醫(yī)用超聲探頭的研究進展

安玉林，周錫明，沙憲政

1.解放軍四零一醫(yī)院 醫(yī)學工程室， 山東 青島，266071；2.岳陽市一人民醫(yī)院 設(shè)備科， 湖南 岳陽，414000；3.中國醫(yī)科大學 生物醫(yī)學工程系， 遼寧 沈陽，110001

醫(yī)用超聲探頭的研究進展

安玉林1，周錫明2，沙憲政3

1.解放軍四零一醫(yī)院 醫(yī)學工程室， 山東 青島，266071；2.岳陽市一人民醫(yī)院 設(shè)備科， 湖南 岳陽，414000；3.中國醫(yī)科大學 生物醫(yī)學工程系， 遼寧 沈陽，110001

本文闡述了醫(yī)用超聲探頭在超聲診斷設(shè)備發(fā)展中的重要地位，介紹了醫(yī)用超聲探頭的應(yīng)用現(xiàn)狀，同時從材料工藝、結(jié)構(gòu)技術(shù)以及應(yīng)用等方面分析了醫(yī)用超聲探頭的發(fā)展現(xiàn)狀和前景。

醫(yī)學超聲設(shè)備；醫(yī)用超聲探頭；超聲換能器

0 前言

隨著科技的進步，醫(yī)用超聲診斷設(shè)備不斷地朝著寬頻帶化、數(shù)字化、多功能化、多維化、信息化發(fā)展。如今的超聲診斷領(lǐng)域出現(xiàn)了多種新的技術(shù)，如超聲內(nèi)窺鏡、超聲CT、多維超聲、血管內(nèi)超聲等。超聲診斷技術(shù)在現(xiàn)代化醫(yī)院內(nèi)具有重要地位，其中醫(yī)學超聲成像技術(shù)、X-CT、MRI及ECT是4大醫(yī)學影像技術(shù)[1]。

超聲探頭在各類超聲診斷設(shè)備中占有重要的位置，常被稱為超聲診斷儀的“眼睛”，它既能將高頻電能轉(zhuǎn)換為超聲機械能向外輻射，也可以接收超聲波并將聲能轉(zhuǎn)換為電能，即具有發(fā)射和接收超聲波雙重功能，其性能和品質(zhì)直接影響整個系統(tǒng)的性能。本文主要論述醫(yī)用超聲探頭的應(yīng)用現(xiàn)狀，同時從材料工藝、結(jié)構(gòu)技術(shù)以及應(yīng)用等方面分析醫(yī)用超聲探頭的發(fā)展現(xiàn)狀和前景。

1 醫(yī)用超聲探頭的應(yīng)用現(xiàn)狀

超聲診斷是一種無損傷、實時性好、無電離輻射、使用方便、成本低、適用范圍廣的影像診斷方法，已廣泛應(yīng)用于婦產(chǎn)科、心血管內(nèi)科、普腹外科、泌尿外科、骨關(guān)節(jié)科、五官科、胸外科、腫瘤科等臨床領(lǐng)域。

醫(yī)用超聲探頭作為醫(yī)學超聲成像系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的聲學部件，具有聲學特性和使用特性兩大特性。聲學特性是指探頭中換能器的阻抗特性、頻率特性、換能特性、暫態(tài)特性、輻射特性和吸收特性等；使用特性主要包括工作頻率、頻帶寬度、靈敏度、分辨率等。

醫(yī)用超聲探頭介于醫(yī)學超聲系統(tǒng)與患者之間，是超聲系統(tǒng)中技術(shù)高度集中的核心關(guān)鍵部件，其主要特性與換能器技術(shù)有很大關(guān)聯(lián)。換能器的研究與開發(fā)是超聲技術(shù)研究領(lǐng)域的重點。目前超聲成像設(shè)備上用的最多的換能器是一維相控陣換能器，此類換能器已廣泛應(yīng)用于心血管、子宮附件、乳腺、肝膽脾胰腎、甲狀腺、眼等部位的超聲診斷中。針對不同的器官及部位，一維相控陣換能器的形狀、大小、制作工藝、晶片數(shù)和頻率也不相同。超聲診斷的換能器多為一維線陣和一維凸線陣，其中凸線陣換能器具有多段電子聚焦和視野寬闊等技術(shù)優(yōu)點，在腹部、腔內(nèi)等部位的檢查中應(yīng)用普遍。

目前一維或二維相控陣換能器常采用相控陣實現(xiàn)順序變角度掃描，其帶寬足以覆蓋回波帶來的二次諧波，不但能增強分辨率，提高穿透能力，而且可有效地克服肋骨和心臟內(nèi)膜帶來的假象，精確地顯示血液和組織的切界面，極大地豐富了醫(yī)學診斷信息。為避開肋骨的影響，可采用心臟超聲診斷的另一種形式，即經(jīng)食道進行心臟超聲成像或者經(jīng)外周血管進行心臟超聲成像。此類換能器主要包括相控陣和機械式兩種：相控陣換能器有利于分辨血流、血栓、軟斑塊等不同組織，機械旋轉(zhuǎn)換能器頻率高、分辨率大。有些超聲診斷系統(tǒng)中，兩種換能器可聯(lián)合使用，如Volcano公司的S5血管內(nèi)超聲波系統(tǒng)。

微型超聲換能器與內(nèi)窺鏡技術(shù)結(jié)合可用于消化道疾病的診斷，也可用于外周血管、冠狀動脈疾病的診斷。二維相控陣換能器結(jié)合單晶材料技術(shù)能更清晰地顯示三維解剖結(jié)構(gòu)，可用于婦產(chǎn)科及心臟等部位的檢查。眼科成像常采用單陣元換能器，也可采用壓電單晶材料制作的高頻換能器。

隨著超聲醫(yī)學工程技術(shù)的進步，超聲探頭已由原來體外用的扇形、凸形、線形發(fā)展到目前的腔內(nèi)探頭、管內(nèi)探頭，甚至是直徑為幾毫米的微型導管探頭。通過內(nèi)窺鏡活檢通道可將超聲探頭置于內(nèi)窺鏡頂端，通過導管經(jīng)外周血管直接導入管腔，從而介入到腔內(nèi)、血管內(nèi)甚至心臟冠狀動脈內(nèi)進行診斷和相應(yīng)的輔助治療。

2 醫(yī)用超聲探頭的關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展

目前，醫(yī)用超聲探頭種類繁多，其性能也不盡相同，但其基本結(jié)構(gòu)是類似的，主要由插頭、壓電振子、聲透鏡、匹配層、吸聲塊、支撐架、聲頭外殼和電纜線構(gòu)成。其中由壓電振子、匹配層、聲透鏡和吸聲塊組成的醫(yī)學超聲換能器是醫(yī)療超聲系統(tǒng)中技術(shù)集中的核心關(guān)鍵部件，其研制理論及技術(shù)涉及到物理學、分子學、電子技術(shù)、材料技術(shù)等多個領(lǐng)域。

2.1 材料技術(shù)

壓電振子是探頭中最重要的部件，是一個可逆的機電換能系統(tǒng)。壓電陶瓷是目前應(yīng)用最廣泛的壓電材料[2]，因具有轉(zhuǎn)換效率快、與電路匹配高、機械強度好、成型簡單、制造工藝成熟和成本低等優(yōu)勢而得到廣泛應(yīng)用。但由于壓電陶瓷材料存在壓電性受溫度和時間影響、抗拉強度低、具有較高的聲阻抗（20～30 MRayls）、不易與人體組織和水的聲阻抗（1.5 MRayls）匹配等缺陷，因此可配備匹配層來解決聲阻抗不匹配的問題。鋯鈦酸鉛（PZT）壓電陶瓷是由鐵電相材料和反鐵電相材料構(gòu)成的固溶體，制備成型簡單，原材料價格低廉且易獲得，并可方便地制成各種復雜的形狀，是目前國內(nèi)外生產(chǎn)廠商制備壓電超聲換能器的一種重要的壓電功能材料。

20世紀90年代，壓電單晶換能器的研究取得突破性進展，其中具有代表性的是弛豫型鐵電壓電單晶[3]。2004年，Philips公司將壓電單晶（PMN-PT）應(yīng)用到X7-2二維相控陣換能器上，利用了單晶體材料的優(yōu)勢，結(jié)構(gòu)更為緊湊，探頭體積進一步縮小，同時結(jié)合了單晶技術(shù)和xMATRIX技術(shù)，使三維解剖圖像更加清楚，圖像質(zhì)量有了突破性提高。

壓電陶瓷或單晶體的尺寸較大，制備高頻超聲換能器的加工難度大，從而限制了其在高頻超聲方面的應(yīng)用，壓電厚膜技術(shù)成為了最新的熱點。壓電厚膜具有厚度?。〝?shù)微米～數(shù)十微米）、高頻超聲換能器易于制備、聲阻抗較低、易于與人體進行阻抗匹配，組織微型化易于與驅(qū)動和控制電路集合在一起等優(yōu)點。

以偏聚氟乙烯（PVDF）為代表的壓電高分子有機聚合物材料具有柔韌性高、成本低、結(jié)構(gòu)簡單和聲阻抗低等優(yōu)點[4]。因其聲阻抗（4～5 MRayls）接近水和人體組織，所以不需要制備匹配層，適合制備寬帶接收型換能器；但是機電耦合系數(shù)低和發(fā)射常數(shù)較低，使其不適合制備發(fā)射型換能器。

20世紀70年代美國科學家開始對復合材料進行研究，復合材料是將壓電陶瓷或單晶體和其他材料按一定的比例、一定的方式和一定的空間幾何分布復合而成，具有機電耦合系數(shù)較高、聲阻抗較低、電性能優(yōu)異、溫度穩(wěn)定性好、容易制備且價格低廉等特點。在醫(yī)用超聲換能器中應(yīng)用較多的是1-3型壓電復合材料和2-2型壓電復合材料[5]，其中1-3型壓電復合材料中，1是指壓電材料縱向?qū)ǎ?是指3維方向均為絕緣物質(zhì)，陶瓷纖維有序地排列于聚合物基體中，結(jié)合了壓電材料的壓電特性和環(huán)氧樹脂的柔韌性，具有靈敏度高、聲阻抗低、容易成型等特點[6]。

由此可以看出，壓電材料未來的發(fā)展趨勢是結(jié)構(gòu)材料復合化、壓電性特異化、功能針對化、性能穩(wěn)定化和體積微型化，而目前的發(fā)展方向集中在居里點高壓電材料、亞微米級細晶粒壓電陶瓷、高頻無鉛壓電材料、多元單晶體等幾個方面[7-8]。

2.2 結(jié)構(gòu)技術(shù)

傳統(tǒng)壓電超聲換能器一般都是基于壓電振子、背襯、匹配層、電絕緣材料、導線等核心結(jié)構(gòu)，然而傳統(tǒng)的設(shè)計及工藝已經(jīng)難以滿足臨床探頭體積微型化、技術(shù)集成精密化的發(fā)展趨勢。

微機電系統(tǒng)（Micro Electro Mechanical System，MEMS）的概念始于20世紀末，其將微結(jié)構(gòu)的傳感技術(shù)、致動技術(shù)和微電子控制技術(shù)集于一體。MEMS與大規(guī)模集成電路（Integrated Circuit，IC）不斷發(fā)展，使得新型的傳聲換能器——微加工超聲換能器（Micromachined Ultrasonic Transducers，MUT）應(yīng)運而生。MUT利用微薄膜的彎曲振動發(fā)射和接收超聲波，比傳統(tǒng)換能器少了匹配層和背襯。根據(jù)驅(qū)動原理的不同，MUT可以分為兩大類：電容式cMUT（capacitive MUT）和壓電式pMUT（piezoelectric MUT）[9-10]。

cMUT由薄膜和硅基體組成，其超聲源是一層很薄的薄膜，容易實現(xiàn)與人體組織的聲阻抗匹配。cMUT具有頻帶寬度寬、靈敏度高、噪聲點低、尺寸小、技術(shù)成熟、工作溫度范圍寬及易于集成化等優(yōu)點[11]。

pMUT是微加工的多膜結(jié)構(gòu)，通過一個壓電層（常見PZT）進行驅(qū)動，利用振膜的彎曲振動發(fā)射和接收超聲波[12]，易于與傳統(tǒng)電路匹配，且寄生電容對傳感器的影響小，目前處于進一步研發(fā)狀態(tài)。

3 醫(yī)用超聲探頭的應(yīng)用發(fā)展前景

3.1 與光學集成

相對于傳統(tǒng)超聲成像技術(shù)而言，醫(yī)用超聲內(nèi)窺鏡結(jié)合了醫(yī)學超聲成像技術(shù)、內(nèi)窺鏡檢查技術(shù)、微機電技術(shù)、計算機圖像處理技術(shù)等高新技術(shù)，可更加接近目標組織，顯示組織結(jié)構(gòu)的特點，提高了檢查的準確性。

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，超聲內(nèi)窺鏡已經(jīng)從一種成像方式演變成活檢和介入治療的輔助手段，例如，超聲內(nèi)窺鏡下引導穿刺治療囊腫，超聲內(nèi)窺鏡結(jié)合多普勒成像診斷血管病變。

若想獲得更好的圖像質(zhì)量，超聲內(nèi)窺鏡的超聲探頭要有更高的工作頻率、更小的體積尺寸，更精密的制作工藝。目前臨床上應(yīng)用的主要是360°超聲內(nèi)窺鏡探頭，包括機械旋轉(zhuǎn)式單振元探頭、環(huán)形陣列探頭和超聲微探頭。

3.2 與導管介入手術(shù)集成

冠狀動脈檢查是目前心血管疾病診斷的重要部分，由于受投射角度、血管重影等因素的影響，冠狀動脈造影在冠狀動脈血管檢查中有一定的局限性和不準確性。血管內(nèi)超聲成像（Intravascular Ultrasound，IVUS）可通過心導管從血管內(nèi)部顯示管腔大小、管壁結(jié)構(gòu)以及粥樣硬化斑塊的病變程度，并可測定動脈內(nèi)狹窄程度，為冠狀動脈介入治療及療效評價提供依據(jù)。

IVUS換能器作為血管內(nèi)超聲成像技術(shù)的關(guān)鍵，其設(shè)計與制造十分重要。根據(jù)設(shè)計類型，主要分為機器旋轉(zhuǎn)型和相控陣型。機械旋轉(zhuǎn)型頻率高、對比度大[13]；相控陣型顯示層次多，易于分辨血管、血栓、斑塊等不同組織。

目前IVUS換能器的材料主要是PZT壓電陶瓷材料，隨著復合材料和cMUT技術(shù)的不斷發(fā)展，血管的圖像分辨率更高，高帶寬和高靈敏度的IVUS探頭不斷發(fā)展[14]。

IVUS換能器可為確定治療方案、評估放置支架后的效果提供直接有效的依據(jù)，已被廣泛應(yīng)用于臨床，但也存在一定的局限性。IVUS換能器與血管長軸不垂直在一定程度上影響了圖像的幾何形狀，導管的大小也限制了其在嚴重狹窄病變中的使用。IVUS換能器將向著小型化和多振元陣列化發(fā)展。

3.3 三維實時動態(tài)成像

隨著計算機技術(shù)和可視技術(shù)的發(fā)展，三維超聲成像技術(shù)跨越了3個階段：①采用傳感器測量超聲換能器的位置和角度，根據(jù)超聲換能器實時獲取的二維圖像結(jié)合傳感器對應(yīng)的位置和方向信息進行三維重建；② 在換能器內(nèi)部或者外部安裝微型馬達，進行機械掃描式三維成像；③ 在二維相控陣換能器技術(shù)的基礎(chǔ)上，實時獲取三維圖像[15]。

與傳統(tǒng)的二維超聲成像技術(shù)相比，三維超聲成像技術(shù)獲得的圖像更為直觀，可以精確地獲得容積和面積等參數(shù)，從而縮短醫(yī)師的診斷時間，并避免一些人為因素對結(jié)果的干擾。

3.4 高頻探頭的高速發(fā)展

超聲換能器的空間分辨率和工作頻率與-6 dB帶寬相關(guān)，高頻超聲成像使醫(yī)學圖像的分辨率更高。高頻探頭在皮膚科、眼科、口腔科等細微淺表組織結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的診斷中有著廣泛的應(yīng)用，超高頻超聲在眼科等領(lǐng)域也得到了很好的發(fā)展。同時，頻率越高衰減得越快、穿透力越淺，Jonathan Mamou等[16]對高頻超聲成像技術(shù)進行了展望，并利用信號編碼和匹配濾波等圖像技術(shù)提高信號的信噪比，從而來彌補超聲衰減。

4 結(jié)語

醫(yī)學超聲成像技術(shù)具有安全、有效、無創(chuàng)、成本低、便攜易用等優(yōu)勢，已在臨床診斷中得到了廣泛應(yīng)用。而作為超聲成像系統(tǒng)核心部件的換能器，也隨著材料學、計算機學、集成科技的發(fā)展而發(fā)展，已從頻帶較窄的壓電陶瓷發(fā)展到目前適合不同組織、結(jié)構(gòu)、形態(tài)的功能各異的換能器。總而言之，壓電材料技術(shù)將朝著無鉛化、高性能化、薄膜化、多元化的方向發(fā)展，超聲探頭將朝著高分辨率、實時動態(tài)化、穩(wěn)定化、微型化和環(huán)境友好化的方向發(fā)展。

[1] 彭玨,覃正笛,刁現(xiàn)芬,等．醫(yī)學超聲關(guān)鍵技術(shù)研究和進展[J]．生物醫(yī)學工程學進展,2013,34(1):21-26．

[2] 裴先茹,高海榮．壓電材料的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀[J]．安徽化工,2010,36(3):4-6．

[3] 李文龍,菅喜岐．超聲成像換能器技術(shù)的發(fā)展[J]．國際生物醫(yī)學工程雜志,2008,31(2):82-85．

[4] 唐滸,彭玨,陳思平,等．醫(yī)學超聲單晶探頭的進展及新技術(shù)[J]．中國醫(yī)療器械信息,2014,(4):16-21,42．

[5] 伍于添．醫(yī)學超聲設(shè)備原理·設(shè)計·應(yīng)用[M]．北京:科學技術(shù)文獻出版社,2012．

[6] Birer A,Ghohestani M,Cathignol D．Development of a compact self-focusing piezoelectric generator using electrical pre-strain piezocomposite material[J]．Ultrason Sonochem,2004,11(3-4):155-160．[7] 蓋學周．壓電材料的研究發(fā)展方向和現(xiàn)狀[J]．中國陶瓷,2008, (5):9-13．

[8] 閆興偉,任?。哳l無鉛壓電超聲換能器研究進展[J]．中國醫(yī)療器械信息,2014,(4):22-28．

[9] 欒桂冬．電容MEMS超聲換能器研究進展[J]．應(yīng)用聲學,2012, (4):241-248．

[10] 欒桂冬．電容MEMS超聲換能器研究進展[J]．應(yīng)用聲學,2012, (3):161-170．

[11] Khuri-Yakub BT,Oralkan O．Capacitive micromachined ultrasonic transducers for medical imaging and therapy[J]．J Micromech Microeng,2011,21(5):54004-54014．

[12] Dorey RA,Dauchy F,Wang D,et al．Fabrication and characterization of annular thickness mode piezoelectric micro ultrasonic transducers[J]．IEEE Trans Ultrason Ferroelectr Freq Control,2007,54(12):2462-2468．

[13] 趙瑞平,孟顯達．冠脈血管內(nèi)超聲的應(yīng)用研究[J]．中國心血管病研究,2011,9(7):548-550．

[14] Gurun G,Tekes C,Zahorian J,et al．Single-chip CMUT-on-CMOS front-end system for real-time volumetric IVUS and ICE imaging[J]．IEEE Trans Ultrason Ferroelectr Freq Control,2014,61(2):239-250．

[15] Fenster A,Parraga G,Bax J．Three-dimensional ultrasound scanning[J]．Interface Focus,2011,1(6):503-509．

[16] Mamou J,Aristizába O,Silverman RH,et al．A perspective on high-frequency ultrasound for medical applications[J]．Physics Procedia,2010,3(1):289-295．

Advances in Research on the Medical Ultrasound Probe

AN Yu-lin1, ZHOU Xi-ming2, SHA Xian-zheng3
1. Department of Medical Engineering, No. 401 Hospital of PLA, Qingdao Shandong 266071, China; 2. Department of Equipment, The First People’s Hospital of Yueyang, Yueyang Hunan 414000, China; 3. Department of Medical Engineering, College of Basic Medical Science, China Medical University, Shenyang Liaoning 110001, China

This paper analyzed the importance of the medical ultrasound probe in development of ultrasound equipment and introduced its current applications. Additionally, the current development and future prospects of the medical ultrasound probe were also analyzed from various perspectives including the material technology, structure technology and its applications.

medical ultrasound equipment; medical ultrasound probe; ultrasound transducer

R197.39

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2015.03.020

1674-1633(2015)03-0071-03

2014-07-02

2014-08-03

作者郵箱：jingsaifmmu@126．com