医学超声原理第八讲超声换能器ppt课件

1、第八讲 超声换能器,牛金海 ,指定教材,目前，关于生物医学超声的参考书很多；但是从教十年多来，一直很难找到一本非常适合本科生的教材。这也是编者下定决心编写本书的主要原因之一。本书的内容主要包括超声物理基础，压电效应与换能器技术，超声成像诊断原理，超声治疗技术，医学超声实验，医学超声的最新进展等。每章节都配置了一定量的练习与思考题，以帮助读者巩固书中的内容，并提高分析解决问题的能力。为配合双语教学，本书保留了关键专业词汇的中英文对照。 本书的特点是在注重基本概念，基本原理，基本方法的同时，兼顾一定的工程技术实用性，如包含声场的数值模拟，超声图像的C语言程序处理，超声波发射电路原理，换能器的匹配技

2、术等。本书适合医学超声以及相关领域的本科生作教材，也可供该领域的研究生，科研及工程技术工作者参考,第八讲 医学超声换能器,本章主要内容 超声换能器介绍 医学超声换能器种类 医学超声换能器结构 医学超声换能器特性 超声发射激励电路 超声换能器的匹配技术,一、超声换能器介绍,超声换能器简介（transducer; energy changer ） 用来发射声波的换能器称为发射器。当换能器处于发射状态时，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

3、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。 接收声波的过程正好与此相反，在接收声波的情况下，外来声波作用在换能器的振动面上，从而使换能器的机械振动系统发生振动，借助于某种物理效应，引起换能器储能元件中的电场或磁场发生相应的变化，从而引起换能器的电输出端产生一个相应于声信号的电压或电流,一、超声换能器介绍,临床上常用的

4、超声换能器,常见的B（Brightness ）超探头,眼科A（Amplitude ）超探头,临床上常用的超声换能器,Transcranial Doppler (TCD) 经颅超声多普勒 探头,What is ultrasound transducer,Ultrasonic sensors (also known as tranceivers when they both send and receive) work on a principle similar to radar or sonar which evaluate attributes of a target by interpre

5、ting the echoes from radio or sound waves respectively. Ultrasonic sensors generate high frequency sound waves and evaluate the echo which is received back by the sensor. Sensors calculate the time interval between sending the signal and receiving the echo to determine the distance to an object,What

6、 is ultrasound transducer,An ultrasonic transducer is a device that converts energy into ultrasound, or sound waves above the normal range of human hearing. While technically a dog whistle is an ultrasonic transducer that converts mechanical energy in the form of air pressure into ultrasonic sound w

7、aves, the term is more apt to be used to refer to piezoelectric transducers that convert electrical energy into sound. Piezoelectric crystals have the property of changing size when a voltage is applied, thus applying an alternating current (AC) across them causes them to oscillate at very high freq

8、uencies, thus producing very high frequency sound waves,What is ultrasound transducer,The location at which a transducer focuses the sound can be determined by the active transducer area and shape, the ultrasound frequency, and the sound velocity of the propagation medium. The example shows the soun

9、d fields of an unfocused and a focusing ultrasonic transducer in water,指定教材,目前，关于生物医学超声的参考书很多；但是从教十年多来，一直很难找到一本非常适合本科生的教材。这也是编者下定决心编写本书的主要原因之一。本书的内容主要包括超声物理基础，压电效应与换能器技术，超声成像诊断原理，超声治疗技术，医学超声实验，医学超声的最新进展等。每章节都配置了一定量的练习与思考题，以帮助读者巩固书中的内容，并提高分析解决问题的能力。为配合双语教学，本书保留了关键专业词汇的中英文对照。 本书的特点是在注重基本概念，基本原理，基本方法的同

10、时，兼顾一定的工程技术实用性，如包含声场的数值模拟，超声图像的C语言程序处理，超声波发射电路原理，换能器的匹配技术等。本书适合医学超声以及相关领域的本科生作教材，也可供该领域的研究生，科研及工程技术工作者参考,二、医学超声换能器种类,二、医学超声换能器种类,三、医学超声换能器结构,一）基本单元换能器,三、医学超声换能器结构,Function of the backing material,Function of the acoustic matching layer,Function of the acoustic lens,柱形单阵元超声换能器剖面结构图,柱形单振元探头主要用于A超和M超，又

11、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,电子线阵探头剖面示意,电子线阵超声探头配用于电子式线性扫描超声诊断仪。其结构如右图所示，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,阵列换能器的基本结构,阵列换能器的基本结构,三、医学超声换能器结构,二）多阵元换能器,三、医学超声换能器结构,所谓相控换能器阵列：就是指多个换能器阵列排列成一条直线，每个阵元上所加信号的相位不同。 同相线阵列，阵元数目越多，主瓣越尖锐。旁瓣受到更大抑制，幅度更小,图3.7 同相线列阵及方向图,三、医学超声换能器结

12、构,三）机械扫描换能器 机械扫描换能器可以分为扇形扫描与线性扫描。 （四）聚焦换能器 声透镜 凹形压电材料 声反射镜 电子聚焦 凹型多元阵聚焦,三、医学超声换能器结构,声束聚焦在医学超声中有较大的作用。聚焦使焦区的声束变窄，能提高侧向、横向分辨从而提高超声诊断的有效性。产生超声聚焦的方法有非电子和电子两大类，前者又分声透镜聚焦、声反射镜聚焦和压电材料凹面聚焦。由于技术上的差异，非电子聚焦产生的焦点通常位置固定，电子聚焦产生的焦点的位置可以固定，也可以变动。 在声波发射和接收的状态下，两者都具有聚焦功能,三、医学超声换能器结构,a) 声透镜 声透镜聚焦的作用原理与光学透镜一样，即在透镜材料中由于

13、声波传播速度与其周围介质中的声波传播速度不同而产生折射，从而得到声波的聚焦。由于光在玻璃中的传格速度比空气中为慢，故光学聚焦透镜是凸透镜。但是，声透镜用聚乙烯和合成树脂作为材料、声波在其中的传播速度要比在人体中的传播速度为快，故声透镜是凹透镜,声透镜聚焦换能器,图3.8所示压电材料向右发出声束。声束在曲面上发生折射。由于声透镜材料的声速大于人体软组织声速，因此折射角变小，产生声束向轴上会聚。声透镜对接收回波的聚焦作用与发射相比只是传播路径相反，以及视焦点处有一回波源经声透镜后可在换能器上同相位相加,凹透镜聚焦的原理,凹透镜聚焦的原理,三、医学超声换能器结构,如上图4-27所示，经过透镜聚焦的声

14、场，其焦点并非不占空间的几何点，焦点区域是近似为一“枣核”的椭球体区域，焦点区域称为焦斑，其横向直径近似为式（4-72）： (4-72) 其中焦斑的位置f的表达式为式（4-73）： (4-73) 其中：D为换能器的口径，为波长，C1 第一种介质的声速，C2是第二种介质的声速，r是聚焦凹透镜球面的曲率半径。由上式可见换能器口径D越大，焦斑尺寸d越小；工作频率越高，焦斑尺寸d也越小。再次说明，采用较高的工作频率有利于横向分辨能力的提高。由上式确定的焦斑直径d是整个系统横向分辨率的极限值,透镜聚焦声场以及分布,图3.20 轴线上焦点处横截面上声强分布,三、医学超声换能器结构,b)凹形压电材料 将压电

15、材料制成凹形，也具有聚焦作用,凹形自聚焦超声换能器声场特点,1）r0为聚焦系统的横向聚焦尺寸（声强度下降到最大值的一半时的横向距离）： r0=0.257f/a ； （2）Lf为聚焦系统的轴向聚焦尺寸： Lf=1.8(f/a)2 ； 其中，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,图3-32 抛物面直接反射聚焦,图3-31 经楔形声反射镜加抛物面反射聚焦,三、医学超声换能器结构,d)电子聚焦 电子聚焦可行的条件有：换能器由许多相互独立的阵元组成，由这些阵

16、元发出和接收的信号，在组成合成信号以前均可各自进行独立的处理，例如相位调整。这种附加的相位可以通过模拟或数字延时电路而获得。压电换能器不仅对声波幅度而且对声波相位敏感。 目前较常见的电子聚焦换能器具有两种形式：线阵列和环阵列。前者在长度中心对称前提下对声波相仿进行处理，后者在环中心对称前提下对声波相位进行处理。两者处理基础相同,电子聚焦示意图,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

17、是焦点。 相邻两个阵元之间的延迟时间差可以根据其声程来计算。令焦距为z两阵元中心距换能器中心分别为b1、b2，两个阵元之间的声程差为， 因此两个阵元所对应的延迟线之间的延迟时间差t为,三、医学超声换能器结构,三、医学超声换能器结构,五）超声多普勒换能器 连续波多普勒超声换能器的特点在于用两个晶片分别作为发射和接收换能器。按其构造又可分为分隔式、分离式和重叠式多普勒换能器。 1、分隔式 采用一个压电晶体片，一面是共同接地端，与人体相接触，另一面只将镀层从中间分开形成发和收相绝缘的两个半片，见下图。共用接地面接触人体，另一面的发射晶片与发射功放连接，利用反压电效应产生连续波超声波。而另一面的接收晶

18、片与接收前置放大电路相连，放大接收到的连续波超声信号,三、医学超声换能器结构,2分离式 结构上把同一晶片切开、形成同面积的收发两个部分，且两部分之间加隔电隔声材料。收、发两部分朝向人体的一面经引线连接到公共地端。而背向人体的一面的两部分分别与发射功放输出和接收前放输入相连。分隔式中，收、发两部分只隔电而不隔声，而分离式中的收、发两部分既是电绝缘，也处声绝缘。因此，减小了基底漏信号，接收到的多普勒信号放大效果得到提高。既提高了灵敏度，降低了噪声,三、医学超声换能器结构,分隔式,三、医学超声换能器结构,3重叠式 如图所示。由两个晶片重叠构成，两晶片间用同频率的晶片或厚度适宜的环氧村脂隔离。接触人体

19、的晶片作接收换能器，另一晶片作发射换能器。如用PZT型压电材料作晶片，重叠式可转化为单一晶片，既发又收，故收、发声束间没有夹角，测量精度较一般分离式高，对较大反射体运动目标的测量灵敏度也较高，在测量人体表浅血管壁运动时，重叠式比分离式多普勒探头的效果好。但重叠式探头的缺点是基底信号较大对较小的非平面反射体的测量灵敏度，在没有较好地平衡基底信号时，灵敏度比分离式低,三、医学超声换能器结构,六）特殊用途换能器 1、穿刺活检换能器 在此换能辅中心部分，有一个23mm的圆孔用来通过不同型号的穿刺或活检器。根据超声波显示的部位和深度指导穿刺或活检，在屏幕上可看到针尖的刺入部位，以指导穿刺或活检，如避开胆

20、囊，大血管等器官，同时可经活检器取出组织作细胞学检查，鉴别是否肿瘤。 2腔内换能器 换能器加长或变薄以插入脏内检测，如妇科及查结肠用的加长型(长约20 cm)换能器,三、医学超声换能器结构,3手术用换能器 (1)脑针型。小针片且针尖处，经颅骨穿孔可插入组织，检 测脑瘤的方位和深度。 (2)薄片型手术换能器。边缘接出导线，便于至较深部位。 (3)探查穿刺联合式探头。 4. 眼杯式换能器 凹面形状与眼部凸出面重合，以便对眼进行探查。 5儿科用探头 压电晶片及探头前端均较小，以便于经狭窄的肋间进行探测。因声束扩散角度变大，故应挑选压电转换效率高的材料制造，以保证获得足够的信息量,在超声探头的引导下，

21、医生将针插入胎盘插取少量的胎血,胎儿血标本可以直接经皮进行脐带穿刺获得(脐带穿刺术)。在B超监视下，应用23号或25号穿刺针直接刺入脐静脉，一般脐带上的穿刺点应该在脐带的胎盘附着处附近。术时及术后的胎儿丢失率约为1%。 脐带穿刺取胎儿血样可以很快进行胎儿染色体分析，尤其是妊娠晚期发现胎儿有异常而需作进一步检测时，短期淋巴细胞培养，在4872小时内即能进行胎儿染色体结构分析。致命的染色体异常会左右产科处理,GE阴道探头穿刺架E721,四、超声换能器的特性,一）、发射和接收换能器共同要求的性能指标 1.工作频率 通常，发射换能器工作频率就等于它本身的谐振频率，这样可以获得最佳工作状态、取得最大的发

22、射功率和效率。 主动式超声换能器处在接收状态下的工作频率是与发射状态下的工作频率近似相等的，而对被动式接收换能器而言，它的工作频率是一个较宽的频带，同时要求换能器自身的谐振基频要比频带的最高频率还要高，以保证换能器有平坦的接收响应,2.换能器的机电转换系数 n 和机电耦合系数 k 超声换能器的机电转换系数，是指在机电转换过程中转换后的力学量（或电学量）与转换前的电学量（或力学量）之比。 对于发射换能器 对于接收换能器,四、超声换能器的特性,四、超声换能器的特性,换能器的机电耦合系数，是描述它在能量转换过程中，能量相互耦合程度的一个物理量，其定义为 对于发射换能器 对于接收换能器,四、超声换能器

23、的特性,3.换能器的阻抗特性 由于换能器在电路上要与发射机的末级回路和接收机的输入电路相匹配，所以在换能器设计时计算出换能器的等效输入电阻抗是十分重要的。 同时，还要分析它的各种阻抗特性，例如等效电阻抗、等效机械阻抗、静态和动态阻抗、辐射阻抗等,换能器 电流-频率的关系曲线,换能器的阻抗特性图,换能器的阻抗特性图,从图中可以看出，当信号频率等于fm时，通过压电陶瓷振子的电流最大，及其等效阻抗最小，导纳最大，通常称为最大导纳频率（即最大传输频率）。当信号频率等于fn时，通过压电陶瓷振子的电流最小，及其等效阻抗最大，导纳最小。通常称为最小导纳频率（即最小传输频率,超声换能器的电阻抗匹配,如下图所示

24、，超声换能器的输入阻抗为Zi=Ri+jXi，经过匹配之后换能器的输入阻抗： Zc=Rc+jXc，Z0是超声波发生器的输出阻抗，且为纯阻抗的R0。理想匹配的条件是： R0=Rc Xc=0,四、超声换能器的特性,4.换能器的品质因数Q 通常利用换能器的等效电路图和等效机械图，求出换能器电路系统的品质因数Qe和机械系统的品质因数Qm，来共同描写换能器的品质因数。 Q值的大小不仅与换能器的材料、结构、机械损耗的大小有关，还与声阻抗有关。所以同一个换能器处于不同介质中的Q值是不相同的,四、超声换能器的特性,5.方向特性 超声换能器本身都具有一定的方向特性。对于一个发射换能器，其方向特性曲线的尖锐程度决定

25、了它的发射声能的集中程度。 而对于一个接收换能器，它的方向特性曲线的尖锐程度决定了其探索空间方向角的范围，所以超声换能器的方向特性的好坏直接关系到超声设备的作用距离,四、超声换能器的特性,6.换能器的频率特性以及频带宽度 指换能器的一些重要参数指标随工作频率变化的特性。 例如，一接收换能器的接收灵敏度随工作频率变化的特性，对一个发射器要看它的发射功率随工作频率的变化特性。 对被动式换能器，要求它的接收灵敏度频率特性曲线尽量平滑，使其不论是低频噪声，还是高频噪声，只要幅度差不多，则产生的输出电压大小应近似相等,频带宽度f,频带宽度f：对换能器而言时，是指换能器发送响应或接收灵敏度响应的曲线上低于

26、最大响应3分贝时两个频率之差，称为换能器的频带宽度f（-3dB），如图1.6所示： 在图1.6中，f0为最大响应时的频率，而频带宽度则为：f=f2-f1,四、超声换能器的特性,二）发射换能器特别要求的性能指标 1.发射声功率 描写一个发射器在单位时间里向介质声场辐射声能多少的物理量。 换能器的发射声功率一般是随着工作频率而变化的，在其机械谐振频率时可获得最大的发射声功率,四、超声换能器的特性,2.发射效率 换能器作为能量传输网络，其传输效率通常采用不同的三个效率概念来描写：机电效率me、机声效率ma和电声效率ea，其定义如下： 机电效率me换能器本身将电能转换为机械能的效率，其大小等于机械系统

27、所获得的全部有功功率Pm与输入换能器的总的信号电功率之比，即 式中,PePenPm是表示换能器的电路系统的有功电磁损耗功率。换能器的机电效率越高，表示其电损耗功率越小,四、超声换能器的特性,机声效率ma换能器的机械振动系统将机械能转换成声能的效率，其大小等于发射的声功率Pa与机械振动系统所获得的有功功率Pm之比 式中，PmPmnPa，Pmn是表示机械振动系统的摩擦损耗功率。所以换能器的机声效率越高，表明它的机械损耗越小,四、超声换能器的特性,电声效率ea换能器将电能转换成声能的总效率，它等于发射声功率Pa与输入换能器的总的信号电功率Pe之比 显见，换能器的电声效率等于它的机电效率与机声效率的乘

28、积,四、超声换能器的特性,三）接收换能器特别要求的性能指标 1.灵敏度（接收声场的响应） 接收换能器的自由场电压灵敏度，指接收换能器的输出电压与在声场中引入换能器之前该点的自由声场声压的比值 式中，U()表示接收换能器电负载上所产生的电压(V)；Pf()表示接收换能器接收面处自由声场的声压(Pa,四、超声换能器的特性,有时也用dB表示 其基准灵敏度取为Mu0()1V/Pa.Nu()称自由场电压灵敏度级,四、超声换能器的特性,所谓接收换能器的自由场电流灵敏度Mi()(自由场电流响应)，是指接收换能器的输出电流与在声场中引入接收器之前的自由声场声压的比值，记为 式中，i()单位是A，Pf单位是Pa

29、. 实际中，一般采用电压而非电流灵敏度讨论问题,四、超声换能器的特性,2.等效噪声电压 当换能器用于接收器时，由于接收器内部的电声转换器件（例如压电陶瓷片）在一定温度下内部分子的热运动等将产生噪声，称为自噪声或固有噪声。它包含有许多频率成分，可取在一赫兹频带宽度上的均方根电压来量度其大小。 设有一正弦波入射到接收器上，当此电压输出的有效值等于接收器自噪声在一赫兹带宽上的均方根电压值时，则入射声电压的有效值叫做等效噪声压。 接收器等效噪声压在数值上等于自噪声在一赫兹带宽上的均方根电压值与接收器灵敏度的比值。等效噪声压对1bar基准声压所取的分贝数，称为接收换能器的等效噪声声压级,五、超声发射与接

30、收电路基础,超声发射与接收电路时超声诊断设备的关键部分。 整个电路分为发射和接收2个部分，共用同一个阵元。发射部分在发射输入的驱动下产生激励波形，激发阵元产生超声波。 超声波在人体组织中的回波被阵元接收，通过接收电路产生输出,1、超声发射电路,1、超声发射电路 基本的超声发射电路如下图所示，VH是高压，通常在几十伏到几百伏范围内。MOSFET Q 起到电子开关的作用，具有快速开放时间（10ns）和低导通电阻（几个欧姆）。C1是高压电容，静态时起到隔直作用。电阻R2的值远大于Q的导通电阻，在Q导通的瞬间，A点电压从VH 降低到近似0.由于电容两端的电压不能突变，B点的电压从0降低到-VH，然后C

31、1将向阵元和负载组成的网络电荷转移。在B点产生的负脉冲将激励阵元产生超声波,与本PPT配套的指定教材,目前，关于生物医学超声的参考书很多；但是从教十年多来，一直很难找到一本非常适合本科生的教材。这也是编者下定决心编写本书的主要原因之一。本书的内容主要包括超声物理基础，压电效应与换能器技术，超声成像诊断原理，超声治疗技术，医学超声实验，医学超声的最新进展等。每章节都配置了一定量的练习与思考题，以帮助读者巩固书中的内容，并提高分析解决问题的能力。为配合双语教学，本书保留了关键专业词汇的中英文对照。 本书的特点是在注重基本概念，基本原理，基本方法的同时，兼顾一定的工程技术实用性，如包含声场的数值模拟

32、，超声图像的C语言程序处理，超声波发射电路原理，换能器的匹配技术等。本书适合医学超声以及相关领域的本科生作教材，也可供该领域的研究生，科研及工程技术工作者参考,1、超声发射电路,1、超声发射电路,典型的超声波形及频谱如下图所示,2、超声接收电路,超声接收电路直接从超声阵元上接收回波。因为共用超声阵元，所以高电压的发射电路和高灵敏的接收电路连接在一起。 为了避免发射电路的影响，接收电路中必须加入隔离级。超声隔离电路的目的是让大幅度信号不能通过，而小幅度的信号几乎无衰减的通过，通常又被称为发射接收开关（T/R Switch）.下图是两种不同的超声隔离电路。图a的原理：当阵元上的交流信号大于0.7V时，二极管被导通，因此通过到达接收端的交流电压被限制在0.7V以内。B）电路中C1电容提供交流耦合通道，电压V提供直流偏置。当阵元上的交流电压高于V,2、超声接收电路,时二极管D1截止；当交流电压低于-V时，二极管D1虽然导通，但是二极管D2截止。因此交流电压被限制在V以内,2、超声接收电路,下图是TI公司提供的隔离电路集成芯片TX810，它将8个通道集成在一起，提供集成的T/R开关，专门针对超声电路应用，可以极大地减少电路板面积，下图是其中一个通道的原理图，请分析器工作原理,指定教材,目前，关于生物医学超声的参考书很多；但是从教十年多来，一直很难找到一本非常适合本科生的教材。这也是编者