医用超声探头浅析
- 格式:pdf
- 大小:703.43 KB
- 文档页数:6
医用超声探头浅析
概 论
超声探头是医用超声仪器的心脏。不管何种超声诊断仪 ,A 型、B 型、或M 型,其探头结构大致相同,主要都是由换能器(压电材料,又称压电晶体、压电振子)组成,并将换能器安放在由塑胶包裹的探头腔中。
以A超探头为例说明探头的基本结构:
① 压电晶片/换能器,作用主要是在
发射时将电信号转换成超声波,在接收时将
超声波转换成电信号。
② 吸声背块,作用是吸收晶体背向
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,从而提高分辨率。
③ 匹配层,主要作用是使晶体辐射
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。
④ 电极、导线,用于传到电信号。
⑤ 声隔离层,位于壳体与振动体之
图0-1,医用超声探头结构
间声,防止超声传至外壳引起反射产生干扰。
⑥ 保护层和外壳,主要用于保护仪器。
压电晶体利用了正向压电效应和逆向压电效应来完成声--电的转换。医用压电材料种类繁多,如压电单晶体(石英、酒石酸钾钠、磷酸二氢铵、铌酸钾、硫酸锂等)、
压电多晶体(钛酸钡、偏铌酸铅、锆钛酸铅、铌镁-锆-钛酸铅等)、压电高分子聚合物(聚偏二氟乙烯等)、复合压电材料(聚偏二氟乙烯+锆钛酸铅复合(PVDF+PZT)等)。
各类压电材料特性不尽相同,但是都能满足特定的需求,在医用超声仪器中应用广泛。
由于压电材料的特性千差万别,导致超声探头的参数、特性也差异很大。对于不同的医用场合,要选用不同的探头完成操作。因此,对超声探头的参数、特性的研究显得极为重要。
本文结合具体应用场合和具体机型,来说明医用超声仪器探头特性参数的选取。
一、 医用超声探头的分类
超声探头的性能优劣,直接影响了成像的质量。超声探头通常是从以下几个方面进行分类:
(1) 按波束控制方式 :线扫探头、相控阵探头、机械扇扫(包括单元式 、多元切换式和
环阵)探头等;
(2) 按探头中换能器所用振元(压电晶体)数目:单元探头和多元探头;
(3) 按探头的几何形状 :矩形探头 、弧形探头 (凸形探头)、柱形探头、圆形探头等;
(4) 按诊断部位 :心脏探头、腹部探头、眼科探头、颅脑探头等;
(5) 按应用方式 :体外探头、体内探头、穿刺活检探头。
为了便于联系实际临床应用,本文根据具体应用中的主流类型将超声探头分类如下: 机械扇扫探头、凸阵探头、平面线阵探头和相控阵探头。具体分类原因将在下一部分给出。
二、 各类医用超声探头对比
探头的发射频率是探头最重要的特性参数之一,超声诊断中常根据不同的受检对象和部位选择不同的探头,如2 MHz、2.5 MHz、5 MHz、10 MHz 等,探头的发射频率是由晶体的厚度决定的。而晶片形状则确定了声束的形状和声场分布等重要特性。
机械扇扫探头全称机械扇形扫描探头,早期通用于腹部和心脏超声检查,现几乎仅用于眼科A/B 超。
这种探头手持柄部为圆柱形,接触人体的部分为半球形。为表示其内换能器扫描方向,往往将球冠两侧切成较浅的平台。因有电机机械驱动,会有不同程度的震动感和噪声。端部为一用透声塑料制成的充油腔体,其内为一个或多个(不超过三个)单元式超声换能器;柄内为驱动机构。采用一个单元式换能器时,系由电机驱动其作机
械摆动,使声束扫描而成平面,从而实现超声波束对耦合位置下
方组织、器官的发射和接收,采集、处理回波信号,并以图像形
式显示扫描平面内的生理结构。采用三个单元式换能器时,则由
电机驱动绕轴旋转,轮流发射-接收超声波,其声线更均匀,但造
价更高,故很少采用。图像为稍有缺损的扇形,缺损表现为无“扇
轴”部分。目前最高档的机械扇扫探头是环阵,其晶片被切割成若
干同心圆,按照阵列方式工作实现多点聚焦,因制造复杂、价格
较贵且已有更先进探头,故很少使用。
机械扇扫探头出现之初,由于其较高的性价比而曾大行天下,在上个世纪的超声仪器中使用的非常多,目前只在眼科以及一些便携式仪器中使用。比如EMP-200便携式机械扇扫B 超,该款超声仪器只能用于B 超,可达3.5MHz 进行扇形扫描,横向分辨率为2mm ,纵向分辨率为1mm ,探测深度>=160mm ,因而可以用于妇产科。
平面线阵在凸阵出现之前,是腹部检查的主力,频率大多为3.5MHz ;凸阵出现并成为腹部检查主力后,主要用于小器官和表浅组织检查,频率一般在5MHz~7.5MHz(甚至9MHz)。这种探头的外形几乎均为长方形,其长边为辐射面(晶片)长边方向。与人体耦合的一面为其核心部分,表层为声透镜,向里依次为匹配层(几乎均为两层)、压电晶片、背衬,壳内大多有前放电路,外壳为塑料铸塑,内有电屏蔽层。压电晶片不是整片,而是被切割成数十至数百个小窄条,称为阵元,阵元间以吸声较强的橡胶相隔。在普通的一维探头中,沿晶片短边方向不作切割;但在1.25、1.5、1.75维探头中,沿晶片短边方向也切成若干条,也有电子聚焦。工作方式通常以多个(一般是10个)阵元为一组发射和接收超声波束,通过递推错位组合和电子开关切换,实现声束沿晶片长边方向的
扫描,利用人眼的“视觉暂留”特性,看似所有阵元都在发射
和接收,由声线构成扫描平面,故称平面线阵。得到的图像
均为矩形,其中显示的是耦合位置下方组织和器官的解剖结
构。
迈瑞DP-6600全数字便携式超声诊断仪有一个电子线阵
的可选探头--7.5MHz 75L38EA ,探测深度为2.59 – 11.6cm ,显 示控制中的零位移动为±8级。
凸阵的大R(晶片曲率半径)通常在30mm 以上,用于腹部检查;小R(10~20mm ,医生们多称微凸)用于心脏检查。
凸阵的辐射面(与人体的耦合面)为向外凸出的弧形,从表层
声透镜至内部结构均与线阵相同,差别仅在晶片形状。工作方
式与线阵相同。因阵元呈弧形分布,致使图像成为扇形,目的
在扩大中远区视野。该扇形的特征是“无扇骨部分,只有扇面”。
迈瑞DP-6600全数字便携式超声诊断仪四个探头之中有三
个都是凸阵。分别为发射中心频率为3.5MHz 的35C50EA ,其探测深度范围为 5.17 – 24.6cm, 显示控制中零位移动±15 级;发
射中心频率为6.5MHz 的65EC10EA ,其探测深度 2.59 – 11.6cm, 显示控制中零位移动±8级;发射中心频率为3.5MHz 的35C20EA ,其探测深度为 5.17 – 24.6cm, 显示控制中零位移动±15级。通过配备不同特性的探头,以及各探头具有的可选多焦点(可选1个、最多4个焦点),使得这款小巧的仪器在使用上具有很高的灵活性,可以用于心脏、腹部、产科、妇科、小器官、泌尿系统等全身检查。探头参数可以调节的参数如下: