多晶片超声聚焦探头

多 晶 片 超 声 聚 焦 探 头 朱儒 良 陆宝琴 (中国科学院东海研究站) 一 、 引 言 超声聚焦探头作为超声断面图象系统中 不可缺少的部份 , 愈来愈显示出它的重要性 。 自六十年代后半期开始 , 国外对单晶片聚焦 探头进行 了广泛的研究 , 而对于多晶片探头 到七十年代才开始受到人们的重视。 性能 良 好的多晶片聚焦探头 ] . 97 6年左右才被研制出 来 〔11 【幻 , 而带有 阻抗匹配层的多晶片聚焦探 头 1 9 8 0年后才有产 品出现 。 随着基础研究的 深入 , 人们能容许接受超声功率的剂量愈来 愈低 , 所显示的人体断面图象要求愈来愈清 晰 。 所有这些 , 都对超声探头的性能提出更 高的要求 。 对于超声探头来说 , 具有宽阔的频带或 低的 O值 、 短的脉冲响应 、 低的损耗和高的 灵敏度 , 是十分重要的 。 而对于多晶片聚焦 探头 , 还希望有较窄的近场声束 、 弱的横向 偶合 、 弱的近场多次反射 , 则更为重要 。 这 些 因素在许多方面影响着整个 系 统 的分 辨 率 。 本文以下将对多晶片聚焦探头的设计方 法进行简要的论述 , 并介绍我们于1 9 8 0年研 制成功的多晶片超声聚焦 探头的性能 以及它 所显示的图象质量 。 结构工艺过程都有着密切的联系 。 由于探头 工作频率较高 、 波长较短 , 所 以探头的各个 部件的物理性能 、 几何形状 、 加工精度 、 胶 层的均匀性 、 微小气泡 , 都对探头的性能产 生重大影响 。 1 . 多晶片超声聚焦探头的近场声束 对固定频率 f、 固定曲率半径 R 固定开 口半 径 a 的探头来说 , 只是在特定的距离上才有 较窄的近场声束。 因此我们必须根据所探测 的 目标大部份落在什么距离上和要求达到的 横向分辨率 , 来确定探头的线度和几何形状 。 在文献 (句 (4 )(5) 中 , 已导出了圆形和长方形 聚焦探头的近场声束计算 , 可用以计算 探头的近场声束 。 为了便于比较起见 , 这里 将平面形探头的声束先列出 。 平面形探头 其最佳直径可由下式决定〔幻 : a = 2寸一天万. (i) 式 中H 为探测深度 , d 为探头直径 , 入为 波长 。 平面形探头在近场 区域中的 (0 ~ H ) 能 量 , 是以直径为 0 . 9 6d 的圆柱形声束进行传 播的。 在此距离内 , 声束宽度近似为d , 以后 声束开始发散 , 到达 ZH 距离时 , 此时声束宽 度等于 l . 3 5 d (如图 1 ) 。 二 、 多晶片超声聚焦探头 的构成与原理 多晶片超声聚焦探头是由于它的辐射面 做成曲面形状 , 以便获得较窄的近场声束 , 故称聚焦探头。 探头的性能与探头的设计 、 图 l 平面形换能器的近场声束 圆形聚焦探头 圆形聚焦探头束宽随距离变化关系由下 一 3 2 一 式来确定 【s1 : 、少、.户n夕n口J‘、了‘、B _ .b 、主 a (R 一 z ) R 。 s in 兀 a Z 2入 (R 一 Z ) B _ 2 0 (l b 亡 1 . 9 2 a (尺 一 Z ) 。 , 派a Z 八 ‘ ”川~万万 ( R 一 Z ) R Z 曲率中心点上 的束宽 由下式来确定 B 二 一 6 , b = 2入R / 二a ( 4 ) B ; 一 Zo d b = 1 . 2 2入R / a ( 5 ) 式 中 : a为探头的开 口半径 ; R 为探头的曲率半径 ; 入为波长 ; z 为距离 。 长方形聚焦探头 长方形聚焦探头的束宽随距离变化关系 由‘下式确定 : 。 _ ‘d 、一率恻 兀 4尺口(R 一 Z ) [C : 2 (X ) + 5 1 2 (X )〕 ( 6 ) 式 中 : C l (x , 一厂’ C O S X 径中遇到不同的声阻抗界面时 , 它就产生反 射回波 。 现在 , 可以区别声阻抗相差仅百分 之一 的两层相邻界面 。 下面我们分析一下探 头的压 电晶体和人体组织的声阻抗特性 。 为 了便于参考起见 , 将其他几种有关材料的声 阻抗也列于 1 中。 压 电晶体的声阻抗在35 x 10 6k g / s. mZ 左 右。 人体表层组 织的声 阻抗在2 . 0 x 1 0 6 k g / S · m Z 左右。 两种介质声 阻抗相差很大 , 当声 波通过时产生强烈的反射回波 , 并且在两层 介质中间来回形成一连串反射回波 , 而且其 反射强度远远超过人体表层组织内的反射波 强度 。 会造成诊断仪近区图象不清晰。 此外 , 两层介质阻抗的严重失配 , 会大大降低探头 的传输系数 , 所以在探头的压 电晶体和人体 介面间插入阻抗渐变层—阻抗匹配层 , 可以在很大程度上减弱多次反射回波的强度 。 在超声探头中 , 大都采用高阻尼背衬材料 , 以便获得宽阔的频率响应 , 但是探头的大部 份声功率向背衬材料辐射 , 会大大降低探头 表 1 各种介质的声阻抗 甲厄蕊万 声阻抗值 1 0 6 k g / s · m Z 23909801845289684881 ,。48990777608 151.51415611.530093.031划3032曰131413131118.33.3335.29S ; (X ) r X , 。 ; 。 。1 0 之1 1 人 ,一 I_ 一产万二二u x护 u 习 芯沥x 而口2 X , = 井{岑一(R 一 Z、入R Z ” 987765641517567340八自n‘Q曰,目ZA 行才叮‘46 .王少 铝硬 a 为长方形聚焦探头的短轴开口半径 ; R 为长方形聚焦探头的曲率半径 。 根据公式 (幻 ( 3 ) ( 6) , 可以计算各种距离 下的声束宽度 。 它表示了传播介质不存在吸 收 、 散射 、 反射情况下 , 探头的近场声束的 形状 。 实验了在声焦区附近声束随距离 的变化与上述计算相符合 。 人体内的声 阻抗 变化很大 , 吸收也很大 , 并存在各种散射和 反射体 。 因此 , 人体内的声场分布和声束形 状将是十分复杂 , 而有待于研究的课题 。 2 . 声阻杭匹况和匹配层的选取 声扭杭 匹 配 超声探头在向人体辐射声波而在传播途 介 质 水( 3 7℃ ) 人体软组织 肌组织 脂肪组织 骨 骼 硬橡皮 聚醋树脂 聚乙烯 有机玻璃 氯化聚醚 聚四氟乙烯 聚氯乙烯 聚苯乙烯 天然胶 传播速度 密 度 m / 5 9 / e m Z 1 5 2 3 1 . 0 0 1 5 0 0 1 . 0 6 1 4 0 0 1 . 0 7 1 5 8 0 0 . 9 5 3 3 8 0 1 . 8 0 1 40 0 1 . 1 2 5 5 0 1 . 2 9 3 0 1 . 0 5 2 6 0 0 1 . 1 9 2 2 5 0~ 2 2 3 0 1 . 4 0 8 1 3 8 0 2 . 2 0 9 2 2 0 0 1 . 4凌6 铝镁 一合金 石英玻璃 瓷 钦 PZ T 一SA PZ T 一2 L IN b o : N B S 一1 7 1 4 7 0 5 1 0 0 5 2 0 0 5 2 0 0 5 3 7 0 4 88 0 4 2 0 0 4 3 5 0 4 4 2 0 7 4 0 0 45 0 0 一 3 3 一 的 电声效率和灵敏度 。 适当地选取匹配层的 声阻抗 , 同样可 以获得很宽的频率响应 , 并 且在整个频率范围内得到较高的灵敏度 。 匹 配层的选取 设带有匹配层的聚焦探头模式如图 2 所 示 , 负载为水介质 , 声 阻抗为 z , , 第 ￡层匹 配层的声阻抗为 z ‘, 压电元件的声 阻 抗 为 zo , 背衬材料的声阻抗为 z , , 相应的声速和 厚度 分 别 为 V : 、 V ‘、 V 。、v 。、 t: 、 t ‘、 , 。、 t。 , 用 z : , 表示第 乞层匹配层 引入的输入阻抗 。 利用 传输线公式 : 在一层匹配层情况下 : , , , 、 (Z 厂 一 e o ss , 一 乞Z , 。 s主n 夕, 、 z : 1 (力 一今冬三: 兰二岑上共岑口华答攀 · (Z , · e o 。夕1 一 艺Z 乙 · sin 夕i ) _ Zl 气 Z L 2 12 · e o 昌2夕i + 2 2 : · sin Z夕i _ 2 1 (2 1 2 一 2 2 : )s主n 夕1 · sin s 2 1 2 · c o 吕2口i + 2 2 : · sinZ 夕i Z : ‘(f) ~ - 式中 8 ‘= 2 二t ‘ 入* (f)为第 率的函数 。 Z ‘一 i 一 艺Z *t g 夕、 z ‘一 ‘2 1一 it g夕i ( 7 ) / 入‘(了) 艺层匹配层中的波长 , 它是频 = R e Z : : (j) 一 Io Z T I (f) ( 8 ) 由上式我们可以求出引入一层匹配下的 输入阻抗对频率的关系曲线 。 当 t : = (2机 十 1)入; (ft)/ 4 时 。 (8 )式的虚部为零 , 实部为 Z : : (f , ) = 2 1 , ·及 / 2 2 : = 2 1 2 /人 ( 9 ) 在最理想的声阻抗匹配情况下 。 令 Z : 1 (f , ) = Z 。 (f , 为共振频率) 代入式 (9) 得 z : 二丫 z 。 · z : ’ (10) 在两层匹配层情况下 , 有 Z : : (j) = Z : · 2 1 一 Z : · Z , · tg 夕, · t g夕: 一 云(2 12 · tg 8 1 + 2 1 ·Z : Z , Z : 一 2 12 · t g 夕1 · t g 夕: 一 艺(Z : ·Z : ·t g夕1 + 2 1 · 2 2 · t g o : ) g 夕2) 够 : · Z , 一 2 1 2 : · tg 0 1 · tg夕2)(2 1 · Z : 一 2 1 2 · tg夕, · tg o : ) + (2 1 , · tg o , + 2 12 : tg o : ) (2 1 · Z : 一 2 12 · t g o : · tg 夕, )2 + (Z 、z , tg 夕1 + 2 1 2 : t g召2) (Z : ·2 2 · t别 , 一卜2 1 · Z : · tg 内) , + 艺Z : (多不乙三 Z : · Z : tg s , · tg 夕: )(Z : Z Z tg s , + 2 1 · Z : · t g夕: ) 一 (2 1 · Z : · 2 1 , · t g 8 1 · tg o : ) (Z , ·Z : 一 2 1 2 ·t g夕: · tg夕: ) 2 + (2 1 2 · tg 夕, + Z , · (Z , . 2 : - g 夕1 + 2 1 . 2 : , t g o i + 2 1 · 2 2 tg 夕2) · tg s: ) 2 (1 1) 式中 0 , = (2 , + 1 )云1 / 入; (f) 凡= (Zm + 1 )tZ / 入: (f) z R i(f) 在共振情况下 , 即 f= f, , 令 t , = 入1 (f, 一 入: (f, ) 4 代入上式 , 则可求得 : 2 0 12 。 一⋯一 Z LZ ; , (f, ) = 及 · Z 名令 z T : (l , ) 一 zo 代入上式有 背衬阻尼材杆 水 负载|.n|||幻11||eeZ 乙 一 Z ( 1 2) 图 2 匹配层探头的物理模式 一 3 4 一 调节两层匹配层声阻抗 , 使下列等式成 立 Z : / 2 1主 2 2 / Z 。 代入式(1幻 , 可求得 2 1 亡澎 Z 。· Z : 3 (1 3) Z : 士澎 2 0 3 · Z : (1 4) 当了一 3MH z 时 , 计算结果如下 。 一层匹配 Z , 之 6 . 2 x l护k g /s ·扩 两层 匹配 2 1 生 3 . 2 x lo 6 k g / s · m Z 2 2 三 1 3 . 1 X I O6 k g / s . m Z 三层匹配 Z , 止 2 . 9 3 x 1 06 k g / s · m Z Z : 经 7 . 7 4 x 1 0 6 k g / s · m , 2 3 之 2 2 . 4 x 1 0 6k g / s . m , 匹配层的厚度如下 : 两层匹配 第一层 材料 公~ 入(f 忿) / 4 (m m ) 聚醋树脂 0 . 盯 有机玻璃 0 . 邓 氯化聚醚 0 . 19 聚氯 乙烯 0 . 12 聚苯 乙烯 0 . 邓 第二层 铝镁合金 。. 43 石英玻璃 0 . 肠 瓷 选择匹配层的材料是相当重要的 , 它不 仅要满足特定阻抗的要求 , 而且选择插入损 耗相对小的材料 。 此外这种材料的柔顺性 、 老化性能 、 可粘性同样十分重要 。 满足一层 匹配层声阻抗的材料是金属粉和塑料的混合 物 , 要把它制成很薄的并具有一定曲率半径 的元件 , 也是有不少实际间题的。 满足两层 匹配层声 阻抗的材料较多 , 但也因受到各种 条件的限制 , 不能方便地进行试验 。 我们选 择有机玻璃为第一 匹配层 , 石英玻璃和铝镁 合金为第二匹配层 , 并把这两种材料按相应 的曲率半径制成曲面形状 。 压 电元件和匹配 层必需保证彼此吻合 , 以避免粘结胶层增厚 而引进插入损耗。这是一个比较困难的事情 , 一般要求胶层的厚度为 0 . 0知肚m 左右 。 带有阻抗匹配层的超声探头 , 特别是单 探头 , 其性能远优于一般探头 。 而对于多晶 片聚焦探头 , 则必须克服许多技术上的困难 , 才能获得较好的效果 。 3 . 阻尼层 一般压 电材料机械 Offt 较高 , 其内耗较 小。 它具有较高的发射效率 , 但有较长的发 射脉冲响应 , 即当发射脉冲波结束时 , 探头 仍有较长时间的余振 , 形成 比发射电脉冲宽 得多的脉冲响应 。 余振的宽度往往几倍于发 射脉冲宽度 , 具有较长脉冲响应的发射波 , 会使整个系统的纵向分辨率降低。 为了获得 极为短暂的脉冲响应。 人们一方面研究新型 的压 电材料 , 另方面则在探头上施加背衬阻 尼材料 , 以使脉冲余响缩短 。 高阻抗 、 高衰 减的背衬阻尼材料 , 可使探头的脉冲余响变 窄 , 并且使探头的频率响应变得更为平坦 。 这也是人们所期望的。 但高阻抗阻尼层吸收 了探头的大部分声功率 , 从而使有效电声效 率降低 , 灵敏度亦相应降低 。 低阻抗高衰减 的阻尼层 , 可在一定程度上提高探头的灵敏 度 。 阻尼层高衰减的目的是吸收探头 向后辐 射的声能 , 减低有害的反射回波强度 。 采用 一种特殊形状的尖劈形阻尼层会得到更好的 结果 。 我们作了30 “和 45 。尖劈形阻尼层 , 效 果较好 , 特别是 30 。的更好 。 4 . 过渡层 探头在使用过程中经常产生摩擦 , 还涂 上各种祸合剂 , 这样很易损坏 , 所以必须加 上保护层或称过渡层 。 过渡层的声学特性应 接近人体的声 阻抗 , 才不会增大插入损耗和 增加反射回波强度 。 过渡层的厚度及形状仍 取决于它的声学特性 。 5 . 压电晶片闯的橄向栩合影晌 和 晶 片 的分创 多晶片聚焦探头的压 电元件应具有较低 的横向祸合系数 , 但有较高的厚向藕合系数 。 由于压 电元件很薄 , 因此分割压电晶片是相 一 肠 一 声诊断仪研制的。 该诊断仪经上海市第六人 民医院 、 上海市中山医院、 上海市肿瘤医院 经三个月的临床诊断试用 , 表明该诊断仪所 显示的图象清晰 , 基本满足临床诊断要求 。 详见( 9 ) (1 0) 绍松两位同志的关心和帮助 , 上海东明厂对 我们的支持还有其他一些同志提出了宝贵意 见 , 在此 , 一并表示谢意 。 另外我们和沈志 华同志作了许多有益讨论 , 在此也表谢意。 四 、 结 束 语 参 考 文 献 国内外把多品片超声聚焦探头作为超声 医疗仪器的重要课题来进行研究 。 这一方面 说明了探头的重要性 。 另一方面研制性能优 良的探头涉及到许多问题 , 如 曲面形声学基 阵的近场理论、 宽频带换能器的研究 、 曲配 层 的传输特性理论研究 、 扫描波束的旁瓣仰 制、 声场测试 , 还涉及到压电材料的特性研 究和探头工艺过程的研究 , 即涉及到许多方 面的研究工作。 另外 由于工作频率较高。 波 长为毫米量级 , 所 以必须设计专门的制备方 法才能保证所需的精度 , 上面这些间题对研 制性能优 良的探头增加了复杂性。 本文定性地论述了多晶片超声聚焦探头 的基本原理 , 简要地介绍了我们所研制的聚 焦探头的性能 。 我们从压电元件曲面加工 、 阵元分割 、 匹配层的制备初步建立了一 套方 法 。 并在理论上进行了一些研究 , 但这些工 作还是初步的。 在研制过程中 , 我们得到了向大威 、 冯 [ 1 ] K o s s o ff , G . R o bin s on , D . E . 助d G a r re tt , W . J . “ U ltra s o n i e T w o 一D i刃ne n s io n a】 V i吕u ai iza ti皿 T e eh n i叫e s ” IE E E . V OI S U 一1 2 N o . 2 Ju m e 1 9 6 5 [ 2 〕K o ss o ff, G . R o b in s on , D . E . a n d Ga r re tt , W . J . “ U lt ra so n ie T w o 一D i m 即s io n 叭 V is u 时iz a ti叨 fo r M e d iea l D iag n o s ie , , T . A . 5 . A V ol . 4 4 N o . 5 N o v em b er 1 9 6 8 . 〔3 ] 奥岛基良、 大椒茂雄 “凹面振动子O 已 一 人 幅O 近似评价法上可变开口振 动子“ 【4 〕饭沼一浩、 桥 口六雄 “凹面振动子亿止石超音波已一 占幅O 作图法” 日超 医论文集2 4 : 4 3 、 1 9 7 3 【5 〕朱儒良 、陆宝琴“超声聚焦探头的近场声束计算 ,’( 东海 站内部报告) 【6 ] 朱儒 良、陆宝琴 超声聚焦探头的凹面声场 【7 〕布列霍夫斯基 “分层介质中的波” 【8 〕陕西师大应用声学所超声研究室 全国生物医学超声学术医用超声仪器科技情报 会议资料 医用相控阵超声换能器的初步研究 【9 1 ST S 一1 超声实时图象诊断仪试用报告上海市第六人 民医院 周永昌 闻挥 【1 0」 ST S 一1 超声实时图象诊断仪试用报告 上海市中山医院 徐智章 沁啼嘴州 {‘袱>叫冲只>叫卜叫沁拭水, <卜只冲州卜州卜州卜州》‘代冲<冲吠冰州卜州卜州卜州卜, <冲袱卜州 )‘拭)。<)二<)《拭》仁袱)c 拭>c 叫卜叫》C州>。<卜州冲岭。夺州冲心叫 (上接第 n 页) [2 』上海市区域环境噪声研究组 , 上海市区域环 境噪声标准(建议)研究说明 , 1 9 8 10 [3 ] Jan 一In ge G u s tafso n an d S ta至o n E ina r‘so n , G 砚le ry H o u se s w ith R e sp e e t to T ra至fie 卜[O1 8e 1 9 7 3 in te r 一n o ls e . [4 ] C z a rn e e k i , 5 . C o m p lex M e tho d o全 N o lse C劝n tr of in U rb a n 人r ea s , 1 9 78 in te r一n o is e . 【51 马大酞 , 微穿孔板吸声结构的理论和设计, 中国 科学 , N o . 1 , 1 9 7 5 . 一 3 8 一