第三章醫(yī)用超聲換能器

1、第三章 醫(yī)用超聲換能器 3.1壓電效應(yīng)與壓電材料特性 3.1.1壓電效應(yīng) 1.正壓電效應(yīng) 在機(jī)械力的作用下產(chǎn)生電場，將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿男?yīng)叫正壓電效應(yīng)。 超聲接收換能器采用了正壓電效應(yīng)。 2.逆壓電效應(yīng) 由于電場作用，使材料內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的效應(yīng)叫逆壓電效應(yīng)。 超聲波發(fā)射換能器采用了逆壓電效應(yīng)。 3.1.2壓電材料 不同方向上所表現(xiàn)的壓電效應(yīng)，強(qiáng)弱和性質(zhì)不同，這種特性是由壓電材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的各向異性所決定的。 分類： 1.壓電單晶體（石英）：x,y軸為壓電軸，z為光學(xué)軸，x軸 又分別有三個(gè)極化軸x * 按X切割法得到的石英晶體片在兩面外加交變電場時(shí)，晶體片產(chǎn)生厚度的壓縮及伸張，

2、即晶體片產(chǎn)生厚度振動(dòng)。石英的固有振動(dòng)頻率與其厚度有關(guān)，晶體片越薄，固有振動(dòng)頻率越高。 特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：性能穩(wěn)定。缺點(diǎn)：需使用幾千伏以上的高電壓；要求加工精密度高； 機(jī)電耦合系數(shù)（靈敏度）低。 2.壓電陶瓷 人工制成的壓電多晶體材料。 * 電疇：自發(fā)極化方向相互趨于一致的的區(qū)域。通常人工燒結(jié)出來的陶瓷是多疇的，材料內(nèi)不出現(xiàn)宏觀電極化，無壓電性能。 * 極化處理：用大于陶瓷的矯頑電場Ec的直流電場進(jìn)行一定時(shí)間的極化處理，使電疇轉(zhuǎn)向，由多疇變成單疇晶體。極化處理后，陶瓷保留一定的總體剩余極化強(qiáng)度，從而 使陶瓷體具有壓電性能。在外加交變電場作用時(shí)，其極化量便跟隨外加電場的極性周期性的變化，在宏觀上形成了電

3、致伸縮的現(xiàn)象。 鈦酸鋇是最先制造出來的人造陶瓷材料。 PZT鋯鈦酸鉛是使用最廣泛的壓電陶瓷。 優(yōu)點(diǎn)：可以制成任意形狀，制作工藝簡單，能在所需要的方向進(jìn)行極化處理。 3.壓電高分子聚合材料 聚偏氟乙烯（PVF2或PVDF），分子式為（CH2-CF2)n 在垂直于高分子薄膜上加交變電場，就會(huì)引起薄膜做厚度伸縮振動(dòng)。 特點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)簡單，體軟量輕、成本低、適用于大量生產(chǎn)；力學(xué)性能較好，可制成幾微米厚大面積的壓電薄膜;具有較好的抗輻射性;材料彈性剛度小，機(jī)械損耗小，Qm低，適用于寬帶換能器;PVDF壓電薄膜的彈性剛度常數(shù)和 值低，壓電電壓系數(shù)g 高，是一種良好的接收型壓電振子材料； PVDF材料的聲阻抗

4、接近人體組織，容易獲得良好匹配；PVDF薄膜不受潮濕和灰塵的影響，在室溫條件下性能穩(wěn)定。 4. 1-3復(fù)合材料 PZT細(xì)棒以一定分布方式排成陣列，在其間澆灌環(huán)氧樹脂，其壓電相是一維連通的，聚合物相是三維連通的。 1-3復(fù)合壓電材料的性能主要取決于： (1) PZT柱的寬度與高度之比； (2) PZT相的體積百分比； (3) 壓電陶瓷材料的性能； (4) 非壓電相（聚合體）材料的性能。 特點(diǎn)： 1) 較低的聲阻抗，與人體和水具有更好的匹配特性；2) 較高的機(jī)電耦合系數(shù)，具有較好的聲電能量轉(zhuǎn)換效率；3) 較好的聲學(xué)隔離特性，減少了橫向耦合，對(duì)于多陣元應(yīng) 用具有優(yōu)勢；4) 更靈活的使用特性，可按需要

5、制作成曲線形狀的換能器。 3.1.3 壓電方程 壓電材料既是彈性體，又是介電體，因而既具有力學(xué)量，又具有電學(xué)量。 T/S c 稱為彈性模量，D/E= 稱為介電常數(shù)。 壓電的力學(xué)量（T或S）和電學(xué)量（E或D）之間存在著比例關(guān)系。當(dāng)同時(shí)存在T、S、E、D四種物理量時(shí)，選用不同參數(shù)作變量，可得出四組矩陣形式的壓電方程。 3.1.4 壓電體參數(shù) 1、機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm Q 決定換能器通頻帶。Q越大，通頻帶越窄。 Q 與機(jī)械損耗成反比。Q越大，機(jī)械損耗越小，能量衰減越慢。 諧振時(shí)壓電體貯存的機(jī)械能 壓電體諧振時(shí)每周期損耗的機(jī)械能 2、機(jī)電耦合系數(shù)k k是表示壓電體中機(jī)械能和電能之間相互轉(zhuǎn)化的程度。 k無量

6、綱，最大值為1，當(dāng)=0時(shí)，無壓電效應(yīng)。 在一個(gè)有E、D、T和S的壓電體線性系統(tǒng)中，單位體積所具有的能量E 由彈性能E、壓電能E及介電能E三部分組成。即： 3、壓電系數(shù) 壓電體把機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，或把電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的轉(zhuǎn)換系數(shù)。 1) 發(fā)射系數(shù) (1)壓電應(yīng)變系數(shù)d: 應(yīng)力恒定時(shí)，單位電場強(qiáng)度變化所引起的應(yīng)變變化； 電場恒定時(shí)，單位應(yīng)力變化所引起的電位移變化。 d大時(shí)宜于制造發(fā)射型換能器。 (2)壓電應(yīng)力系數(shù)e： 應(yīng)變恒定時(shí)，單位電場所引起的應(yīng)力變化； 電場恒定時(shí)，單位應(yīng)變所引起的電位移變化。 e越大，越能用較低的電壓產(chǎn)生較大的聲壓。 2) 接收系數(shù) (1)壓電電壓系數(shù)g: 電位移恒定時(shí)，單位應(yīng)

7、力變化引起的場強(qiáng)變化； 應(yīng)力恒定時(shí)，單位電位移變化所引起的應(yīng)變變化。 g越大，在同樣的聲壓條件下可產(chǎn)生較大的電場強(qiáng)度。 (2)壓電勁度系數(shù)h: 電位移恒定時(shí)，單位應(yīng)變引起的電場強(qiáng)度變化; 應(yīng)變恒定時(shí)，單位電位移引起的應(yīng)力變化. 小結(jié)： * d和e表示逆壓電性能，關(guān)系到換能器的發(fā)射性能，所以稱為發(fā)射系數(shù)。 * g和h表示正壓電性能，涉及到換能器的接收性能，所以稱為接收系數(shù)。 4. 頻率常數(shù)N 頻率常數(shù)是確定壓電體幾何尺寸的一個(gè)重要參數(shù)。它只與材料性質(zhì)有關(guān)，與幾何尺寸無關(guān)。 對(duì)于厚度振動(dòng)模式 5、居里點(diǎn) 居里點(diǎn)是表征壓電體可承受的溫度極限值，當(dāng)超過此溫度時(shí)，電疇結(jié)構(gòu)解體，介電、彈性及熱學(xué)等性質(zhì)均出

8、現(xiàn)反?，F(xiàn)象，壓電性能消失。 壓電體材料的上居里點(diǎn)（高溫臨界點(diǎn)）和下居里點(diǎn)（低溫臨界點(diǎn)）相差越大越好，即工作溫度區(qū)域?qū)挕?壓電體的壓電性能及熱膨脹性能是各向異性的，不能承受突然的溫度變化。 3.2 壓電振子 壓電體在極化面覆蓋上激勵(lì)電極后，即成為壓電振子。 3.2.1壓電振子的振動(dòng)模式 長度振動(dòng)（橫向） 伸縮振動(dòng) 厚度振動(dòng)（縱向） 徑向振動(dòng) 振動(dòng)模式 厚度切變 切變振動(dòng) 面切變 厚度彎曲（縱向） 彎曲振動(dòng) 長度彎曲（縱向） 能陷振動(dòng) 醫(yī)學(xué)超聲工程中，多采用伸縮振動(dòng)模式，其中又以厚度伸縮振動(dòng)模式為主。 1、厚度伸縮振動(dòng)： 極化方向與電場方向平行時(shí),產(chǎn)生伸縮振動(dòng)。 沿厚度方向極化，沿厚度方向施加交變

9、電場，振動(dòng)方 向和超聲波的傳播方向均與電極面垂直。 諧振頻率與厚度的關(guān)系為: 2. 長度伸縮振動(dòng) 壓電振子的極化方向與厚度方向平行，電極面與厚度方向垂直。 薄長片振子的長度伸縮振動(dòng)模式的諧振頻率fr與長度 l 之間的關(guān)系為： 3. 徑向伸縮振動(dòng) 沿圓片徑向作伸縮振動(dòng)，在振動(dòng)的厚度方向極化，外 加電場和極化方向平行，振動(dòng)方向與半徑方向平行，與厚 度方向垂直。圓片徑向振動(dòng)的振子諧振頻率與振子直徑 （或半徑）成反比。即： 4. 厚度切變振動(dòng) 振子的極化方向與激勵(lì)電場方向相垂直，而電極面與 極化方向平行，在交變電場作用下，振子產(chǎn)生沿厚度方向傳播的切變振動(dòng)。 5. 能陷振動(dòng) 能陷振子的電極面積遠(yuǎn)小于壓電

10、體本身面積。電極體固有頻率小于壓電固有頻率。 彈性波能在電極區(qū)域自由傳播，且隨位置向邊緣靠近，彈性波幅度呈指數(shù)或其它函數(shù)而衰減。 分析壓電振子特性的方法主要有兩種 力電類比等效電路法：將機(jī)械振動(dòng)變成等效交變 電路形式，求解壓電（電學(xué)力學(xué)）轉(zhuǎn)換過程的特性參數(shù)。 波動(dòng)傳輸法：將壓電振子各部分作為分布參數(shù)，求解滿足波動(dòng)方程及耦合條件的邊值問題，常采用有限元等計(jì)算方法，理論上比較嚴(yán)謹(jǐn)而復(fù)雜。 3.2.2 壓電振子的等效電路 C 是壓電振子兩極間的電容，又稱靜電容。 Cm相當(dāng)于晶片的機(jī)械柔韌性，稱為力順，又稱為動(dòng)態(tài)電容。 Lm是描述振動(dòng)系統(tǒng)慣性的量，稱為力質(zhì)量，又稱為動(dòng)態(tài)電感。 R 是輻射電阻，又稱為動(dòng)

11、態(tài)電阻，R=R+R 。 Rm反映振動(dòng)系統(tǒng)摩擦阻尼，稱為力阻，描述機(jī)械損耗。 RL描述振動(dòng)系統(tǒng)輻射阻尼的力阻，在真空中等于零。 3.2.3 壓電振子的諧振特性 f ：最小阻抗頻率，亦稱最大傳輸頻率或最大導(dǎo)納頻率。 fn：最大阻抗頻率，亦稱最小傳輸頻率和最小導(dǎo)納頻率。 f ：壓電振子諧振頻率，在f附近。 f ：壓電振子反諧振頻率，在f附近。 *串聯(lián)諧振頻率 *并聯(lián)諧振頻率 隨著頻率的增加，相應(yīng)的特征頻率為f 、f 、f 、 當(dāng)輻射電阻或動(dòng)態(tài)電阻RT=0時(shí) 醫(yī)學(xué)超聲領(lǐng)域多采用厚度伸縮振動(dòng)模式，其反諧振頻率為: 接收換能器的最佳工作頻率應(yīng)當(dāng)工作在反諧振頻率。 有效機(jī)電耦合系數(shù)可表示為: 發(fā)射換能器的最

12、佳工作頻率應(yīng)當(dāng)是串聯(lián)諧振頻率，即 3.3 醫(yī)用超聲換能器種類、結(jié)構(gòu)、與特性 3.3.1 醫(yī)用超聲換能器分類 3.3.2 醫(yī)用超聲換能器的結(jié)構(gòu) 1. 基本單元換能器 單振元超聲換能器內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)壓電振子產(chǎn)生壓電效應(yīng)的元件 主體 吸收塊吸收背向輻射的聲能，稱為背材 保護(hù)層減輕振子磨損、進(jìn)行阻抗匹配，稱為面材 外殼為換能器的結(jié)構(gòu)件 殼體 接插機(jī)構(gòu)經(jīng)接插機(jī)構(gòu)與儀器連接 電纜線超聲電信號(hào)的載體 2 多陣元換能器 包括：線陣、相控陣、凸陣、方陣 3. 機(jī)械掃描換能器 4. 聲學(xué)聚焦換能器（聲速與透鏡形狀的關(guān)系） 5. 超聲多普勒換能器 脈沖多普勒換能器基本結(jié)構(gòu)和單陣元換能器結(jié)構(gòu)相同，發(fā)射、接收共用一個(gè)壓電

13、振子。 在和B型超聲成像復(fù)合而成的超聲系統(tǒng)中，對(duì)于機(jī)械 掃描方式，可附加一探頭作多普勒換能器，也可直接用掃 描成像換能器作為多普勒探頭。 電子掃描成像系統(tǒng)中，同樣，既可附加多普勒換能 器，也可選定多陣元中的某一條掃描聲束，從中提取多普勒血流信號(hào)。 連續(xù)波多普勒超聲換能器的特點(diǎn)在于用兩個(gè)晶片分別作為發(fā)射和接收換能器。 1) 分隔式：采用一個(gè)壓電晶體片，一面是共同接地端，與人體相接觸，另一面只將電極鍍層從中間分開形成發(fā)和收相絕緣的兩個(gè)半片。 2) 分離式 ：結(jié)構(gòu)上把同一晶片切開，形成同面積的收發(fā)兩個(gè)部分，而且兩部分之間加隔電隔聲材料。 3) 重疊式由兩個(gè)晶片重疊構(gòu)成，兩晶片間用同頻率的晶片或厚度適

14、宜的環(huán)氧樹脂隔離。 3.3.3 醫(yī)用超聲換能器的特性 1. 頻率特性 1) 工作頻率與頻率調(diào)配 對(duì)于發(fā)射換能器，應(yīng)使附加電感L 與換能器本身的靜態(tài)工作 電容C調(diào)諧于換能器串聯(lián)諧振頻率f 。 對(duì)于接收換能器，應(yīng)使L 與C調(diào)諧于換能器并聯(lián)諧振頻率f 。 2) 頻帶寬度 * PZT超聲換能器本身帶寬受到限制。 從提高分辨能力方面來看，電路的激勵(lì)源的脈沖寬度要盡量窄；系統(tǒng)帶寬越寬越好。 從提高信噪比方面來看，帶寬越窄越好。 一般取發(fā)射接收系統(tǒng)帶寬等于換能器帶寬。 2. 阻抗匹配 1) 電阻抗匹配 換能器等效阻抗等于發(fā)射源內(nèi)阻時(shí)，輸出功率最大。 2) 聲阻抗匹配 3.吸收特性 換能器的壓電振子被電脈沖激

15、震后，其兩端面產(chǎn)生震蕩，并分別向前、后傳播。 1） 后向波被反射后亦向前傳播，可能出現(xiàn)多次反射；2） 聲震動(dòng)衰減比電脈沖慢，使輻射的超聲波脈沖持續(xù)時(shí)間大于電脈沖的寬度，因而使距離分辨力變壞，盲區(qū)增長。因此，在壓電振子背部加吸收塊。要求衰減系數(shù)高，聲阻抗與壓電振子接近。常用環(huán)氧樹脂家鎢粉制成。 4. 靈敏度 靈敏度是指在某一具體條件下，能探測出目標(biāo)大小的能力。輻射效率高，接收靈敏度高的換能器（或有效機(jī)電耦合系數(shù)ke大），探測靈敏度就大。 5. 輻射特性 換能器的輻射特性主要描述輻射聲場在空間的分布狀態(tài)。 它主要影響橫向分辨率，探測靈敏度隨空間位置的分布等參數(shù)。 3.4 醫(yī)用超聲換能器的聲場特性

16、超聲輻射場是指超聲能量分布的空間，即超聲換能器所發(fā)射的超聲波到達(dá)的區(qū)域。 各種換能器輻射的超聲場取決于換能器本身的特性、尺寸、形狀等。 3.4.1 單陣元換能器的超聲場 任何形狀和大小的換能器，其有效的振源表面均可看成許多小面積的聲源，每個(gè)小面積的聲源都可看作一個(gè)簡單的換能器，它們以合適的方式，應(yīng)用惠更斯原理來輻射或接收超聲能量。 1、平面圓形換能器的超聲場 1)聲源軸線上的聲壓分布 點(diǎn)聲源在m處產(chǎn)生的聲壓 對(duì)整個(gè)圓面積分，求得軸線上的任一點(diǎn)m的聲壓為： （1）在Z，簡化為 Z 常被作為近場向遠(yuǎn)場過渡的起始點(diǎn)，擴(kuò)散角為 聲束指向性 （1）指向性函數(shù)D：在換能器遠(yuǎn)場中任一方向上的聲壓幅值 p 與最大值方向上的聲壓幅值p 比。 對(duì)于圓片換能器 J 為第一類第一階貝塞爾函數(shù) （2）波瓣圖 角度為 時(shí)，主瓣波束聲壓降到零，稱為方向銳度角。 波束寬度：主波束最大響應(yīng)與其兩邊比最大響應(yīng)低某一分貝數(shù)的兩點(diǎn)間的開角。常指低3分貝的開角，亦即半功率點(diǎn)之間的開角，用-3dB表示。 2) 聲束指向性 （2）波瓣圖 2. 振幅漸變式圓片換能器超聲場 盲區(qū)的產(chǎn)生：圓片振源在近場內(nèi)的軸線上或橫截面上出現(xiàn)若干聲壓的