超声医用探头

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1、医学影像设备学第七章超声成像设备医学工程教研室超声探头（ultrasonicprobe）是超声诊断仪必不可少的关键部位，它既能将电信号变换为超声信号，又能将超声信号变换为电信号，即具有超声发射和接受双重功能。第一节医用超声探头医用超声探头一、压电效应二、医用压电材料三、医用超声探头基本结构四、医用超声探头的分类一、压电效应超声探头的核心是压电晶体或复合压电材料。早期用于超声探头的换能器是具有压电效应的晶体，采用高分子聚合物压电材料作为换能器，它具有频率带宽、低阻抗、柔软易加工的特点。当前探头已开始采用陶瓷与高分子聚合物合成的复合材料。压

2、电晶体+++---自然界中存在着某些特殊晶体，当受到外力的作用产生形变时，会在晶体表面产生电荷的聚集而形成电压，这种效应叫做压电效应，这种晶体叫压电晶体。正压电效应当在压电材料两端加一压力时，则在此材料的两个电极面上将产生电荷，将机械能变成电能。这种效应称为正压电效应。+++---F+++++++---------+++++++----------+++---FF正压电效应机械能转换为电能形变产生电压形变消失则电压消失负压电效应当在压电材料两端加一交变电场时，则压电材料出现与交变电场同样频率的机械振动，将电能变为机械能。这种效应称负压电

3、效应。+++---+++++++---------+++---+++++++---------超声波发射形成将电能转换为机械能施加电压则产生形变消除外加电压则形变相应消失二、医用压电材料压电晶体（振子）是超声换能器的核心部件。压电晶体可分为天然和人造两种。石英晶体是一种天然压电料，但价格昂贵，性能指标一致性不好。目前使用压电材料基本上都是人造压电晶体。医用压电材料的分类医用压电材料压电单晶体压电多晶体复合压电材料压电高分子聚合物压电陶瓷压电陶瓷（piezoelectricceramic）③性能稳定。①声-电相互转换效率高，灵敏度较高，可

4、采用较低的激励电压②易于电路匹配。④非水溶性，耐湿防潮，机械强度大。⑤价格低廉。⑥易于加工。PZT陶瓷纯净波晶体不完整的晶格结构,多种结晶，随机排列晶粒，最大70%偶极子极化排列完美的晶格结构,晶粒一致，100%极化排列(８００倍放大)PZT陶瓷纯净波晶体(８００倍放大)不完整的晶格结构,多种结晶，随机排列晶粒，最大70%偶极子极化排列完美的晶格结构,晶粒一致，100%极化排列传统的PZT材料技术限制快速生成技术晶体难以聚集晶体形态不规则甚至缺失对压电效应的反应较差由于陶瓷材料的种种缺陷，使得只有约70%的能达到最好的极向性纯净波单晶体

5、技术表现更为优越利用高温和高压的全新工业制造方法使晶体的生产速度减慢完美的晶格结构良好的极向性比传统的PZT陶瓷效率提高85%压电材料主要物理参数①频率常数fc=fs·d压电陶瓷片的谐振频率（fs）和其厚度的乘积是一个常数，称为频率常数fc。由于每种材料制成的晶片，都有一个特定的频率常数，所以fs由d决定。即d↑→fs↓；反之，d↓→fs↑。高频晶片因此需要做的很薄，所以机械强度小，脆性大，加工过程中易碎，成本高。fs为压电陶瓷片谐振频率，d为其厚度，它们成反比关系。②发射系数和吸收系数发射系数大的材料，它的发射效率高，适用于制成发射

6、型的换能器。接收系数大的材料，它的接收效率高，适用于制成接收型的换能器。压电材料主要物理参数③介电常数ε：与平行板电容器相似，若晶体表面积为S，标准电容为C0。晶体厚度为d，则有ε=C0d/0.884S④机电耦合系数K：它表示机械能转换电能的效率。它除了与材料有关外，还与压电振子的形状和振动模式有关。⑤晶体的温度效应：当晶体本身的温度超过某一数值时，晶体内部的电偶极子可在晶体内部迁移，从而使该晶体不再具有压电效应。此温度点称为居里温度。不同晶体的居里温度不同，PZT的居里温度为328~385℃，这主要取决于制造工艺。三、医用超声探头基本

7、结构换能器其他部分电缆壳体超声探头声透镜匹配层电极压电晶体吸声材料外壳同轴电缆至超声接收装置声透镜匹配层电极压电晶体吸声材料外壳同轴电缆至超声接收装置为凸透镜或凹透镜，其作用是将换能器发出的波束聚焦，以提高超声诊断仪的分辨力。人体皮肤和压电材料的声特性阻抗差异较大，为解决他们之间的声学匹配，在晶片前方需加一层或多层匹配层。根据探头的种类和用途制成圆片或长条形图片。其谐振频率由其厚度决定，厚度越小谐振频率越高。产生正压电效应和负压电效应。制成吸声块，作用是将向后辐射的声能几乎全部吸收掉，以消除后向干扰。它同时也是晶体振动的阻尼装置，以缩短

8、振动周期。超声的振动周期由晶体和阻尼材料决定，它影像成像的轴向分辨力。支撑，屏蔽，密封和保护换能器。联结换能器和主机。超声波的发射与接收发射：将电脉冲（电能）转换成机械振动（声能）（逆压电效应）接收：将机械