第三章第三章:医用超声探头医用超声探头 医用超声探头医用超声探头:超声诊断仪借以将高频电能转换为超声机械能向外辐射,并接收超声回波将声能转换为电能的一种声电可逆转换器件。 3.1压电振子的基本特性：压电振子的基本特性： 1、压电振子的等效电路：、压电振子的等效电路： 动态支路由下列元件串联组成：表示振子自身力阻的等效动态电阻Rd，表示辐射力阻等效动态电阻Rm。二者相加合称动态电阻R1；动态电感Ld和动态电容Cd。第三章第三章:医用超声探头医用超声探头 2、压电振子的频率特性：、压电振子的频率特性： 压电振子本身是一个弹性体，当所施加力的频率等于其固有频率时，由于正压电效应而产生最大电信号。当所施加的电频率等于其固有频率时，由于逆压电效应则发生机械谐振，谐振时振幅最大，弹性能量也最大。第三章第三章:医用超声探头医用超声探头3.2医用超声探头的主要特性：医用超声探头的主要特性：1、使用特性：、使用特性： a、探头的工作频率：探头中的换能器与仪器联接后，实际辐射超声 波的频率。 b、频率宽度：指换能器的工作频率响应的范围。 c、灵敏度：指探头与超声诊断仪器配合使用时，在最大探测深度上，可发现最小病灶的能力。 d、分辨力：分辨力的高低主要与以下因素有关： 、探头中换能器的辐射特性，若辐射特性好，则声束截面尺寸小，扩散角小，指向性好，横向分辨力就高；辐射特性好声束能量集中，旁瓣小，近场区干扰小，也有利于提高分辨力。 、换能器的辐射面积越大，声束的扩散角越小，横向分辨力也将提高。 、换能器的频率响应好，距离分辨力高。 、换能器的机械品质因素低，也有利于纵向分辨力的提高。 、换能器的层间匹配的好坏，也直接影响分辨力。如果层间匹配不佳时，超声在超声探头中来回发射，造成回波叠加，从而使纵向分辨力下降。第三章第三章:医用超声探头医用超声探头 2、声学特性：、声学特性： a、频率特性：指换能器阻抗频率特性和辐射频率特性的总称。阻抗频率特性是指换能器阻抗随频率的变化的特性。辐射频率特性指换能器辐射状态的频率特性。 b、换能特性：指换能器发射和接收状态的能量转换特性。 c、暂态特性：指换能器对脉冲响应的随动能力。 d、辐射特性：指换能器的辐射声场在空间的分布状态，主要以指向性和声束尺寸来进行描述。 e、吸收特性：指压电振子垫衬的吸收特性。第三章第三章:医用超声探头医用超声探头、实时成像与非实时成像、实时成像与非实时成像按成像的速度将扫描方式分为实时成像（动态成像）与非实时成像（静态成像）。a、实时成像：、实时成像： 实时地显示组织与器官的图像，这对于扫描运动器官有重要意义。例如检查心脏瓣膜或确定胎儿运动时，就要求有实时显像。一般说它的成像帧频要在20帧/秒以上。b、非实时成像：非实时成像：帧频达不到一定的要求，只能显示静止结构的图像。凡是采用手动方式移动换能器来移动扫描声线的，或者虽是采用机械方式扫描，但为了获得高质量（线数多）、大视场（深度大）的像，只能是静态成像。非实时成像系统要产生一幅完整的像，必须要有相应的存贮器件和显示装置相配合，现多用数字扫描变换器的数字贮器件。这种器件有较大的灵便性，有图像电子放大、灰阶图像变化、左右图像翻转、屏面字符、电子标尺等功能。第三章第三章:医用超声探头医用超声探头3.3超声探头的分类：超声探头的分类：按换能器所有的振子数分类：按换能器所有的振子数分类：第三章第三章:医用超声探头医用超声探头、柱形单振元探头：、柱形单振元探头：a、结构：、结构：主要由五部分组成：压电振子、引线、垫衬吸声材料、声学绝缘体、外壳。b、基本特性：、基本特性：特征频率、受电激励后振动时间的长短以及体积的大小。第三章第三章:医用超声探头医用超声探头、扫描方式：、扫描方式：（1）线扫：换能器作横向平移，它的线距均匀，视场的横向尺寸由换能器移动距离所限制，纵向尺度由作用距离所限制。（2）扇扫：换能器在被检查目标的上面（直接接触型）或上方（通过水路耦合）作摆动，它的声线不均匀，近距离处密度大，远处疏松。这种扫描的特点是可以通过狭窄的窗孔检查待查的区域，如通过肋骨之间的间隙检查心脏。（3）弧向扫：它的声线分布与扇扫相反。第三章第三章:医用超声探头医用超声探头、机械扫描与电子扫描、机械扫描与电子扫描 ：a、机械扫描：、机械扫描： 借电机带动换能器摆动或旋转，同时位置传感器连续地检测换能器的瞬间取向，并产生位置信号，使显示器的扫描线有相应的取向。右图是一种较典型的摆动式机械扫探头的结构示意图。其单一压电振子置于一个盛满水的小盒中，通过齿轮和连杆的传动，可作300角的摆动。位置电位器用于测定驱动轴的位置变化，从而可换算出压电振子的角度变化，它是一种低噪声电位器。直流马达作为驱动力源，它驱动整个机械传动装置带动压电振子作扇扫运动。第三章第三章:医用超声探头医用超声探头b、电子扫描、电子扫描： 用电子方式控制多阵元换能器实现扫描。有两种不同类型的阵：一是线形步距阵，通称线阵；另一种是线形相控阵，通称相控阵。它们的换能器都是由排成一线的许多单元组成。线阵的长度一般为1015cm，宽1cm左右；相控阵的阵元数较少，长度短，约13cm左右。（1）线阵：用电子开关切换多元换能器阵元，使之轮流工作。为了提高系统的分辨力与灵敏度，实用时通常有若干个相邻的小单元同时受到激励，发射一束超声并接收其回波，例如先由第1至12个小单元（同时受激励）发射第1个超声波束并接收其回波，然后由第2至13个小单元发射第2个超声束并接收其回波，依次下去，即每次舍去前面的一个单元，纳入后面的一个，发射许多平行波束，扫描目标区。第三章第三章:医用超声探头医用超声探头它主要由六部分组成：电子开关、阻尼垫衬、多元换能器、匹配层、声透镜和外壳。换能器阵元数目已普遍增加到数百个。（2）相控阵：工作时，同时激励所有的单元，并适当地控制加到各单元上的激励信号的相位（实际上是控制延时）来改变超声的发射方向。接收时，对被接收信号也作类似的相控，形成扇形扫描。另：为了进一步提高在图像切面内的分辨力，线扫阵和相控扇扫阵中往往还采用聚焦。线阵探头结构如右图所示。第三章第三章:医用超声探头医用超声探头、直接接触式与水路耦合式、直接接触式与水路耦合式 按探头与被查者的皮肤接触与否，即按耦合方式，扫描方式可分为直接耦合式和水路耦合式两种。1直接接触式直接接触式 超声波通过探头与人体皮肤间的胶状液体介质耦合层直接向人体入射。它具有声程短、穿透深度可达最大的特点。可取探头与皮肤垂直的方向，可取比较有利的角度。由于手持探头运用的灵活性，有时可以压下皮肤，以避开一些有碍于声传播的结构（如肋骨）。2水路耦合式水路耦合式 探头与皮肤之间用一定厚度的水或其他液体作耦合体，与皮肤接触处有透声膜。其特点是：探头不与皮肤直接接触，因此换能器大小不受限制，宜采用直径较大、聚焦稍强的换能器，以提高分辨力；配合多元换能器，易实现简单和复合扫描结合；较容易实现自动化，从而获得可重复的、与操作人员主观因素无关的图像；容易对人体表面弯曲得厉害的部位及直接接触不易耦合到的部位进行扫描。第三章第三章:医用超声探头医用超声探头.超声波束的聚焦、发射与控制超声波束的聚焦、发射与控制 、对线阵探头实施多振元组合发射的原因、对线阵探头实施多振元组合发射的原因线阵探头换能器中单个振元的尺寸很小，则辐射面积也就相应很小。例如，尺寸为10mm0.3mm0.5mm的振元，其辐射面积仅为3mm2。振元有效面积小，对声场特性造成极为不利的影响。第一，辐射面积小，对超声扩散角的影响。第二，幅射面积小，对超声近场的影响。 由上述两点可知，振元尺寸小，波束幅面积就小。幅射面积小既使扩散角增大，又使近场区变短，从而导致分辨力和灵敏度指标的降低。为克服上述缺点，采用多振元组合发射，就是一个很好的办法。所谓多振元组合发射，就是将若干个矩形振元组合成一个阵，每次发射时对阵内各振元同时激励。由于多阵元组合发射，等效于单个振元的宽度加大。振元等效宽度b的加大，既使波束的近场区增加，也使远长区的分辨力和灵敏度也得到一定程度的改善。另外，也便于对波束的电子聚焦和多点动态聚焦，从而改善整个探测深度范围内的分辨力和图像清晰度。这就是对线阵探头实施多振元组合发射的原因。 第三章第三章:医用超声探头医用超声探头.超声波束的扫描超声波束的扫描 振元等效宽度b的加大，既使波束的近场区增加，也使远场区的分辨力和灵敏度也得到一定程度的改善。另外，也便于对波束的电子聚焦和多点动态聚焦，从而改善整个探测深度范围内的分辨力和图像清晰度。这就是对线阵探头实施多振元组合发射的原因。选用线阵各振元不同的工作次序和方式，会直接影响成像质量。由于振元不同顺序的分组激励，也就形成不同的发射束扫描。目前B超仪中常用的扫描方式有组合顺序扫描、组合间隔扫描组合顺序扫描、组合间隔扫描和微角扫描和微角扫描等。第三章第三章:医用超声探头医用超声探头、组合顺序扫描、组合顺序扫描如下图所示，设总振元数为n，子振元数为m(设m=4)，则激励顺序为：14，25，36，47。由图可见，顺序扫描是用电子开关顺序切换方式，将相邻m个振元构成一个组合，接入发射/接收电路的振子，使之分时组合轮流工作，产生合成超声波束发射并接收。具体工作过程如表所示。这种顺序扫描方法最简单，虽然它也使等效孔径加大，波束变窄，分辨力有所提高，但从表可知，此种扫描声束的线距等于振元间距，则图像质量不高。 是第几次是第几次发射、接收？射、接收？发射、接收哪些振元？射、接收哪些振元？声束中心位于何声束中心位于何处？波束位移多大？波束位移多大？第一次第一次14振元振元2、3中中间第二次第二次25振元振元3、4中中间d第三次第三次36振元振元4、5中中间d第四次第四次47振元振元5、6中中间d 第第n-3次次（n-m+1）n振元（振元（n-2）中）中间d第三章第三章:医用超声探头医用超声探头、组合间隔扫描、组合间隔扫描要提高图像质量，必须缩小声束的线距。在讨论组合顺序扫描时可以得到一种启发：改变振元组合方式是否可以减小声束间的线距。下述的间隔扫描只不过对顺序扫描的一种改进，间隔扫描又分为d/2间隔扫描和d/4间隔扫描两种。 a、d/2间隔扫描间隔扫描 设总振元数为n，子振元组合分为两组：一组为m，一组为m+1。对其分组间隔激励。右图中，m=5，m+1=6，分组激励次序为15，16，27，37，。这时可见声束间距为d/2，与组合顺序扫描相比，线数增加1倍，使生成的图像更加清晰。其工作过程如表所示。 是第几次是第几次发射、接收？射、接收？发射哪些振元？射哪些振元？接收哪些振元？接收哪些振元？声束中心位于何声束中心位于何处？波束位移多少？波束位移多少？第一次第一次1515位于振元位于振元3中心中心第二次第二次1616位于振元位于振元3、4中中间d/2第三次第三次2626位于振元位于振元4中心中心d/2第四次第四次2727位于振元位于振元4、5中中间d/2第五次第五次3737位于振元位于振元5的中心的中心d/2 第三章第三章:医用超声探头医用超声探头b、d/4间隔扫描 若要进一步的提高图像的清晰度，可采用d/4间隔扫描，如图所示。这种扫描方式与组合顺序方式相比较，其线密度提高了4倍，见表。因此图像质量得到进一步的改善。其缺点是，由于每次发射和接收振元的分组并不一定相同，因此收发控制电路就相对复杂些。 是第几次是第几次发射、接收？射、接收？发射哪些振元？射哪些振元？接收哪些振元？接收哪些振元？声束中心位于何声束中心位于何处？波束位移多少？波束位移多少？第一次第一次1313位于振元位于振元2的中心的中心第二次第二次1314位于振元位于振元23间d/4处d/4第三次第三次1324位于振元位于振元23间d/2处d/4第四次第四次1424位于振元位于振元23间3d/4处d/4第五次第五次24位于振元位于振元3的中心的中心d/4 第三章第三章:医用超声探头医用超声探头.声束的聚焦声束的聚焦要提高超声探测器的灵敏度和分辨力，除了对线阵探头实施多振元组合发射之外，还需将探头发射的超声束在一定的深度范围内汇聚收敛，使之增强波束的穿透力和回波强度。 声束聚焦通常分为两类：声学聚焦和电子聚焦。声学聚焦又分为振元声透镜聚焦和平凸形声透镜聚焦；而电子聚焦又分为发射电子聚焦和动态电子聚焦。到底采用何种聚焦方式，视不同的应用场合而定。有些场合仅采用一种聚焦就满足了要求，有的场合同时用两种聚焦。例如，线阵探头通常在短轴方向采用声学聚焦，而在长轴方向采用了电子聚焦。、声学聚焦：、声学聚焦：声学聚焦与光学聚焦的基本原理相似。光学聚焦要用透镜，声学聚焦用声透镜。声透镜是利用声波经过声速不同的介质时会产生折射的原理而制成的聚焦元件。 第三章第三章:医用超声探头医用超声探头、电子聚焦、电子聚焦原理：用一组相邻振元组合工作。原理：用一组相邻振元组合工作。a、发射时：、发射时：各振元的激励信号相位按二次曲线变化，使发射超声经空间叠加后，合成超声波束产生会聚。b、各振元的接收信号相位按同样变化，使接收信号经电路叠加后，接收灵敏区域产生会聚。改变相位二次曲线变化曲率，可以改变会聚焦距。二次曲线常为圆弧线。改变相位二次曲线变化曲率，可以改变会聚焦距。二次曲线常为圆弧线。无偏向有聚焦发射无偏向有聚焦发射无偏向有聚焦接收无偏向有聚焦接收第三章第三章:医用超声探头医用超声探头3、发射聚焦和接收聚焦的异同及连接：、发射聚焦和接收聚焦的异同及连接： （1）相同：）相同：信号相位二次曲线变化延迟。 （2）不同：）不同： 发射聚焦：发射聚焦：超声空间叠加，合成超声聚焦。 接收聚焦：接收聚焦：信号电路叠加，灵敏范围聚焦。第三章第三章:医用超声探头医用超声探头4、电子聚焦的延迟量、电子聚焦的延迟量 电子聚焦的焦距长短，取决于被电子聚焦的焦距长短，取决于被激励的阵元数目、激励脉冲的延迟时激励的阵元数目、激励脉冲的延迟时间以及换能器的工作频率和间隔距离间以及换能器的工作频率和间隔距离等。通常焦距越长，被激励的阵元越等。通常焦距越长，被激励的阵元越多，延迟时间亦增加。多，延迟时间亦增加。 以右图为例来进一步分析电子聚以右图为例来进一步分析电子聚焦的工作过程。焦的工作过程。假定将要发射的一组阵元数假定将要发射的一组阵元数m=8，若从两端向中心逐步增加延迟时间，若从两端向中心逐步增加延迟时间，则合成波面呈凹形弧面（近似二次曲则合成波面呈凹形弧面（近似二次曲线凹面），这如同凹面镜一样，在焦线凹面），这如同凹面镜一样，在焦距处形成声束聚焦。距处形成声束聚焦。设设1、2、3号振元距线阵中心距离分别为号振元距线阵中心距离分别为L1、L2、L3；焦距；焦距F=35mm，相邻两振，相邻两振元的间距元的间距d=0.5mm，由图可得：，由图可得：L1=3.5d=3.50.5=1.75(mm)L2=2.5d=2.50.5=1.25(mm)L3=1.5d=1.50.5=0.75(mm)第三章第三章:医用超声探头医用超声探头则第1号振元与第2振元的声程差（第1号振元与第2号振元声线长度差）为：S1=同理可得 S2=0.01428mm S3=0.007142mm 由声程差可以算出各相差延时量0若超声波在人体组织内传播的平均速度为c=1540m/s，则可求得第1号振元与第2号振元的相差延时量1 同理：第三章第三章:医用超声探头医用超声探头 由于电子聚焦是对各振元采用延时激励，接收回波时各由于电子聚焦是对各振元采用延时激励，接收回波时各振元收到的回波本身就存在相应的相位差，在接收回路中要振元收到的回波本身就存在相应的相位差，在接收回路中要得到同相合成，必须在接收电路上采取与发射端一样的延时得到同相合成，必须在接收电路上采取与发射端一样的延时补偿。即，接收回路中各线上也要设置和发射电路一样的延补偿。即，接收回路中各线上也要设置和发射电路一样的延时量相等的延迟线。时量相等的延迟线。 发射射顺序序发射振元射振元激励脉冲延激励脉冲延迟量（量（nsns）第一次第一次发射射第第1 1号振元和第号振元和第8 8号振元号振元0 0第二次第二次发射射 2 72 71 1=13.9=13.9第三次第三次发射射 3 63 61 1+2 2=23.17=23.17第四次第四次发射射 4 54 51 1+ +2 2+ +3 3=27.81=27.81发射振元与相应的激励脉冲延迟量发射振元与相应的激励脉冲延迟量 第三章第三章:医用超声探头医用超声探头5、动态电子聚焦、动态电子聚焦 为了在整个探测深度的范围内波束都能良好的会聚，则必须使发射为了在整个探测深度的范围内波束都能良好的会聚，则必须使发射波的焦距可变，这就是所谓的动态电子聚焦。由于发射波的焦距是随发射波的焦距可变，这就是所谓的动态电子聚焦。由于发射波的焦距是随发射激励脉冲的不同延时而改变，因此，改变激励脉冲的延时，就可调节焦距，激励脉冲的不同延时而改变，因此，改变激励脉冲的延时，就可调节焦距，从而获得动态电子聚焦。从而获得动态电子聚焦。 动态电子聚焦又可分为动态电子聚焦又可分为等速动态电子聚焦等速动态电子聚焦和和全深度分段动态电子聚全深度分段动态电子聚焦。焦。 等声速电子聚焦的实现方法是：通过计算机控制，以一定的速率改等声速电子聚焦的实现方法是：通过计算机控制，以一定的速率改变发射和接收的延迟时间，使焦点随发射波和接收同步移动，使整个探测变发射和接收的延迟时间，使焦点随发射波和接收同步移动，使整个探测深度的所有位置，都有良好的横向分辨力。显然，这种聚焦方式最为理想。深度的所有位置，都有良好的横向分辨力。显然，这种聚焦方式最为理想。但由于焦点的移动速度快，延时分级细，延时精度高，故电路设计带来更但由于焦点的移动速度快，延时分级细，延时精度高，故电路设计带来更高的要求。高的要求。 全深度分段动态电子聚焦，就是将所要探测的深度划分成若干段。全深度分段动态电子聚焦，就是将所要探测的深度划分成若干段。近场（近场（N）、中场（）、中场（M）、远场）、远场1（F1）、远场）、远场2（F2）。这四个焦距拟由）。这四个焦距拟由聚焦延迟时间关系和传播媒介质中声速所确定。工作时按近场、中场、远聚焦延迟时间关系和传播媒介质中声速所确定。工作时按近场、中场、远场场1、远场、远场2等顺序发射，而将每次与发射对应的回声信号经等顺序发射，而将每次与发射对应的回声信号经A/D转换后以转换后以数据的形式送往计算机的数据存贮器，程序根据每次发射的焦距数据和相数据的形式送往计算机的数据存贮器，程序根据每次发射的焦距数据和相应段的回声数据按一定的方式处理后，便可获得一行在不同探测深度有较应段的回声数据按一定的方式处理后，便可获得一行在不同探测深度有较高分辨力的合成信息，将其读出并以亮度调制方式显示在一条扫描线上，高分辨力的合成信息，将其读出并以亮度调制方式显示在一条扫描线上，这就是全深度分段动态电子聚焦的原理。这就是全深度分段动态电子聚焦的原理。 第三章第三章:医用超声探头医用超声探头全深度分段动态电子聚焦优缺点：全深度分段动态电子聚焦优缺点：优点：分段数少（仅分四段），故延迟线分级数不多。优点：分段数少（仅分四段），故延迟线分级数不多。由于每次发射只有一个固定焦点，故延迟线的转换速度由于每次发射只有一个固定焦点，故延迟线的转换速度低，这就对元器件的要求不高，而且电路实现也较容易。低，这就对元器件的要求不高，而且电路实现也较容易。缺点：显示一行信息需经若干次不同焦点的发射与接收，缺点：显示一行信息需经若干次不同焦点的发射与接收，其成像速度显然降低，造成图像闪烁。改进的方法是，其成像速度显然降低，造成图像闪烁。改进的方法是，不用直接显示，而是通过插入数字扫描变换器以不用直接显示，而是通过插入数字扫描变换器以TV方式方式显示，即对存贮器以显示，即对存贮器以“慢入快出慢入快出”的方式写读，就能获的方式写读，就能获得分辨力高、清晰稳定的图像。得分辨力高、清晰稳定的图像。