8-医学超声原理-第八讲---超声换能器

第八讲超声换能器牛金海[e-mail]指定教材目前，关于生物医学超声的参考书很多；但是从教十年多来，一直很难找到一本非常适合本科生的教材。这也是编者下定决心编写本书的主要原因之一。本书的内容主要包括超声物理基础，压电效应与换能器技术，超声成像诊断原理，超声治疗技术，医学超声实验，医学超声的最新进展等。每章节都配置了一定量的练习与思考题，以帮助读者巩固书中的内容，并提高分析解决问题的能力。为配合双语教学，本书保留了关键专业词汇的中英文对照。本书的特点是在注重基本概念，基本原理，基本方法的同时，兼顾一定的工程技术实用性，如包含声场的数值模拟，超声图像的C语言程序处理，超声波发射电路原理，换能器的匹配技术等。本书适合医学超声以及相关领域的本科生作教材，也可供该领域的研究生，科研及工程技术工作者参考。ShanghaiJiaoTongUniversity第八讲医学超声换能器本章主要内容一．超声换能器介绍二．医学超声换能器种类三．医学超声换能器结构四．医学超声换能器特性五．超声发射激励电路六．超声换能器的匹配技术ShanghaiJiaoTongUniversity一、超声换能器介绍超声换能器简介（transducer;energychanger）用来发射声波的换能器称为发射器。当换能器处于发射状态时，将电能转换成机械能，再转换成声能。用来接收声波的换能器称为接收器。当换能器处于接收状态时，将声能变成机械能，再转换成电能。有些情况下，换能器既可以用作发射器，又可以用作接收器，即所谓的收发两用型换能器。ShanghaiJiaoTongUniversity一、超声换能器介绍工作原理：通常换能器都有一个电的储能元件和一个机械振动系统。当换能器用作发射器时，从激励电源的输出级送来的电振荡信号将引起换能器中电储能元件中电场或磁场的变化，这种电场或磁场的变化通过某种效应对换能器的机械振动系统产生一个推动力，推动与换能器机械振动系统相接触的介质发生振动，向介质中辐射声波。接收声波的过程正好与此相反，在接收声波的情况下，外来声波作用在换能器的振动面上，从而使换能器的机械振动系统发生振动，借助于某种物理效应，引起换能器储能元件中的电场或磁场发生相应的变化，从而引起换能器的电输出端产生一个相应于声信号的电压或电流。ShanghaiJiaoTongUniversity一、超声换能器介绍ShanghaiJiaoTongUniversity临床上常用的超声换能器常见的B（Brightness）超探头ShanghaiJiaoTongUniversity眼科A（Amplitude）超探头临床上常用的超声换能器ShanghaiJiaoTongUniversityTranscranialDoppler(TCD)经颅超声多普勒探头ShanghaiJiaoTongUniversityWhatisultrasoundtransducer？Ultrasonicsensors(alsoknownastranceiverswhentheybothsendandreceive)workonaprinciplesimilartoradarorsonarwhichevaluateattributesofatargetbyinterpretingtheechoesfromradioorsoundwavesrespectively.Ultrasonicsensorsgeneratehighfrequencysoundwavesandevaluatetheechowhichisreceivedbackbythesensor.Sensorscalculatethetimeintervalbetweensendingthesignalandreceivingtheechotodeterminethedistancetoanobject.ShanghaiJiaoTongUniversityWhatisultrasoundtransducer？Anultrasonictransducerisadevicethatconvertsenergyintoultrasound,orsoundwavesabovethenormalrangeofhumanhearing.Whiletechnicallyadogwhistleisanultrasonictransducerthatconvertsmechanicalenergyintheformofairpressureintoultrasonicsoundwaves,thetermismoreapttobeusedtorefertopiezoelectrictransducersthatconvertelectricalenergyintosound.Piezoelectriccrystalshavethepropertyofchangingsizewhenavoltageisapplied,thusapplyinganalternatingcurrent(AC)acrossthemcausesthemtooscillateatveryhighfrequencies,thusproducingveryhighfrequencysoundwaves.ShanghaiJiaoTongUniversityWhatisultrasoundtransducer？Thelocationatwhichatransducerfocusesthesoundcanbedeterminedbytheactivetransducerareaandshape,theultrasoundfrequency,andthesoundvelocityofthepropagationmedium.Theexampleshowsthesoundfieldsofanunfocusedandafocusingultrasonictransducerinwater.ShanghaiJiaoTongUniversity指定教材目前，关于生物医学超声的参考书很多；但是从教十年多来，一直很难找到一本非常适合本科生的教材。这也是编者下定决心编写本书的主要原因之一。本书的内容主要包括超声物理基础，压电效应与换能器技术，超声成像诊断原理，超声治疗技术，医学超声实验，医学超声的最新进展等。每章节都配置了一定量的练习与思考题，以帮助读者巩固书中的内容，并提高分析解决问题的能力。为配合双语教学，本书保留了关键专业词汇的中英文对照。本书的特点是在注重基本概念，基本原理，基本方法的同时，兼顾一定的工程技术实用性，如包含声场的数值模拟，超声图像的C语言程序处理，超声波发射电路原理，换能器的匹配技术等。本书适合医学超声以及相关领域的本科生作教材，也可供该领域的研究生，科研及工程技术工作者参考。ShanghaiJiaoTongUniversity二、医学超声换能器种类1.单元换能器线阵按振子单元数分相控阵多元换能器方阵凸阵2.电子聚焦一维聚焦声学聚焦聚焦换能器按声束特性分电子聚焦二维聚焦声学聚焦非聚焦换能器ShanghaiJiaoTongUniversity二、医学超声换能器种类3.发射型换能器按收发方式分接收型换能器收发兼用型换能器4.圆形换能器环形换能器方型换能器按几何形状分矩形换能器喇叭型换能器菊花型换能器ShanghaiJiaoTongUniversity三、医学超声换能器结构（一）基本单元换能器压电振子产生压电效应的元件主体吸收块吸收背向辐射的声能，称为背材保护层减轻振子磨损，进行阻抗匹配，称为面材外壳为换能器的结构件壳体接插机构经接插机构与仪器联接电缆线超声电信号的载体ShanghaiJiaoTongUniversity三、医学超声换能器结构ShanghaiJiaoTongUniversityShanghaiJiaoTongUniversityFunctionofthebackingmaterialShanghaiJiaoTongUniversityFunctionoftheacousticmatchinglayerShanghaiJiaoTongUniversityFunctionoftheacousticlensShanghaiJiaoTongUniversity柱形单阵元超声换能器剖面结构图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。由于它是各型超声成像仪用探头的结构基础，特此作一介绍。ShanghaiJiaoTongUniversity电子线阵探头剖面示意电子线阵超声探头配用于电子式线性扫描超声诊断仪。其结构如右图所示，它主要由6部分组成:开关控制器、阻尼垫衬、换能器阵列、匹配层、声透镜和外壳。ShanghaiJiaoTongUniversity阵列换能器的基本结构阵列换能器的基本结构ShanghaiJiaoTongUniversity三、医学超声换能器结构（二）多阵元换能器图3.6（a)线阵(b)相控阵（c)凸面线阵(d)方阵（a)（b)（c)（d)ShanghaiJiaoTongUniversity三、医学超声换能器结构所谓相控换能器阵列：就是指多个换能器阵列排列成一条直线，每个阵元上所加信号的相位不同。同相线阵列，阵元数目越多，主瓣越尖锐。旁瓣受到更大抑制，幅度更小。图3.7同相线列阵及方向图ShanghaiJiaoTongUniversity三、医学超声换能器结构（三）机械扫描换能器机械扫描换能器可以分为扇形扫描与线性扫描。（四）聚焦换能器a)声透镜b)凹形压电材料c)声反射镜d)电子聚焦e)凹型多元阵聚焦ShanghaiJiaoTongUniversity三、医学超声换能器结构声束聚焦在医学超声中有较大的作用。聚焦使焦区的声束变窄，能提高侧向、横向分辨．从而提高超声诊断的有效性。产生超声聚焦的方法有非电子和电子两大类，前者又分声透镜聚焦、声反射镜聚焦和压电材料凹面聚焦。由于技术上的差异，非电子聚焦产生的焦点通常位置固定，电子聚焦产生的焦点的位置可以固定，也可以变动。在声波发射和接收的状态下，两者都具有聚焦功能。ShanghaiJiaoTongUniversity三、医学超声换能器结构a)声透镜声透镜聚焦的作用原理与光学透镜一样，即在透镜材料中由于声波传播速度与其周围介质中的声波传播速度不同而产生折射，从而得到声波的聚焦。由于光在玻璃中的传格速度比空气中为慢，故光学聚焦透镜是凸透镜。但是，声透镜用聚乙烯和合成树脂作为材料、声波在其中的传播速度要比在人体中的传播速度为快，故声透镜是凹透镜。ShanghaiJiaoTongUniversity声透镜聚焦换能器图3.8所示压电材料向右发出声束。声束在曲面上发生折射。由于声透镜材料的声速大于人体软组织声速，因此折射角变小，产生声束向轴上会聚。声透镜对接收回波的聚焦作用与发射相比只是传播路径相反，以及视焦点处有一回波源经声透镜后可在换能器上同相位相加。ShanghaiJiaoTongUniversity凹透镜聚焦的原理凹透镜聚焦的原理ShanghaiJiaoTongUniversity三、医学超声换能器结构如上图4-27所示，经过透镜聚焦的声场，其焦点并非不占空间的几何点，焦点区域是近似为一“枣核”的椭球体区域，焦点区域称为焦斑，其横向直径近似为式（4-72）：(4-72)其中焦斑的位置f的表达式为式（4-73）：(4-73)其中：D为换能器的口径，λ为波长，C1第一种介质的声速，C2是第二种介质的声速，r是聚焦凹透镜球面的曲率半径。由上式可见换能器口径D越大，焦斑尺寸d越小；工作频率越高，焦斑尺寸d也越小。再次说明，采用较高的工作频率有利于横向分辨能力的提高。由上式确定的焦斑直径d是整个系统横向分辨率的极限值。ShanghaiJiaoT