第三章医用超声探头

1、2020/7/5,医学超声诊断设备,1,第三章 医用超声探头,2020/7/5,医学超声诊断设备,2,压电陶瓷片,2020/7/5,医学超声诊断设备,3,3.2 医用超声探头的主要特性,1. 使用特性 ：探头与仪器配合使用的性能,探头工作频率 频带宽度 灵敏度 分辨力,2020/7/5,医学超声诊断设备,4,1.1 探头的工作频率 实际辐射超声波的频率。,探头标称频率通常指换能器的机械谐振频率。 衰减大的组织用低频探头； 反之，用高频探头。,2020/7/5,医学超声诊断设备,5,1.2 频带宽度 换能器的工作频率响应的范围，用f来表示。,f1：换能器频响为最大频响的3dB的频率下限 f2：换

2、能器频响为最大频响的3dB的频率上限,2020/7/5,医学超声诊断设备,6,1.3 灵敏度 最大探测深度上，发现最小病灶的能力。,取决于探头中换能器的换能特性、辐射效率等声学特性。,2020/7/5,医学超声诊断设备,7,1.4 分辨力 主要影响因素：,探头中换能器的辐射特性； 换能器的辐射面积； 换能器的频率响应； 换能器的机械品质因素； 换能器的层间匹配；,2020/7/5,医学超声诊断设备,8,2. 声学特性,频率特性 换能特性 暂态特性 辐射特性 吸收特性,2020/7/5,医学超声诊断设备,9,3.3 超声探头的分类,按诊断部位分类,眼科探头 心脏探头 腹部探头 颅脑探头 子宫探头

3、 肛门探头 儿童探头,2020/7/5,医学超声诊断设备,10,按几何形状分类,矩形探头 柱形探头 弧形（凸形）探头 圆形探头 环形探头 喇叭形探头,2020/7/5,医学超声诊断设备,11,线性探头 机械扇扫探头 电子扇扫（相控阵）探头 方阵探头,按波束控制方式分类,2020/7/5,医学超声诊断设备,12,2020/7/5,医学超声诊断设备,13,其他分类,体外探头 体内探头 穿刺活检探头,按应用方式分类,单元探头 多元探头,按振元数目分类,2020/7/5,医学超声诊断设备,14,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。

4、它是各型超声成像仪用探头的结构基础。,3.4 柱形单振元探头,2020/7/5,医学超声诊断设备,15,1. 结构,压电振子 垫衬吸声材料 声学绝缘层 外壳 保护面板,2020/7/5,医学超声诊断设备,16,1.1 压电振子 结构：单振元，上下焊接电极及引线； 作用：用于接收电脉冲产生机械振动，接受声振动产生电信号。,2020/7/5,医学超声诊断设备,17,1.2 垫衬吸声材料 作用：衰减吸收振子背面辐射声能 减弱振铃效应 背板材料： 环氧树脂加钨粉、橡胶粉按比例混合。,2020/7/5,医学超声诊断设备,18,1.3 声学绝缘层 作用：防止超声能量传到探头外壳引起反射，造成对信号的干扰。

5、 材料：软木、橡皮和尼龙。,2020/7/5,医学超声诊断设备,19,1.4 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/4,2020/7/5,医学超声诊断设备,20,2. 基本特性,2.1 特征频率 特征频率决定于压电晶体的厚度。 基础共振频率 半波长厚度 压电元件的厚度与产生的频率成反比。,2020/7/5,医学超声诊断设备,21,2.2 受激励后振动时间的长短 影响系统的纵向分辨力； 利用垫衬材料的吸声特性产生阻尼，减弱振铃效应，缩短脉冲长度。,2020/7/5,医学超声诊断设备,22,2.3 体积大小 振元直径的大小主要影响超声场的形状

6、。 振元直径在530mm范围内选定。,2020/7/5,医学超声诊断设备,23,3.5 机械扇扫超声探头,1. 概述,配用于扇扫式B型超声诊断仪。 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。,2020/7/5,医学超声诊断设备,24,2. 基本要求,保证振子高速摆动，摆动幅度足够大； 摆速均匀稳定； 体积小、重量轻、便于手持操作； 外形适合探查需要，灵活改变扫查方式； 机械振动及噪音小； 对于旋转式，要求压电振元特性一致。,2020/7/5,医学超声诊断设备,25,3. 结构,优点: 较好的柱状声束；体积小、重量轻；线密度高。 缺点: 扫描角度小；寿命短；摆动时的振动和均匀性

7、不理想。,典型的摆动式机械扇扫探头,2020/7/5,医学超声诊断设备,26,较成熟的摆动式机械扇扫探头,优点: 测角精度和使用寿命较佳； 振元摆幅大，视野大。 缺点: 存在机械振动及机械误差。,2020/7/5,医学超声诊断设备,27,步进电机驱动的摆动式机械扇扫探头,优点: 结构简化，磨损小，寿命长； 体积和重量较小； 传动误差小，光栅均匀。,2020/7/5,医学超声诊断设备,28,反射式的摆动式机械扇扫探头,优点: 结构简化。 特点: 压电振子固定，声反射镜摆动。 缺点: 声束形状和扫描角度等指标不理想。,2020/7/5,医学超声诊断设备,29,旋转式机械扇扫探头,原理：压电振子单方

8、向旋转。 优点： 匀角速扫描，噪声小，寿命长。 技术难点: 要求振元的一致性很高。 机械扇扫探头有被电子相控阵扇扫取代的趋势。,2020/7/5,医学超声诊断设备,30,3.6 电子线扫超声探头,1. 多矩阵振元合成声场特性,特点： 受振元间互耦的影响，主瓣宽，副瓣大。,整体刻划工艺,2020/7/5,医学超声诊断设备,31,改善波束性质的方法：,应用方法：,聚焦实现束控 组合发射方式,2020/7/5,医学超声诊断设备,32,2. 声学聚焦与电子聚焦 使探头发射的超声波束在一定深度范围内汇聚收敛，称为超声聚焦。,声学聚焦,声透镜,声反射镜,压电振子做成曲面,2020/7/5,医学超声诊断设备

9、,33,声透镜 凹形声透镜,条件：透镜介质声速大于被测介质声速。 规律：焦距F的长短与透镜凹面曲率半径R成正比，与 的值成反比。,2020/7/5,医学超声诊断设备,34,条件：透镜介质声速小于被测介质声速。 规律：声透镜中心部位的厚度应为 。,声透镜 平凸形声透镜,2020/7/5,医学超声诊断设备,35,声透镜 凹面振子,焦距F曲率半径R,2020/7/5,医学超声诊断设备,36,电子聚焦(Electronic Focusing),应用相控技术，对线阵探头各振元提供按二次曲线规律延时的激励，使声场区合成波阵面呈二次曲线凹面从而实现波束聚焦。,2020/7/5,医学超声诊断设备,37,延时量

10、的计算 1、2号振元的声程差：,1、2号振元的相差延时量：,发射需加延时量，接收需给予延时补偿； 线阵探头通常短轴采用声学聚焦，长轴采用电子聚焦。,2020/7/5,医学超声诊断设备,38,动态电子聚焦,采用不同延迟线，改变聚焦焦点，改善远场的声束状况，增加探测深度。,2020/7/5,医学超声诊断设备,39,3. 线阵探头和凸形探头,电子线阵探头 组成：二极管开关控制器、阻尼垫衬、多元换能器、匹配层、声透镜和外壳。,2020/7/5,医学超声诊断设备,40,二极管开关控制器 作用：控制探头中各振元的组合工作方式，减少引线的数量和探头的重量 。,阻尼垫衬 作用：产生阻尼，抑制振铃并消除反射干扰

11、。,2020/7/5,医学超声诊断设备,41,多元换能器,结构 整体切割工艺 开槽深度： 主要取决于半波长厚度：,频率越高，所用晶片厚度越薄，同时，开槽深则互耦小。,2020/7/5,医学超声诊断设备,42,振元宽度：,辐射强度 波束扩散角 互耦,通常取单个振元宽度与厚度之比小于0.6,影响,改进设计：,采用组合振元方式,2020/7/5,医学超声诊断设备,43,匹配层,作用：实现探头与负载之间的匹配。 原理： 当两介质界面之间加入厚度为 ，且阻抗满足： 则可保证声波在不同介质中无反射传播。,通常取声透镜材料的阻抗特性接近人体声阻抗，匹配层的阻抗和厚度满足上述条件，且要求声阻尼小的材料。,2020/7/5,医学超声诊断设备,44,凸形探头,特点：振元排列成凸形，视野比线阵探头大；适合小声窗的脏器探查。,缺点：波束远程扩散，必须给予线插补， 否则线密度低，图像