楊振巍

（東軟醫(yī)療系統(tǒng)股份有限公司，遼寧沈陽(yáng) 110167）

0 引言

隨著時(shí)代的發(fā)展，越來(lái)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(shí)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(wú)放射線輻射、圖像動(dòng)態(tài)直觀、對(duì)軟組織鑒別力強(qiáng)，尤為重要的是對(duì)孕婦和兒童等敏感人群可重復(fù)性檢查等一系列優(yōu)勢(shì)，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(duì)探頭的激勵(lì)電信號(hào)轉(zhuǎn)換為聲信號(hào)發(fā)射到人體組織中，再將人體組織中的反射聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，超聲診斷系統(tǒng)通過(guò)對(duì)探頭轉(zhuǎn)換的電信號(hào)進(jìn)行處理，最終將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為圖像顯示在顯示器上，供醫(yī)生對(duì)患者的病情進(jìn)行評(píng)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(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)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(gè)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(hào)強(qiáng)度，從而提高整個(gè)超聲診斷系統(tǒng)的圖像質(zhì)量。聲透鏡作為與被檢測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)物體中。聲學(xué)匹配層通常以超聲波長(zhǎng)1/4 的厚度分為單層、雙層及多層，設(shè)計(jì)上使用不同樹(shù)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(jià)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(guò)電流激勵(lì)壓電元件時(shí)，壓電元件會(huì)同時(shí)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(hào)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(huì)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(shù)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(duì)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(guò)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(duì)壓電元件施加振蕩，比如超聲波時(shí)，壓電元件又會(huì)產(chǎn)生電壓，這就是常說(shuō)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(jià)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(lì)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(jià)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(duì)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(wú)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(shí)間的變化較小；機(jī)械剛度大，動(dòng)態(tài)特性好。其缺點(diǎn)是：價(jià)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(duì)超聲診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者，對(duì)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(duì)靈敏度、相對(duì)帶寬及脈沖幅等重要指標(biāo)。

采用脈沖信號(hào)激勵(lì)超聲波探頭使其向反射板發(fā)射超聲波脈沖信號(hào)，則由該探頭輸出的第一次回波信號(hào)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(shí)域響應(yīng)如圖2 所示。時(shí)域響應(yīng)中的回波峰峰值電壓即為絕對(duì)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(duì)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(duì)靈敏度正可以很好地表征探頭的這一能力。相對(duì)靈敏度越高，意味著探頭探測(cè)深度越大，同一位置的回波信號(hào)越強(qiáng)，圖像對(duì)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(duì)靈敏度。

圖2 回波信號(hào)時(shí)域響應(yīng)

對(duì)回波信號(hào)的時(shí)域取包絡(luò)，在包絡(luò)上取回波信號(hào)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(hào)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(hào)的時(shí)域通過(guò)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(hào)-6 dB 處對(duì)應(yīng)的頻率Fl 和Fh的算術(shù)平均值，稱為回波信號(hào)的中心頻率，記為Fc6，此時(shí)相對(duì)帶寬記為Bw6。其計(jì)算公式為：

圖3 回波信號(hào)頻域響應(yīng)

根據(jù)需要也可以選擇回波信號(hào)-20 dB 處，計(jì)算相應(yīng)的中心頻率和相對(duì)帶寬數(shù)值，分別記為Fc20 和Bw20。超聲波探頭的帶寬越大則說(shuō)明探頭在工作中能夠接收到更多的有效頻率信號(hào)，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(zhǎng)，也就是說(shuō)探頭在一定的中心頻率下，相對(duì)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(wú)損探傷、水下探測(cè)、超聲醫(yī)學(xué)診斷等。針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)帶寬大于80%，主要用于結(jié)合動(dòng)態(tài)4D 技術(shù)觀察胎兒在子宮腔內(nèi)的活動(dòng)及形態(tài)。

5 結(jié)束語(yǔ)

新材料、新技術(shù)在超聲波探頭上的應(yīng)用，極大地推動(dòng)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(guó)外品牌所壟斷，原因之一是由于國(guó)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(hào)的質(zhì)量，也直接決定超聲診斷系統(tǒng)后端信號(hào)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(dòng)力學(xué)、化學(xué)、電子學(xué)、材料學(xué)及信號(hào)處理等諸多學(xué)科知識(shí)，整體設(shè)計(jì)和制造相對(duì)復(fù)雜，專業(yè)門檻較高，是我國(guó)亟需突破的“卡脖子”的技術(shù)之一。對(duì)醫(yī)療設(shè)備人來(lái)說(shuō)，這是挑戰(zhàn)更是機(jī)遇，相信在國(guó)家振興醫(yī)療產(chǎn)業(yè)的政策下和行業(yè)內(nèi)只爭(zhēng)朝夕的干勁下，醫(yī)用超聲波探頭產(chǎn)業(yè)一定會(huì)迎來(lái)一個(gè)大發(fā)展，為人類的健康事業(yè)做出新的貢獻(xiàn)。