醫(yī)學超聲傳感器

醫(yī)學超聲傳感器第一頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五第三章醫(yī)用超聲換能器1.掌握超聲換能器的工作原理·特性及聲場特性3.了解壓電振子的等效電路分析及參數(shù)2.熟悉超聲換能器的種類與結構第二頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五超聲波的發(fā)射與接收超聲診斷儀由探頭（換能器）和主機構成超聲波的發(fā)射與接收均由換能器來完成超聲波探頭按其工作原理可分為壓電式、磁致伸縮式、電磁式等，其中以壓電式最為常用。發(fā)射：電訊號→換能器→超聲波(逆效應)接收：反射波→換能器→電信號(正效應)第三頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五醫(yī)用超聲換能器

功能電能量←→超聲能量相互轉(zhuǎn)換

重要性整臺超聲儀器性能的關鍵

材料性能種類１.壓電換能器——超聲診斷儀主要用之２.磁致伸縮換能器——超聲治療儀用之第四頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五超聲診斷儀換能器探頭第五頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五超聲診斷儀換能器探頭第六頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五超聲診斷儀換能器探頭第七頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五第一節(jié)壓電效應與壓電材料特性一、壓電效應1.正向壓電效應材料兩端加壓力→兩電極產(chǎn)生電場壓力→形變→晶格電偶極矩變化→電荷積累→電場

2.逆向壓電效應材料兩端加電壓→材料產(chǎn)生形變電壓→電場→晶格電偶極受力→應力→形變材料正、逆向壓電效應可逆++++++------++++++------第八頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五第九頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五壓電效應示意圖第十頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五二、醫(yī)用壓電材料1.壓電材料:具有壓電效應特性的材料。2.壓電材料的種類（1）壓電單晶體石英、酒石酸鉀鈉、磷酸二氫銨、鈮酸鉀、硫酸鋰等（2）壓電多晶體鈦酸鋇、偏鈮酸鉛、鋯鈦酸鉛、鈮鎂-鋯-鈦酸鉛等（3）壓電高分子聚合物聚偏二氟乙烯等（4）復合壓電材料聚偏二氟乙烯+鋯鈦酸鉛復合（PVDF+PZT）等第十一頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五

石英晶體的壓電效應

1）石英晶體切片三角晶系光軸(z軸)，電軸(x軸)，機械軸(y軸)。沿X切割后壓電晶體切片具有壓電效應；優(yōu)點：性能穩(wěn)定缺點：昂貴，加工不便用途：用的很少第十二頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五

壓電陶瓷人造的多晶體壓電材料多疇（無極化效應）極化處理后剩余極化強度當沿極化方向（定為z軸）施力時，則在垂直于該方向的兩個極化面上產(chǎn)生正、負電荷，具有壓電效應。壓電陶瓷的壓電效應

EeT優(yōu)點：性能穩(wěn)定；價廉，易于加工；耐濕防潮缺點：頻率受限；具有脆性；T影響大用途：使用廣泛第十三頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五

高分子壓電材料（PVDF）

半結晶聚合物

制膜拉伸極化制電極

優(yōu)點：很好的柔性和加工性能；化學穩(wěn)定性和耐疲勞性高、吸濕性低缺點：易老化；制作工藝較復雜；極化電壓高用途：廣泛應用于壓力、加速度、溫度、聲和無損檢測；尤其在醫(yī)學中，由于它與人體聲阻抗十分接近，無需阻抗變換，且便于和人體貼緊接觸、安全舒適、靈敏度高、頻帶寬，故廣泛用作脈搏計、血壓計、起搏計、生理移植和胎心音探測器等傳感元件。

高分子壓電材料（PVDF）第十四頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五第二節(jié)壓電振子的基本特性1.壓電振子的等效電路由靜態(tài)電阻Ro和靜態(tài)電容Co相并聯(lián)，構成壓電振子電端等效輸入端。由表示振子自身力阻的等效動態(tài)電阻Rd，表示輻射力阻的等效動態(tài)電阻Rm，二者相加合稱動態(tài)電阻RT;動態(tài)電感Lm和動態(tài)電容Cm,構成壓電振子機械等效輸出端。第十五頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五由上圖可見，當滿足：時。fs即為串聯(lián)諧振頻率，此時具有最低的阻抗，當滿足：時，fp并聯(lián)諧振頻率，此時具有最高的阻抗第十六頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五從發(fā)射考慮，只有阻抗最小時，輻射出去的超聲能量才最大。從接收靈敏度考慮，只有阻抗最大時，才有最大的靈敏度。因而實用的超聲頻率，應選擇在晶片的串聯(lián)諧振和并聯(lián)諧振之間。第十七頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五第二節(jié)壓電振子的基本特性2.頻率特性圖3-8壓電晶體的電流-頻率特性壓電晶體的電流隨頻率而變化的現(xiàn)象（見圖3-8），說明了壓電換能器晶體的等效阻抗是一個隨頻率而變化的量。第十八頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五從等效電路還可以看出，一個壓電振子有一個串聯(lián)諧振fm.和一個并聯(lián)諧振頻率fn.由于壓電體總存在機械損耗電阻R.因此，壓電振子的最小阻抗頻率fm并不等于其串聯(lián)諧振頻率fs總是在最小阻抗頻率附近。相應地壓電振子的最大阻抗頻率fn也不等于其并聯(lián)諧振頻fp，其值也略有偏差.在理想情況下。壓電體的機械損耗R=0，此時.其串并聯(lián)諧振頻率

fm=fsfn=fp以上提到的fm、fn、fs、fp是壓電振子的四個特征頻率，它們是壓電振子的重要性能之一。第十九頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五第二節(jié)壓電振子的基本特性3.壓電參數(shù)第二十頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五綜上所述，我們可以總結出在超聲檢測的實際應用中選擇壓電材料制作壓電換能器時主要的選擇原則如下：第二十一頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五第二節(jié)壓電振子的基本特性4.頻率常數(shù)N頻率常數(shù)N是確定壓電體幾何尺寸的一個重要參數(shù)，定義為壓電體諧振頻率fr與沿振動方向的幾何尺寸(如厚度δ、長度L或直徑d等)的乘積。它只與材料性質(zhì)有關，與幾何尺寸無關.當材料選定后，N即確定:因而根據(jù)N就可求出任意頻率下的壓電體沿振動方同的尺寸。對于厚度振動模式E為彈性模量；p為密度第二十二頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五

超聲診斷中常根據(jù)不同的受檢對象和部位選擇不同的探頭，如2MHz、2.5MHz、5MHz、10MHz等，探頭的發(fā)射頻率是由什么決定的呢？探頭的發(fā)射頻率結論

探頭的發(fā)射頻率是由晶體的厚度決定的。第二十三頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五第三節(jié)醫(yī)用換能器的種類.結構①按診斷部位分類：眼科探頭、心臟探頭、腹部探頭、顱腦探頭、腔內(nèi)探頭和兒童探頭等之分；②按應用方式分類：體外探頭、體內(nèi)探頭、穿刺活檢探頭之分;③按探頭中換能器所用振元數(shù)目分類：單元探頭和多元探頭④按波束控制方式分類：線掃探頭、相控陣探頭、機械扇掃探頭和方陣探頭等;⑤按探頭的幾何形狀分類：矩形探頭、柱形探頭、弧形探頭(又稱凸形)、圓形探頭等。第二十四頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五第二十五頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五第二十六頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五第三節(jié)探頭的結構及其作用超聲探頭——超聲檢測用換能器各種超聲診斷儀，探頭基本結構大致相同，以Ａ型為例。一、探頭的基本結構①壓電晶片

②吸聲背塊③匹配層④電極、導線⑤聲隔離層⑥保護層⑦外殼第二十七頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五１.壓電晶片

（1）晶片形狀：圓片形、矩形、球殼圓片形、圓筒形第二十八頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五

（2）作用發(fā)射、接收超聲，即：電－聲、聲－電轉(zhuǎn)換

（3）要求①可加工性②銀層牢固③各部分性能一致性④性能穩(wěn)定性和可靠性

（4）特性①晶片厚度確定發(fā)射超聲的頻率②晶片形狀確定聲束的形狀和聲場分布第二十九頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五2．吸聲背塊

（1）作用①吸收晶體背向輻射的超聲，減少或消除晶體兩端之間超聲的多次反射造成的干擾②增大晶片阻尼，使發(fā)射脈沖窄，從而提高分辨率

（2）要求①與壓電晶體的聲阻抗相等，以全部吸收背向輻射②對超聲的吸收力強，很快衰減，不再反射

（3）組成環(huán)氧樹脂+鎢粉

或鐵氧體粉+橡膠粉

空氣背襯，幾乎全反射，效率最高，用于超聲治療儀。第三十頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五3．匹配層

（1）作用①使晶體輻射的超聲有效進入人體，實現(xiàn)對人體組織的檢查。換能器和人體之間聲阻抗匹配，條件：

②增加換能器的帶寬③隔開晶體和人體，保護晶體，免受機械、化學損壞；保護人體，免受激勵電壓的傷害。

（2）要求①衰減系數(shù)低②耐磨損

（3）材料環(huán)氧樹脂、二酊脂、乙二氨等第三十一頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五4．電極、導線

（1）作用傳輸電信號（2）結構晶體兩面的銀層為電極，各引出一根導線5．聲隔離層（1）作用殼體與振動體之間聲隔離，防止超聲傳至外殼引起反射，產(chǎn)生干擾（2）材料軟木、橡膠、尼龍等第三十二頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五5.外殼作用支承、容納、密封、絕緣、承壓、屏蔽和保護主體部分殼體上通常標明該探頭的型號、標稱頻率;6.保護層（1）作用保護、聲阻抗?jié)u變層（2）要求低衰減高耐磨，聲阻抗應接近人體組織的聲阻，其厚度應為λ/4

第三十三頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五第三十四頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五2.機械扇掃超聲探頭

機械扇形掃描超聲探頭配用于扇掃式B型超聲診斷儀，它是依靠機械傳動方式帶動傳感器往復搖擺或連續(xù)旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)扇形掃描的.比如早期的機械扇掃探頭的重量達0.6kg以上，且掃描角度僅30°。隨著技術的進步，到80年代中期，機械扇掃超聲換能器的產(chǎn)品性能日趨改善，重量可以做到0.2kg以下，掃描幀頻約30幀/s,掃描角度達85°，第三十五頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五第三十六頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五2.機械扇掃超聲探頭3-8機械扇掃超聲探頭工作原理第三十七頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五

機械扇掃探頭除換能器聲學特性的基本要求之外，還應滿足以下要求:①保證探頭中的壓電振子作30次/s左右的高速擺動，擺動幅度應足夠大；②擺動速度應均勻穩(wěn)定；③整體體積小、重量輕，便于手持操作;④外形應適合探查的需要，并能靈活改變掃查方向;⑤機械振動及噪聲應小到不致引起病人的緊張和煩躁。

目前來看，機械扇掃探頭主要存在的不足之處，是噪聲大和探頭壽命短。多數(shù)的機械扇掃探頭壽命僅有數(shù)千小時第三十八頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五3.電子線陣超聲探頭

電子線陣超聲探頭配用于電子式線性掃描超聲診斷儀。它主要由6部分組成:開關控制器、阻尼墊襯、換能器陣列、匹配層、聲透鏡和外殼。

第三十九頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五(1)開關控制器用于控制探頭中各振元按一定組合方式工作，若采用直接激勵，則每一個振元需要一條信號線連接到主機，目前換能器振元數(shù)已普遍增加到數(shù)百個，則與主機的連線需要數(shù)百根，這不僅使工藝復雜，因此而增加的探頭和電纜的重量也是不堪設想的。采用開關控制器就可以使探頭與主機的連線數(shù)大大減小。

第四十頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五(2)阻尼墊襯其作用與柱形單振元探頭中的墊襯作用相同，用于產(chǎn)生阻尼,抑制振鈴并消除反射干擾。阻尼墊襯材料的構成要求亦和柱形單振元探頭相似。

(3)換能器陣列換能器的晶體振元通常是采用切割法制造工藝，即對一寬約10mm，一定厚度的矩形壓電晶體，通過計算機程控順序開槽。開槽寬度應小于0.1mm，開槽深度則不能一概而論，這是因為所用晶片的厚度取決于探頭的工作頻率，相當于半波長厚度的頻率叫做壓電晶體的基礎共振頻率。晶體材料的半波長厚度σ可由下式給出。

σ=Cp·T·1／2

式中:Cp為超聲波在該材料中的傳播速度，T為工作頻率超聲波的周期。

第四十一頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五(4)匹配層由于聲透鏡同時與晶體振元和人體接觸，兩者的聲阻抗差別甚大：壓電晶體振元的阻抗Zf≈(20～35)×106kg·s－１·m－2，人體組織的阻抗Ze≈(1.58～1.7)×106kg·s－１·m－2］，難于使聲透鏡的特性阻抗同時與兩者匹配。超聲經(jīng)不同阻抗界面?zhèn)鞑?，將產(chǎn)生反射，會增加能量損耗并影響分辨力，因此，往往需要采用匹配層來實現(xiàn)探頭與負載之間的匹配。

對匹配層除厚度與聲阻抗的要求外，還要求其聲阻尼要小，以減小對超聲能量的損耗。在工藝上應保證其同時與晶體振元和聲透鏡接觸良好。

匹配層材料通常也采用環(huán)氧加鎢粉配制第四十二頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五4.電子凸陣超聲探頭3-9電子凸陣超聲探頭工作原理第四十三頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五4.電子凸陣超聲探頭凸陣探頭的結構原理與線陣探頭相類似，只是振元排列成凸形。但相同振元結構凸形探頭的視野要比線陣探頭大。由于其探查視場為扇形，故對某些聲窗較小的臟器的探查比線陣探頭更為優(yōu)越，比如檢測骨下臟器，有二氧化碳和空氣障礙的部位更能顯現(xiàn)其特點。但凸形探頭波束掃描遠程擴散，必須給予線插補，否則因線密度低將使影像清晰度變差。

探頭中的振元都不是同時被激勵的，它們總是被分組分時受激勵，而且分配的方法有多樣。

第四十四頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五5.相控陣超聲探頭第四十五頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五5.相控陣超聲探頭

相探陣超聲探頭可以實現(xiàn)波束扇形掃描，因此又稱為相控電子扇掃探頭。相控陣超聲探頭外形及內(nèi)部結構與線陣探頭頗有相似之處。其一是所用換能器也是多元換能器陣列;其二是探頭的結構、材料和工藝亦相近，主要由換能器、阻尼墊襯、聲透鏡以及匹配層幾部分組成；

第四十六頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五5.相控陣超聲探頭但它們的不同之處也主要有兩點：第一是在探頭中沒有開關控制器，這是因為相控陣探頭換能器中，各振元基本上是同時被激勵的，而不是像線陣探頭換能器那樣分組、分時工作的，因此，不需要用控制器來選擇參與工作的振元。第二是相控陣探頭的體積和聲窗面積都較小，這是因為相控陣探頭是以扇形掃描方式工作的，其近場波束尺寸小，也正因為此，它具有機械扇形掃描探頭的優(yōu)點，可以通過一個小的“窗口”，對一個較大的扇形視野進行探查。

第四十七頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五6.矩陣式探頭由切割成的數(shù)百個到數(shù)千個矩陣組成。如Philips*4Matrix型超級矩陣式探頭，由3000個陣元塊組成。150多個計算機電子板進行接收惡化處理超聲回波信號。第四十八頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五7.穿刺活檢換能器中心部位有一個2~3mm的圓孔，用來通過不同型號的穿刺線或活檢鉗。第四十九頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五第五十頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五超聲診斷儀換能器探頭第五十一頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五第四節(jié)換能器的超聲場超聲場彈性介質(zhì)中充滿超聲能量的空間，或超聲傳播時超聲能量在介質(zhì)中的空間分布。平面圓片換能器活塞振動的穩(wěn)態(tài)超聲場活塞振動——平面振動穩(wěn)態(tài)超聲場——不考慮建立過程的穩(wěn)定超聲場r,θ——極坐標z——聲軸方向a——圓片半徑B(r,θ)zθra第五十二頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五

可看成無數(shù)頻率、振幅、相位相同的點聲源聲場疊加，在B(r,θ)點積分求得P，并進而求得I=P2/Z一、軸向聲場分布（θ=0,r可變）（1）聲軸上聲強表達式式中：Z——介質(zhì)聲阻抗，V0——速度振幅，λ——波長可見：（2）軸向聲場分布圖（據(jù)上式）當0＜r≤r0，存在數(shù)個極大值和極小值，當r＞r0后，隨著r的增大，聲強逐漸減弱。第五十三頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五

軸向上聲場分布圖第五十四頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五

（3）近場距離(r0)式中，D=2a——壓電體直徑，如a>>λ，則聲學上稱：①r<r0——近場區(qū)②r>r0——遠場區(qū)

（4）軸向聲強分布特點①近場區(qū)：聲強軸向起伏分布，但平均強度不變②遠場區(qū)：聲強軸向單調(diào)衰減，I∝1／r2第五十五頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五二、徑向聲場分布（r=定值,θ可變）

（1）徑向近場分布近場衍射現(xiàn)象：聲束截平面上聲強分布為許多最大強度和最小強度的同心圓環(huán)，環(huán)的數(shù)量隨著距離的增加而減少。聲能幾乎不擴散，聲束寬度接近相等（等于D）。

（2）徑向遠場分布波束如圖2－6所示。遠場聲強呈多個瓣形，主