淺談醫(yī)學(xué)超聲波探頭的結(jié)構(gòu)及特性

楊振巍

（東軟醫(yī)療系統(tǒng)股份有限公司，遼寧沈陽 110167）

0 引言

隨著時代的發(fā)展，越來越多的前沿技術(shù)被應(yīng)用于醫(yī)學(xué)診斷中，為人類的健康事業(yè)保駕護(hù)航，其中超聲醫(yī)學(xué)診斷技術(shù)因其安全性和實(shí)時性得到了廣泛應(yīng)用。超聲醫(yī)學(xué)診斷技術(shù)與X 射線成像技術(shù)（XRD）、計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)（CT）以及磁共振成像技術(shù)（MRI）并稱為現(xiàn)代醫(yī)學(xué)最重要的4 種醫(yī)學(xué)影像技術(shù)[1]。由于超聲醫(yī)學(xué)診斷技術(shù)具有無放射線輻射、圖像動態(tài)直觀、對軟組織鑒別力強(qiáng)，尤為重要的是對孕婦和兒童等敏感人群可重復(fù)性檢查等一系列優(yōu)勢，使超聲設(shè)備成為現(xiàn)代醫(yī)學(xué)影像診斷中的首選[2]。

超聲波探頭又稱換能器，是超聲診斷系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。超聲波探頭可以將超聲診斷系統(tǒng)對探頭的激勵電信號轉(zhuǎn)換為聲信號發(fā)射到人體組織中，再將人體組織中的反射聲信號轉(zhuǎn)換為電信號，超聲診斷系統(tǒng)通過對探頭轉(zhuǎn)換的電信號進(jìn)行處理，最終將電信號轉(zhuǎn)換為圖像顯示在顯示器上，供醫(yī)生對患者的病情進(jìn)行評估和診斷[3]?？傮w上，超聲波探頭起到電聲—聲電轉(zhuǎn)換的橋梁作用。

1 超聲波探頭基本結(jié)構(gòu)

超聲波探頭種類繁多，針對不同的應(yīng)用場景有不同的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，但多數(shù)超聲波探頭具有一個由聲透鏡、匹配層、壓電陶瓷/晶體、背襯及外殼組成的基本結(jié)構(gòu)（圖1）。

圖1 超聲波探頭基本結(jié)構(gòu)

1.1 聲透鏡

聲透鏡主要用于超聲波聲束聚焦，使聲束能量更加集中，以提高信號強(qiáng)度，從而提高整個超聲診斷系統(tǒng)的圖像質(zhì)量。聲透鏡作為與被檢測物體（通常是人體）直接接觸的材料，通常其材料的聲阻抗要盡可能地與被檢測物體相匹配，以減少聲波能量的反射損失。

1.2 匹配層

由于壓電陶瓷與被檢測物體之間的聲阻抗差異很大，因此從壓電陶瓷激發(fā)出的超聲波在被檢測物體上很容易產(chǎn)生反射。為了盡可能消除這種現(xiàn)象，通常在壓電陶瓷聲波發(fā)射方向的表面敷上一種中間材料，將超聲波有效地傳導(dǎo)到被檢測物體中。聲學(xué)匹配層通常以超聲波長1/4 的厚度分為單層、雙層及多層，設(shè)計(jì)上使用不同樹脂材料的組合使其具有足夠的聲阻抗值。聲學(xué)匹配層能夠減少超聲波不必要的反射，是實(shí)現(xiàn)探頭高靈敏度的基礎(chǔ)之一。

1.3 壓電元件

壓電元件是探頭的核心部分，主要用于發(fā)射和接收超聲波。壓電元件由具有壓電效應(yīng)的壓電材料組成，根據(jù)用途的不同可以設(shè)計(jì)成多種形狀，如：圓形、方形、條形、環(huán)形等。壓電陶瓷（PZT：鋯鈦酸鉛）因其聲電轉(zhuǎn)換效率高、價格便宜而在超聲探頭中應(yīng)用最為廣泛。

1.4 背襯

當(dāng)超聲診斷系統(tǒng)通過電流激勵壓電元件時，壓電元件會同時產(chǎn)生向前和向后的超聲波能量，通常認(rèn)為向后的超聲波輻射信號是不必要的雜波干擾，為了抑制壓電元件向后不必要的反射，通常會在壓電元件背部填加一種稱為背襯的聲學(xué)材料。背襯通常需要選擇具有高效寬帶的吸聲材料，不但需要吸聲效果好，而且也需要阻尼性能好。目前通常選擇環(huán)氧樹脂加鎢粉，或鐵氧體粉加橡膠粉配合而成。

2 壓電材料

壓電元件是探頭產(chǎn)生超聲波的重要組成部分，是超聲波探頭的核心部件，其選用何種材料，對探頭的特性有著重大的影響[4]。在壓電元件的兩端施加電壓后，壓電元件通過反復(fù)的膨脹和收縮產(chǎn)生振蕩，從而生成超聲波；相反，當(dāng)對壓電元件施加振蕩，比如超聲波時，壓電元件又會產(chǎn)生電壓，這就是常說的壓電效應(yīng)。而壓電材料就是一種具有壓電效應(yīng)特性的材料。醫(yī)學(xué)超聲診斷系統(tǒng)探頭的壓電材料一般采用壓電晶體，可分為天然和人造兩種。天然壓電材料如石英晶體等，價格昂貴，性能一致性也不太好，所以目前使用的壓電材料基本上是人造的壓電晶體。壓電晶體又可分為壓電多晶體（壓電陶瓷）和壓電單晶體。

2.1 壓電多晶體（壓電陶瓷）

壓電陶瓷，常稱為PZT 陶瓷，具有不完整的晶格結(jié)構(gòu)，多種結(jié)晶隨機(jī)排列晶粒。其優(yōu)點(diǎn)是：居里點(diǎn)在300 ℃以上，性能穩(wěn)定；聲—電轉(zhuǎn)換效率高，靈敏度較高，較低的激勵電壓即可產(chǎn)生振蕩波；非水溶性，耐濕防潮，強(qiáng)度高，物理性能穩(wěn)定；價格低，易于機(jī)械加工。其缺點(diǎn)是：晶體難以聚集，晶體形態(tài)不規(guī)則甚至缺失；對壓電效應(yīng)的反應(yīng)較差；只可達(dá)到最大70%的偶極子極化排列。

2.2 壓電單晶體

石英晶體是人類發(fā)現(xiàn)最早的壓電單晶體材料，它有天然和人工合成兩種。人工合成石英晶體的居里溫度可達(dá)573 ℃，性能穩(wěn)定，是廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)超聲波探頭的單晶體材料[5]。除石英晶體外，其他較常用的單晶體材料還有酒石酸鉀鈉、酒石酸乙烯二銨、酒石酸二鉀、硫酸鉀等。單晶體的優(yōu)點(diǎn)是：居里溫度高，無熱釋電性，可重復(fù)性好；壓電和介電系數(shù)的溫度穩(wěn)定性都很好，材料參數(shù)隨溫度和時間的變化較小；機(jī)械剛度大，動態(tài)特性好。其缺點(diǎn)是：價格昂貴；抗機(jī)械沖擊差，日常使用易損壞；材料質(zhì)地脆，較難加工。

3 超聲波探頭的主要特性

聲學(xué)性能是決定探頭品質(zhì)的基礎(chǔ)，優(yōu)秀的超聲波探頭大多數(shù)具備良好的聲學(xué)特性，了解探頭的聲學(xué)特性不僅對超聲診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者，對于探頭的應(yīng)用也是十分重要的。超聲波探頭的聲學(xué)性能包括中心頻率、絕對靈敏度、相對帶寬及脈沖幅等重要指標(biāo)。

采用脈沖信號激勵超聲波探頭使其向反射板發(fā)射超聲波脈沖信號，則由該探頭輸出的第一次回波信號的幅度大小和相應(yīng)的頻域響應(yīng)即為脈沖回波響應(yīng)，其時域響應(yīng)如圖2 所示。時域響應(yīng)中的回波峰峰值電壓即為絕對靈敏度（Vpp），單位為mV。其與探頭初始發(fā)射電壓V 的比值公式：RS=20lg（Vpp/V），RS 即為探頭的相對靈敏度。超聲診斷設(shè)備的超聲波探頭通常是兼做發(fā)射和接收的裝備，考慮其發(fā)射和接收的雙向損耗才具有現(xiàn)實(shí)意義，而相對靈敏度正可以很好地表征探頭的這一能力。相對靈敏度越高，意味著探頭探測深度越大，同一位置的回波信號越強(qiáng)，圖像對比度和清晰度也越好，因此希望探頭能具有盡可能高的相對靈敏度。

圖2 回波信號時域響應(yīng)

對回波信號的時域取包絡(luò)，在包絡(luò)上取回波信號衰減到1/2（即-6 dB）處，利用脈沖幅公式PD=Tmax-Tmin，可以得到-6 dB 處的脈沖幅PD6。同樣，在回波信號衰減到1/10（即-20 dB）處，也可以得到脈沖幅PD20。探頭脈沖幅是表征超聲波探頭縱向分辨率的參數(shù)，通常情況下，脈沖幅越窄表征探頭的脈沖越窄，探頭的縱向分辨率越高，圖像的質(zhì)量也就越好。

探頭接收到的回波信號的時域通過傅里葉變換，得到的頻域圖像即為超聲波探頭的頻域響應(yīng)，頻域響應(yīng)反應(yīng)的是超聲波探頭在特定的反射體上的脈沖頻率特性，如圖3 所示。從圖中可以得出最大的回波響應(yīng)頻率Fp。通常把回波信號-6 dB 處對應(yīng)的頻率Fl 和Fh的算術(shù)平均值，稱為回波信號的中心頻率，記為Fc6，此時相對帶寬記為Bw6。其計(jì)算公式為：

圖3 回波信號頻域響應(yīng)

根據(jù)需要也可以選擇回波信號-20 dB 處，計(jì)算相應(yīng)的中心頻率和相對帶寬數(shù)值，分別記為Fc20 和Bw20。超聲波探頭的帶寬越大則說明探頭在工作中能夠接收到更多的有效頻率信號，理論上超聲波探頭的縱向分辨率為d=λ/2Bw，其中，λ 為介質(zhì)中的波長，也就是說探頭在一定的中心頻率下，相對帶寬越大，縱向分辨率d 越小，圖像越清晰。

4 超聲波探頭在醫(yī)學(xué)診斷上的應(yīng)用

目前超聲波探頭的應(yīng)用已十分廣泛，在工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)學(xué)診斷乃至日常生活中發(fā)揮著重要的作用，如超聲波清洗、超聲波加工、無損探傷、水下探測、超聲醫(yī)學(xué)診斷等。針對不同的應(yīng)用場合和功能需求，超聲波探頭的種類繁多，超聲醫(yī)學(xué)診斷領(lǐng)域使用的是超聲成像探頭，從臨床應(yīng)用的角度主要有凸陣探頭、線陣探頭、微凸探頭、腔內(nèi)探頭、相控陣探頭、腔內(nèi)探頭和容積探頭等。

（1）SC6-1H 型單晶體凸陣探頭：-6 dB 中心頻率3.3 MHz，-6 dB 相對帶寬大于100%，主要用于腹部器官，如肝臟、腎臟、胰臟、膽囊、膀胱等部位的檢查，也可用于胎兒、子宮和盆骨結(jié)構(gòu)的檢查。

（2）SL14-3H 型單晶體線陣探頭：-6 dB 中心頻率7.5 MHz，-6 dB 相對帶寬大于80%，主要用于甲狀腺、乳腺、睪丸、外周血管及前列腺等小器官和淺表器官的檢查。

（3）C8-5 PZT 型微凸探頭：-6 dB 中心頻率6.4 MHz，-6 dB 相對帶寬大于70%，主要用于成人尤其是兒童的心臟檢查。

（4）SC10-3ec 型單晶腔內(nèi)探頭：-6 dB 中心頻率6.4 MHz，-6 dB 相對帶寬大于80%，主要用于子宮、卵巢等婦科，和早孕、胎兒等產(chǎn)科以及經(jīng)直腸的探查等應(yīng)用。

（5）SS6-1 型單晶相控陣探頭：-6 dB 中心頻率3.2 MHz，-6 dB 相對帶寬大于100%，主要用于成人心臟的檢查。

（6）VC6-2M 型四維容積探頭：-6 dB 中心頻率4 MHz，-6 dB 相對帶寬大于80%，主要用于結(jié)合動態(tài)4D 技術(shù)觀察胎兒在子宮腔內(nèi)的活動及形態(tài)。

5 結(jié)束語

新材料、新技術(shù)在超聲波探頭上的應(yīng)用，極大地推動了現(xiàn)代超聲醫(yī)學(xué)診斷技術(shù)的發(fā)展，采用更先進(jìn)的超聲波探頭是現(xiàn)代超聲醫(yī)學(xué)診斷技術(shù)的發(fā)展方向之一。目前高端超聲醫(yī)學(xué)診斷設(shè)備多被GE、飛利浦和西門子等國外品牌所壟斷，原因之一是由于國內(nèi)高端超聲波探頭技術(shù)所限。超聲波探頭的電聲性能直接決定收發(fā)信號的質(zhì)量，也直接決定超聲診斷系統(tǒng)后端信號處理的難易程度和圖像質(zhì)量的好壞，是超聲診斷系統(tǒng)圖像性能的基礎(chǔ)。然而超聲波探頭的設(shè)計(jì)和制造，涉及到聲學(xué)、振動力學(xué)、化學(xué)、電子學(xué)、材料學(xué)及信號處理等諸多學(xué)科知識，整體設(shè)計(jì)和制造相對復(fù)雜，專業(yè)門檻較高，是我國亟需突破的“卡脖子”的技術(shù)之一。對醫(yī)療設(shè)備人來說，這是挑戰(zhàn)更是機(jī)遇，相信在國家振興醫(yī)療產(chǎn)業(yè)的政策下和行業(yè)內(nèi)只爭朝夕的干勁下，醫(yī)用超聲波探頭產(chǎn)業(yè)一定會迎來一個大發(fā)展，為人類的健康事業(yè)做出新的貢獻(xiàn)。