（生物医学工程专业论文）超声波颈椎治疗仪——自制超声探头及超声生物效应检测设计研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t c e r v i c a ls p o n d y l o s i s ，w h i c hi sa l s oc a l l e dc e r v i c a ls y n d r o m e ，i sak i n do fd i s e a s e c a u s e db yc e r v i c a lo s t e o a r t h r o p a t h yo r ( a n d ) c e r v i c a ls p i n a ll e s i o n sb o t hi n s i d ea n d o u t s i d et h es o f tt i s s u e c e r v i c a ls p o n d y l o s i si sc o m m o na n df r e q u e n t l y o c c u r r i n gi nt h e e l d e r l y ，b u tt h ei n c i d e n c eo fc e r v i c a ld i s e a s ei nt h ey o u t hi sa l s ov e r yh i g hb e c a u s eo f t h et r e m e n d o u sp r e s s u r es u c ha ss t u d ya n dw o r k c e r v i c a ls p o n d y l o s i si s i n c r e a s i n g m o r ea n dm o r ee s p e c i a l l yf o rt h o s ew h ot a k e so f f i c ea n dt h o s ew h i t e c o l l a r s i ts h o w s at r e n do fy o u n g e ra g ew h i c hh a sc a u s e dal o to fs c i e n t i s t sa n de v e no r d i n a r yp e o p l e g e n e r a lb e g i nt oc o n c e mi t c e r v i c a ls p o n d y l o s i si sak i n do fs y n d r o m e ，i t ss y m p t o m si sd i f f e r e n tb e c a u s eo f t h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h el e s i o n sa n dt h e s i t e ，w h i c hc a u s e sm u c ht r o u b l ef o r d i a g n o s e sa n dt r e a t m e n t c e r v i c a ls p o n d y l o s i sh a st h ec h a r a c t e ro fh i g hi n c i d e n c e ，l o n g t r e a t m e n tt i m e ，a n di ti se a s yt or e l a p s e c e r v i c a ls p o n d y l o s i sn o to n l ya f f l i c t st h e s u f f e r e r s ，b u ta l s oc a u s e sh e a v yf i n a n c i a lb u r d e nf o rt h ef a m i l ya n dt h es o c i e t y c e r v i c a ls p o n d y l o s i si so n eo ft h ec o m m o nd i s e a s e se n d a n g e r i n gh u m a nh e a l t h t h et r e a t m e n to fc e r v i c a l s p o n d y l o s i s i n c l u d e s s u r g i c a l t r e a t m e n ta n d n o n s u r g i c a lt r e a t m e n t f o rn o wm o s to ft h em e d i c a le x p e r t st a k et h ep o i n to f n o n s u r g i c a lt r e a t m e n t ，o n l yas m a l ln u m b e rc a s e sn e e ds u r g i c a lt r e a t m e n t n o n s u r g i c a lt r e a t m e n t si n c l u d em a i n l ym a s s a g et h e r a p yp r a c t i c e s ，c e r v i c a lt r a c t i o nt h e r a p y ， m e d i c a t i o n , i n f r a r e d ，e l e c t r i c a lp u l s e s ，u l t r a s o u n dt h e r a p y ，a n ds oo n o n eo r2 - 3k i n d s o fm e t h o d sc a l lb es e l e c t e dt oi m p l e m e n ta tt h es a n l et i m e ，a c c o r d i n gt od i f f e r e n t s i t u a t i o n s w h e nt h eu l t r a s o n i cr a d i a t i o ne f f e c t si nt h eb o d y ，i tc a nc a u s eav a r i e t yo f r e a c t i o n st ot h eb o d yt oc u r et h ed i s e a s et h a n k sf o rt h ec a u s e db i o l o g i c a le f f e c t s w e c a l lt h i su l t r a s o u n dt h e r a p y u l t r a s o n i ci n s t r u m e n tf o rc e r v i c a l s p o n d y l o s i si st h e i n s t r u m e n tt oc u r et h ec e r v i c a ls p o n d y l o s i su s i n gt h eb i o l o g i c a le f f e c t so fu l t r a s o u n d i nt h i sp a p e r , u l t r a s o n i cp r o b ei ss u p p o s e dt ob ep r o d u c e da n dt h eb i o l o g i c a le f f e c t so f u l t r a s o u n di s s u p p o s e dt ob ed e t e c t e d i tn e e d sm a t c h i n g l a y e rb e t w e e nt h e i i p i e z o e l e c t r i cc o n v e r s i o na n dt h eh u m a nt i s s u e sb e c a u s et h e r ei sag r e a td i f f e r e n c ei n a c o u s t i ci m p e d a n c eb e t w e e nt h e m i nt h i sp a p e r , e x p e r i m e n t a ls t u d yi ss u p p o s e dt ob e r e s e a r c h e da b o u tt h em a t c h i n gl a y e ra n di t sa c o u s t i ci m p e d a n c eo fu l t r a s o u n di sa l s o s u p p o s e dt ob em e a s u r e d ，b a s e do nw h i c ht h eu l t r a s o u n dp r o b ei sp r o d u c e do no u ro w n u l t r a s o u n dc r l lc a u s eb i o l o g i c a e f f e c t st ot h eb o d y ，s ot h a th u m a nt i s s u e sh a v ea c e r t a i nt e m p e r a t u r er i s e ，t h i sa r t i c l eu s e ak i n do ft e m p e r a t u r es e n s o r sf d s 18 8 2 0 ) t o d e t e c tt h eb o d yt e m p e r a t u r et oi l l u s t r a t et h er o l eo fu l t r a s o u n dt r e a t m e n t k e yw o r d s ：c e r v i c a ls p o n d y l o s i s ，u l t r a s o n i c p r o b e ，m a t c h i n gl a y e r ，a c o u s t i c i m p e d a n c e ，t e m p e r a t u r es e n s o r sd s18 8 2 0 i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 日期：加呷年6 月2 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：二溘导师签名：签名：至= 叠导师签名： ，司。雾i 日期：z d 叼年6 月乙日 第一章绪论 1 1 颈椎病的现状 1 1 1 颈椎病的危害 第一章绪论 颈椎病又称颈椎综合症，是一种以退行性病理改变为基础的疾息，是由颈椎 骨关节病变或( 和) 颈椎椎管内外软组织病变引起的各种病症【l 】。 颈椎在脊椎中体积最小，但活动度最大，使用频率最高，因此其颈间盘、周 围韧带受伤机会也大大增加。同时，随着年龄的增长和损伤的积累颈椎间盘也发 生退行性改变，逐渐老化，弹性减退，脆性增加。如果继续受到损伤，可使椎体 的骨膜受牵拉和挤压，而产生损伤后修复反应，形成增生骨赘，骨赘与破裂的椎 间盘组织成突出物，压迫邻近的组织。突出物如向外侧突出，可压迫神经根，而 产生神经根被压迫或刺激的症状；如突出物向后突出，压迫脊髓可产生脊髓受压 症状；如突出物向侧方突出，可刺激交感神经；如压迫椎动脉，可引起椎动脉供 血不足症状。此外，青壮年颈椎间盘尚未发生退化时，可因明显的外伤而破裂， 发生急性颈椎间盘突出，表现症状与颈椎病相似，但无骨赘增生。相对比较少见。 颈椎病是中老年人的常见病和多发病，尤其是5 0 6 0 岁以上者多见。但是现在 的年轻人由于工作、学习压力大，再加上不良姿势如长时间低头看书、躺在床上 看电视、看书、高枕、坐位睡觉、卧车上睡觉、睡着时肌肉保护作用差、开车刹 车时易出现颈部损伤和椎间盘突出、经常使用电脑等原因导致颈椎病发病率也很 高；现代生活节奏的加快，各种工作压力和心理压力随之加重，尤其是整天坐办 公室的公务员和白领阶层，颈椎病患者更是日益增多。而且发病呈现越来越年轻 化的趋势，据世界卫生组织的调查，忠不同程度的颈椎病者，约占中老年人的7 0 左右。颈椎病可以导致晕眩、头痛、视觉障碍、脑供血不足、脑血管硬化等， 常见的颈椎病都伴有脑血管疾病症状，如果不进行及时治疗可形成高血压、脑萎 缩、脑梗塞、脑中风、颈椎退化、终生瘫痪甚至死亡，并可影响胃及心血管，对 人体的危害很大1 2 j 。 电子科技大学硕士学位论文 1 1 2 颈椎病的类型 根据症状的不同将颈椎病分为下列类型： 颈型：主要为颈椎第二椎间盘退行性改变所引起的颈椎局部不适，活动限制 及头、颈、肩等部的反应性疼痛等表现。它代表颈椎病的早期，没有明显的神经 系统受损的体征。 神经根型：系神经根受到压迫或刺激引起，可有单根或多根神经受累。根性 疼痛是本型最突出的症状，疼痛从颈部可放射至肩、臂、手指、前胸，相应皮肤 区可出现感觉障碍，如麻木、痛触觉过敏或减退。还可出现上臂、前臂及手指的 肌肉萎缩。 脊髓型：以锥体束障碍最为显著，主要表现为两下肢麻木、沉重、肌张力增 强、肌力减退，出现病理反射，严重者可产生截瘫，少数严重病人可伴有大小便 失禁，阳萎等植物神经功能紊乱的症状。 椎动脉型：有些颈椎病人当颈部过伸或转动时，可突然出现眩晕发作，甚至 昏厥。这可能是由于椎动脉遭受压迫，引起脑干的短暂性血供不足的结果。症状 有头痛、头晕、耳鸣、耳聋、恶心呕吐、视物不清、猝倒等，有的病例还可出现 喉音嘶哑，构音不良，吞咽困难，甚至复视、偏瘫等症状。 交感神经型：表现有头晕眼花、耳鸣、手麻、心动过速、心前区疼痛等一系 列交感神经的症状，甚至可有面部潮红、流泪、流涕、出汗异常，昕力和视力下 降等。 1 1 3 颈椎病的发病原因 现代医学认为颈椎的发病原因主要有以下几方面： 1 外伤：头颈部的任何一种损伤都可成为颈椎病的发病因素。 2 寒冷、潮湿：尤其在椎间盘退变的基础上，受到寒冷、潮湿因素的影响， 可造成局部肌肉的张力增加，肌肉痉挛，增加对椎间盘的压力，引起纤维环损害。 3 颈部的慢性劳损：长期低头工作，引起颈部的肌肉、韧带与关节的劳损， 使颈椎的生理曲度改变，促使小关节的增生和退变，从而导致颈椎病的发生。 4 颈椎的退行性病变：该病多见于4 0 岁以上的中老年患者。因年高肝肾不足 引起颈椎的钙化。颈椎间盘、椎体、椎间小关节等的退行性病变，是颈椎病发生 的主要原因【3 j 。 2 第一章绪论 1 1 4 颈椎病的治疗 颈椎病是一综合症，由于病变组织和部位的不同，综合症的内容大不相同。 因此颈椎病的症状是多种多样的，这就给医学上的诊断和治疗带来了困难，许多 颈椎病病人因被误诊而长期得不到有效治疗。颈椎病具有发病率高，治疗时间长， 治疗后极易复发等特点。颈椎病往往缠绵难愈，症状呈多元化，不仅长期折磨着 本人，也给整个家庭、社会带来沉重的经济负担，是严重危害人类健康的常见病 之一。 颈椎病的治疗方法可分为非手术疗法及手术治疗两类。目前对于颈椎病的治 疗，大多数的医学专家主张非手术治疗，只有少数病例需手术治疗。非手术疗法 主要包括手法按摩推拿疗法，颈椎牵引疗法，药物治疗，温热敷，红外，电脉冲，超 声理疗等，可根据不同情况选用其中一种或二至三种方法，同时施行。以上方法 都是经过临床验证切实有效的。 1 2 医学超声技术发展简史 超声作为工程技术出现于2 0 世纪。超声技术在生物医学中的初始应用建立在 超声波在军事工业中应用的技术基础上。1 9 1 2 年英国客轮t i t a n 号不幸撞上冰山并 沉没，第一次世界大战期间，德国使用潜艇击沉了同盟国几千艘舰船，这使得许 多科学家开始致力于研究能发现水下障碍与潜艇的探测器。在1 9 1 7 年，法国科学 家保罗郎之万发现了逆压电效应，首次使用了主要由石英晶体制作成的超声换能 器，并发明了用超声波探测水下目标的“水下定位法 。2 0 世纪3 0 年代，超声开始 用于医学治疗和工业探伤，从而使超声治疗成为医学超声历史中最先发展的部门。 第二次世界大战爆发，开始了军事中超声探测技术发展的新时期，但同时也 使医学超声研究几乎趋于停顿。1 9 4 2 年d u s s i k 和f i r e s t o n e 首先把工业的超声探伤原 理用于医学上的诊断，用连续超声波诊断颅脑疾病。1 9 4 6 年f i r c s t o n c 等研究应用反 射波方法进行超声医学诊断，提出了a 型超声诊断技术原理。由此，从2 0 世纪2 0 4 0 年代，医学超声技术处于一个探索阶段。 1 9 4 9 年召开了世界上第一次国际超声医学会议，促进了医学超声的发展。1 9 5 5 年j a f f c 发现锆钛酸铅压电材料( p z t ) 。这种人造压电材料易于制造，而且性能良好， 极大地促进了工业及医学超声技术的进一步发展。5 0 年代末期，脉冲波和连续波 电子科技大学硕士学位论文 d o p p l e r 技术一级超声显微镜问世。在5 0 年代，用脉冲反射法探查疾病也获得了很 大成功，同时也为多普勒技术及b 型超声的二维成像奠定了基础。6 0 年代期间，超 声全息、阵列式换能器、b 型实时成像、电子扇形扫描和线性扫描、电子聚焦法等 都被广泛研究。由于物理学、电子工程学、医学等技术的发展使超声成像技术已 日趋成熟和完善，临床应用日益广泛。这期间，多昔勒技术得到进一步研究， 用频谱分析法研究血流技术也同时间世。 7 0 年代，b 型显像蓬勃发展，超声成像设备不仅已跻身于主要医学成像领域， 且与x 射线系统并驾齐驱、相互补充，成为使用最广泛的诊断工具。7 0 年代后期， 超声诊断中开始大量使用微型计算机，d s c 和d s p 的出现也使医学超声仪器向高度 技术性能迈进了一大步。同时压电高分子薄膜换能器出现，由于它具有压电性能 好、噪声小、易成型、声阻抗与人体的声阻抗比较接近等优点，其应用将会更有 力地推进医学超声的发展。 进入8 0 年代，医学超声成像设备开始向两级发展。一方面是价格低廉的便携 式超声诊断仪进入实际使用；另一方面是向综合化、自动化、定量化和多功能等 方向发展。同时亦在向超声c t 方面进行探索。超声显微镜得到了进一步的加强发 展。在超声多普勒技术方面，一个重大成就即是发明了自相关流速及其分散程度 提取方法，因此也实现了二维血流的实时彩色成像。此外，还探索了获取血流矢 量和矢量成像的超声多普勒技术方法。在探头方面，新的材料，新的换能器进一 步发展与完善，如与控制技术结合的探头、可以直接探查体内的内窥超声探头掣4 】。 9 0 年代以后，超声技术有了更快速的发展。超声诊断仪器中应用了更多的新 技术，包括扩大视野及宽视野成像、由一维、二维图像至三维图像显示的发展、 宽频带技术的应用、多角度复合成像技术的应用、b 型超声血流成像技术的应用、 包括d i c o m 3 0 标准及超声图像工作站的应用等，使超声技术得到了长足发展。 另外，超声技术开始应用于各种疾病的治疗，利用超声进行治疗的技术有超声理 疗、超声药物透入治疗、超声一电疗、超声手术刀、超声美容、超声减肥、超声洁 牙等，超声高温治癌是目前受到重视的一项研究课题，它是应用聚焦后的超声波 束产生的机械破坏作用进行外科手术，这种手术不需要开刀，皮肤不受损伤，一 般不需注射麻醉剂【5 j 。 4 第一章绪论 1 3 本论文的章节安排 超声现在已经广泛应用于工业工程中，在医学应用中，超声诊断最广泛，超 声理论上可以进行很多治疗作用，但实际中应用超声来进行治疗的相对较少，尤 其是利用超声进行颈椎病治疗的仪器更少。利用超声的生物效应进行颈椎病的治 疗即是本文的主要目的。 本论文第一章简单介绍颈椎病的发病原因、分类及危害，给出课题的来源。 第二章介绍超声的生物效应及颈椎病的超声治疗方法。 第三章讨论超声换能器的发展、分类和一些参数，并给出本论文参数的确定。 第四章讨论超声换能器中匹配层的制作及其声阻抗的测量。 第五章讨论超声生物效应的检测。 第六章介绍本论文的成果和不足，并提出需要改进和进一步研究的内容。 5 电子科技大学硕士学位论文 第二章超声波生物效应及超声治疗 声波通常是指能引起人们听觉的机械波，频率在2 0 - - - 2 00 0 0 h z 之间，而频率小 于2 0 h z 的机械波被称为次声波，频率大于2 0 k h z 的机械波被称为超声波。医学超声 设备所用的频率大多数都在i 2 0 m h z 之间，最常用的超声波频率为2 5 1 0 m h z 【o j 。 将超声波辐射于机体，便会产生生物学效应，便可引起机体的各种反应，从 而达到治疗疾病的目的，此种方法被称为超声治疗法。超声医学从机制来说，主 要是将超声辐射至人体组织，利用超声与组织的相互作用，以达到医疗、治疗的 目的。一是利用组织细胞的反作用，亦称为被动作用，即声波的反射、散射及透 射等规律，提取其超声信号，并加以显示，从而形成各种超声诊断法；一是利用 辐射到人体组织细胞而产生的超声生物效应作用，亦称为主动应用，起到保健、 治疗作用的目的。下面将主要介绍超声的生物效应及颈椎病的超声治疗法。 2 1 超声的生物效应 超声生物效应目前仍然是一个十分复杂的问题，它取决于很多物理学和生物 学方面的因素，但全球研究人员一直进行着对超声生物效应的广泛研究，原因主 要有两个方面。第一、从超声技术进入医学领域开始，人们就一直考虑超声的安 全性问题，如何能够确定一个合理的并且有科学依据的超声安全剂量值，而这个 安全剂量值的提出，必须建立在充分了解超声生物效应的基础上。第二、要较好 地研究超声波治疗方法和机理及其疗效评价，也必须充分研究超声生物效应。目 前研究所知，超声波生物效应有如下几种： 1 热机制：由于生物组织有声吸收的特性，部分超声能量入射到人体组织后 转换成热能，使人体组织温度升高。此温度的升高主要与入射声波的强度、频率 和作用时间等有直接关系。声强一定时，对某特定组织，温度会随超声波照射时 间的增加而上升，其后也会慢慢到达一个相对平衡的状态。超声所产生的微热效 应对治疗疾病有着不可忽视的作用。 2 机械作用：超声波在生物组织中传播时，其振动和压力会对细胞和组织结 构产生直接的效应。通常，我们可以采用多种力学参数来描述超声的波动过程， 6 第二章超声波生物效应及超声治疗 如质点位移、振动速度、加速度及声压等。当声强较低时，生物组织会产生弹性 振动，位移幅度较小，不会造成太大影响；当声强增大到一定程度后，生物组织 的机械振动则超过自身的弹性极限，组织发生本质上的断裂或粉碎，即超声机械 效应。超声手术刀和超声碎石等都利用了超声的机械效应【4 】 7 1 。 3 空化作用：超声空化是在超声波的正压期间分子结构形成空虚，发射强超 声波于液体中产生溶解气体或液体蒸气的气泡成长而爆烈、消灭的现象。超声空 化是强超声在液体中引起的一种特有的物理现象，是一个典型的非线性的声学问 题【引。传统习惯把声空化分为稳态空化与瞬态空化【划。 4 声冲流效应：当超声入射到两种不同声阻抗率的媒质界面时，动量发生变 化，产生辐射压力。高强度的超声波在传播中，会引起介质单向流动的声冲流， 进而产生冲击波，导致介质变形，在生物组织的某些敏感部位产生变异影响或隐 性损伤。尤其是在冲击面上，冲击波会使媒质的密度、压力和温度产生突然变化， 当这种运动的幅度足够大时，会引起生物组织的损伤。 5 触变效应：超声波的作用还可引起生物组织结合状态的某些改变，如引起 血液黏滞性降低，造成血球沉淀和血浆变稀等，这些都称为触变效应。声强较低 时，触变效应可能是可逆的；声强过高时将造成生物组织的不可逆变化p 】。 6 超声弥散效应：超声波能提高细胞半透明膜的渗透作用，能够使药物更容 易进入细菌体内。目前已有实验证明，将消毒药物与超声同时合并使用，可改变 细菌对药物的敏感性，增强药物的杀菌作用，药物透入疗法的原理就基于此【1 0 1 。 除了上述几种效应外，超声还能引起组织中p h 值改变。如p h 值升高，伴随 炎症产生的酸中毒便可得到缓解，这非常有利于治疗急性炎症。超声还可影响血 流量，起到抗炎作用，以能够达到对受损细胞组织进行清理、重新激活、修复的 作用。超声对高分子化合物还有一定的分裂作用。超声在有机体中能使分子产生 大的振动速度，由此产生的分子间摩擦力，能破坏聚集的分子，起到一定的解聚 作用。超声还可加速化学变化及氢化作用，这些作用在生物学和医学上都有一定 的意义, e 3 1 l 。 2 2 超声治疗 超声治疗是利用超声波产生的生物效应改变生物组织的结构、状态或者功能， 从而治疗某些疾病的方法，超声治疗应用非常广泛，例如超声外科手术，超声聚 7 电子科技大学硕士学位论文 焦粉碎结石，高强度超声聚焦治癌，以及超声理疗等等都属于超声治疗范围。随 着超声应用越来越广泛，颈椎病的超声治疗法也逐渐得到更多应用。下面介绍几 种颈椎病的超声治疗方法【1 1 1 。 2 2 1 超声理疗法 利用强度合适的超声波产生的热效应和机械效应，用聚焦或非聚焦超声波束 对疾病部位进行“加热一和机械刺激效果来治疗某些疾病，这称为超声理疗。超 声理疗主要包括超声热疗、超声按摩及超声针灸等。超声理疗主要由超声治疗仪 完成，一般情况下，超声治疗仪包括高频功率超声发生器和超声换能器( 即声头) 两大部分。由高频超声功率发生器能够提供高频电能，经过声头中的压电晶片的 共振激发作用，向外辐射超声波。超声波经过声阻抗匹配和耦合剂的耦合作用后 便可有效地进入人体，辐照病变部位从而达到治疗的目的。到目前为止，超声波 对人体各部分的作用机理暂时还未完全分析清楚，但是，有两点已经得到确认： 一是温热效应，一是机械按摩作用。虽然现在已经有很多有关利用超声的热效应 和超声的机械效应来进行对颈椎病的治疗，但是超声辐照的强度和辐照的时间暂 时还不能完全掌握好，因此此法还没有得到完全应用，还有很多实验工作需要完 成【埘。 2 2 2 超声一电疗法 将声与电两种不同的物理因子结合应用于临床治疗即是超声电疗法，这是近 年来才开始发展起来的一种新的医疗技术。开始，人们将一般的脉冲电流与超声 同时对患者进行治疗，发现疗效颇佳，尤其疼痛病症可以迅速缓解。其后又发现 它对运动器官的损伤的康复，疗效卓越，因此引起生物物理学及超声医学工作者 注意并进行深入探索，低频脉冲电流和中频电流又被先后引入，与超声协同作用 于人体，结果表明协同作用效果均优于他们各自的单独疗效。据报道，目前已有 多种不同频率和相关参数的脉冲电流与超声结合的方案应用于临床治疗。随着电 及超声的普遍应用，此法会得到广泛应用。无锡市第二人民医院对3 6 0 例神经根型 颈椎病患者，采用不同物理因子( 主要进行了神经根型颈椎病的间歇性牵引与间 歇性牵引+ 超声调制中频电流和持续性牵引与持续性牵引与持续性牵引+ 超声调制 中频电流的对照治疗) 进行治疗，并进行临床观察，对照结果显示，牵引后加超 8 第二章超声波生物效应及超声治疗 声调制中频电流的治疗方式，疗效明显优于单纯牵引对颈椎病的治疗效果，间歇 加重式牵引协同超声调制中频电流被认定是理想的保守治疗方法之一，值得临床 推广应用【1 3 】【1 4 1 。广州市第一人民医院也做过1 2 0 例类似的临床实验对照，结果显示， 用超声波配合电治疗的有效率为1 0 0 ，有显著疗效的占7 0 【1 5 1 。这些都说明超声 电疗法对颈椎病的治疗确实非常的有效，未来必定是颈椎病治疗的一个方向之一。 2 2 3 超声药物透入疗法 这是一种将药物加入超声耦合剂中，通过超声作用，使药物经皮肤或粘膜组 织透入人体内的一种治疗方法。作用机理有以下两点：第一，当超声在生物组织 中传播时，超声产生的机械振动使人体组织中的各质点受到交替变化的压力，造 成组织细胞内的物质运动，细胞膜由此产生了微细的按摩作用，提高了通透性， 加强了弥散过程，使药物更方便进入体内；第二，超声机械和热效应会导致药物 大分子之间产生摩擦，使大分子的化学键断裂，药物便会发生解聚作用，从而有 利于药物进入体内。云南省昆明医学院第一附属医院康复理疗科曾做过利用超声 透入正红花油等药物对椎动脉型颈椎病进行了1 0 2 例临床实验，结果显示：超声红 花油透入治疗前、后椎动脉每搏及每分输出量比较，有非常显著的差异，表明它 可明显提高椎动脉血流量，改善脑组织缺血、缺氧症状，从而有效地缓解因椎动 脉供血不足、血管痉挛引起的临床症状。超声药物透入治疗椎动脉型颈椎病是一 种见效快、疗效好的治疗方法，其疗效明显优于直流感应电疗法，值得临床推广【1 列 ( 3 2 1 。 2 2 4 超声对周围神经的作用 超声对人体作用时，也会同时影响到人体的周围神经组织。超声既可对正常 周围神经产生一定的破坏作用，又可对病变神经产生积极的治疗作用。不同强度， 不同频率的超声，不同的照射时间，不同的作用方式，对正常的周围神经可以造 成不同程度的影响，轻则无影响，或轻微影响传导的增快或减慢，重则会导致丧 失传导功能、破坏细胞结构，适当剂量的超声波对病理性改变或机械性损伤的神 经有促进恢复治疗和再生的作用。但目前尚不能确定对周围神经疾病有治疗效果 的特定的超声剂量与治疗方式，这需要医务人员根据超声治疗的经验针对病人的 病情来选择合适的超声剂量、治疗方式和治疗周期。重庆医科大学第二临床学院 9 电子科技大学硕士学位论文 麻醉科做过3 5 例正常人受超声辐照的实验，及6 0 多例颈椎神经受到压迫疼痛的 病例，结果充分表明超声的人体辐照部位周围神经的负面及有效康复作用，说明 超声对周围神经的双刃剑作用。因此，在用超声波的诊疗过程中，应趋利避害， 充分利用超声波的特点，以更有效的服务于广大患者。如果超声剂量和治疗方式 可以得到充分利用并找到其作用规律，那么此法便可以得到更广大应用，对治疗 颈椎病会起到重大作用【l 明 3 3 】。 总之，超声对人体的损伤在适当剂量下可以忽略不计，甚至可以对人体组织 起到促进生长、康复和调节机能的作用。由超声剂量学知，生物组织受到辐照的 总剂量不能完全决定超声产生的生物效应，更重要的是照射剂量在空间与时间的 分配。对于不同生物组织，这些关系有所不同。在应用超声进行治疗的时候，有 一些问题值得引起我们的注意：如何对超声剂量进行控制与测量、如何确定病灶 的位置、如何引入超声等。由于影响因素的不确定性，目前取得的一些实验结果 的重复性不能尽如人意，这方面的研究还需要各国研究人员的不懈努力。但是只 要能够保证超声波的强度和作用时间在安全阈值内，对人体和胎儿均是无害的。 总的来说，虽然颈椎病的症状比较复杂，但只要人们能够重视它，及时治疗，积 极治疗，大多数患者都能够恢复【2 0 】 2 h 。 1 0 第三章超声换能器 第三章超声换能器 应用超声波进行诊断和治疗，首先要解决的问题是如何发射和接收超声波。 而超声换能器即是解决这个问题的答案。虽然目前也有其他方法来产生超声波， 如利用激光来产生超声波，但是在医疗超声设备中，大部分仍然采用电声换能器 来实现声波的发射与接收。在超声的所有应用中，超声波都是通过超声换能器进 行电能与超声能量的相互转化。换能器，顾名思义，即是指能够进行不同能量之 间相互转化的器件l 冽。 3 1 超声换能器发展简史 超声换能器是实现声能与电能相互转换的器件。它可以把声能转换为电能， 也可以把电能转换为声能。最早的超声换能器是1 9 1 7 年p 朗之万( p l a n g e v i n ) 为 水下探测设计的夹心式换能器。这个换能器是以x 向切割的石英晶体为压电激活 材料，用两块钢板在两侧夹紧而制成的，其谐振频率为1 7 千赫和4 5 千赫等。1 9 3 3 年以后出现的叠片型磁致伸缩换能器，以冲孔镍片为材料，强度高，稳定性好， 功率容量大，这些优点促使它迅速地取代了当时的朗之万换能器。1 9 4 2 年出现了 铝一铁合金，降低了生产成本，因此被广泛采用。到了五十年代初，电致伸缩材 料、钛酸钡铁电陶瓷材料研究成功，它以介电损耗小，机电耦合系数比较大和足 够高的机械强度优于石英晶体、镍和一些合金材料，于是朗之万型超声换能器再 度被运用，并成为当时叠片型磁致伸缩换能器的有力竞争者。五十年代中叶又发 明了铁氧体磁致伸缩材料，它的特点是涡流损耗小，电声效率达到8 0 以上，比 薄片镍做的磁致伸缩换能器，约高2 3 倍，并且它兼有镍和其他合金材料做成的 磁致伸缩换能器的一些特有优点，例如强度比较高等。此外，工艺上它是由铁氧 体粉末经过简单模压烧结制成，换能器的形状可以根据需要进行设计，所以直到 现在，铁氧体换能器仍为广大设计者所欢迎，并广泛地应用于各个工业领域。 从五十年代，锆钛酸铅压电陶瓷的发现、研制，到六、七十年代被推广使用， 前后花了近十年时间。它的应用在压电材料史上揭开了新的一页。锆钛酸铅与钛 酸钡相比，具有耦合系数大，压电系数大，居里点高，以及通过各种成分的变更 1 1 电子科技大学硕士学位论文 能在很大范围内调整性能，以满足多种不同需要等优点，因此锆钛酸铅系陶瓷得 到愈来愈广泛的应用。近十多年，这种材料迅速推广，在许多方面替代了原先的 压电陶瓷材料。 3 2 换能器的分类 3 2 1 按工作原理分类 电声换能器按工作原理分为两大类，即电场式和磁场式。电场式中，利用电 场所产生的各种力效应来实现声电能量的相互转换，其内部储能元件是电容。它 又分为压电式、电致伸缩式、电容式等。磁场式中，是借助磁场的力效应实现声 电能量的相互转换，内部储能元件是电感。它又分为电动式、电磁式、磁致伸缩 式。在医学超声工程中，使用得最多的是压电式超声换能器。 3 2 2 按使用的材料分类 超声换能器，如果按其使用的材料分，可划为两大类：一类是压电换能器， 使用的材料有非铁电型压电晶体和铁电型压电陶瓷；另一类是磁致伸缩换能器， 它使用的材料有冲孔镍片，具有磁致伸缩性能的合金，如镍铁合金、铝铁合金以 及铁氧体等。 1 、电致伸缩效应及压电换能器 在外电场作用下电介质所产生的与场强二次方成正比的应变，称为电致伸缩。 这种效应是由电场中电介质的极化所引起，并可以发生在所有的电介质中。其特 征是应变的正负与外电场方向无关。 压电换能器最主要应用压电效应来实现能量转换。压电效应又可分为正压电 效应和逆压电效应。 正压电效应是指：当晶体受到某固定方向外力的作用时，内部就产生电极化 现象，同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力撤去后，晶体又恢复到 不带电的状态：当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变；晶体受力所产 生的电荷量与外力的大小成正比。压电式传感器大多是利用正压电效应制成的。 逆压电效应是指对晶体施加交变电场引起晶体机械变形的现象。用逆压电效 1 2 第三章超声换能器 应制造的变送器可用于电声和超声工程。压电敏感元件的受力变形有厚度变形型、 长度变形型、体积变形型、厚度切变型、平面切变型五种基本形式。压电晶体是 各向异性的，并非所有晶体都能在这五种状态下产生压电效应。例如石英晶体就 没有体积变形压电效应，但具有良好的厚度变形和长度变形压电效应。 2 、磁致伸缩效应及磁致伸缩换能器 所谓磁致伸缩是铁磁物质( 磁性材料) 由于磁化状态的改变，其尺寸在各方向 发生变化。磁致伸缩效应也有其逆效应。 常用的磁致伸缩材料，在金属中有镍、铁铝合金等；非金属中有铁氧体等。 与压电超声换能器相比，磁致伸缩超声换能器具有机械强度高，性能稳定，等效 输入阻抗低，可在较低激励电压下输出较大声功率等优点。 3 2 3 按压电振子单元数分类 压电体可极化面覆盖上激励电极后，即成为压电振子，它具有正压电效应和 逆压电效应，具有机电转化能力，它是一个可逆的机电换能系统，是换能器的核 心部分。医用换能器按压电振子单元数可以分为：单元换能器和多元换能器。多 元换能器又分：线阵、相控阵、方阵和凸阵。 3 2 4 按声束特性分类 换能器按声束特性可以分为：聚焦换能器和非聚焦换能器。聚焦换能器又分 为一维聚焦( 包括电子聚焦和声学聚焦) 和二维聚焦( 也同样包括电子聚焦和声 学聚焦) 。 3 2 5 按收发方式分类 由于换能器既有正压电效应和逆压电效应，因此既存在超声波的发射问题， 又存在超声波的接收问题。总的来讲在应用上超声换能器大致分为两类，即谐振 式的和非谐振式的，而绝大部分是谐振式的。谐振式换能器的效率高，对超声的 发射更有利，多用于发射，为发射型换能器；非谐振式多数应用于接收系统，更 有利于接收，例如，用于水听器和一些被动声呐的声基阵，其优点是具有平坦的 接收频率响应，为接收型换能器；有些换能器发射和接收效果差别不是很明显， 1 3 电子科技大学硕士学位论文 某些方面对接收有利，有些方面对发射有利，这种换能器既可用来发射超声波又 可用来接收超声波，即收发兼用型换能器。 3 2 6 按几何形状分类 超声换能器压电振子有不同的形状，按其形状可以分为：圆形换能器、环形 换能器、方形换能器、矩形换能器、喇叭形换能器和菊花形换能器。 3 3 超声换能器的基本结构 换能器是超声探头的功能件，具有发射超声波和接收超声波信息的功能，它 是进行能量转换的器件。超声换能器的结构形式一般可用图3 1 来表示，它由聚 焦件、匹配层( 一层或多层) 、压电元件( 亦称压电振子) 和背衬块组成。超声换 能器的主要部件是压电元件，它根据用途的不同有圆片形、长条形、球壳形、圆 柱形、环形、棒形和管形等。 聚焦件 匹配层 压电元件 背衬块 图3 1 超声换能器的结构形式示意图 超声换能器对压电元件有许多要求下列几点是重要的： 1 可加工性。能根据需要加工成所需的形状、尺寸和所要求的精度，在加工 过程中压电元件不易损坏。例如，多元线阵换能器所用的压电元件是长条形压电 薄片，要在这样的压电元件上切割出多达几百个微晶元，既要求其可切割性好， 又要求它不易发生断裂、错位等损坏现象。要使换能器频率误差小，要求其厚度 1 4 第三章超声换能器 精度要高，这就要求它必须具有良好的可磨削性。有些压电材料性能参数是好的， 但由于可加工性差，很硬、很脆，加工中很容易碎裂，因此无法应用。 2 压电元件性能的稳定性。要求压电元件具有良好的时间稳定性和温度稳定 性，有些压电元件稳定性差，随着时间的推移会发生退极化现象，严重时会导致 换能器失效。 3 优良的性能，对不同用途的换能器是不完全相同的。一般来说，发射换能 器要求压电元件的d 3 3 值要高些，t a n6 要小些；对接收型换能器，要求压电元件 的船3 要高些；对脉冲回波式换能器，则要求d 3 3 * 9 3 3 要高些，k k p 要大些；对于 高频换能器则要求压电元件的频率常数要大一些。任何类型的换能器都要求压电 元件的有效机电耦合系数要大一些。 4 压电元件的银层要牢固。对于宽度只有0 1 5 0 3 m m 的微晶元来说，若银层 不够牢固，则电极极易剥落，这将无法制成多元线阵换能器、多元凸阵换能器及 相控阵换能器，即使勉强制成了换能器，也是无法正常工作的。对于其他类型的 换能器大多也有相同的要求。 5 压电元件各部分性能的一致性。对多元线阵换能器、多元凸阵换能器及相 控阵换能器来说，这一性能尤其重要，性能一致性首先是内在品质的一致性，其 次是加工尺寸的一致性。 目前超声换能器应用的阻抗匹配层多为单层和双层的，它能起到阻抗匹配作 用。此部分理论内容将在3 5 2 作较详细介绍，匹配层的制作相关内容将在第四章 作具体说明。 背衬块是压电元件背后的一块衬垫块，它直接影响换能器的性能，既要求吸 声效果好，又要求阻尼性能好。 另外，超声换能器的结构还包括：多阵元换能器( 包含线阵、相控阵、凸面 线阵和方阵换能器) 、机械扫描换能器、声学聚焦换能器、超声多普勒换能器( 按 结构又分：分隔式、分离式和重叠式换能器) 及特殊用途换能器。由于本文只研 究超声换能器的基本结构，这些种换能器简略不做介绍【7 1 。 3 4 压电振子 压电体可极化面覆盖上激励电极后，即成为压电振子，它具有正压电效应和 逆压电效应，具有机电转化能力，它是一个可逆的机电换能系统，是换能器的核 1 5 电子科技大学硕士学位论文 心部分，在此重点介绍。 3 4 1 压电振子的振动模式 压电材料的机械能和电能的相互转换，是通过某一尺寸和几何形状的压电振 子，在某一特定的条件( 极化方向、激励情况和电极覆置) 下，实现振子的振动。 压电振子的振动方式称为振动模式。当电场方向与极化方向的关系不相同时，可 使不同形状的压电振子激发出不同的振动模式。按压电材料的形状、极化方向之 间的振动关系，有如下几种基本模式： 振动模式 下表列出了几种常用的振动模式示意图。医学超声工程中，多采用伸缩振动 模式，其中又以厚度伸缩振动模式为主，也是本文主要介绍的对象f 4 】。 l 、厚度伸缩振动 极化方向( p ) 与电场方向( e ) 平行时，产生伸缩振动。振动方向与超声传播方向 一致，产生纵波。圆片厚度伸缩振动模式振子的几何形状、极化和激励方式见表 3 1 0 ) 。沿厚度方向极化，电场垂直于薄片平面。一般压电陶瓷的极化方向取为z 轴。当沿厚度方向施加交变电场时，振动方向和超声波的传播方向均与电极面垂 直。谐振频率万与厚度的关系为： 1 ，= m ( 3 1 ) d 式中，占是厚度振动模式的频率常数。 1 6 向 向 向 向 纵 横 纵 横 ( ( ( ( 动动动变 曲曲 振振振切变 弯弯 度度向度切 度度 厚长径厚面 厚长厂：rl厂1 动 动 动 动 振 振 振 振 缩 变 曲 陷 伸 切 弯 能 第三章超声换能器 表3 1 几种常用的振动模式 样品形状 振动模式 j lj 极e 极面 化 霞助 公 方 廷到 向 je 卢极面 沿长度方向伸缩