医学超声仪器原理 第4讲 超声换能器及声场

2024/10/21医学超声诊断设备1第4讲超声换能器与声场医学超声仪器原理2024/10/21医学超声诊断设备2超声换能器压电效应PiezoelectricEffect逆压电效应ConversePiezoelectricEffect2024/10/21医学超声诊断设备3超声波治疗探头2024/10/21医学超声诊断设备4工业用超声波探头

2024/10/21医学超声诊断设备5压电陶瓷片2024/10/21医学超声诊断设备6诊断用B型超声波探头2024/10/21医学超声诊断设备72024/10/21医学超声诊断设备8基本概念换能器——是把一种能量转化为另一种能量的设备，我们主要讨论声换能器，即把电能转换为机械能或声能，或者相反。产生超声波的装置分为两类：机械方式加尔统笛、哈特曼笛、液哨和气流旋笛等电气方式压电型、磁致伸缩型和电动型等2024/10/21医学超声诊断设备91.压电效应PiezoelectricEffect1880年法国物理学家居里兄弟(PaulJacquis和PierreCurie)首先发现结晶物质具有压电现象(Piezoelectricity)。1881年李普曼(G.Lipmann)根据热力学概念预言压电现象是可逆的，同年居里兄弟证实了压电效应的可逆性，即逆压电现象2024/10/21医学超声诊断设备102024/10/21医学超声诊断设备11压电体未收外力时，两侧不带电荷压电体受到压缩力两侧带电荷压电体受到拉力两侧带电荷（与B相反）2024/10/21医学超声诊断设备12正压电效应（directpiezoelectriceffect)在某些晶体的一定方向上，受到应力（拉力或压力）而形变时，在晶体的两个受力界面上，引起内部介质正负电荷中心相对位移，从而产生符号相反的束缚电荷，其电荷密度与所施加的外力成正比例,由于机械力的作用而激起电介质晶体表面电荷的效应，称为正压电效应（DirectPiezoelectricEffect)2024/10/21医学超声诊断设备13压电体两侧加电场时，长度伸展压电体两侧加与（d）相反电场时，长度压缩2024/10/21医学超声诊断设备14逆压电效应（conversepiezoelectriceffect)如果在晶体表面沿着电轴方向施加电压，则由于电场作用，引起内部电介质正负电荷中心相对位移（受到电场拉曳而分离），而这一极化位移又导致晶体的几何形变这种相反的压电效应，称为逆压电效应（conversepiezoelectriceffect)。2024/10/21医学超声诊断设备15闪锌矿ZnS的四面体结构两种压电晶体结构2024/10/21医学超声诊断设备16四方的钛酸钡BaTiO3的晶胞2024/10/21医学超声诊断设备17石英晶体的类比电路及其声抗2024/10/21医学超声诊断设备18压电材料的性质性质晶体陶瓷罗歇盐ADPLH石英亚铌酸盐钛酸钡PZT-4PZT-5可用应变横向横向横、纵横、纵横、纵横、纵横、纵切割X,45°Y,45°Z,45°LYX,Y,ATX阻抗率

m1010>1012109>1011>1012>1013居里温度℃55-125-76575550115320365最高湿度70%94%95%密度103kg/m31.771.802.062.6555.67.67.7厚度振动103kHz

mm2.732.871.42.7421.82024/10/21医学超声诊断设备19当压电片和厚度l

为半波长的奇数时，两表面的振动恰好相反，此时两表面的相对位移为最大，这个厚度称为共振厚度。式中：fn为n次谐波频率；ct为压电材料内的波速。2024/10/21医学超声诊断设备20超声辐射声场轴向横向2024/10/21医学超声诊断设备21图3-15换能器及其所在的坐标系（Page56）换能器的辐射声场2024/10/21医学超声诊断设备22式中：dp—声压；ds—面积元；Zc声阻抗率；vm面元振动速度。声场的总和圆柱坐标系2024/10/21医学超声诊断设备23圆形换能片远场、近场半径R，

=0，r=z

(即：轴向的声场)积分后可得2024/10/21医学超声诊断设备24当z=0时，k=ω/c和差化积有2024/10/21医学超声诊断设备25取得峰值当n=0取得最后一个峰值2024/10/21医学超声诊断设备26因为R>>

2024/10/21医学超声诊断设备272024/10/21医学超声诊断设备28近场与远场R的选择波长的影响2024/10/21医学超声诊断设备29对于远场，r>>ρ可以近似取分母中可取r’=r2024/10/21医学超声诊断设备30整理可得式中：J1为一阶柱贝赛尔函数定义指向因子H(φ)2024/10/21医学超声诊断设备31在平面坐标下1.随着kR值的增大，即辐射面积的加大或频率的提高，指向性愈加尖锐；2.J1函数有一系列的零值，即当指向性函数出现零值，在小于3.83的范围为指向性的主瓣，其它为旁瓣。2024/10/21医学超声诊断设备322024/10/21医学超声诊断设备33通常，把2

成为主瓣开角或发散角，

称为半扩散角。2024/10/21医学超声诊断设备342024/10/21医学超声诊断设备35换能器线阵换能器线阵2024/10/21医学超声诊断设备36分辨率问题●横向分辨率●纵向分辨率2024/10/21医学超声诊断设备37超声探头的类别①按诊断部位分类：眼科、心脏、腹部、颅脑、腔内和儿童探头等；②按应用方式分类：有体外、体内、穿刺活检探头；③按探头中换能器所用振元数目分类：单元探头、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(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。2024/10/21医学超声诊断设备382024/10/21医学超声诊断设备39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。它是各型超声成像仪用探头的结构基础。2024/10/21医学超声诊断设备40它主要由5部分组成：①压电晶体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传至探头外壳引起反射，造成对信号的干扰④外壳⑤保护层防磨损，保护层应该选择衰减系数低并耐磨的材料声阻抗应接近人体组织的声阻，其厚度应为λ/4

2024/10/21医学超声诊断设备41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2024/10/21医学超声诊断设备42利用机械扫描实现超声影像的实时动态显示，是70年代后期才趋于成熟的一项技术。开始时扫描线数较少，扫描角度也不大，扫描线的间隔角度的均匀性亦差，而且探头的体积和重量都较大，操作使用十分不便。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°，而且扫描线的均匀性也大大改善。这不仅给操作使用带来了方便，而且使机械扇扫超声影像的质量获得明显的提高。2024/10/21医学超声诊断设备43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。2024/10/21医学超声诊断设备44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，对于这种结构而言，无论是技术、工艺、或者材料都是十分难以解决的问题。目前，机械扇扫探头的生产已越来越少，大有被电子凸阵及相控阵扇扫探头所取代的趋势。2024/10/21医学超声诊断设备45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。2024/10/21医学超声诊断设备46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。2024/10/21医学超声诊断设备47(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。2024/10/21医学超声诊断设备48(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=0.5·Cp·T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。2024/10/21医学超声诊断设备49(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。2024/10/21医学超声诊断设备50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。2024/10/21医学超声诊断设备51相控阵超声探头相控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，它配用于相控阵扇形扫描超声诊断仪。2024/10/21医学超声诊断设备52相控阵超声探头外形及内部结构与线阵探头相似。