T影响大 用途：使用广泛
高分子压电材料（PVDF）

高分子压电材料（PVDF）
制膜 拉伸 极化
半结晶聚合物
制电极
聚偏二氟乙烯+锆钛酸铅复合（PVDF+PZT）等
石英晶体的压电效应
1） 石英晶体切片
三角晶系
片具有压电效应；
光轴(z轴) ，电轴(x轴)，机械轴(y轴)。 沿X切割后压电晶体切
优点：性能稳定 缺点：昂贵，加工不便 用途：用的很少
压电陶瓷的压电效应
压电陶瓷
人造的多晶体压电材料
Ee T
多畴（无极化效应）
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。 （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
Z匹 Z晶 Z 皮 ,
l匹 (2n 1)匹／ 4
4．电极、导线
（1） 作用 传输电信号 （2） 结构

(1)开关控制器
用于控制探头中各振元按一定组合方式
工作，若采用直接激励，则每一个振元需要一条信号线 连接到主机，目前换能器振元数已普遍增加到数百个，
则与主机的连线需要数百根，这不仅使工艺复杂，因此
而增加的探头和电缆的重量也是不堪设想的。 采用开关控制器就可以使探头与主机的连线数大大减小。

fm=fs
fn=fp
以上提到的fm、fn 、 fs 、 fp是压电振子的四个特征频 率，它们是压电振子的重要性能之一。
第二节 压电振子的基本特性
3.压电参数
综上所述，我们可以总结出在超声检测的实际应用中选择 压电材料制作压电换能器时主要的选择原则如下：
第二节 压电振子的基本特性
4.频率常数N
描帧频约30帧/s,扫描角度达85°，
2.机械扇扫超声探头
3-8 机械扇扫超声探头工作原理

机械扇扫探头除换能器声学特性的基本要求之外，还应 满足以下要求:
①保证探头中的压电振子作30次/s左右的高速摆动，摆动幅度应足 够大；
②摆动速度应均匀稳定；
③整体体积小、重量轻，便于手持操作; ④外形应适合探查的需要，并能灵活改变扫查方向;
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
（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
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
电磁式等，其中以压电式最为常用。
发射：电讯号→换能器→超声波(逆效应) 接收：反射波→换能器→电信号(正效应)
医用超声换能器
功能 电能量←→超声能量 重要性 整台超声仪器性能的关键 材料性能种类 １. 压电换能器——超声诊断仪主要用之 ２. 磁致伸缩换能器——超声治疗仪用之
相互转换
(4)匹配层 由于声透镜同时与晶体振元和人体接触，两者的声阻 抗差别甚大：
压电晶体振元的阻抗Zf≈(20～35)×106kg· s－１· m－2，人体组织的 阻抗Ze≈(1.58～1.7)×106kg· s－１· m－2］，难于使声透镜的特性 阻抗同时与两者匹配。超声经不同阻抗界面传播，将产生反射，会增 加能量损耗并影响分辨力，因此，往往需要采用匹配层来实现探头与 负载之间的匹配。
(2)阻尼垫衬 其作用与柱形单振元探头中的垫衬作用 相同，用于产生阻尼,抑制振铃并消除反射干扰。阻尼 垫衬材料的构成要求亦和柱形单振元探头相似。 (3)换能器阵列 换能器的晶体振元通常是采用切割法 制造工艺，即对一宽约10mm，一定厚度的矩形压电晶 体，通过计算机程控顺序开槽。开槽宽度应小于0.1mm， 开槽深度则不能一概而论，这是因为所用晶片的厚度 取决于探头的工作频率，相当于半波长厚度的频率叫 做压电晶体的基础共振频率。 晶体材料的半波长厚度σ 可由下式给出。 σ =Cp·T·1／2 式中:Cp为超声波在该材料中的传播速度，T为工作 频率超声波的周期。
频率常数N是确定压电体几何尺寸的一个重要参数，定义为压电体 谐振频率fr与沿振动方向的几何尺寸(如厚度δ 、长度L或直径d等) 的乘积。它只与材料性质有关，与几何尺寸无关.当材料选定后，N
即确定:因而根据N就可求出任意频率下的压电体沿振动方同的尺寸。
对于厚度振动模式 E为弹性模量；p为密度
1 E N fr 2 P
优点：很好的柔性和加工性能；化学稳定性和耐疲劳性高、吸湿性低
缺点：易老化；制作工艺较复杂；极化电压高 用途：广泛应用于压力、 加速度、 温度、 声和无损检测；尤其在医学中， 由于它
与人体声阻抗十分接近， 无需阻抗变换， 且便于和人体贴紧接触、 安全舒适、 灵
敏度高、 频带宽， 故广泛用作脉搏计、 血压计、 起搏计、 生理移植和胎心音探测 器等传感元件。
第二节 压电振子的基本特性 1.压电振子的等效电路
由静态电阻Ro和静态电容Co相并联，构成压电振子电端等效输 入端。 由表示振子自身力阻的等效动态电阻Rd，表示辐射力阻的 等效动态电阻Rm，二者相加合称动态电阻RT;动态电感Lm和动 态电容Cm,构成压电振子机械等效输出端。
由上图可见，当满足：
（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 （3）组成
环氧树脂 + 钨粉 或 铁氧体粉+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：
5.相控阵超声探头
5.相控阵超声探头

相探阵超声探头可以实现波束扇形扫描，因此又称为相 控电子扇扫探头。
相控阵超声探头外形及内部结构与线阵探头颇有相似之处。 其一是所用换能器也是多元换能器阵列;
其二是探头的结构、材料和工艺亦相近，主要由换能器、
阻尼垫衬、声透镜以及匹配层几部分组成；
5.相控阵超声探头
对匹配层除厚度与声阻抗的要求外，还要求其声阻尼要小，以减小 对超声能量的损耗。在工艺上应保证其同时与晶体振元和声透镜接 触良好。 匹配层材料通常也采用环氧加钨粉配制
4.电子凸阵超声探头
3-9 电子凸阵超声探头工作原理
4.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。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。 探头中的振元都不是同时被激励的，它们总是被分组分时 受激励，而且分配的方法有多样。
⑤机械振动及噪声应小到不致引起病人的紧张和烦躁。 目前来看，机械扇扫探头主要存在的不足之处，是噪声大和探 头寿命短。多数的机械扇扫探头寿命仅有数千小时
3.电子线阵超声探头
电子线阵超声探头配用于电子式线性扫描超声诊断 仪。 它主要由6部分组成:开关控制器、阻尼垫衬、换能器 阵列、匹配层、声透镜和外壳。
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
5 .外壳
作用
支承、容纳、密封、绝缘、承压、屏蔽和保护主体部分 壳体上通常标明该探头的型号、标称频率;
Байду номын сангаас
6.保护层
（1）作用 保护、声阻抗渐变层 （2）要求 低衰减高耐磨，声阻抗应接近人体组织的声阻，其厚度应为λ/4
但它们的不同之处也主要有两点：
第一是在探头中没有开关控制器，这是因为相控阵探头 换能器中，各振元基本上是同时被激励的，而不是像线 阵探头换能器那样分组、分时工作的，因此，不需要用 控制器来选择参与工作的振元。
第二是相控阵探头的体积和声窗面积都较小，这是因为 相控阵探头是以扇形扫描方式工作的，其近场波束尺寸 小，也正因为此，它具有机械扇形扫描探头的优点，可 以通过一个小的“窗口”，对一个较大的扇形视野进行 探查。
振之间。
第二节 压电振子的基本特性 2.频率特性
压电晶体的电流随频率而变化的现象（见图3-8），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。
图3-8 压电晶体的电流-频率特性
从等效电路还可以看出，一个压电振子有一个串联谐振fm.和一个并联 谐振频率fn.由于压电体总存在机械损耗电阻R. 因此，压电振子的最 小阻抗频率fm并不等于其串联谐振频率fs总是在最小阻抗频率附近。 相应地压电振子的最大阻抗频率fn也不等于其并联谐振频fp，其值也 略有偏差.在理想情况下。压电体的机械损耗R=0，此时.其串并联谐振 频率
++++++
------
压电效应示意图
二、医用压电材料
1. 压电材料: 具有压电效应特性的材料。
2. 压电材料的种类
（1）压电单晶体
石英、酒石酸钾钠、磷酸二氢铵、铌酸钾、硫酸锂等
（2）压电多晶体
钛酸钡、偏铌酸铅、锆钛酸铅、铌镁-锆-钛酸铅等
（3）压电高分子聚合物
聚偏二氟乙烯等
（4）复合压电材料
医学超声学-原理与技术
新乡医学院 医疗仪器教研室
龙云玲
高职高专卫生部规划教材 医学影像技术专业《超声诊断学》CAI课件
第三章 医用超声换能器
1. 掌握超声换能器的工作原理·特性及声场特性
2. 熟悉超声换能器的种类与结构 3. 了解压电振子的等效电路分析及参数
超声波的发射与接收
超声诊断仪由探头（换能器）和主机构成 超声波的发射与接收均由换能器来完成 超声波探头按其工作原理可分为压电式、磁致伸缩式、
fs 1 2 LmCm
时。fs即为串联谐振频率，此时具有最低的阻抗，当 满足：
fp 1 CoCm 2 Co Cm
时，fp并联谐振频率，此时具有最高的阻抗
从发射考虑，只有阻抗最小时，辐射出去的超声能量才最 大。从接收灵敏度考虑，只有阻抗最大时，才有最大的灵 敏度。
因而实用的超声频率，应选择在晶片的串联谐振和并联谐
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
１. 压电晶片
（1）晶片形状：圆片形、矩形、球壳圆片形、圆筒形
（2） 作用 发射、接收超声，即：电－声、声－电转换 （3） 要求
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？
结论
探头的发射频率是由晶体的厚度决定的。
第三节 医用换能器的种类.结构
①按诊断部位分类： 眼科探头、心脏探头、腹部探头、颅脑探头、腔内探头和儿童探头 等之分； ②按应用方式分类： 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： 单元探头和多元探头 ④按波束控制方式分类： 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： 矩形探头、柱形探头、弧形探头(又称凸形)、圆形探头等。
2.机械扇扫超声探头

机械扇形扫描超声探头配用于扇扫式B型超声诊断仪， 它是依靠机械传动方式带动传感器往复摇摆或连续旋转来 实现扇形扫描的.
比如早期的机械扇扫探头的重量达0.6kg以上，且扫描角度
仅30°。随着技术的进步，到80年代中期，机械扇扫超声
换能器的产品性能日趋改善，重量可以做到0.2kg以下，扫