第五节　超声探头

在各种超声诊断仪器中发出和接收超声波的器件是超声探头。大多数超声诊断仪器中的探头既作发射，又作接收，既向人体内发射超声波，又接收体内反射和散射回来的声波。发射时探头把电能转换成声能，接收时又把声能转换为电能，因此探头又称超声换能器。探头的核心是以压电材料制成的压电晶片。压电材料具有压电效应，当它受到外力作用发生形变时，其表面会产生电压和自由电荷。对它施加电场时它会产生应力，发生形变。超声诊断常用的压电材料是压电陶瓷。压电片的两个表面镀有电极，引出导线，与仪器中的发射和接收电路连接。当发射电路发出电信号激励压电片时，压电片发生振动，同时向介质发出超声波。由介质传播回来的超声波带动压电片振动，在电极上产生电信号，进入接收电路放大处理。

压电陶瓷的声速和密度都比较高，因此它的声阻抗率比软组织的大几十倍。因此软组织和压电片之间的界面上声反射系数特别大，如果让压电片和软组织直接接触，软组织中传来的声波的能量大部分会反射回去，只有一小部分进入压电片，转换为电能。同样，压电片内的振动能量在两个表面之间来回反射，维持比较长的时间，使进入软组织中的声脉冲幅度小，时间拖得很长。这种现象称为压电陶瓷和软组织的声学不匹配，不利于提高仪器的性能。为了改善压电片和软组织之间的匹配性，在压电片的前表面贴一层或多层匹配层（图1-5-1）。单层匹配层的声阻抗率应该介于压电片和软组织之间，多层匹配层的声阻抗率从略低于压电片的声阻抗率逐层过渡到略高于软组织的声阻抗率。为了能灵活地改变匹配层的声参数，匹配层常用环氧树脂类材料加其他改性材料配制，也可选用塑料和金属材料。匹配层的形状和压电片的相同，厚度大约是超声波波长的1/4。

当用电脉冲激励压电片或声波从介质传入使其振动时，它的振动时间常比激励的电脉冲或传入的声脉冲长。这是由于压电片的余振引起的。这种现象会使发射的声脉冲和接收的电信号拉长，降低纵向分辨率。为了减少这种效应，压电片的背面有背衬（图1-5-1），背衬通常用环氧树脂和金属粉末配制而成，它的声阻抗率与压电片的接近。当压电片受电信号或超声波激励振动时，相当一部分能量传入背衬而被散射吸收，不再返回压电片。这样能缩短压电片的余振，增加探头的带宽。背衬的形状也和压电片一样，厚度比较大，为十几至几十毫米。

为了达到超声成像的目的，仪器产生的声束必须在人体内部扫描，实现声束扫描的技术有两种，机械扫描和电子扫描。

一、机械扫描探头和聚焦

机械扫描通常使用一个或几个聚焦单探头，用机械的方法如马达带动，使其摆动或旋转，探头发出的声束在成像区域扫描。仪器工作时，一方面记录探头的方向，同时接收回波，两者结合，得到各个位置的回波，处理后成像。为了使探头运动时能保持和人体的耦合，常把探头装在一个充满液体的小盒里，探头发出的扫描声束经过液体透过静止的盒壁与人体耦合。机械扫描的聚焦探头有许多优点，其电路部分比较简单，它的横向分辨率在顺着扫描的方向和垂直于扫描的方向（有时称为侧向）是一样的。同时，它也有一些缺点。首先其机械运动部分影响了使用寿命。其次机械驱动的方式不如电子扫描灵活，扫描速度也不能太快，特别是不能满足彩色血流图的步进式的扫描。

二、电子扫描探头、电子聚焦

电子聚焦和扫描使用阵列探头，下面以常用的线阵探头为例说明它的结构和工作原理。

在线阵探头里有许多压电单元等间隔地排列成一条直线。每个单元和单探头相似，也由压电片、引线、匹配层和背衬组成，但它的压电片的尺寸很小，只有零点几毫米。阵列探头的每次发射或接收总是由全部或部分单元共同完成的。在发射时，如果参与工作的各个单元在不同的时刻发出声脉冲，叠加以后就有可能得到聚焦的总声场。因此超声波从各单元到焦点的传播时间也是不一样的。我们按照各单元的传播时间决定每个单元的发射时间，传播时间长的先发射，传播时间短的晚发射，使各单元发出的声脉冲同时到达聚焦点。为了实现电子聚焦和扫描，激发时要在不同的时刻激励各个单元，接收时要对各个单元的信号作不同的延迟（图1-5-2）。在超声诊断仪里有许多相互独立的发射和接收电路，称为通道。通过电子开关的选择，在每次发射和接收时各个通道分别和一个或两个单元连接。每次工作时只有少数单元（8～16个）参加，例如第一次工作时由第一～八个单元参加，第二次工作时由第二～九个单元参加。每次形成的声束都和线阵垂直。这样通过单元的切换使声束在空间平行地扫描，每次发射声束在空间平移了一个单元间隔的距离。

另一种常用的阵列探头是相控阵探头，它的前表面比较小（20～30mm），适于通过小的声窗作检查。相控阵探头每次工作时所有的单元都参加，通过改变每个单元的激发时间和接收延迟改变声束的方向，使声束在空间扫描出一个扇形。由于时间的变化相当于波形的相位变化，因此这种方式可以看成由信号的相位控制声束的方向，这也就是这种探头名称的由来。还有一种形状介于线阵和相控阵之间的凸阵探头，它的单元也排成一段圆弧，但圆弧的半径比相控阵的大，它的尺度介于线阵和相控阵之间。它的扫描方式和线阵的接近但每次工作时声束的方向略有变化。它的扫描区域是介于扇形和矩形之间的一个图形。凸阵探头多用于腹部，因为使用方便而广受欢迎。

电子聚焦技术与机械扫描探头结合，出现了一种环阵探头。这种探头仍然采用机械扫描的方式，但是它的压电片不是单个的圆片，而是由几个同心的圆环组成。在各个圆环上加上时延不同的脉冲，就可以在不同的深度聚焦。环阵探头可以在横向和侧向达到同样的聚焦效果。为了适应不同的需要，超声探头的种类非常多，内窥探头是插入人体使用的超声探头。内窥探头种类很多，主要有经食管检查心脏用的，经直肠、尿道和阴道的，还有血管内用的。一般它们更接近检查的器官，避开了皮肤、皮下脂肪等传播组织，因此检查深度比较小，可以选用更高的频率，得到更精细的图像。但是它们的体积必须很小，因此技术要求很高。内窥探头也有机械扫描和电子扫描两种，其基本组成部分和工作原理与上面介绍的体外探头是一样的。

面阵探头是一种三维成像用的探头。上述线阵探头的单元排成一段直线，而面阵探头的单元排成一个平面，因此它可以在三维空间内扫描，形成三维图像。

三、超声探头的分辨率

空间分辨率是超声探头的一个重要指标。假设人体内有两个小目标，如果它们之间的距离比较大，超声仪器就能区分它们。如果它们之间的距离很小，仪器就可能把它们当作一个目标。仪器能够区分的最小距离称为空间分辨率，简称分辨率。分辨率和方向有关。沿声束方向的分辨率称为轴向分辨率（也称纵向分辨率），沿扫查平面与声束垂直方向的分辨率称为侧向分辨率（也称横向分辨率），垂直于扫查平面且与声束垂直方向的分辨率称为切面分辨率（也称厚度分辨率）。

超声仪器是依靠回波脉冲的到达时间来确定目标的距离的。如果在声束方向有两个距离不同的目标，它们之间的距离为d，当仪器发射的脉冲被它们反射回来，会产生两个回波脉冲，它们的到达时间相差2d/c，这里c是介质的声速。如果这个时间差小于探头的脉冲宽度（ΔT），两个回波脉冲就会互相重叠，仪器不能分辨。因此仪器的纵向分辨率d大约等于：d=由于脉宽和带宽（B tr）成反比，即ΔT=1/Btr，因此纵向分辨率和带宽成反比。由此可见要提高纵向分辨率，就需要缩短探头的脉宽，或增加探头的带宽。实际上，带宽与探头的中心频率（f0）成正比，即Btr=b·f0，这里b为常数，它反映探头晶片的特性。目前商用探头的b值为0.5～0.7，因此，探头的纵向分辨率

由此可见，纵向分辨率大约等于超声波的波长，由于超声波频率越高越容易获得短脉冲，因此超声波频率越高，波长越短，分辨率越高。我们知道超声波的衰减具有频率依赖型，脉冲波中的高频成分更易衰减，从而造成脉冲波的带宽减小，因此探头的纵向分辨率会随传播距离增加降低。

超声成像诊断通过声束扫描得到目标的横向位置。当在人体内扫描的声束照射到一个目标时，就会产生回波。我们根据回波出现时的声束方位确定目标的横向位置。假设有探头距离相等的两个靠近的目标，显然，如果目标之间的距离比声束的宽度小，它们的回波就会出现在同一个声束中，仪器不能区分它们的空间位置。因此，最小的横向分辨距离大约等于声束宽度。为了提高横向分辨率，必须发射窄声束。

为了提高横向分辨率，超声诊断设备都采用聚焦探头。聚焦探头发出聚焦声束。在探头表面各点发出声场向正前方的一点会聚，在离探头一定距离处形成焦点。在焦点前后一段范围内声束很窄，幅度很大，称为焦柱。通过焦柱后声场扩散。聚焦可以采用透镜聚焦或电子聚焦实现。

除纵向分辨率和横向分辨率外，还有一个和它们都垂直的方向的分辨率，称为切面分辨率。最小的切面分辨距离大约等于声束的厚度。通过对切面方向侧向聚焦的方式可以提高切面分辨率。一般的线阵的电子聚焦不能达到切面方向侧向聚焦的目的，通常的方法是在探头前表面贴柱面的聚焦声透镜，或采用圆柱面的压电片，柱面的母线和线阵方向平行从而实现切面方向侧向聚焦。近年来推出的1.5维的新型探头可以在一定程度上实现切面方向侧向聚焦，从而提高切面分辨率。