医学超声传感器

医学超声传感器第一页，共六十页，编辑于2023年，星期五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3.了解压电振子的等效电路分析及参数2.熟悉超声换能器的种类与结构第二页，共六十页，编辑于2023年，星期五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、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)第三页，共六十页，编辑于2023年，星期五医用超声换能器

功能电能量←→超声能量相互转换

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——超声治疗仪用之第四页，共六十页，编辑于2023年，星期五超声诊断仪换能器探头第五页，共六十页，编辑于2023年，星期五超声诊断仪换能器探头第六页，共六十页，编辑于2023年，星期五超声诊断仪换能器探头第七页，共六十页，编辑于2023年，星期五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++++++------++++++------第八页，共六十页，编辑于2023年，星期五第九页，共六十页，编辑于2023年，星期五压电效应示意图第十页，共六十页，编辑于2023年，星期五二、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）复合压电材料聚偏二氟乙烯+锆钛酸铅复合（PVDF+PZT）等第十一页，共六十页，编辑于2023年，星期五

石英晶体的压电效应

1）石英晶体切片三角晶系光轴(z轴)，电轴(x轴)，机械轴(y轴)。沿X切割后压电晶体切片具有压电效应；优点：性能稳定缺点：昂贵，加工不便用途：用的很少第十二页，共六十页，编辑于2023年，星期五

压电陶瓷人造的多晶体压电材料多畴（无极化效应）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。压电陶瓷的压电效应

EeT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：使用广泛第十三页，共六十页，编辑于2023年，星期五

高分子压电材料（PVDF）

半结晶聚合物

制膜拉伸极化制电极

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。

高分子压电材料（PVDF）第十四页，共六十页，编辑于2023年，星期五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。第十五页，共六十页，编辑于2023年，星期五由上图可见，当满足：时。fs即为串联谐振频率，此时具有最低的阻抗，当满足：时，fp并联谐振频率，此时具有最高的阻抗第十六页，共六十页，编辑于2023年，星期五从发射考虑，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振之间。第十七页，共六十页，编辑于2023年，星期五第二节压电振子的基本特性2.频率特性图3-8压电晶体的电流-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。第十八页，共六十页，编辑于2023年，星期五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

fm=fsfn=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。第十九页，共六十页，编辑于2023年，星期五第二节压电振子的基本特性3.压电参数第二十页，共六十页，编辑于2023年，星期五综上所述，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：第二十一页，共六十页，编辑于2023年，星期五第二节压电振子的基本特性4.频率常数N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为密度第二十二页，共六十页，编辑于2023年，星期五

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2MHz、2.5MHz、5MHz、10MHz等，探头的发射频率是由什么决定的呢？探头的发射频率结论

探头的发射频率是由晶体的厚度决定的。第二十三页，共六十页，编辑于2023年，星期五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。第二十四页，共六十页，编辑于2023年，星期五第二十五页，共六十页，编辑于2023年，星期五第二十六页，共六十页，编辑于2023年，星期五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压电晶片

②吸声背块③匹配层④电极、导线⑤声隔离层⑥保护层⑦外壳第二十七页，共六十页，编辑于2023年，星期五１.压电晶片

（1）晶片形状：圆片形、矩形、球壳圆片形、圆筒形第二十八页，共六十页，编辑于2023年，星期五

（2）作用发射、接收超声，即：电－声、声－电转换

（3）要求①可加工性②银层牢固③各部分性能一致性④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第二十九页，共六十页，编辑于2023年，星期五2．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

（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。第三十页，共六十页，编辑于2023年，星期五3．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：

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、乙二氨等第三十一页，共六十页，编辑于2023年，星期五4．电极、导线

（1）作用传输电信号（2）结构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、尼龙等第三十二页，共六十页，编辑于2023年，星期五5.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;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

第三十三页，共六十页，编辑于2023年，星期五第三十四页，共六十页，编辑于2023年，星期五2.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，扫描帧频约30帧/s,扫描角度达85°，第三十五页，共六十页，编辑于2023年，星期五第三十六页，共六十页，编辑于2023年，星期五2.机械扇扫超声探头3-8机械扇扫超声探头工作原理第三十七页，共六十页，编辑于2023年，星期五

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;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第三十八页，共六十页，编辑于2023年，星期五3.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。

第三十九页，共六十页，编辑于2023年，星期五(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。

第四十页，共六十页，编辑于2023年，星期五(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。

第四十一页，共六十页，编辑于2023年，星期五(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。

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第四十二页，共六十页，编辑于2023年，星期五4.电子凸阵超声探头3-9电子凸阵超声探头工作原理第四十三页，共六十页，编辑于2023年，星期五4.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。

第四十四页，共六十页，编辑于2023年，星期五5.相控阵超声探头第四十五页，共六十页，编辑于2023年，星期五5.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；

第四十六页，共六十页，编辑于2023年，星期五5.相控阵超声探头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。

第四十七页，共六十页，编辑于2023年，星期五6.矩阵式探头由切割成的数百个到数千个矩阵组成。如Philips*4Matrix型超级矩阵式探头，由3000个阵元块组成。150多个计算机电子板进行接收恶化处理超声回波信号。第四十八页，共六十页，编辑于2023年，星期五7.穿刺活检换能器中心部位有一个2~3mm的圆孔，用来通过不同型号的穿刺线或活检钳。第四十九页，共六十页，编辑于2023年，星期五第五十页，共六十页，编辑于2023年，星期五超声诊断仪换能器探头第五十一页，共六十页，编辑于2023年，星期五第四节换能器的超声场超声场弹性介质中充满超声能量的空间，或超声传播时超声能量在介质中的空间分布。平面圆片换能器活塞振动的稳态超声场活塞振动——平面振动稳态超声场——不考虑建立过程的稳定超声场r,θ——极坐标z——声轴方向a——圆片半径B(r,θ)zθra第五十二页，共六十页，编辑于2023年，星期五

可看成无数频率、振幅、相位相同的点声源声场叠加，在B(r,θ)点积分求得P，并进而求得I=P2/Z一、轴向声场分布（θ=0,r可变）（1）声轴上声强表达式式中：Z——介质声阻抗，V0——速度振幅，λ——波长可见：（2）轴向声场分布图（据上式）当0＜r≤r0，存在数个极大值和极小值，当r＞r0后，随着r的增大，声强逐渐减弱。第五十三页，共六十页，编辑于2023年，星期五

轴向上声场分布图第五十四页，共六十页，编辑于2023年，星期五

（3）近场距离(r0)式中，D=2a——压电体直径，如a>>λ，则声学上称：①r<r0——近场区②r>r0——远场区

（4）轴向声强分布特点①近场区：声强轴向起伏分布，但平均强度不变②远场区：声强轴向单调衰减，I∝1／r2第五十五页，共六十页，编辑于2023年，星期五二、径向声场分布（r=定值,θ可变）

（1）径向近场分布近场衍射现象：声束截平面上声强分布为许多最大强度和最小强度的同心圆环，环的数量随着距离的增加而减少。声能几乎不扩散，声束宽度接近相等（等于D）。

（2）径向远场分布波束如图2－6所示。远场声强呈多个瓣形，主