第三章医用超声探头

2020/1/27医学超声诊断设备1第三章医用超声探头2020/1/27医学超声诊断设备2压电陶瓷片2020/1/27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2020/1/27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。2020/1/27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Δf来表示。f1：换能器频响为最大频响的3dB的频率下限f2：换能器频响为最大频响的3dB的频率上限2020/1/27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。2020/1/27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；2020/1/27医学超声诊断设备82.声学特性频率特性换能特性暂态特性辐射特性吸收特性2020/1/27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肛门探头儿童探头2020/1/27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2020/1/27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2020/1/27医学超声诊断设备122020/1/27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2020/1/27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。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2020/1/27医学超声诊断设备151.结构压电振子垫衬吸声材料声学绝缘层外壳保护面板2020/1/27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。2020/1/27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。2020/1/27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。材料：软木、橡皮和尼龙。2020/1/27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λ/42020/1/27医学超声诊断设备202.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。2020/1/27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。2020/1/27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。振元直径在5～30mm范围内选定。2020/1/27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。2020/1/27医学超声诊断设备242.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。2020/1/27医学超声诊断设备253.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不理想。典型的摆动式机械扇扫探头2020/1/27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。2020/1/27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。2020/1/27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。2020/1/27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。2020/1/27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2020/1/27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2020/1/27医学超声诊断设备322.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2020/1/27医学超声诊断设备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。2020/1/27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2020/1/27医学超声诊断设备35•声透镜——凹面振子焦距F＝曲率半径R2020/1/27医学超声诊断设备36电子聚焦(ElectronicFocusing)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。2020/1/27医学超声诊断设备37•延时量的计算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。2020/1/27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。2020/1/27医学超声诊断设备393.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。2020/1/27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。2020/1/27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σ：频率越高，所用晶片厚度越薄，同时，开槽深则互耦小。2020/1/27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2020/1/27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。2020/1/27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，图像清晰度变差。2020/1/27医学超声诊断设备45§3.7相控阵超声探头1.外形与结构2020/1/27医学超声诊断设备462.与线阵探头比较探头中没有开关控制器，各振元基本上是同时被激励；探头体积和声窗都较小；对主瓣宽窄、副瓣大小、振元间互耦影响的要求更高，加工难度较大。2020/1/27医学超声诊断设备47GE系列探头