7-8课时换能器

nullnull医 用 超 声 诊 断 仪超声成像的换能器技术 第三章null医 用 超 声 诊 断 仪重点介绍超声换能器常用的压电陶瓷材料及压电振子的一些参数。通过本章学习要了解超声换能器的结构、特点、作用原理及探头的分类和常用的维护方法 授课目的：学习重点：（1）压电材料的特性及等效电路工作原理（2）换能器的重要结构和性能。null医 用 超 声 诊 断 仪超声成像首先是要产生超声波信号和接收超声波信号，完成这个任务的器件就是超声换能器，常称为超声探头（简称探头）。一、换能器的功能null医 用 超 声 诊 断 仪将高频电能转换成机械振荡的超声波声能，形成超声场向人体被测部位定向辐射，同时又将被测部位产生的各种反射和散射回波声能转变成可检测的电能信号。诊断超声换能器既是超声诊断仪器的电/声转换的超声波发射传感器件，是声/电转换的超声波接收传感器件null医用超声诊断仪成像的重要部件医 用 超 声 诊 断 仪双向功能发射超声波接收超声波声、电可逆变换器件是null医 用 超 声 诊 断 仪 二、压电效应 水晶（α-石英）是一种有名的压电晶体 1880 年法国物理学家居里兄弟将砝码分别放在石英等晶体上，用静电计测量这些晶体表面，发现晶体表面电荷与所加砝码的重量成正比。居里兄弟进行试验又证明存在逆压电效应。 有一类十分有趣的晶体对它挤压拉伸产生不同的电荷被称为压电效应null医 用 超 声 诊 断 仪正压电效应某晶体沿着一定方向上使其形变时，晶体两个受力面引起内部产生极化现象，其表面形成电荷的规律。null医 用 超 声 诊 断 仪形成电荷的规律是什么呢？当压电晶体受到外力而发生形变时，在它的某些表面上出现与外力成线性比例的电荷积累，这个现象称为正压电效应。如果晶体所受压力为高频振动波（如超声回波能量）信号，则晶体将产生高频电流信号（图像电信号）。这说明医用超声诊断仪接收载有人体内组织信息的反射回波时，超声换能器是正压电效应工作原理产生的声/电换能信号。null医 用 超 声 诊 断 仪晶体产生几何应变形的振荡晶体改变施加电压极性方向晶体机械应变方向亦随之改变在一定条件下形变与电场成比例，这种因电场作用而引起的形变效应，称为逆压电效应逆压电效应 null医 用 超 声 诊 断 仪超声诊断仪发射超声波时超声换能器产生逆压效应工作原理的电/声换能信号压电效应表明了晶体的力学性质和电学的耦合。超声诊断换能器在发射超声波时是逆压电效应。接收超声回波时产生正压电效应。若在晶体表面沿电轴方向施加高频波电压（如超声发射激励脉冲）时，晶体将按高频波电压产生形变波动（超声波） null医 用 超 声 诊 断 仪 三、压电振子的等效电路来自于晶体的压电效应原理。压电体是发射和接收超声波的理想材料发射探头交变电讯号作用于压电体，因逆压电效应而发生形变，在适当频率下机电耦合谐振而发射超声波接收探头超声波作用于压电体时，由于波动机械力作用，会因正压电效应而在压电体效应表面产生电信号输出null医 用 超 声 诊 断 仪压电振子指被覆有激励电极的压电体，它是构成各种超声探头中的换能器的基本单元一个换能器中可以有一个压电振子，也可以有多个，每一个压电振子都是一个可逆的机电换能系统。晶体和陶瓷片因切割方位和几何尺寸的不同，产生机械振动的固有频率也不同,当外加的交变电压的频率与固有频率一致时，产生的机械振动最强;当外加的机械力的频率与固有频率一致时，所产生的电荷也最多。在超声波诊断仪中激励脉冲的频率必须与探头的固有频率相同。null医 用 超 声 诊 断 仪 压电振子的的等效电路 两个系统组成的机电耦合系统压电振子被覆激励电极的压电体可逆的机电换能系统正压效应和逆压效应电路机械以压电振子的等效电路来分析处理力、声、电综合系统变为简单化，所以压电振子的的等效电路是设计制造超声换能器的主要方法。null医 用 超 声 诊 断 仪(C) 压电振子等效电路（A）压电振子示意图（B）压电振子电路符号 F1、F2——为两个力学端得作用力I—电学端作用的电流C0——振子两级间的静电容R0——介质损耗电阻R1——动态寄生电阻C1——动态寄生电容L1——动态寄生电阻感null医 用 超 声 诊 断 仪等效电路看出动态支路L1、C1、R1组成的串联振荡电路 静态支路C0、R0 与动态支路L1、C1、R1组成的并联振荡电路null医 用 超 声 诊 断 仪压电振子是一个弹性体，有其固有谐振频率当外作用力频率﹦压电振子固有频率时，产生机械谐振，因正压电效应而产生最大电信号（若施加作用力为超声波振动频率，即获得了超声波信号）施加电场的频率﹦压电振子固有频率，由于逆压电效应则应发生机械谐振，谐振时振幅最大，弹性能量也最大，压电振子产生最大形变振动压电振子又是一个压电体null医 用 超 声 诊 断 仪四、超声诊断换能器结构与主要特性 医用超声诊断仪换能器的压电振子目前多采用压电陶瓷材料电/声转换效率高易于电路匹配材料性能稳定耐潮防湿的非水溶性产品易加工制作具有null医 用 超 声 诊 断 仪五、 医用超声诊断换能器基本结构换能器基本结构一般分三类基本单元换能器基本多元换能器基本聚焦换能器null医 用 超 声 诊 断 仪单元压电换能器 接收人体的超声回波 主体部为功能部分发射超声波作用于人体外壳就是换能器与超声仪器主机连接部分 医用B型的换能器为收发合一，发射超声能量在 接收时应具有高灵敏度和高分辨率。以下null医 用 超 声 诊 断 仪多元超声诊断换能器 由n个小振子（以下称阵元）排列成一种阵列按照设计的程序分别将小振子在不同空间方位上被激励完成超声波束延时聚焦发射和接收扫描以阵列空间排列及声束产生方式线列阵相控阵方阵探头null医 用 超 声 诊 断 仪聚焦超声诊断换能器因声束随距离而扩散，大尺寸的振子使图像精度降低，不利于超声检测聚焦超声换能器回波强度增强，提高探测灵敏度和分辨力在一定深度范围内使超声束汇聚收敛而聚焦超声能量集中穿透力增强聚焦声学聚焦电子聚焦null医 用 超 声 诊 断 仪声学聚焦凹面振子：压电振子制成均匀的凹面形状 null医 用 超 声 诊 断 仪电子聚焦超声换能器 电子聚焦超声换能器是对线阵、相控阵、凸阵等探头中各振元提供按二次曲线规律延时的激励，使声场区合成波阵面呈二次曲线凹面，从而实现波束聚焦 null医 用 超 声 诊 断 仪波束窄医用超声换能器在是超声波诊断仪器的重要器件要求声脉冲持续时间短灵敏度高对被测目标的声特性探测深度声波传播速度分辨率应用环境使用范围不仅设计、制造要重视，在使用和维护中也不可忽视null进入医 用 超 声 诊 断 仪二 医用超声换能器的主要特性 换能器处于工作负载下的阻抗特性压电振子工作时的下面一个端面与被测人体组织介质接触，产生测试阻抗 换能器是收发共用 发射超声波从媒质声阻抗Zc被测媒质负载声阻抗ZL超声波很难射入到人体组织中 Zc＞ZL界面呈现低阻抗面null医 用 超 声 诊 断 仪在接收时超声回波是从被测人体组织界面反射到换能器端面因ZL＜Zc这时界面形成高阻抗面超声回波也很难从人体组织进入换能器端面，超声回波不能通过压电振子转换为电信号采用在振子声阻抗人体负载阻抗间加入保护层实现阻抗匹配构成了换能器的重要组成阻抗匹配null医 用 超 声 诊 断 仪换能器的频率特性　换能器频率特性指的辐射频率特性和阻抗频率特性 它与换能器许多参数相关压电振子等效电路即阻抗Z是随频率而作非线性的变化。施加不同频率的电压回路电流将随着频率的变化表明压电振子阻抗Z的变化null换能器的使用特性（1）探头的工作频率换能器与仪器联接后，实际辐射超声波的频率 实际探头的标称频率，指换能器的机械谐振频率医用超声换能器收发兼用工作频率≠换能器的fs(恒压源工作频率医 用 超 声 诊 断 仪null（2）灵敏度超声诊断仪在最大探测深度上，可发现最小病灶的能力与探头中换能器的换能特性、辐射效率等声学特性有关换能特性好辐射效率高灵敏度就高取决压电材料压电性能:压电材料的机械品质因素压电振子的辐射面积:面积越大灵敏度越高医 用 超 声 诊 断 仪null（3）探测分辨力仪器分辨力的高低主要换能器特性影响辐射特性好指向性好声束能量集中医 用 超 声 诊 断 仪null超声诊断换能器的分类 种类繁多，分类方法很多 医 用 超 声 诊 断 仪null超声诊断换能器的维护 1、电气安全 接通电源才带电，超声探头与人体接触部分具有良好的介电绝缘性能 出现磨损、剥离脱落和外壳裂纹、破碎以及电缆断线、护套破损裸露等现象，应停止使用，维修后方可应用。医 用 超 声 诊 断 仪null2、超声换能器消毒灭菌 超声换能器消毒灭菌是根据不同用途采用不同的方法，对于普通用的探头只要用纱布擦净，若对肝炎病人作了检查后，应专门消毒灭菌，防止感染。对穿刺探头、手术探头必须严格管理消毒，常用液体浸泡法和气体熏蒸消毒法。医 用 超 声 诊 断 仪null作业1、医用B超换能器的主要功能：2、医用B超换能器（发射/接收超声波）的主要工作原理：医用B超换能器3、绘出压电振子的等效电路，描述压电振子等效电路中串联谐振电路和并联谐振电路的电路组成：4、医用B超换能器为何要进行阻抗匹配？5、医用B超的灵敏度意义：医 用 超 声 诊 断 仪