医学影像成像理论第8章超声成像第二节超声探测的物理基础

1、第二节 超声探测的物理基础一、超声的发射与接收产生超声波的具体方法很多，在医学超声诊断中大多采用压电晶片的超声换能方法来产生超声波.（一）压电效应1880年法国物理学家居里兄弟发现。压电效应（piezoelectric effect）：机械能与电能相互转换的物理现象。 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。 +-F+ + + + + + +- - - - - - - - -+ + + + + + +- - - - - - - - - -+-FF机械能转换为电能形变产生电压形变消失电压消失逆压电效应 当在压电材料两端

2、加一交变电场时，则压电材料出现与交变电场同样频率的机械振动，将电能变为机械能。这种效应称负压电效应。+-+ + + + + + +- - - - - - - - -+-+ + + + + + +- - - - - - - - -超声波发射将电能转换为机械能施加电压则产生形变消除外加电压则形变相应消失医用压电材料的分类医用压电材料压电单晶体压电多晶体复合压电材料压电高分子聚合物压电陶瓷完美的晶格结构, 晶粒一致，100%极化排列(倍放大)锆钛酸铅（PZT）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%偶极子极化排列压电晶体压电体压电振子极化电极外加频率=固有频率，振动最强。（二

3、）超声探头在医学超声中，能实现电能与声能相互转换的装置称为换能器（transducer），又称探头（probe）。其作用是产生和接收超声。使用最多的是压电式超声换能器，利用逆压电效应将电能转化为晶体振动的机械能，使晶体振动而产生超声波，发射至需要检测的人体组织内。 接收超声时，利用正压电效应将从人体组织返回的超声接收，并转化为电信号，由接收电路进行信息处理。实际工作中大多采用间歇脉冲工作方式，因此，同一探头可以分别完成发生和接收功能。 结构单晶片探头是最基本的结构：主体和壳体组成1、探头主体 发射和接收超声的功能部分，由压电晶体、面材及背材构成。性能主要取决于晶片材料、晶片直径与厚度、面材前保

4、护层的耦合、背材的阻尼吸收等。（1）面材（保护层）：作用是防止压电元件与人体组织经常直接接触导致磨损、碰坏或氧化等。探头与人体组织接触的端面加有保护层。选用衰减小、高耐磨、柔顺性好的材料，其声阻抗应接近人体组织的声阻抗。 通常将保护层兼作为声阻抗匹配层，其厚度为/4。（2）压电晶片（压电振子）：探头的关键元件，决定探头电能与声能的互换能力。材料：多采用锆钛酸铅，近年新材料聚氟乙烯用来制成薄膜探头。晶片几何形状和尺寸根据临床需要来确定。晶片厚度与工作频率相关，晶片越薄，频率越高。频率在110MHz时，一般单晶片圆形探头压电体的直径812mm左右，两面有涂银薄层，焊接导线作为电极。（3）背材（阻尼

5、吸声块）：作用是吸收背向辐射的声能，最好使背向辐射的超声全部透进吸声块中并衰减掉，不再反射回压电元件。背材由耐磨的环氧树脂薄膜、钨粉、二氧化钼、铁氧体、橡胶粉组成。 （4）声隔离：通常在压电晶片、吸声块和壳体之间加软木、橡皮、尼龙等材料进行声隔离，消除金属制成的壳体与晶片之间产生的振动耦合对超声能量辐射的影响。2、壳体起支撑、密封、绝缘、承压、屏蔽以及保护压电元件的作用，也是探头与仪器的电气信号连接的插接部件。（三）超声场能量的空间分布不同的超声源、不同的传播条件将形成不同的超声能量分布。超声场（ultrasound field ）：在医学超声诊断中，将超声源能量作用的弹性介质空间称为超声场，

6、用以描述波动状态。超声治疗主要利用大功率的连续超声波。医学诊断中常用脉冲超声波。脉冲超声波易于发射和接收，同时脉冲波的检测可以基本避免发射信号和反射信号的影响，提高了检测的灵敏度。二、超声脉冲回波成像原理医学诊断中超声脉冲回波成像：利用超声波在传播路径上遇到不均匀介质界面发生反射的物理特性。向人体内发射超声波脉冲，当超声遇到人体组织和脏器界面时即有反射回波，检测这些回波信号并对其进行接收放大和信号处理，最后在显示器上出现。超声脉冲回波法：把几兆赫至几十兆赫的高频超声脉冲发射到生物体内再接收来自生物体内的反射波（回波）超声脉冲回波法，通过检测回波脉冲就可以获得有关超声脉冲在介质内反射界面的位置信

7、息和方位信息。（一）基本原理人体组织和脏器具有不同的声速和声阻抗，因而在界面上会反射超声波（又称回波）。这些分界面两边介质的声学差异不大，所以大部分超声将穿过界面继续前进。当遇到第二个界面时，又将产生回波，并仍有很大部分超声能量穿过第二个界面继续前进；这样可以产生第三个、第四个回波。超声在组织中衰减，因此接收回波个数有限。为了能分清回波个数和发射的先后次序，超声回波使用脉冲波束，即每发射一个脉冲接收几个回波，这种成像方法称为脉冲回波法。脉冲回波系统发射脉冲接收回波时间轴abc脉冲宽度a、b、c代表在人体组织中不同深度的反射体发射脉冲的重复周期脉冲回波测距：测定发射脉冲与回波之间的时间间隔t，算出反射界面与探头之间的距离。由于声脉冲通过同一路径一往一返，这时距离S即为：c受频率的影响很小，通常忽略不计，生物组织取其平均值为1540m/s。运用这个原理，将探头的扫