医用探头课件

1、医用探头1 l功能：功能： 电能量电能量超声能量相互转换超声能量相互转换 l重要性：重要性： 整台超声仪器性能的关键整台超声仪器性能的关键 l材料性能种类：材料性能种类： 压电换能器压电换能器超声诊断仪主要用之超声诊断仪主要用之 磁致伸缩换能器磁致伸缩换能器超声治疗仪用之超声治疗仪用之 医用探头2 医用探头3 （ 1 ） 压 电 效 应） 压 电 效 应 （ p i e z o e l e c t r i c e ff e c t ） ， 压 电 现 象， 压 电 现 象 （piezoelectricity） ，压电晶体，压电晶体（piezoelectrical crystal） ： l当沿某

2、些天然晶体或人造压电陶瓷材料的一定方向施加外部应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，称为正向压正向压 电相应。电相应。 应力应力电荷中心相对位移电荷中心相对位移晶体表面电荷效应。晶体表面电荷效应。 l 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若在上

3、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，称为逆向压逆向压 电效应。电效应。 电压电压电荷中心相对位移电荷中心相对位移 晶体几何形变。晶体几何形变。 医用探头4 一压电效应一压电效应 1. 正向压电效应：正向压电效应： 材料两端加材料两端加压力压力两电极产生两电极产生电场电场 物理本质

4、：物理本质： 压力压力 形变形变晶格电偶极矩变化晶格电偶极矩变化电荷积累电荷积累电场电场 2. 逆向压电效应逆向压电效应 材料两端加材料两端加电压电压材料产生材料产生形变形变 物理本质：物理本质： 电压电压电场电场晶格电偶极受力晶格电偶极受力应力应力形变形变 材料正、逆向压电效应可逆材料正、逆向压电效应可逆 + + + + + + - - - - - - + + + + + + - - - - - - 医用探头5 医用探头6 l横向压电效应横向压电效应:形变方向和电场方向垂直。 l纵向压电效应纵向压电效应:形变方向和电场方向一致 l电致伸缩效应电致伸缩效应:所有电介质在电场中都要 受到拉伸作用

5、，由于静电力的作用而伸 长或压缩的现象称电致伸缩效应 医用探头7 换能器如何利用压 电效应完成：电能电能 量量超声能量的超声能量的 相互转换相互转换 医用探头8 l压电材料：具有压电效应特性的材料（压电材料：具有压电效应特性的材料（非晶方性非晶方性）。）。 l压电材料的种类：压电材料的种类： 压电单晶体：压电单晶体： 石英，酒石酸钾钠，磷酸二氢铵，铌酸钾，硫酸锂等石英，酒石酸钾钠，磷酸二氢铵，铌酸钾，硫酸锂等 压电多晶体（也称压电多晶体（也称压电陶瓷压电陶瓷）：）： 钛酸钡，偏铌酸铅，锆钛酸铅，铌镁钛酸钡，偏铌酸铅，锆钛酸铅，铌镁-锆锆-钛酸铅等钛酸铅等 压电高分子聚合物：压电高分子聚合物：

6、聚偏二氟乙烯等聚偏二氟乙烯等 复合压电材料：复合压电材料： 聚偏二氟乙烯聚偏二氟乙烯+锆钛酸铅复合锆钛酸铅复合(PVDF+PZT)等等 医用探头9 医用探头10 l压电特性的获得：压电特性的获得： 单晶体：某些方向本身固有压电效应单晶体：某些方向本身固有压电效应选定切割选定切割 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）材料不同） ，然后在强电场中冷却，然后在强电场中冷却极化。极化。 居里点：石英居里点：石英=550 oc，锆钛酸铅 ，锆钛酸铅=330 oc，钛酸钡 ，钛酸钡=120 oc l各类压电材料的优缺点：各类压电材料的

7、优缺点： 压电陶瓷：压电陶瓷： 电声转换效率高；易于电路匹配；性能稳定；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。价廉，易加工。但频率受限；脆；物性受温度影响。 石英晶体：石英晶体： 电容小，频率高；机械性能好。但昂贵；加工不便。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：高分子压电聚合材料： 接收灵敏，效率高，易匹配，机械性能好。接收灵敏，效率高，易匹配，机械性能好。 医用探头11 超声波的产生超声波的产生 超声频率交变电压超声频率交变电压压电体超声振动压电体超声振动发射超声发射超声 谐振的条件谐振的条件 一般前后表面总有

8、部分超声被反射，在压电体内传一般前后表面总有部分超声被反射，在压电体内传 向对面。因为向对面。因为前后表面振动反相前后表面振动反相，当，当 L=/2 时，压电体内传播时间时，压电体内传播时间 t = L/c = (/2)/c = (cT/2)/c = T/2 即：到达对面时，与相移即：到达对面时，与相移180o的对面振动叠加，达到同的对面振动叠加，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。称基本谐振频率，或基频。 医用探头12 T/2 T T t t T/2 L 收缩膨胀收缩 表面

9、位移 c, f 前向 后向 压电体 超声 超声 3T/2 一般地，基频或更高频率在压电体内传播从一个一般地，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：表面到达对面所用时间为： t = Lc = (2n-1)T2n-1 2 (n=1,2,) 即：即： L= (2n-1)2n-1 2 或：或： f2n-1 = 1T2n-1 = (2n-1)c2L 时，都能达到谐振。时，都能达到谐振。 f1基频，基频， f 3，f5，f7高次谐振频率。高次谐振频率。 f1Lc2材料的频率常数材料的频率常数 医用探头13 医用探头14 医用探头15 医用探头16 医用探头17 医用探头18 医用探头

10、19 医用探头20 医用探头21 医用探头22 医用探头23 医用探头24 医用探头25 医用探头26 医用探头27 医用探头28 医用探头29 医用探头30 2-2 医用超声换能器医用超声换能器 声波辐射器声波辐射器反向压电效应反向压电效应(电能电能声能，高频电流声能，高频电流 机械振动机械振动) 声波检测器声波检测器正向压电效应正向压电效应(声能声能电能，声波振动电能，声波振动 高频电流高频电流) 超声场：超声能量作用的弹性介质空间称为超声场：超声能量作用的弹性介质空间称为超声场超声场。了。了 解超声场在一定区域的空间分布状态，对于超声诊断解超声场在一定区域的空间分布状态，对于超声诊断 仪

11、的设计和应用无疑都是十分重要的。仪的设计和应用无疑都是十分重要的。 医用探头31 l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18所示。 l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。 l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！注意！ 医用探头32 医用探头33 一、 超声辐射声场特性（描述声压、声强在空间的分布状态）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：）

12、指向性： 通常将任意角度通常将任意角度 方位的声压方位的声压 与与 时声压时声压 之比之比 、称为声场指向性函数，其图形称为指向性图案，用、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。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（敏度最高的波束称为主波束（主瓣主瓣），旁侧波束称为次波束），旁侧波束称为次波束 （付瓣）。指向性函数（付瓣）。指向性函数（directivity function），主瓣主瓣（main lobe）。 )( B P 0 )0( B P i D cos(sin)

13、i d D 医用探头34 （2）近场与远场特性：）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，匀各向同性媒质中的声场）辐射时，靠近声源的声场，其瞬时声其瞬时声 压和质点振动速度不同相位。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

14、射现象。方向上也可能出现声能微弱变化，即近场衍射现象。近场区声束近场区声束 基本不扩散。基本不扩散。 远场指自由辐射时，远离声源部分的声场，其远场指自由辐射时，远离声源部分的声场，其瞬时声压和质瞬时声压和质 点振速同相位。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，远场区声压不均匀性减弱，对圆盘振子，远场为圆锥体，声声 束开始扩散，声压随距离增加而单调衰减，近似球面波扩散。束开始扩散，声压随距离增加而单调衰减，近似球面波扩散。 医用探头35 l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

15、源能发出一束均匀的超声波人们期望振源能发出一束均匀的超声波。 l在计算和分析圆形活塞声源辐射的超声时，假设： l把圆形活塞声源看成是无限个小声源组成 l对每个小声源，都在 立体角的半空间辐射对称球面波 l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。 2 医用探头36 l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。声能量在介质中的空间分布。 l平面圆片换能器活塞振动的稳态超声场：平面圆片换能器活塞振动的稳态超声场： 活塞振动活塞振动平面振动平面振动 稳态超声场稳态超声场不考虑

16、不考虑 建立过程的稳定超声场建立过程的稳定超声场 r, 极坐标极坐标 z 声轴方向声轴方向 a 圆片半径圆片半径 B(r,) z r a 医用探头37 1、声场中心轴线上的声压 医用探头38 医用探头39 医用探头40 医用探头41 p 医用探头42 医用探头43 医用探头44 医用探头45 医用探头46 y 17等时，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 角方角方 向上没有辐射声波，图向上没有辐射声波，图2-11可看出这种状况，主瓣要比辐瓣的声压强得多。可看出这种状况，主瓣要比辐瓣的声压强得多。 医用探头47 对于D

17、c=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： sin3.83yKa 1111 3.833.83 sinsinsin0.61sin1.22 2 KaaD a 1 sin d 2 d D 医用探头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

18、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。 2 a L 1 sin0.61 a 医用探头49 医用探头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 22大致进行判断。 医用探头51 医用探头52 医用探头53 医用探头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

19、与声透镜聚焦系统 类似。 医用探头55 超声探头的分类 医用探头56 医用探头57 医用探头58 医用探头59 医用探头60 l超声探头超声探头超声检测用换超声检测用换 能器能器 l各种超声诊断仪，探头基本各种超声诊断仪，探头基本 结构相同，以型为例。结构相同，以型为例。 一探头的基本结构一探头的基本结构 压电晶片压电晶片 吸声背块吸声背块 匹配层（匹配层（保护层保护层） 电极、导线电极、导线 声隔离层声隔离层 外壳外壳 医用探头61 晶片形状：圆片形、矩形、球壳圆片形、圆筒形晶片形状：圆片形、矩形、球壳圆片形、圆筒形 医用探头62 作用：作用： 发射、接收超声发射、接收超声，即：电声、声电转

20、换；，即：电声、声电转换； 要求：要求： 可加工性；可加工性； 银层牢固；银层牢固； 各部分性能一致性；各部分性能一致性； 性能稳定性和可靠性。性能稳定性和可靠性。 特性：特性： 晶片厚度确定发射超声的频率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。晶片形状确定声束的形状和声场分布。 医用探头63 作用：作用： 吸收晶体背向辐射的超声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。增大晶片阻尼，使发射脉冲窄，从而提高分辨率。 要求：要求： 与压电晶体的声阻抗相等，以全部吸收背向辐射。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

21、减，不再反射。对超声的吸收力强，很快衰减，不再反射。 组成：组成： 环氧树脂环氧树脂 + 钨粉钨粉 + 橡胶粉橡胶粉 l空气背衬，几乎全反射，效率最高，用于超声治疗仪。空气背衬，几乎全反射，效率最高，用于超声治疗仪。 医用探头64 作用：作用： 换能器和人体之间声阻抗匹配；条件：换能器和人体之间声阻抗匹配；条件： 增加换能器的带宽增加换能器的带宽； 隔开晶体和人体，隔开晶体和人体， 保护晶体，免受机械、化学的损坏；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。保护人体，免受激励电压的伤害。 要求：要求： 衰减系数低；衰减系数低； 耐磨损。耐磨损。 材料：材料： 环氧树脂、二酊

22、脂、乙二氨等。环氧树脂、二酊脂、乙二氨等。 4) 12 (, 匹匹皮晶匹 nlZZZ 医用探头65 作用：作用： 传输电信号传输电信号。 结构：结构： 晶体两面的银层为电极，各引出一根导线。晶体两面的银层为电极，各引出一根导线。 5声隔离层声隔离层 作用：作用： 壳体与振动体之间声隔离壳体与振动体之间声隔离，防止超声传至外壳引起，防止超声传至外壳引起 反射，产生干扰。反射，产生干扰。 材料：材料： 软木、橡胶、尼龙等。软木、橡胶、尼龙等。 医用探头66 1非聚焦换能器非聚焦换能器 换能元件：平面圆片压电陶瓷，换能元件：平面圆片压电陶瓷， 工作模式：厚度振动。工作模式：厚度振动。 2聚焦换能器（

23、声学聚焦）聚焦换能器（声学聚焦） 球面（曲面）压电体聚焦球面（曲面）压电体聚焦 声透镜聚焦声透镜聚焦 凹透镜凹透镜 c透 透 c人人（金属、多数塑料） （金属、多数塑料） 凸透镜凸透镜 c透 透 c人人， ，1,22 人 透 c c 2 1 sin sin 医用探头67 医用探头68 医用探头69 严守使用规定。严守使用规定。 小心轻放，不得摔跌。小心轻放，不得摔跌。 关电源拆装。关电源拆装。 避免接触有机溶剂。避免接触有机溶剂。 保护透声面。保护透声面。 使用无腐蚀性的耦合剂。使用无腐蚀性的耦合剂。 非水密探头不能浸水使用。非水密探头不能浸水使用。 不得高温消毒。不得高温消毒。 用前检查。用前检查。 用后清洁。用后清洁。 医用探头70 机械扇形扫描探头 医用探头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