第三章医学超声传感器

l匹 = (2n −1)λ匹 4 ／
4．电极、导线 ．电极、
（1） 作用 ） 传输电信号 （2） 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，
5．声隔离层 ．
（1） 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 反射， 反射，产生干扰 （2） 材料 ） 软木、橡胶、尼龙等 软木、橡胶、
电子凸阵超声探头
凸阵探头的结构原理与线阵探头相类似，只是振元排列成凸形（ 凸阵探头的结构原理与线阵探头相类似，只是振元排列成凸形（图3-13）。但 13）。但 ）。 相同振元结构凸形探头的视野要比线阵探头大。 相同振元结构凸形探头的视野要比线阵探头大。
相控阵超声探头
相控阵超声探头可以实现。波束扇形扫描， 相控阵超声探头可以实现。波束扇形扫描，因此又称为相控电子扇 扫探头，它配用于相控阵扇形扫描超声诊断仪。 扫探头，它配用于相控阵扇形扫描超声诊断仪。相控阵超声探头外形 及内部结构与线阵探头颇有相似之处
5 .外壳 外壳
作用 支承、容纳、密封、绝缘、承压、屏蔽和保护主体部分 壳体上通常标明该探头的型号、标称频率; 壳体上通常标明该探头的型号、标称频率
6.保护层 保护层
（1）作用 ） 保护、声阻抗渐变层 （2）要求 ） 低衰减高耐磨，声阻抗应接近人体组织的声阻，其厚度应为 低衰减高耐磨，声阻抗应接近人体组织的声阻，其厚度应为λ/4
sin θ2
c人
c 透 > c人，θ1,θ2<90o
∴ θ1>θ2
第二节 换能器的超声场 超声场
弹性介质中充满超声能量的空间， 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。
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 平面振动 活塞振动 稳态超声场——不考虑 稳态超声场 不考虑 建立过程的稳定超声场 r,θ—— 极坐标 z —— 声轴方向 a —— 圆片半径
铁氧体粉+橡胶粉 环氧树脂 + 钨粉 或 铁氧体粉 橡胶粉
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。
3．匹配层 ．
（1）作用 ） 使晶体辐射的超声有效进入人体，实现对人体组织的检查。 ① 使晶体辐射的超声有效进入人体，实现对人体组织的检查。 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：
（2） 作用 ） 发射、接收超声， 发射、接收超声，即：电－声、声－电转换 （3） 要求 ） ① ② ③ ④ 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
（4） 特性 ） ① 晶片厚度确定发射超声的频率 ② 晶片形状确定声束的形状和声场分布
2．吸声背块 ．
（1）作用 ） 吸收晶体背向辐射的超声， ① 吸收晶体背向辐射的超声，减少或消除晶体两端 之间超声的多次反射造成的干扰 增大晶片阻尼，使发射脉冲窄， ② 增大晶片阻尼，使发射脉冲窄，从而提高分辨率 （2） 要求 ） ① 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， 对超声的吸收力强，很快衰减， ② 对超声的吸收力强，很快衰减，不再反射 （3）组成 ）
医学超声学-原理与技术 医学超声学 原理与技术
新乡医学院 医疗仪器教研室
龙云玲
医学影像技术专业《超声诊断学》 高职高专卫生部规划教材 医学影像技术专业《超声诊断学》CAI课件 课件
第三章 医用超声换能器
1. 掌握超声换能器的工作原理·特性及声场特性 掌握超声换能器的工作原理· 2. 熟悉超声换能器的种类与结构 3. 了解压电振子的等效电路分析及参数
后，声束将以某一角度θ发散 声束将以某一角度θ
声束横断面上的能量分布 声束指向性 (l)指向性函数 指向性函数Ds.在换能器远场中，任意方向上的声压幅值与 在换能器远场中， 指向性函数 在换能器远场中 最大值方向上的声压幅值之比， 最大值方向上的声压幅值之比，定义为该换能器辐射声场的 指向性函数.即 指向性函数 即
r θ a
B(r,θ) z
可看成无数频率、振幅、相位相同的点声源声场叠加， 可看成无数频率、振幅、相位相同的点声源声场叠加， 2 点积分求得P 并进而求得I 在 B(r,θ)点积分求得 ，并进而求得 = P /Z 点积分求得
轴向上声场分布图
圆片换能器活塞振源超声场能量空间分布 1.声束场沿中心轴能量分布 1.声束场沿中心轴能量分布 有波动波动的理论分析， 有波动波动的理论分析，各点的声压值
当kasinθ=3.83,7.02,10.17等时，一阶贝塞尔函数为0，而发散角θ kasinθ=3.83,7.02,10.17等时，一阶贝塞尔函数为0 而发散角θ 等时 即时横向分布出现第一个零点时的角度
远场区发散角θ为： Sinθ=1.22λ/D 远场区发散角θ
由此可以看出，减小直径D可缩短近场长度，但增大了发散角θ 由此可以看出，减小直径D可缩短近场长度，但增大了发散角θ，增加频 率即减小波长时，减小了发散角，获得了较窄的波束，但加长了近场区。 率即减小波长时，减小了发散角，获得了较窄的波束，但加长了近场区。 主瓣宽度随频率升高而变尖锐变窄，但旁瓣数目增加。 主瓣宽度随频率升高而变尖锐变窄，但旁瓣数目增加。圆片换能器半径 增加时，主瓣波束也变窄. 增加时，主瓣波束也变窄. 近场中零值点，可能引起盲点。远场中旁瓣，会造成 近场中零值点，可能引起盲点。远场中旁瓣， 显示位置、距离测量等失真。需采取措施改善。 显示位置、距离测量等失真。需采取措施改善。
D
s
2 J 1 (k a s in θ = k a s in θ
)
J1为第一类第一阶贝塞尔函数
（2）指向性图（波瓣图）它用图形直观地表示了声束的指 指向性图（波瓣图） 向性
图3·25描述了换能器声束的指向性函数，旁瓣中的能量大大 3·25描述了换能器声束的指向性函数， 描述了换能器声束的指向性函数 低于主瓣的能量，例如第一个旁瓣比主瓣低l 8dB。 低于主瓣的能量，例如第一个旁瓣比主瓣低l 8dB。
二、单片换能器的基本型式
1．非聚焦换能器 ．
换能元件： 换能元件：平面圆片压电陶瓷 工作模式： 工作模式：厚度振动
2．聚焦换能器（声学聚焦） ．聚焦换能器（声学聚焦）
球面（曲面） ① 球面（曲面）压电体聚焦 ② 声透镜聚焦 凹透镜—— c透 > c人（金属、多数塑料） 金属、多数塑料） 凹透镜 凸透镜—— 硅橡胶、聚四氟乙烯等） 凸透镜 c透 < c人（硅橡胶、聚四氟乙烯等） 证明： 证明： sin θ1 c透 ∵ =
显然， 显然，当
π D2 π 2 + x − x = ( 2n + 1) λ 4 2
轴上出现声强极大值， 轴上出现声强极大值，其x值为
d 2 − λ 2 ( 2n + 1) 4λ ( 2n + 1)
2
xmax =
当轴上出现声强最小值， 当轴上出现声强最小值，其x值 为
电子线阵超声探头
电子线阵超声探头配用于电子式线性扫描超声诊断仪。 电子线阵超声探头配用于电子式线性扫描超声诊断仪。其结构如图 3-12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、 12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、 所示 匹配层、 匹配层、声透镜和外壳。
超声诊断仪换能器探头
超声诊断仪换能器探头
超声诊断仪换能器探头
三、探头使用注意事项
（1）严守使用规定 ） （2）小心轻放，不得摔跌 ）小心轻放， （3）关电源拆装 ） （4）避免接触有机溶剂 ） 5） （5）保护透声面 （6）使用无腐蚀性的耦合剂 ） （7）非水密探头不能浸水使用 ） （8）不得高温消毒 ） （9）用前检查 ） （10）用后清洁 ）
π D2 2 Px = Po • 2sin + x − x λ 4
Po---距振源为零时的起始声压 Po---距振源为零时的起始声压 --Λ—声波的波长 D—振源镜片的直径 x—轴上一点距振源表面中心的距离
轴上相对声强的分布
D2 Ix 2 π 2 = sin + x − x 4 Io λ
② 增加换能器的带宽 ③ 隔开晶体和人体，保护晶体，免受机械、化学 隔开晶体和人体，保护晶体，免受机械、 损坏；保护人体，免受激励电压的伤害。 损坏；保护人体，免受激励电压的伤害。 （2）要求 ） ① 衰减系数低 ② 耐磨损 （3）材料 ） 环氧树脂、二酊脂、 环氧树脂、二酊脂、乙二氨等
பைடு நூலகம்
Z匹 = Z晶 ⋅ Z皮 ,
声学上称： 声学上称： N—— ——近场区 ① x < N——近场区 ② >N—— ——远场区 x >N——远场区
轴向声强分布特点 ① 近场区：声强轴向起伏分布，但平均强度不变； 近场区：声强轴向起伏分布，但平均强度不变；声场基
本上与晶片振源直径相等的直径范围内直线传播 ② 远场区：声强轴向单调衰减，I ∝1／r2,并且在N点以 远场区：声强轴向单调衰减， ∝1／r2,并且在N 并且在
D −λ N= 4λ
2
2
当D>>λ时，则 D>>λ
D2 N= 4λ
这说明， X>N后 这说明，在X>N后，就不再有声强极大值出现
轴向声场分布图（据上式） 轴向声场分布图（据上式） 当0＜x≤N，存在数个极大值和极小值， x≤N，存在数个极大值和极小值， 随着r的增大，声强逐渐减弱。 当x＞N后，随着r的增大，声强逐渐减弱。
思考题
1.超声波在人体软组织中的传播速度大约为多少？ 1.超声波在人体软组织中的传播速度大约为多少？ 超声波在人体软组织中的传播速度大约为多少 2.医学诊断中采用的超声波频率范围是什么 医学诊断中采用的超声波频率范围是什么？ 2.医学诊断中采用的超声波频率范围是什么？ 3.为什么说声阻抗在超声成像技术中是一个重要物理量 为什么说声阻抗在超声成像技术中是一个重要物理量？ 3.为什么说声阻抗在超声成像技术中是一个重要物理量？ 4.超声波束的近场区和远场区各有什么特点？有哪些影响 4.超声波束的近场区和远场区各有什么特点？ 超声波束的近场区和远场区各有什么特点 因素？ 因素？ 5.超声波在介质中传播过程中的衰减与哪些因素有关 超声波在介质中传播过程中的衰减与哪些因素有关？ 5.超声波在介质中传播过程中的衰减与哪些因素有关？ 6.医学超声诊断仪中的超声换能器起什么作用 医学超声诊断仪中的超声换能器起什么作用？ 6.医学超声诊断仪中的超声换能器起什么作用？换能材料 是什么？ 是什么？ 7.医学超声换能器常有哪些频率的 各有什么用途？ 医学超声换能器常有哪些频率的？ 7.医学超声换能器常有哪些频率的？各有什么用途？ 8.常用的超声探头按结构可分为哪几种 常用的超声探头按结构可分为哪几种？ 8.常用的超声探头按结构可分为哪几种？ 9.电子扫描探头的结构是怎样的 电子扫描探头的结构是怎样的？ 9.电子扫描探头的结构是怎样的？ 10.对超声进行聚焦起什么作用 有哪两种聚焦方式？ 对超声进行聚焦起什么作用？ 10.对超声进行聚焦起什么作用？有哪两种聚焦方式？