医用超声探头浅析

愈欣赏愈懂欣赏 http://hi.baidu.com/my151and 医用超声探头浅析 概 论 超声探头是医用超声仪器的心脏。不管何种超声诊断仪 ,A 型、B 型、或M 型,其探头结构大致相同,主要都是由换能器（压电材料，又称压电晶体、压电振子）组成，并将换能器安放在由塑胶包裹的探头腔中。 以A超探头为例说明探头的基本结构： ① 压电晶片/换能器，作用主要是在发射时将电信号转换成超声波，在接收时将超声波转换成电信号。 ② 吸声背块，作用是吸收晶体背向辐射的超声，减少或消除晶体两端之间超声的多次反射造成的干扰；增大晶片阻尼，使发射脉冲窄，从而提高分辨率。 ③ 匹配层，主要作用是使晶体辐射的超声有效进入人体，实现对人体组织的检查。换能器和人体之间声阻抗匹配。 ④ 电极、导线，用于传到电信号。 ⑤ 声隔离层，位于壳体与振动体之图0-1，医用超声探头结构 间声，防止超声传至外壳引起反射产生干扰。 ⑥ 保护层和外壳，主要用于保护仪器。 压电晶体利用了正向压电效应和逆向压电效应来完成声--电的转换。医用压电材料种类繁多，如压电单晶体（石英、酒石酸钾钠、磷酸二氢铵、铌酸钾、硫酸锂等）、 压电多晶体（钛酸钡、偏铌酸铅、锆钛酸铅、铌镁-锆-钛酸铅等）、压电高分子聚合物（聚偏二氟乙烯等）、复合压电材料（聚偏二氟乙烯+锆钛酸铅复合（PVDF+PZT）等）。 各类压电材料特性不尽相同，但是都能满足特定的需求，在医用超声仪器中应用广泛。 由于压电材料的特性千差万别，导致超声探头的参数、特性也差异很大。对于不同的医用场合，要选用不同的探头完成操作。因此，对超声探头的参数、特性的研究显得极为重要。 本文结合具体应用场合和具体机型，来说明医用超声仪器探头特性参数的选取。 1 愈欣赏愈懂欣赏

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一、 医用超声探头的分类

超声探头的性能优劣，直接影响了成像的质量。超声探头通常是从以下几个方面进行分

类：

(1) 按波束控制方式 :线扫探头、相控阵探头、机械扇扫(包括单元式 、多元切换式和

环阵)探头等；

(2) 按探头中换能器所用振元（压电晶体）数目:单元探头和多元探头；

(3) 按探头的几何形状 :矩形探头 、弧形探头 (凸形探头)、柱形探头、圆形探头等； (4) 按诊断部位 :心脏探头、腹部探头、眼科探头、颅脑探头等； (5) 按应用方式 :体外探头、体内探头、穿刺活检探头。

为了便于联系实际临床应用，本文根据具体应用中的主流类型将超声探头分类如下： 机械扇扫探头、凸阵探头、平面线阵探头和相控阵探头。具体分类原因将在下一部分给出。

图1-1 常见超声换能器探头 二、 各类医用超声探头对比

探头的发射频率是探头最重要的特性参数之一，超声诊断中常根据不同的受检对象和部位选择不同的探头，如2 MHz、2.5 MHz、5 MHz、10 MHz等，探头的发射频率是由晶体的厚度决定的。而晶片形状则确定了声束的形状和声场分布等重要特性。

机械扇扫探头全称机械扇形扫描探头，早期通用于腹部和心脏超声检查，现几乎仅用于眼科A/B超。

这种探头手持柄部为圆柱形，接触人体的部分为半球形。为表示其内换能器扫描方向，往往将球冠两侧切成较浅的平台。因有电机机械驱动，会有不同程度的震动感和噪声。端部为一用透声塑料制成的充油腔体，其内为一个或多个（不超过三个）单元式超声换能器；柄内为驱动机构。采用一个单元式换能器时，系由电机驱动其作机械摆动，使声束扫描而成平面，从而实现超声波束对耦合位置下方组织、器官的发射和接收，采集、处理回波信号，并以图像形式显示扫描平面内的生理结构。采用三个单元式换能器时，则由电机驱动绕轴旋转，轮流发射-接收超声波，其声线更均匀，但造价更高，故很少采用。图像为稍有缺损的扇形，缺损表现为无“扇轴”部分。目前最高档的机械扇扫探头是环阵，其晶片被切割成若干同心圆，按照阵列方式工作实现多点聚焦，因制造复杂、价格

图2-1 扇形扫描 较贵且已有更先进探头，故很少使用。

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愈欣赏愈懂欣赏 http://hi.baidu.com/my151and 机械扇扫探头出现之初，由于其较高的性价比而曾大行天下，在上个世纪的超声仪器中使用的非常多，目前只在眼科以及一些便携式仪器中使用。比如EMP-200便携式机械扇扫B超，该款超声仪器只能用于B超，可达3.5MHz进行扇形扫描，横向分辨率为2mm，纵向分辨率为1mm，探测深度>=160mm，因而可以用于妇产科。 平面线阵在凸阵出现之前，是腹部检查的主力，频率大多为3.5MHz；凸阵出现并成为腹部检查主力后，主要用于小器官和表浅组织检查，频率一般在5MHz~7.5MHz(甚至9MHz)。这种探头的外形几乎均为长方形，其长边为辐射面(晶片)长边方向。与人体耦合的一面为其核心部分，表层为声透镜，向里依次为匹配层(几乎均为两层)、压电晶片、背衬，壳内大多有前放电路，外壳为塑料铸塑，内有电屏蔽层。压电晶片不是整片，而是被切割成数十至数百个小窄条，称为阵元，阵元间以吸声较强的橡胶相隔。在普通的一维探头中，沿晶片短边方向不作切割；但在1.25、1.5、1.75维探头中，沿晶片短边方向也切成若干条，也有电子聚焦。工作方式通常以多个(一般是10个)阵元为一组发射和接收超声波束，通过递推错位组合和电子开关切换，实现声束沿晶片长边方向的扫描，利用人眼的“视觉暂留”特性，看似所有阵元都在发射和接收，由声线构成扫描平面，故称平面线阵。得到的图像均为矩形，其中显示的是耦合位置下方组织和器官的解剖结构。 迈瑞DP-6600全数字便携式超声诊断仪有一个电子线阵的可选探头--7.5MHz 75L38EA，探测深度为2.59 – 11.6cm，显 图2-2 线扫 示控制中的零位移动为±8级。 凸阵的大R(晶片曲率半径)通常在30mm以上，用于腹部检查；小R(10~20mm，医生们多称微凸)用于心脏检查。 凸阵的辐射面(与人体的耦合面)为向外凸出的弧形，从表层声透镜至内部结构均与线阵相同，差别仅在晶片形状。工作方式与线阵相同。因阵元呈弧形分布，致使图像成为扇形，目的在扩大中远区视野。该扇形的特征是“无扇骨部分，只有扇面”。 迈瑞DP-6600全数字便携式超声诊断仪四个探头之中有三个都是凸阵。分别为发射中心频率为3.5MHz 的35C50EA，其探图2-3 凸阵扫查 测深度范围为 5.17 – 24.6cm, 显示控制中零位移动±15 级；发 射中心频率为6.5MHz 的65EC10EA，其探测深度 2.59 – 11.6cm, 显示控制中零位移动±8级；发射中心频率为3.5MHz 的35C20EA，其探测深度为 5.17 – 24.6cm, 显示控制中零位移动±15级。通过配备不同特性的探头，以及各探头具有的可选多焦点（可选1个、最多4个焦点），使得这款小巧的仪器在使用上具有很高的灵活性，可以用于心脏、腹部、产科、妇科、小器官、泌尿系统等全身检查。探头参数可以调节的参数如下： 3 愈欣赏愈懂欣赏

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表2-1探头页预置参数

可选项 功能描述 35C50EA 关联探头类型 65EC10EA 75L38EA 35C20EA

频率 35C50EA：2.0M/3.5M/6.0M 设置探头的频率 65EC10EA：5.0M/6.5M/8.0M 75L38EA：5.0M/7.5M/10.0M 35C20EA 2.0M/3.5M/6.0M

组织优化 常规/肌骨/脂肪/液性 设置组织特性

深度 低频探头：4.31～24.8 设置检查深度，低频探头分为20档 高频探头：2.16～11.9 高频探头分为10档

焦点 1 ／2 ／3 ／4 设置焦点个数 扫描角度 0 ／1 ／2 ／3 设置探头的扫描角度 高密度 高密度/高帧率 设置扫描属性 水平翻转 √/ 设置图像水平翻转属性 垂直翻转 √/ 设置图像垂直翻转属性 相控阵用于彩超中作心血管彩色血流成像，因该图像是镶嵌(叠加)在解剖结构的灰阶图像上的，故黑白、彩色图像及多普勒频谱是利用该同一探头的不同工作模式获得。其外形很像是辐射面接近正方形的平面线阵。其结构从表层的声透镜至内部结构均与线阵相似。工作方式有多种：在灰阶成像和脉冲多普勒彩色血流成像中，其所有阵元同时参与声束发射和接收。在连续波频谱多普勒工作模式中，是半数并联发射，另半数并联接收。与线阵、凸阵只有电子聚焦中采用延迟线不同，相控阵有两组延迟线，一组负责多段电子聚焦，另一组负责波束方向偏转(类似汽车的方向盘和舰船的舵)，从而实现声束的扇形扫描，故称电子扇扫。图像呈扇形，突出特征是“无缺损”。相控阵、凸阵、线阵乃至机械扇扫探头都能实现脉冲多普勒彩色血流成像和获得脉冲多普勒频谱，但只有相控阵能够获得连续波多普勒频谱，从而实现对高速(超过奈奎斯特极限)血流信号的检出和测量。

图2-4相控阵偏转：改变相位线 性变化斜率，可改变扫查声线方向，从而形成扇形扫查。 4

调节项 探头

图2-5 相控阵聚焦发射：改变二次曲线的形状，可改变焦点的位置。 愈欣赏愈懂欣赏

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通常是将偏转和聚焦叠加使用，以达到预期效果，使得探头对复杂形状的不同位置（器官）的扫查具有很强的灵活性。

三、前景与展望

随着超声技术的不断发展，在医学领域的应用技术也得到了不断的完善。医用超声探头的技术革新几乎代表了整个超声仪器的前进方向。医用超声探头技术含量越来越高，更新换代的周期越来越短，技术日趋成熟，但是它的发展并不会因此而止步。

成像技术的突破性往往要求彻底改变传统的方法。容积成像的优化和超声 心动图的检查需提供高质量的心脏全容积扫描、高帧频图像和卓越的图像质量。西门子专门设计的 4Z1c实时容积成像探头可用单一探头就能实现成人超声心动图成像 ,它融合了材料学、电子学和人机工程学设计等领域的最新进展 ,能够以很高的容积率对整个心脏进行前作未有的成像检查,而无需采用门控采集和成像拼接技术。

全容积扫描二维阵列探头的出现是对传统技术的突破，这也说明了超声探头技术的革新并未停滞，或许才刚刚开始。期待新技术和新突破的出现！

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参考文献：

1、《CCE》，Vol3，No.5,OCT,2004,第4页，DP-6600全数字便携式超声诊断仪； 2、《医疗设备信息》2001年第10期，第69页，超声探头的工作原理与使用维护； 3、《医疗装备》2001年第10期，第56页，B型超声扇扫探头的性能及分析；

4、《计量与测试技术》2009年第36卷第4期28页，浅谈医用超声诊断仪超声探头的分类和主要特性； 5、《中国生物医学工程学报》2005年8月第24卷第4期4页，眼科AB型超声探头的设计； 6、《中华医学超声杂志》2010年3月第7卷第3期508页，4Z1c实时容积成像探头。

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