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1、2 医用超声换能器,压电效应,压电效应,一 压电学的物理基础,压电效应1880年居里兄弟皮尔（P.Curie)与捷克斯（J.Curie)发现压电效应。经他们实验而发现，具有压电性的材料有：具有压电性的材料有：闪锌矿（zincblende）、钠氯酸盐（sodiumchlorate）、电气石（tourmaline）、石英（quartz）、酒石酸（tartaricacid）、蔗糖（canesuger）、方硼石（boracite）、异极矿（calamine）、黄晶（topaz）及若歇尔盐（Rochellesalt）。这些晶体都具有非晶方性（anisotropic）结构，晶方性（isotropic）材料
2、是不会产生压电性的。,第一次大战后不久，石英换能器便发展出两项重要的应用。哈佛大学的皮尔士教授（）用石英晶体制作超声波干涉仪，可定出波在气体介质中的速度。可求出波在气体中的表减系数。当时用它来测量声波在二氧化碳中波速对频率的关系，而求出波速的色散关系。用这种方法，可研究气体在不同混合比与温度下声波的波速与衰减率。1927年，伍德（）与鲁密斯（）首先使用高功率超声波。使用蓝杰文型的石英换能器配合高功率真空管，在液体中产生高能量，使液体引起所谓的空腔（cavitation）现象。同时也研究高功率超声波对生物试样的效应。,1919年，卡迪（Cady）教授第一次利用石英当作频率控制器，图四就是最早期的
3、晶体控制振荡器电路。在第二次世界大战中，大约使用了一千万个晶体振荡器，用以建立坦克与坦克之间及地面和飞机之间的通讯。,压电效应,在非晶方晶体中，施一外力使晶体变形，由于晶格中电荷的移动造成晶体内局部不均匀电荷分布，而产生电位移。只有 在材料每单位体积中造成有效地净的电双极距变化。才具有压电特性。,二 医用压电材料,石英晶体昂贵、加工不方便、优良的机械性能，较低的电容，高的品质因数，良好的温度系数压电陶瓷：电-声转换系数高易于电路匹配材料性能稳定、廉价、易于加工、可控制成任意形状、尺寸。可通过掺杂、取代、改变材料配方等办法进行参数调整。,压电材料石英晶体,压电材料石英晶体,石英压电机理,石英晶体
4、的上述特性与其内部分子结构有关。在垂直于z轴的xy平面上的投影,等效为一个正六边形排列。当石英晶体未受外力作用时,正、负离子正好分布在正六边形的顶角上,形成三个互成120夹角的电偶极矩P1、P2、P3,压电陶瓷,压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。材料内部的晶粒有许多自发极化的电畴,它有一定的极化方向,从而存在电场。在无外电场作用时,电畴在晶体中杂乱分布,它们的极化效应被相互抵消,压电陶瓷内极化强度为零。因此原始的压电陶瓷呈中性,不具有压电性质 在陶瓷上施加外电场时,电畴的极化方向发生转动,趋向于按外电场方向的排列,从而使材料得到极化。外电场去掉后,电畴的极化方向基本不变,即剩余极化强度很大,
5、这时的材料才具有压电特性。,医用超声换能器中用得最多的，偏铌酸铅压电陶瓷。优点：几点耦合系数的各向异性大，径向共振弱，厚度共振强，可获得单纯厚度模式共振，超声图像清晰，电容率小，与高频电路容易匹配，机械阻尼高，频带范围宽，易于获得高频下的窄脉冲换能器。声阻抗低，易于与人体软组织匹配居里温度高，压电性能随温度变化小，性能稳定。,高分子压电聚合物材料，是一种半结晶聚合物，如：聚二氟乙烯（PV）：压电聚合物薄膜，据欧柔软性的塑料薄膜特性接收灵敏度高，容易达到较高厚度谐振基频特性阻抗约为水的3倍。,三 压电材料的主要参数,1 弹性系数,3.压电材料在磁学效应中有：B=H式中B为磁感应强度，H为磁场强度
6、，为磁导率,4.压电材料在热学效应中有：Q=/c式中Q为热量；为温度；为熵；为介质密度；c为材料比热。对于压电体，我们通常不考虑磁学效应并且认为在压电效应过程中无热交换一般只考虑前面所述的力学效应和电学效应，而且还必须同时考虑它们之间存在的相互作用。,把两个力学量-应力和应变e与两个电学量-电场强度E和电位移强度D联系在一起，描述它们之间相互作用的表达式就是所谓的压电方程。处在工作状态下的压电体，其力学边界条件可以有机械自由与机械夹紧两种情况，而电学边界条件则有电学短路和电学开路两种情况，根据不同的边界条件，选择不同的自变量与因变量，就可以得到不同类型的压电方程。,电位移D,压电体上敷设金属电
7、极，电极面与极化强度方向垂直自由电荷面密度等于极化强度自由电荷面密度等于电通密度D,压电方程组同时受应力和电场作用,压电体同时受电场和应力作用时，利用叠加原理来处理。第一类方程组，应力、电场强度为自变量应变、电位移为因变量,应变弹性柔顺系数应力应变常数电场强度电通密度应变常数应力分量介电常数电场,压电方程组同时受应力和电场作用,第二类压电方程组以应变和电场强度为自变量以应力和电位移为因变量,应力电场下弹性刚度系数应变 压电应力常数电场强度电位移量压电应力常数应变 恒定应变下的介电常数电场强度,压电参数,8介电损耗,电介质晶体突然受到电场作用时，极化强度并不是一下子就达到最终值，即极化是一种弛豫
8、现象（极化弛豫）。如果介质受交变电场作用，而交变频率又比较高，就会使极化追随不及时而发生滞后，从而引起了所谓的介质损耗，并使动态介电常数与静态介电常数发生差异。供给电介质的能量有一部分消耗在强迫固有电矩的转动上并转变为热能而被消耗掉，另一原因则是介质漏电，尤其在高温和强电场作用下其表现更为显著，由于漏电，电能被转化成热能而消耗掉（电导损耗）。,9电学品质因数Qe,介质损耗角正切的倒数即为电学品质因数：Qe=1/tg=C 它反映了压电体在交变电场作用下消耗电能（转变为热能）的大小。Qe越大，意味着电能损耗越小。Qe的存在表明任何压电材料都不可能把电能完全转变成机械能，其能量损耗的原因即是上述的介
9、质损耗。,10机械品质因数Qm,压电体作谐振振动时，要克服内部的机械摩擦损耗（内耗），在有负载时还要克服外部负载的损耗，与这些机械损耗相联系的是机械品质因数Qmo（空载机械Q值）及Qm（有负载时的机械Q值）。它的定义为：Qm=谐振时压电振子储存的机械能量/谐振时每周期内损耗的机械能量它反映了压电体振动时克服机械损耗而消耗能量的大小。Qm越大，意味着机械能损耗越小。Qm的存在也表明任何压电材料都不可能把输入的机械能全部用于输出。,对于一个压电换能器而言，它的Qm和Qe并不是常量，它们与工作频率、频带宽度、压电换能器的制作工艺、结构、辐射介质（负载）等有关。当Qm太高时，容易使振子产生的振动波形过
10、长（振铃现象），导致波形失真和分辨率降低，同样，Qe也并非越大越好。Q值大，意味着压电效应过程中能量消耗小，在大功率和高频应用或者纯发射功率应用的情况下能减少发热量，这是有利的一面。但是对于以检测为目的的换能器，Q值大则对展宽频带、改善波形、提高分辨率等都是不利的。由于Q值的大小还随负载性质而改变（例如水浸探头、接触法探头所面临的负载介质是不同的），在设计换能器时还必须考虑到负载媒介的影响（辐射阻抗问题）。,11机电耦合系数K,综上所述，我们可以总结出在超声检测的实际应用中选择压电材料制作压电换能器时主要的选择原则如下：,6介电常数-压电晶片涂附电极后即构成一个电容器，其电容量的大小符合C=A
11、/t，即与介电常数、电极相对面积A和电极间距（晶片厚度）t相关。在电路中，电容量小时意味着容抗大，适合用作高频压电元件，特别是超声检测换能器多工作在兆赫兹频率范围，因此要求压电材料的小些为好。相反，在用于制作低频压电元件（如音频范围的扬声器、话筒等）时，则宜选用较大的材料以满足大容量、低容抗的匹配要求。的数值还与换能器的机械自由度有关，即机械夹紧状态与机械自由状态的介电常数是不同的，故有e、的区别。此外，与频率的关系也比较敏感，故要以具体工作频率为条件实际测定值。,7厚度振动频率常数N主要利用厚度振动型压电换能器，故压电材料的N值越大，意味着相同厚度的压电晶片有较高的谐振频率，或者说在同一谐振
12、频率下其晶片厚度较大，从而便于加工制作高频元件，故应选择N值较大的材料为好,8铁电居里点Tc-铁电晶体只在某一温度范围内具有铁电性，当温度达到铁电居里点时，晶体将失去铁电性，并且晶体的介电、压电、光学、弹性以及热学等性质均出现反常现象。大多数铁电体只有一个居里点，但有少数铁电体具有上、下居里点，它只在上、下居里点之间的温度范围内具有铁电性。例如锆钛酸铅的上居里点在115-120，下居里点在-5，若在钛酸钡中添加5%的钛酸钙，则其下居里点可到-40。此外，也有一些铁电体是没有居里点的，如一些特殊的高分子压电材料（因达到某一温度时即已发生融化甚至烧毁）。,9机械品质因数Qm和电学品质因数Qe-在实
13、际应用中，若Qm和Qe值较大时，将会有“振铃”现象存在，导致波形失真、分辨率降低等不利于检测的情况产生。一般不希望Qm和Qe太大，除了在选材时予以考虑外，在设计制作换能器时，常常需要通过结构上加大阻尼，电路上改变阻抗等办法来适当降低Qm和Qe值。当然，降低Qm和Qe值是以牺牲灵敏度（降低输出功率）为代价的。因此，应按实际应用的需要来选择和调节适当的Q值（根据经验，超声检测换能器的实际Q值不宜大于10）。,10压电材料的老化性能-极化后的压电材料其压电性能会随时间的推移而有不可逆的变化，这种现象称为“老化”，如介电常数、介电损耗、压电常数、机电耦合系数及弹性等通常随时间推移而变小，频率常数和机械
14、Q值会随时间推移而增大。这些参数的变化基本上与时间的对数值有线性关系。一般以十年为一个单位来考虑，称为“十年老化”。显然，这个指标反映了压电材料的时间稳定性，在制作压电换能器时也应适当考虑选择时间稳定性较好的材料。在具体的超声换能器上，这种老化现象会具体表现在灵敏度、始波占宽、电噪声水平等，因此对于换能器的选购和储存时也应注意到时效的影响。,11压电材料的热稳定性-这是指压电材料在居里点以下的一定温度范围连续工作一段时间后其压电性能不变或无退化的特性，特别对于高温环境下工作的换能器，应选取热稳定性好的材料。以上11项是我们选择压电材料制作超声检测换能器时的主要考虑因素和选择原则，应视具体应用情
15、况和需要作综合考虑，适当选择。,二、超声探头的类别,:按诊断部位分类：眼科探头、心脏探头、腹部探头、颅脑探头、腔内探头和儿童探头等之分；按应用方式分类：体外探头、体内探头、穿刺活检探头之分;按探头中换能器所用振元数目分类：单元探头和多元探头按波束控制方式分类：线扫探头、相控阵探头、机械扇扫探头和方阵探头等;按探头的几何形状分类：矩形探头、柱形探头、弧形探头(又称凸形)、圆形探头等。,1.柱形单振元探头,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。,:压电晶体，用于接收电脉冲产生机械超声振动，完成声-电和电-声转换工作。其几何形状和尺寸
16、是根据诊断要求来设计的，上、下电极分别焊有一根引线，用来传输电信号,垫衬吸声材料，用于衰减并吸收压电振子背向辐射的超声能量，使之不在探头中来回反射而使振子的振铃时间加长，因此要求垫衬具有较大的衰减能力，并具有与压电材料接近的声阻抗，以使来自压电振子背向辐射的声波全部进入垫衬中并不再反射回到振子中去，吸声材料一般为环氧树脂加钨粉，或铁氧体粉加橡胶粉配合而成,声学绝缘层，防止超声能量传至探头外壳引起反射，造成对信号的干扰;外壳，作为探头内部材料的支承体，并固定电缆引线，壳体上通常标明该探头的型号、标称频率;保护层，用以保护振子不被磨损。保护层应该选择衰减系数低并耐磨的材料，由于保护层与振子和人体组
17、织同时接触，其声阻抗应接近人体组织的声阻，并将保护层兼做为层间插入的声阻抗渐变层，其厚度应为/4。,(2)基本特性,超声探头作为一种传感器，其最重要的性能有:特征频率、受电激励后振动时间的长短以及其体积的大小探头的特征频率决定于压电晶体的厚度。给压电晶体施加电激励后，其前面和后面都会发出声能，只要周围介质的声阻抗与压电晶体不一样，部分声能就会在前后界面处反射回晶体，并以声波形式在晶体内以同一速度传播。声波传至对面所需要的时间与晶体的厚度成正比，当晶体厚度恰为波长的一半时，反射应力和发射应力在每一面相互加强，压电晶体产生共振，呈现最大的位移幅度。相当于半波长厚度的频率叫压电晶体的基础共振频率。,
18、传感器受电激励后振动时间的长短影响超声系统的纵向分辨力。为了追求好的纵向分辨力，通常使激励电脉冲宽度尽量窄，然而由于超声探头的压电材料对电激励常呈较长时间的反应(即电脉冲结束后声振荡仍以衰减振荡方式维持一段时间),此种振铃反应会产生长超声脉冲，如不予以阻尼，就会导致分辨力减弱。为此必须在压电体后面放置特别的垫衬材料，利用其吸音特性产生阻尼，使振铃反应减弱,从而缩短脉冲总长度。同时，此阻尼材料还可以吸收压电晶体后面发出的声能，否则这种能量就会在晶体中产生反射，干扰来自被检介质中的回声。阻尼强的垫衬使换能器的声脉冲时间缩短，但也使灵敏度降低;阻尼弱则有损于分辨力，却使换能器有较佳的灵敏度。,对于柱
19、形单振元探头，振元直径的大小主要影响超声场的形状。一般来说，振元直径大，声束的指向性好，并易于聚焦。通常振元直径在530mm范围内选定。,2.机械扇扫超声探头,机械扇形扫描超声探头配用于扇扫式B型超声诊断仪，它是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的比如早期的机械扇扫探头的重量达0.6kg以上，且扫描角度仅30。随着技术的进步，到80年代中期，机械扇扫超声换能器的产品性能日趋改善，重量可以做到0.2kg以下，扫描帧频约30帧/s,扫描角度达85，,2.机械扇扫超声探头,机械扇扫探头除换能器声学特性的基本要求之外，还应满足以下要求:保证探头中的压电振子作30次/s左右的高速
20、摆动，摆动幅度应足够大；摆动速度应均匀稳定；整体体积小、重量轻，便于手持操作;外形应适合探查的需要，并能灵活改变扫查方向;机械振动及噪声应小到不致引起病人的紧张和烦躁。目前来看，机械扇扫探头主要存在的不足之处，是噪声大和探头寿命短。多数的机械扇扫探头寿命仅有数千小时,3.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。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。,(1)开关控制器用于控制探头中各振元按一定组合方式工作，若采用直接激励，则每一个振元需要一条信号线连接到主机，目前换能器振元数已普遍增加到数百个，则与主机的连线需要数百根，这不仅使工艺
21、复杂，因此而增加的探头和电缆的重量也是不堪设想的。采用开关控制器就可以使探头与主机的连线数大大减小。,(2)阻尼垫衬其作用与柱形单振元探头中的垫衬作用相同，用于产生阻尼,抑制振铃并消除反射干扰。阻尼垫衬材料的构成要求亦和柱形单振元探头相似。(3)换能器阵列换能器的晶体振元通常是采用切割法制造工艺，即对一宽约10mm，一定厚度的矩形压电晶体，通过计算机程控顺序开槽。开槽宽度应小于0.1mm，开槽深度则不能一概而论，这是因为所用晶片的厚度取决于探头的工作频率，相当于半波长厚度的频率叫做压电晶体的基础共振频率。晶体材料的半波长厚度可由下式给出。=CpT12式中:Cp为超声波在该材料中的传播速度，T为
22、工作频率超声波的周期。,(4)匹配层由于声透镜同时与晶体振元和人体接触，两者的声阻抗差别甚压电晶体振元的阻抗Zf(2035)106kgsm2，人体组织的阻抗Ze(1.581.7)106kgsm2，难于使声透镜的特性阻抗同时与两者匹配。超声经不同阻抗界面传播，将产生反射，会增加能量损耗并影响分辨力，因此，往往需要采用匹配层来实现探头与负载之间的匹配。对匹配层除厚度与声阻抗的要求外，还要求其声阻尼要小，以减小对超声能量的损耗。在工艺上应保证其同时与晶体振元和声透镜接触良好。匹配层材料通常也采用环氧加钨粉配制,4.电子凸阵超声探头,4.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
23、列成凸形。但相同振元结构凸形探头的视野要比线阵探头大。由于其探查视场为扇形，故对某些声窗较小的脏器的探查比线阵探头更为优越，比如检测骨下脏器，有二氧化碳和空气障碍的部位更能显现其特点。但凸形探头波束扫描远程扩散，必须给予线插补，否则因线密度低将使影像清晰度变差。探头中的振元都不是同时被激励的，它们总是被分组分时受激励，而且分配的方法有多样。,5.相控阵超声探头,5.相控阵超声探头,相探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。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。其一是所用换能器也是多元换能器阵列;其二是探头的结构、材料和工艺亦相近，主要由换能器、阻尼垫衬、声透
24、镜以及匹配层几部分组成；,5.相控阵超声探头,但它们的不同之处也主要有两点：第一是在探头中没有开关控制器，这是因为相控阵探头换能器中，各振元基本上是同时被激励的，而不是像线阵探头换能器那样分组、分时工作的，因此，不需要用控制器来选择参与工作的振元。第二是相控阵探头的体积和声窗面积都较小，这是因为相控阵探头是以扇形扫描方式工作的，其近场波束尺寸小，也正因为此，它具有机械扇形扫描探头的优点，可以通过一个小的“窗口”，对一个较大的扇形视野进行探查。,矩阵式探头,由切割成的数百个到数千个矩阵组成。如Philips*4Matrix型超级矩阵式探头，由3000个阵元块组成。150多个计算机电子板进行接收恶化处理超声回波信号。,穿刺活检换能器,中心部位有一个23mm的圆孔，用来通过不同型号的穿刺线或活检钳。,
