浅谈医学超声波探头的结构及特性

杨振巍

（东软医疗系统股份有限公司，辽宁沈阳 110167）

0 引言

随着时代的发展，越来越多的前沿技术被应用于医学诊断中，为人类的健康事业保驾护航，其中超声医学诊断技术因其安全性和实时性得到了广泛应用。超声医学诊断技术与X 射线成像技术（XRD）、计算机断层扫描技术（CT）以及磁共振成像技术（MRI）并称为现代医学最重要的4 种医学影像技术[1]。由于超声医学诊断技术具有无放射线辐射、图像动态直观、对软组织鉴别力强，尤为重要的是对孕妇和儿童等敏感人群可重复性检查等一系列优势，使超声设备成为现代医学影像诊断中的首选[2]。

超声波探头又称换能器，是超声诊断系统的关键部件。超声波探头可以将超声诊断系统对探头的激励电信号转换为声信号发射到人体组织中，再将人体组织中的反射声信号转换为电信号，超声诊断系统通过对探头转换的电信号进行处理，最终将电信号转换为图像显示在显示器上，供医生对患者的病情进行评估和诊断[3]。总体上，超声波探头起到电声—声电转换的桥梁作用。

1 超声波探头基本结构

超声波探头种类繁多，针对不同的应用场景有不同的设计结构，但多数超声波探头具有一个由声透镜、匹配层、压电陶瓷/晶体、背衬及外壳组成的基本结构（图1）。

图1 超声波探头基本结构

1.1 声透镜

声透镜主要用于超声波声束聚焦，使声束能量更加集中，以提高信号强度，从而提高整个超声诊断系统的图像质量。声透镜作为与被检测物体（通常是人体）直接接触的材料，通常其材料的声阻抗要尽可能地与被检测物体相匹配，以减少声波能量的反射损失。

1.2 匹配层

由于压电陶瓷与被检测物体之间的声阻抗差异很大，因此从压电陶瓷激发出的超声波在被检测物体上很容易产生反射。为了尽可能消除这种现象，通常在压电陶瓷声波发射方向的表面敷上一种中间材料，将超声波有效地传导到被检测物体中。声学匹配层通常以超声波长1/4 的厚度分为单层、双层及多层，设计上使用不同树脂材料的组合使其具有足够的声阻抗值。声学匹配层能够减少超声波不必要的反射，是实现探头高灵敏度的基础之一。

1.3 压电元件

压电元件是探头的核心部分，主要用于发射和接收超声波。压电元件由具有压电效应的压电材料组成，根据用途的不同可以设计成多种形状，如：圆形、方形、条形、环形等。压电陶瓷（PZT：锆钛酸铅）因其声电转换效率高、价格便宜而在超声探头中应用最为广泛。

1.4 背衬

当超声诊断系统通过电流激励压电元件时，压电元件会同时产生向前和向后的超声波能量，通常认为向后的超声波辐射信号是不必要的杂波干扰，为了抑制压电元件向后不必要的反射，通常会在压电元件背部填加一种称为背衬的声学材料。背衬通常需要选择具有高效宽带的吸声材料，不但需要吸声效果好，而且也需要阻尼性能好。目前通常选择环氧树脂加钨粉，或铁氧体粉加橡胶粉配合而成。

2 压电材料

压电元件是探头产生超声波的重要组成部分，是超声波探头的核心部件，其选用何种材料，对探头的特性有着重大的影响[4]。在压电元件的两端施加电压后，压电元件通过反复的膨胀和收缩产生振荡，从而生成超声波；相反，当对压电元件施加振荡，比如超声波时，压电元件又会产生电压，这就是常说的压电效应。而压电材料就是一种具有压电效应特性的材料。医学超声诊断系统探头的压电材料一般采用压电晶体，可分为天然和人造两种。天然压电材料如石英晶体等，价格昂贵，性能一致性也不太好，所以目前使用的压电材料基本上是人造的压电晶体。压电晶体又可分为压电多晶体（压电陶瓷）和压电单晶体。

2.1 压电多晶体（压电陶瓷）

压电陶瓷，常称为PZT 陶瓷，具有不完整的晶格结构，多种结晶随机排列晶粒。其优点是：居里点在300 ℃以上，性能稳定；声—电转换效率高，灵敏度较高，较低的激励电压即可产生振荡波；非水溶性，耐湿防潮，强度高，物理性能稳定；价格低，易于机械加工。其缺点是：晶体难以聚集，晶体形态不规则甚至缺失；对压电效应的反应较差；只可达到最大70%的偶极子极化排列。

2.2 压电单晶体

石英晶体是人类发现最早的压电单晶体材料，它有天然和人工合成两种。人工合成石英晶体的居里温度可达573 ℃，性能稳定，是广泛应用于医学超声波探头的单晶体材料[5]。除石英晶体外，其他较常用的单晶体材料还有酒石酸钾钠、酒石酸乙烯二铵、酒石酸二钾、硫酸钾等。单晶体的优点是：居里温度高，无热释电性，可重复性好；压电和介电系数的温度稳定性都很好，材料参数随温度和时间的变化较小；机械刚度大，动态特性好。其缺点是：价格昂贵；抗机械冲击差，日常使用易损坏；材料质地脆，较难加工。

3 超声波探头的主要特性

声学性能是决定探头品质的基础，优秀的超声波探头大多数具备良好的声学特性，了解探头的声学特性不仅对超声诊断系统的设计者，对于探头的应用也是十分重要的。超声波探头的声学性能包括中心频率、绝对灵敏度、相对带宽及脉冲幅等重要指标。

采用脉冲信号激励超声波探头使其向反射板发射超声波脉冲信号，则由该探头输出的第一次回波信号的幅度大小和相应的频域响应即为脉冲回波响应，其时域响应如图2 所示。时域响应中的回波峰峰值电压即为绝对灵敏度（Vpp），单位为mV。其与探头初始发射电压V 的比值公式：RS=20lg（Vpp/V），RS 即为探头的相对灵敏度。超声诊断设备的超声波探头通常是兼做发射和接收的装备，考虑其发射和接收的双向损耗才具有现实意义，而相对灵敏度正可以很好地表征探头的这一能力。相对灵敏度越高，意味着探头探测深度越大，同一位置的回波信号越强，图像对比度和清晰度也越好，因此希望探头能具有尽可能高的相对灵敏度。

图2 回波信号时域响应

对回波信号的时域取包络，在包络上取回波信号衰减到1/2（即-6 dB）处，利用脉冲幅公式PD=Tmax-Tmin，可以得到-6 dB 处的脉冲幅PD6。同样，在回波信号衰减到1/10（即-20 dB）处，也可以得到脉冲幅PD20。探头脉冲幅是表征超声波探头纵向分辨率的参数，通常情况下，脉冲幅越窄表征探头的脉冲越窄，探头的纵向分辨率越高，图像的质量也就越好。

探头接收到的回波信号的时域通过傅里叶变换，得到的频域图像即为超声波探头的频域响应，频域响应反应的是超声波探头在特定的反射体上的脉冲频率特性，如图3 所示。从图中可以得出最大的回波响应频率Fp。通常把回波信号-6 dB 处对应的频率Fl 和Fh的算术平均值，称为回波信号的中心频率，记为Fc6，此时相对带宽记为Bw6。其计算公式为：

图3 回波信号频域响应

根据需要也可以选择回波信号-20 dB 处，计算相应的中心频率和相对带宽数值，分别记为Fc20 和Bw20。超声波探头的带宽越大则说明探头在工作中能够接收到更多的有效频率信号，理论上超声波探头的纵向分辨率为d=λ/2Bw，其中，λ 为介质中的波长，也就是说探头在一定的中心频率下，相对带宽越大，纵向分辨率d 越小，图像越清晰。

4 超声波探头在医学诊断上的应用

目前超声波探头的应用已十分广泛，在工业生产、医学诊断乃至日常生活中发挥着重要的作用，如超声波清洗、超声波加工、无损探伤、水下探测、超声医学诊断等。针对不同的应用场合和功能需求，超声波探头的种类繁多，超声医学诊断领域使用的是超声成像探头，从临床应用的角度主要有凸阵探头、线阵探头、微凸探头、腔内探头、相控阵探头、腔内探头和容积探头等。

（1）SC6-1H 型单晶体凸阵探头：-6 dB 中心频率3.3 MHz，-6 dB 相对带宽大于100%，主要用于腹部器官，如肝脏、肾脏、胰脏、胆囊、膀胱等部位的检查，也可用于胎儿、子宫和盆骨结构的检查。

（2）SL14-3H 型单晶体线阵探头：-6 dB 中心频率7.5 MHz，-6 dB 相对带宽大于80%，主要用于甲状腺、乳腺、睾丸、外周血管及前列腺等小器官和浅表器官的检查。

（3）C8-5 PZT 型微凸探头：-6 dB 中心频率6.4 MHz，-6 dB 相对带宽大于70%，主要用于成人尤其是儿童的心脏检查。

（4）SC10-3ec 型单晶腔内探头：-6 dB 中心频率6.4 MHz，-6 dB 相对带宽大于80%，主要用于子宫、卵巢等妇科，和早孕、胎儿等产科以及经直肠的探查等应用。

（5）SS6-1 型单晶相控阵探头：-6 dB 中心频率3.2 MHz，-6 dB 相对带宽大于100%，主要用于成人心脏的检查。

（6）VC6-2M 型四维容积探头：-6 dB 中心频率4 MHz，-6 dB 相对带宽大于80%，主要用于结合动态4D 技术观察胎儿在子宫腔内的活动及形态。

5 结束语

新材料、新技术在超声波探头上的应用，极大地推动了现代超声医学诊断技术的发展，采用更先进的超声波探头是现代超声医学诊断技术的发展方向之一。目前高端超声医学诊断设备多被GE、飞利浦和西门子等国外品牌所垄断，原因之一是由于国内高端超声波探头技术所限。超声波探头的电声性能直接决定收发信号的质量，也直接决定超声诊断系统后端信号处理的难易程度和图像质量的好坏，是超声诊断系统图像性能的基础。然而超声波探头的设计和制造，涉及到声学、振动力学、化学、电子学、材料学及信号处理等诸多学科知识，整体设计和制造相对复杂，专业门槛较高，是我国亟需突破的“卡脖子”的技术之一。对医疗设备人来说，这是挑战更是机遇，相信在国家振兴医疗产业的政策下和行业内只争朝夕的干劲下，医用超声波探头产业一定会迎来一个大发展，为人类的健康事业做出新的贡献。