一、壓電換能器

超聲診斷儀是通過探頭產(chǎn)生入射超聲波(發(fā)射波)和接收反射超聲波(回波)的，它是診斷設(shè)備的重要部件。高頻電能激勵探頭中的晶體產(chǎn)生機(jī)械振動，反射超聲波的機(jī)械振動又可以通過探頭轉(zhuǎn)換為電脈沖。也就是說探頭能將電能轉(zhuǎn)換成聲能，又能夠?qū)⒙暷苻D(zhuǎn)換成電能，所以探頭又稱做超聲換能器。其原理來自于晶體的壓電效應(yīng)。1.壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)泛指晶體處于彈性介質(zhì)中所具有的一種聲-電可逆特性，此現(xiàn)象為法國物理學(xué)者居里兄弟于1880年所發(fā)現(xiàn)，故也稱居里效應(yīng)（圖7-4）。

圖7-4晶體的壓電效應(yīng)具有壓電效應(yīng)性質(zhì)的晶體,稱為壓電晶體。目前常用于超聲探頭的晶體片有鋯酸鉛、鈦酸鋇、石英、硫酸鋰等人工或天然晶體。鈦酸鋇及鋯酸鉛是在高溫下燒結(jié)的多晶陶瓷體，把毛坯燒結(jié)成陶瓷體后，經(jīng)過適當(dāng)?shù)难心バ拚?，得到所需的幾何尺寸，再用高壓直流電場極化后,就具有壓電性質(zhì)，成為換能器件。(1)正壓電效應(yīng)在晶體或陶瓷的一定方向上，加上機(jī)械力使其發(fā)生形變，晶體或陶瓷的兩個受力面上，產(chǎn)生符號相反的電荷;形變方向相反，電荷的極性隨之變換，電荷密度同外施機(jī)械力成正比，這種因機(jī)械力作用而激起表面電荷的效應(yīng)，稱為正壓電效應(yīng)，如圖7-4（a）。(2)逆壓電效應(yīng)在晶體或陶瓷表面沿著電場方向施加電壓，在電場作用下引起晶體或陶瓷幾何形狀應(yīng)變，電壓方向改變，應(yīng)變方向亦隨之改變，形變與電場電壓成比例，這種因電場作用而誘發(fā)的形變效應(yīng)，稱為逆壓電效應(yīng)，如圖7-4（b）。一般情況下，壓電效應(yīng)是線性的，然而，當(dāng)電場過強(qiáng)或壓力很大時，就會出現(xiàn)非線性關(guān)系。2.壓電換能器的特性壓電換能器的特性參量很多，現(xiàn)只簡單介紹以下3種。(1)頻率特性壓電換能器的晶體本身是一個彈性體，因此有其固有的諧振頻率，當(dāng)所施力的頻率等于其固有頻率時，它將產(chǎn)生機(jī)械諧振，由于正壓電效應(yīng)而產(chǎn)生最大電信號。另一方面，當(dāng)所施加電的頻率和壓電晶體固有頻率一致時，由于逆壓電效應(yīng)則應(yīng)發(fā)生機(jī)械諧振，諧振時振幅最大，彈性能量也最大，這時，壓電體獲得最大形變振動,通過介質(zhì)產(chǎn)生超聲波輸出。實驗證明，當(dāng)所施加力或電的頻率不與晶體固有頻率一致時，壓電換能器晶體產(chǎn)生的電信號幅度和變形振動幅度都將變小，可見，它們都是頻率的函數(shù)。

圖7-5壓電晶體的電流-頻率特性如果對壓電晶體施加一定值的電壓，改變所加電壓的頻率，回路電流或阻抗將隨其變化，當(dāng)電壓頻率為某一頻率fm時，電流出現(xiàn)最大值Imax，當(dāng)電壓頻率為另一頻率fn時，電流出現(xiàn)最小值Imin。壓電晶體的電流隨頻率而變化的現(xiàn)象（見圖7-5），說明了壓電換能器晶體的等效阻抗是一個隨頻率而變化的量。如果繼續(xù)增加電壓的頻率，還可以發(fā)現(xiàn)有規(guī)律地出現(xiàn)一系列電流的波動，且波動的最大值(對應(yīng)fm1、fm2…)是依次減小的，而波動最小值(對應(yīng)fn1、fn2…則是依次增大的，fm稱為壓電振子的最小阻抗頻率(又可稱為最大傳輸頻率);fn稱為最大阻抗頻率(又可稱為最小傳輸頻率)。

(2)換能特性換能器的換能特性包括兩個方面：

電能－機(jī)械能－超聲能，超聲能－機(jī)械能－電能。前者屬于發(fā)射過程，后者屬于接收過程。能量間轉(zhuǎn)換必然產(chǎn)生損失(產(chǎn)生了無益的能耗)，以轉(zhuǎn)換效率來表征換能器這一性能：電機(jī)轉(zhuǎn)換效率=輸出的機(jī)械功率／輸入的電功率機(jī)聲轉(zhuǎn)換效率=輻射的超聲功率／輸入的機(jī)械功率因此：電聲轉(zhuǎn)換效率=輻射的超聲功率／輸入的電功率

(3)暫態(tài)特性超聲診斷儀的換能器大多工作于脈沖狀態(tài)，換能器對脈沖的響應(yīng)速率稱為暫態(tài)特性，這也是一項重要指標(biāo)。換能器的暫態(tài)特性與其頻率特性是有關(guān)系的，簡言之，換能器的頻譜越寬，它的暫態(tài)特性也越好，可允許的超聲脈沖的寬度越窄。在這里，所描述的脈沖寬度是指斷續(xù)發(fā)射出超聲的時間長度，單位是秒(s），它與頻率（超聲波每秒振動的次數(shù)）是不同的。

二、超聲探頭的類別

超聲探頭可以從以下不同方面來分類，它們是:①按診斷部位分類，有眼科探頭、心臟探頭、腹部探頭、顱腦探頭、腔內(nèi)探頭和兒童探頭等之分（圖7-6）；②按應(yīng)用方式分類，有體外探頭、體內(nèi)探頭、穿刺活檢探頭之分;③按探頭中換能器所用振元數(shù)目分類，又有單元探頭和多元探頭之說;

圖7-6應(yīng)用在不同診斷部位的各類超聲探頭④按波束控制方式分類，則有線掃探頭、相控陣探頭、機(jī)械扇掃探頭和方陣探頭等;⑤按探頭的幾何形狀分類(這是一種慣用的分類方法)，則有矩形探頭、柱形探頭、弧形探頭(又稱凸形)、圓形探頭等。以下僅就最常見典型探頭加以介紹。

圖7-7柱形單振元探頭結(jié)構(gòu)剖面圖1.柱形單振元探頭柱形單振元探頭主要用于A超和M超，又稱筆桿式探頭。目前在經(jīng)顱多普勒（TCD)及胎心監(jiān)護(hù)儀器中亦用此探頭。由于它是各型超聲成像儀用探頭的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，特此作一介紹。(1)結(jié)構(gòu)柱形單振元探頭的基本結(jié)構(gòu)如圖7-7所示。它主要由5部分組成:①壓電晶體，用于接收電脈沖產(chǎn)生機(jī)械超聲振動，完成聲-電和電-聲轉(zhuǎn)換工作。其幾何形狀和尺寸是根據(jù)診斷要求來設(shè)計的，上、下電極分別焊有一根引線，用來傳輸電信號;②墊襯吸聲材料，用于衰減并吸收壓電振子背向輻射的超聲能量，使之不在探頭中來回反射而使振子的振鈴時間加長，因此要求墊襯具有較大的衰減能力，并具有與壓電材料接近的聲阻抗，以使來自壓電振子背向輻射的聲波全部進(jìn)入墊襯中并不再反射回到振子中去，吸聲材料一般為環(huán)氧樹脂加鎢粉，或鐵氧體粉加橡膠粉配合而成;③聲學(xué)絕緣層，防止超聲能量傳至探頭外殼引起反射，造成對信號的干擾;④外殼，作為探頭內(nèi)部材料的支承體，并固定電纜引線，殼體上通常標(biāo)明該探頭的型號、標(biāo)稱頻率;⑤保護(hù)層，用以保護(hù)振子不被磨損。保護(hù)層應(yīng)該選擇衰減系數(shù)低并耐磨的材料，由于保護(hù)層與振子和人體組織同時接觸，其聲阻抗應(yīng)接近人體組織的聲阻，并將保護(hù)層兼做為層間插入的聲阻抗?jié)u變層，其厚度應(yīng)為λ/4。(2)基本特性超聲探頭作為一種傳感器，其最重要的性能有:特征頻率、受電激勵后振動時間的長短以及其體積的大小。探頭的特征頻率決定于壓電晶體的厚度。給壓電晶體施加電激勵后，其前面和后面都會發(fā)出聲能，只要周圍介質(zhì)的聲阻抗與壓電晶體不一樣，部分聲能就會在前后界面處反射回晶體，并以聲波形式在晶體內(nèi)以同一速度傳播。聲波傳至對面所需要的時間與晶體的厚度成正比，當(dāng)晶體厚度恰為波長的一半時，反射應(yīng)力和發(fā)射應(yīng)力在每一面相互加強(qiáng)，壓電晶體產(chǎn)生共振，呈現(xiàn)最大的位移幅度。相當(dāng)于半波長厚度的頻率叫壓電晶體的基礎(chǔ)共振頻率。當(dāng)晶體厚度與波長相等時，每一面的應(yīng)力正好相反，位移幅度最小。由于任何頻率下的半波長晶體的厚度決定于聲波在該晶體材料中的傳播速度，因此，對每一種壓電材料都必須特別計算出它的半波長厚度，也就是說，不同的壓電材料的半波長厚度并不相同。由于波長與頻度成反比，所以壓電元件的厚度與產(chǎn)生的頻率成反比。傳感器受電激勵后振動時間的長短影響超聲系統(tǒng)的縱向分辨力。為了追求好的縱向分辨力，通常使激勵電脈沖寬度盡量窄，然而由于超聲探頭的壓電材料對電激勵常呈較長時間的反應(yīng)(即電脈沖結(jié)束后聲振蕩仍以衰減振蕩方式維持一段時間),此種振鈴反應(yīng)會產(chǎn)生長超聲脈沖，如不予以阻尼，就會導(dǎo)致分辨力減弱。為此必須在壓電體后面放置特別的墊襯材料，利用其吸音特性產(chǎn)生阻尼，使振鈴反應(yīng)減弱,從而縮短脈沖總長度。同時，此阻尼材料還可以吸收壓電晶體后面發(fā)出的聲能，否則這種能量就會在晶體中產(chǎn)生反射，干擾來自被檢介質(zhì)中的回聲。阻尼強(qiáng)的墊襯使換能器的聲脈沖時間縮短，但也使靈敏度降低;阻尼弱則有損于分辨力，卻使換能器有較佳的靈敏度。

圖7-8機(jī)械扇形掃描探頭工作原理示意

對于柱形單振元探頭，振元直徑的大小主要影響超聲場的形狀。一般來說，振元直徑大，聲束的指向性好，并易于聚焦。當(dāng)然，當(dāng)聲窗受限制時，只能使用較小的振元。通常振元直徑在5～30mm范圍內(nèi)選定。2.機(jī)械扇掃超聲探頭機(jī)械扇形掃描超聲探頭配用于扇掃式B型超聲診斷儀，它是依靠機(jī)械傳動方式帶動傳感器往復(fù)搖擺或連續(xù)旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)扇形掃描的（圖7-8）。利用機(jī)械掃描實現(xiàn)超聲影像的實時動態(tài)顯示，是70年代后期才趨于成熟的一項技術(shù)。開始時掃描線數(shù)較少，掃描角度也不大，掃描線的間隔角度的均勻性亦差,而且探頭的體積和重量都較大，操作使用十分不便。比如早期的機(jī)械扇掃探頭的重量達(dá)0.6kg以上，且掃描角度僅30°。隨著技術(shù)的進(jìn)步，到80年代中期，機(jī)械扇掃超聲換能器的產(chǎn)品性能日趨改善，重量可以做到0.2kg以下，掃描幀頻約30幀/s,掃描角度達(dá)85°，而且掃描線的均勻性也大大改善。這不僅給操作使用帶來了方便,而且使機(jī)械扇掃超聲影像的質(zhì)量獲得明顯的提高。機(jī)械扇掃探頭除換能器聲學(xué)特性的基本要求之外，還應(yīng)滿足以下要求:①保證探頭中的壓電振子作30次/s左右的高速擺動，擺動幅度應(yīng)足夠大；②擺動速度應(yīng)均勻穩(wěn)定；③整體體積小、重量輕，便于手持操作;④外形應(yīng)適合探查的需要，并能靈活改變掃查方向;⑤機(jī)械振動及噪聲應(yīng)小到不致引起病人的緊張和煩躁。目前來看，機(jī)械扇掃探頭主要存在的不足之處，是噪聲大和探頭壽命短。多數(shù)的機(jī)械扇掃探頭壽命僅有數(shù)千小時，對于這種結(jié)構(gòu)而言，無論是技術(shù)、工藝、或者材料都是十分難以解決的問題。目前，機(jī)械扇掃探頭的生產(chǎn)已越來越少，大有被電子凸陣及相控陣扇掃探頭所取代的趨勢。

圖7-9電子線陣探頭剖面示意3.電子線陣超聲探頭電子線陣超聲探頭配用于電子式線性掃描超聲診斷儀。其結(jié)構(gòu)如圖7-9所示，它主要由6部分組成:開關(guān)控制器、阻尼墊襯、換能器陣列、匹配層、聲透鏡和外殼。(1)開關(guān)控制器用于控制探頭中各振元按一定組合方式工作，若采用直接激勵，則每一個振元需要一條信號線連接到主機(jī)，目前換能器振元數(shù)已普遍增加到數(shù)百個，則與主機(jī)的連線需要數(shù)百根，這不僅使工藝復(fù)雜，因此而增加的探頭和電纜的重量也是不堪設(shè)想的。采用開關(guān)控制器就可以使探頭與主機(jī)的連線數(shù)大大減小。(2)阻尼墊襯其作用與柱形單振元探頭中的墊襯作用相同，用于產(chǎn)生阻尼,抑制振鈴并消除反射干擾。阻尼墊襯材料的構(gòu)成要求亦和柱形單振元探頭相似。(3)換能器陣列換能器的晶體振元通常是采用切割法制造工藝，即對一寬約10mm，一定厚度的矩形壓電晶體，通過計算機(jī)程控順序開槽。開槽寬度應(yīng)小于0.1mm，開槽深度則不能一概而論，這是因為所用晶片的厚度取決于探頭的工作頻率，相當(dāng)于半波長厚度的頻率叫做壓電晶體的基礎(chǔ)共振頻率。晶體材料的半波長厚度σ可由下式給出。σ=Cp·T·1／2式中:Cp為超聲波在該材料中的傳播速度，T為工作頻率超聲波的周期。當(dāng)換能器的工作頻率確定后，根據(jù)所用晶片材料的半波長厚度，即可確定所用晶片的厚度。顯然，探頭的工作頻率越高，所用晶片的厚度則越薄。開槽的深度主要影響振元間互相耦合的大小，振元間互耦大則相互干擾大，使收發(fā)分辨力降低。一般來說，開槽深則互耦小。至于每個振元的寬度，一是考慮輻射強(qiáng)度，寬度窄則振元的有效面積小，輻射強(qiáng)度小，影響探測靈敏度。二是波束和擴(kuò)散角，寬度窄則近場區(qū)域以外擴(kuò)散角大,聲束主瓣寬,副瓣大,橫向分辨力下降，要使副瓣小,則應(yīng)滿足振元中心間距d<1/2λ?？紤]以上因素，通常取單個振元寬度與厚度之比小于0.6。因此，工作頻率越高,換能器的制作困難越大。例如，對某種已選定的晶體材料而言，當(dāng)工作頻率為2.5MHz時，假設(shè)其半波長厚度為0.8mm，則單個振元的寬度小于0.48mm。當(dāng)工作頻率上升到5MHz時，晶體的半波長厚度僅為0.4mm，則單個振元的寬度小于0.24mm。當(dāng)工作頻率為7.5MHz時，晶體半波長厚度僅有0.26mm，則單個振元的寬度應(yīng)小于0.16mm?？梢姡哳l率的探頭、換能器制作工藝難度大。為了進(jìn)一步減小互耦，線陣探頭應(yīng)滿足d<λ/2的條件。但前已述及，對于高頻探頭，晶片切割難度大，再考慮單片輻射面積的需要，只好折中考慮，取振元的寬、厚比為0.6，這往往并不滿足d<λ/2的條件。更新的設(shè)計是采用組合振元方式，即每一組激勵振元由幾個晶片組成(這樣的一個組合稱作一群)，則可以較好地解決互耦與工藝的矛盾。比如將100mm×10mm×0.8mm的壓電晶體均勻刻劃成64個窄條，刻縫寬為0.05mm，每一個窄條作為一個振元，并設(shè)工作波長λ=1.60，那么這種尺寸結(jié)構(gòu)d/λ=1.55/1.60≈1，遠(yuǎn)不能滿足d<λ/2的條件。而如果將此壓電晶體刻劃成256個窄條，每4個窄條作為一個振元(發(fā)射時給予同相激勵)，探頭總共仍為64個振元(或稱作64群)，但尺寸結(jié)構(gòu)d/λ=0.40/1.60=1/4，則可以滿足以上條件。所以采用新設(shè)計的優(yōu)點(diǎn)是顯而易見的，它既保證了探頭的輻射功率，又使副瓣得到壓縮。(4)匹配層由于聲透鏡同時與晶體振元和人體接觸，兩者的聲阻抗差別甚大［壓電晶體振元的阻抗Zf≈(20～35)×106kg·s－１·m－2，人體組織的阻抗Ze≈(1.58～1.7)×106kg·s－１·m－2］，難于使聲透鏡的特性阻抗同時與兩者匹配。超聲經(jīng)不同阻抗界面?zhèn)鞑ィ瑢a(chǎn)生反射，會增加能量損耗并影響分辨力，因此，往往需要采用匹配層來實現(xiàn)探頭與負(fù)載之間的匹配。對匹配層除厚度與聲阻抗的要求外，還要求其聲阻尼要小，以減小對超聲能量的損耗。在工藝上應(yīng)保證其同時與晶體振元和聲透鏡接觸良好。

圖7-10電子凸陣探頭示意匹配層材料通常也采用環(huán)氧加鎢粉配制。4.電子凸陣超聲探頭凸陣探頭