超声成像换能器的应用现状和其展望.pdf

超声成像换能器的应用现状及其展望 李文龙，菅喜岐 天津医科大学生物医学工程系，天津，300070 【摘要】作为超声波发射和回波接收器件的换能器，始终是医学超声成像系统中最为关键的 声学部件。医学超声成像换能器的不断发展使超声图像更清晰，显示更直观。本文主要论述 对人体不同部位进行超声检查换能器的应用现状、新型压电复合材料换能器、压电单晶材料 换能器、宽频带换能器、三维成像换能器和电容式微加工换能器的技术发展及其展望。 【关键词】超声成像换能器；三维成像；压电材料；宽频带 0 ．引言 医学超声成像技术、X-CT 、MRI及ECT是现代医学成像技术的四大医学影像技术，已 广泛应用于心脏科、产科、眼科、肝、肾、胆囊及血管系统等。超声成像技术与其他成像技 术相比，具有实时性好、无损伤以及低成本等独特优点，在实际临床中得到广泛应用。超声 成像技术是利用超声换能器发出的超声波进入人体组织后，在人体不同组织分界处形成的反 射回波，而进行成像处理的技术。超声换能器既是超声波发射器又是回波接收器，它是医学 超声成像系统中最为关键的声学部件，是获得高质量图像的保证。各种新的成像功能和方法 的诞生也首先离不开换能器技术的革新。本文论述超声成像换能器的组成结构及其特性、应 用现状、换能器技术的发展及其展望。 1．超声成像换能器的组成结构及其特性 按制作材料的不同，超声成像换能器可以分为压电陶瓷换能器、压电薄膜换能器、压电 单晶换能器、复合材料换能器、电容式微加工换能器等。其工作频率在20 KHz~50MHz之间， 一般来讲由压电薄膜和压电单晶材料制作的换能器工作频率比较高，压电陶瓷材料制作的换 能器工作频率比较低。现在应用最广泛的是压电陶瓷换能器，一般由压电陶瓷阵元、匹配层、 聚焦件和背衬块构成。压电陶瓷阵元是超声波发射和回波接受器件，构成换能器阵元有单阵 元，也有多阵元，多阵元换能器阵元排列有线阵、凸线阵、环阵和两维阵等形式。匹配层置 于阵元与人体皮肤之间，用其解决人体皮肤和阵元的声阻抗差异，使更多的超声波进入人体， 同时加入匹配层后能提高换能器的灵敏度和带宽。聚焦件是使超声波波束能够有效聚焦，以 提高换能器的横向分辨力。背衬块加在阵元的背面用来抑制不必要的振动和消除压电阵元背 面声波的反射。 2 ．超声成像换能器的应用现状 目前B超成像设备上用得最多的换能器是一维阵换能器，该换能器已被应用于体表、小 组织、心脏、腹部、妇产科和眼科等部位的超声诊断中，根据人体不同部位及器官临床诊断 1 的要求制成不同形状大小、不同阵元数和不同频率的一维阵换能器。 用于体表、小组织、颈部动脉检查的一维线阵换能器一般为128阵元，工作频率一般为 7.5MHz或10MHz，临床应用中一些成像系统也有采用192或256 阵元的高性能换能器；用于 腹部和妇产科超声诊断的换能器多为一维线阵和一维凸线阵，一般为128-256阵元，其工作 频率通常为3.5MHz或5MHz，凸线阵的曲率半径在40-60mm之间，其中40mm较为常用，凸 线阵换能器具有线阵换能器可进行多段电子聚焦和机械扇扫换能器具有宽阔视野的优点，在 临床中得到了广泛的应用；腔内壁超声成像一般多采用96-128阵元，工作频率一般为6.5 MHz ，曲率半径为10-13mm的凸线阵换能器；用于乳腺、甲状腺的凸线阵换能器一般为128 阵元，工作频率一般为5-10MHz，曲率半径为30-50mm；用于心脏功能超声诊断的换能器， 由于受肋骨的限制，换能器不能像其它换能器一样随意移动，常采用相控阵实现多角度扫描， 一般采用64阵元，工作频率在3MHz 以下，临床应用中一些成像系统也有使用96或128阵元， 3.5MHz或5MHz的高性能换能器。对于心脏超声诊断的另一种形式为避开肋骨的影响，采用 食道插入式内窥镜心脏超声成像系统，该系统中换能器在平行或垂直于换能器平面的两个方 向控制移动，以达到从心脏侧后方进行心脏功能超声检查的最佳位置，这种内窥镜换能器超 声成像系统也可用于胃肠道疾病诊断，换能器外径为一般为10mm左右，工作频率为 5MHz-12MHz；用