第三章医用探头.ppt

1 第三章医用超声换能器 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 压电换能器 超声诊断仪主要用之 磁致伸缩换能器 超声治疗仪用之 2 3 1 压电效应 piezoelectriceffect 压电现象 piezoelectricity 压电晶体 piezoelectricalcrystal 当沿某些天然晶体或人造压电陶瓷材料的一定方向施加外部应力 拉力或压力 使材料发生形变时 则会在物体两个受力界面上引起内部介质正负电荷中心相对位移 产生符号相反的束缚电荷 这种由机械力作用引起晶体表面电荷的效应 称为正向压电相应 应力 电荷中心相对位移 晶体表面电荷效应 若在上述晶体或压电陶瓷体表面沿着能产生压电效应的电轴方向施加电压 则由于电场作用也会引起电介质内部电荷中心产生位移 并由这一极化位移又导致物体的几何形变 这种由电场力作用而引起电介质几何应变的压电效应 称为逆向压电效应 电压 电荷中心相对位移 晶体几何形变 4 第一节压电换能器的基本特性 一 压电效应1 正向压电效应 材料两端加压力 两电极产生电场物理本质 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 材料产生形变物理本质 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 5 压电效应示意图 6 横向压电效应 形变方向和电场方向垂直 纵向压电效应 形变方向和电场方向一致电致伸缩效应 所有电介质在电场中都要受到拉伸作用 由于静电力的作用而伸长或压缩的现象称电致伸缩效应 7 换能器如何利用压电效应完成 电能量 超声能量的相互转换 8 二 医用压电材料 压电材料 具有压电效应特性的材料 非晶方性 压电材料的种类 压电单晶体 石英 酒石酸钾钠 磷酸二氢铵 铌酸钾 硫酸锂等压电多晶体 也称压电陶瓷 钛酸钡 偏铌酸铅 锆钛酸铅 铌镁 锆 钛酸铅等压电高分子聚合物 聚偏二氟乙烯等复合压电材料 聚偏二氟乙烯 锆钛酸铅复合 PVDF PZT 等 9 10 压电特性的获得 单晶体 某些方向本身固有压电效应 选定切割多晶体 材料加热到居里点温度 压电效应消失 各种材料不同 然后在强电场中冷却 极化 居里点 石英 550oc 锆钛酸铅 330oc 钛酸钡 120oc各类压电材料的优缺点 压电陶瓷 电 声转换效率高 易于电路匹配 性能稳定 价廉 易加工 但频率受限 脆 物性受温度影响 石英晶体 电容小 频率高 机械性能好 但昂贵 加工不便 高分子压电聚合材料 接收灵敏 效率高 易匹配 机械性能好 11 探头的发射频率 超声波的产生超声频率交变电压 压电体超声振动 发射超声 谐振的条件一般前后表面总有部分超声被反射 在压电体内传向对面 因为前后表面振动反相 当L 2时 压电体内传播时间t L c 2 c cT 2 c T 2即 到达对面时 与相移180o的对面振动叠加 达到同频同相叠加 辐射超声最强 此为谐振情况 对应频率f c c 2L称基本谐振频率 或基频 12 一般地 基频或更高频率在压电体内传播从一个表面到达对面所用时间为 t L c 2n 1 T2n 1 2 n 1 2 即 L 2n 1 2n 1 2或 f2n 1 1 T2n 1 2n 1 c 2L时 都能达到谐振 f1 基频 f3 f5 f7 高次谐振频率 f1L c 2 材料的频率常数 13 超声换能器主要特性 一 使用特性二 声学特性 14 一 使用特性 使用特性实际上是探头与仪器配合使用的综合性能 15 1 探头的工作频率 指探头中的换能器与仪器连接后 实际辐射超声波的频率 对于收发兼用的医用超声探头来说 工作频率通常并不等于换能器的发射频率或接收频率 这是因为工作频率还受信号源内阻的影响 16 2 频带宽度 指换能器的工作频率响应范围 17 3 灵敏度 换能器与超声诊断仪配合使用时 在最大探测深度上可发现最小病灶的检测能力 他主要与换能器的换能特性有关 辐射效率高 接受灵敏度高的换能器 探测灵敏度就高 18 4 探测分辨率 超声在不同界面阻抗差内传播将产生反射 而人体组织的阻抗间 两者相差很大 在其界面处容易产生反射 并影响分辨率 分辨率分为 1 纵深分辨率 与脉冲宽度有关2 横向分辨率 与声束直径有关 19 1 纵向分辨率指能被声波分辨为前后两点的最小间距 其高低与声波发射脉冲的宽度 即持续时间 有关 20 2 横向分辨率指与声束相垂直的直线上 能在荧光屏上被分别显示为左右两点的最小距离 该距离大小与声束之宽窄以及发射声束的数量有密切相关 发射声束的数量越多 横向分辨率越好 反之则较差 21 二 声学特性 1 阻抗特性2 频率特性3 换能特性4 暂态特性5 辐射特性6 吸收特性 22 1 阻抗特性 换能器工作在有负载的情况 压电振子的两个端面都和某种媒质声阻抗相接触 一个端面与被测媒质 例如人体组织 接触 另一端面可能又与其他媒质 如被衬吸收块 接触 23 原理 1 当振子加上一个交变电压时 在端面处产生一个相应的交变力 对被检测物质发射超声波 这时换能器处于发射状态 2 当振子端面有一交变力的作用时 则在振子上产生交变电压 这时换能器又处于接收状态 24 2 频率特性 包括 1 阻抗频率特性 2 辐射频率特性 25 1 阻抗频率特性指换能器阻抗随频率变化的的特性 2 辐射频率特性指换能器辐射状态的频率特性 在电脉冲激励下换能器的工作频率受信号源内阻的影响 为了稳定换能器的辐射频率 可以加电感匹配 使匹配电感与静态电容谐振在某一特定工作频率上 26 3 换能特性 指换能器发射和接收状态的能量转换特性 理论上 换能器的电声 声电能量转换是等效和可逆的 换能特性包括两方面 1 发射方面电能 机械能 超声能2 接收方面超声能 机械能 电能 27 4 暂态特性 指换能器对脉冲响应的随动能力 超声诊断仪所采用的压电换能器大部分都是工作在脉冲状态 即工作在暂态条件 暂态特性的研究基本内容 换能器的的某些因素对脉冲信号响应的关系 利用换能器的暂态特性 可确定其Q值 而换能器被敲击后的自由振动周期是与Q值密切相关 超声脉冲越窄 响应占据的频谱就越宽 对换能器暂态特性的要求也就越严格 28 5 辐射特性 换能器的辐射特性主要是描述辐射声场在空间的分布状态 如声压在不同的距离和方位上的分布情况 29 30 2 2医用超声换能器声波辐射器 反向压电效应 电能 声能 高频电流 机械振动 声波检测器 正向压电效应 声能 电能 声波振动 高频电流 超声场 超声能量作用的弹性介质空间称为超声场 了解超声场在一定区域的空间分布状态 对于超声诊断仪的设计和应用无疑都是十分重要的 第二节换能器的超声场 31 根据惠更斯 弗涅尔原理 对于单个振子 当它的尺寸极小时 可以将它看成是一个子波声源 点声源 它所产生的声场是没有指向性的球面波 如图1 8所示 如果根源尺寸不足够小 则可以将其辐射面上的每一点看成是一个子波声源 由于各个子波叠加的结果 其声场区域就具有指向性 以两个点声源所产生的声场为例 由于两个子波叠加的结果 将具有指向性函数 注意 32 33 一 超声辐射声场特性 描述声压 声强在空间的分布状态 1 指向性 通常将任意角度方位的声压与时声压之比 称为声场指向性函数 其图形称为指向性图案 用极坐标表示 指向性图案中有一系列波束 其中辐射能量集中或接收灵敏度最高的波束称为主波束 主瓣 旁侧波束称为次波束 付瓣 指向性函数 directivityfunction 主瓣 mainlobe 34 2 近场与远场特性 物理上 近场指声源在自由场 可忽略边界影响的无限大均匀各向同性媒质中的声场 辐射时 靠近声源的声场 其瞬时声压和质点振动速度不同相位 在近场区 由于声波相互干涉和衍射的结果 沿传播方向各点声能 声压或声强 会时而出现极大或极小 同时在垂直传播方向上也可能出现声能微弱变化 即近场衍射现象 近场区声束基本不扩散 远场指自由辐射时 远离声源部分的声场 其瞬时声压和质点振速同相位 远场区声压不均匀性减弱 对圆盘振子 远场为圆锥体 声束开始扩散 声压随距离增加而单调衰减 近似球面波扩散 35 圆形单晶片作为声源时产生的超声场 由于处于发射状态的圆形晶片相当于一个往复振动的活塞 所以常称为圆形活塞振源 是超声诊断中常用的也是最基本的换能器 人们期望振源能发出一束均匀的超声波 在计算和分析圆形活塞声源辐射的超声时 假设 把圆形活塞声源看成是无限个小声源组成对每个小声源 都在立体角的半空间辐射对称球面波对于该圆形声源声场中的某点的声压看成是每个小声源辐射到此点处的声压的叠加 36 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 极坐标z 声轴方向a 圆片半径 37 1 声场中心轴线上的声压 38 39 40 41 p 42 43 44 45 46 y 17等时 Dc 0 即声能限制在一个瓣内 其物理意义是这些数值相应的角方向上没有辐射声波 图2 11可看出这种状况 主瓣要比辐瓣的声压强得多 47 对于Dc 0的第一点 即贝赛尔函数的第一个根时 相应的角度称为半扩散角 其值 2 19 此式称为主瓣指向角的Franbofer公式 常用来求主声束半扩散角 如Ka非常小 以至Dc对所有的值几乎都为1 即圆片成点声源 对方性晶片 理论计算证明 半扩散角上式d为方片的边长 方晶片的面d2 所以和方晶片直径相当的圆形晶片的直径D为 48 3 关于近场和远场的简略结论在式 2 14 而在 2 19 中可看出 超声f越高 即波长越小 a越大 近场长度L越大 同时半扩散角越小 这表示超声的声束性好 方向性显著 49 50 当检查的组织或脏器位于近场范围内 这时近场内的超声束平行度最高 反射界面与晶片的垂直性最好 因此反射的声强较高 失真度小 但在近场之近晶片端 由于发射干扰等原因可能存在盲区 探查对象是否位于近场范围内 可根据表2 2大致进行判断 51 52 53 54 3 曲面换能器直接发射系统把压电晶片做成凹面形 直接由它辐射出超声波也能产生聚焦 如图2 18所示 这种探头称为聚焦型探头或自聚焦发射器 它的聚焦原理与声透镜聚焦系统类似 55 超声探头的分类 56 57 58 59 60 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 探头基本结构相同 以 型为例 一 探头的基本结构 压电晶片 吸声背块 匹配层 保护层 电极 导线 声隔离层 外壳 61 压电晶片 晶片形状 圆片形 矩形 球壳圆片形 圆筒形 62 作用 发射 接收超声 即 电 声 声 电转换 要求 可加工性 银层牢固 各部分性能一致性 性能稳定性和可靠性 特性 晶片厚度确定发射超声的频率 晶片形状确定声束的形状和声场分布 63 2 吸声背块 作用 吸收晶体背向辐射的超声 增大晶片阻尼 使发射脉冲窄 从而提高分辨率 要求 与压电晶体的声阻抗相等 以全部吸收背向辐射 对超声的吸收力强 很快衰减 不再反射 组成 环氧树脂 钨粉 橡胶粉空气背衬 几乎全反射 效率最高 用于超声治疗仪 64 3 匹配层 作用 换能器和人体之间声阻抗匹配 条件 增加换能器的带宽 隔开晶体和人体 保护晶体 免受机械 化学的损坏 保护人体 免受激励电压的伤害 要求 衰减系数低 耐磨损 材料 环氧树脂 二酊脂 乙二氨等 65 4 电极 导线 作用 传输电信号 结构 晶体两面的银层为电极 各引出一根导线 5 声隔离层 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 材料 软木 橡胶 尼龙等 66 二 单片换能器的基本型式 1 非聚焦换能器换能元件 平面圆片压电陶瓷 工作模式 厚度振动 2 聚焦换能器 声学聚焦 球面 曲面 压电体聚焦 声透镜聚焦凹透镜 c透 c人 金属 多数塑料 凸透镜 c透c人 1 2 2 67 3 单片聚焦换能器结构设计 68 69 三 探头使用注意事项 严守使用规定 小心轻放 不得摔跌 关电源拆装 避免接触有机溶剂 保护透声面 使用无腐蚀性的耦合剂 非水密探头不能浸水使用 不得高温消毒 用前检查 用后清洁 70 机械扇形扫描探头 71 主要用于B超 最初扫描线数少 角度小 笨重 噪声大 角度小 磨损严重 直流马达驱动整个机械传动装置带动压电振子摆动 位置电位器检测振子瞬间取向 产生位置信号 旋转变压器作为角度检测器 测角精度和使用寿命有了改善 振元摆幅大 探测视野大 72 73 共同缺点 噪声大 寿命短 减小了体积和重量 减小了传动误差 扫面线更均匀 74 电子线阵超声探头 75 线阵探头和凸形探头 76 77 电子直线扫描原理框图 78 79 相控阵超声探头 80 4 电子扇形扫描 电子相控阵扇形扫描 81 矩阵探头矩阵探头是近几年出现的多平面超声探头 其外观如图13 15所示 主要应用于实时三维超声成像 其换能器是由一块矩形压电晶体 用激光切割成数千个小的振元排列而成 82 B型 声像图显示方式声像图 回波强度 亮度影像 随深度 Y 和扫描位置 X 的变化图像 B超的升级换