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超声波换能器技术的发展
点击次数:748 发布时间:2019-05-24

1,超声压电材料的发展:(1)压电复合材料换能器:目前压电陶瓷是超声成像换能器中常用的材料,具有机电转换效率该、易与电路匹配、性能未定、易加工和成本低等优点得到广泛应用。同时,压电陶瓷材料也存在声特性阻抗高,不易与人体软组织及水的声阻抗匹配。机械品质因数高,带宽窄;脆性大、抗张强度底、大面积元件成型较难及超薄高频换能器不易加工等缺陷。20世纪70年代美国等开始对复合材料的研究,复合材料是将压电陶瓷和高分子材料按一定的连通方式、一定的体积比例和一定的空间几何分布复合而成,目前研究和应用广泛的为1~3型压电复合材料,其具有高灵敏度、低声特性阻抗、较低的机械品质因素和容易加工成型等特性。复合材料超声换能器可实现多频率成像。谐波成像和其他非线性成像,其性能明显由于压电陶瓷材料制作的换能器。部分谐波成像系统中采用复合材料制作的宽频带换能器,并用用于临床,同时由于复合材料换能器中高分子材料的使用会影响陶瓷的有效面积、声特性阻抗等。以及制作工艺复杂等原因,一维多阵元换能器等仍使用压电陶瓷;(2)压电单晶换能器:1969年日本Nomura等开始对压电单晶材料的研究,90年代中期压电单晶体材料由于优异的压电性能得到了研究者的广泛关注,目前压电单晶换能器是继复合材料换能器之后的优异研究热点。如以铌锌酸铅-钛酸铅和铌镁酸铅-钛酸铅为代表的新型驰豫铁电单晶换能器,其压电系数和机电耦合系数等指标远远高于目前普遍使用的PZT姚丹陶瓷材料。用压电单晶材料设计制作的换能器阵,有远远高于压电陶瓷换呢过器的灵敏度和带宽。1999年日本东芝公司研制了3.5MHZ PZNT91/9型超声换能器,并获得了很高的分辨率和很强的穿透能力,并应用与临床。2003年美国南加利福尼亚大学的Cannata等研制了用锂铌酸盐材料制作的高频但阵元压电晶换能器,得到了很好的贯穿深度和图像的信噪比。但由于单晶体生长工艺远比陶瓷制备工艺复杂。目前还不能生产出价格和姚丹陶瓷相比的压电单晶,只有很少一部分压电单晶制作的换能器应用与临床。

  2,宽频带换能器:早期标注在超声探头上如2.5、3.5、5、7、10MHz等工作频率一般是指其中心频率,其带宽约为1MHz,这类探头可称为单中心频率窄带换能器,目前仍大龄私用,其对深部组织回声高频信号损失较大,影响超声图形的清晰度与灵敏度。20世纪80年代中期,人们根据超声在生物组织中的衰减规律及其对超声图像的影响,开发了宽频带换能器,如中心频率3.5MHz有效带宽可达到3MHz左右的换能器,其检测浅表组织时采用高频率提高分辨率,而对深部组织是采用低频率形成衰减较少的回声信号,从而使深部组织结构得以较清晰的图像显示。20时间90年代,变频宽带换能器和超宽频带换能器在临床诊断中得到应用。目前临床上广泛应用的谐波成像技术也是在宽频带换能器的基础上发展起来的一种成像技术。由于宽频带换能器能接收入射超声在组织的基础中产生的多次谐波,其包含的人体信息量大,能提高图像的轴向分辨力,且能提高超声成像系统的灵敏度。

3,三维超声成像换能器:与传统二维超声成像相比,三维超声成像具有图像显示直观、能得到靶标的容积、面积等的测量结果和可以缩短医师诊断需要的时间等优点,三维超声成像一直是当前应用及开发的焦点。目前,主要有两种获取三维超声图像的方法。一种是利用现有的一维相控线阵获取一系列空间位置已知的二维超声图像,然后再对获得的图像进行三维重建,获取二维图像主要通过机械驱动扫查法和磁场空间定位扫查法。机械驱动扫查法是通过将换能器固定在计算机控制的机械臂上作扇扫或旋转扫查获取二维图像,由于设备复杂,技术要求高,该方法目前已较少使用;磁场空间定位扫查法是将磁场位置感应器固定在常规超声换能器上,测定换能器在采样操作时空间位置的变化;可以想常规探头一样随意扫查,有计算机感知探头的运动轨迹进行采样。该方法操作灵活,可进行较大范围的扫查;缺点是每次使用前对系统必须校正,扫查过程必须均匀缓慢,受人为因素影响大。另外,现有的一维线阵换能器在一维方向上由若干小陈元构成,可实现成像平面内的电子聚焦。而在距成像平面一定厚度的空间位置上只有一个阵元,无法实现电子聚焦,未来实现三维重建,通常在成像平面的厚度方向上采用声透镜实现聚焦,但由于透镜的聚焦固定,聚焦的效果比较有限。同时,通过二维图像重建三维图像的时间过长,三维图像的分辨率往往低于二维图像。由于二维图像是在不同时刻采集的,重建的三维图像难以实现活体组织器官的实时显示。第二中是利用二维面阵探头控制超声波束在三维空间的偏转方向进行聚焦,获得实时三维空间数据,然后重建得到三维图像。

4,电容式微加工换换能器:电容式微加工换能器是超声成像换能器发展的重要趋势,其应用大规模集成电路的制作技术,以硅材料为衬底,上面生长一层中间留有空隙的支撑体,然后在支撑体上覆盖一层薄膜,这样薄膜和硅体之间就形成了一层空气隙,在薄膜和硅体上分别加以金属电极,就形成一个具有振动薄膜的电容式超声换能器。cMUT具有灵敏度高、带宽宽、易于制造、尺寸小。工作温度范围宽及易于实现电子集成等由此岸,适合于制造大规模的二维面阵探头及高频探头,具有良好的带宽,穿透力可与常规压电陶瓷换能器相比。2002年美国斯坦福大学等在这一方面作了大量的工作,研制出了一维和二维的cMUT,并且对cMUT的声场作了仿真研究。目前cMUT还处在实验室研究阶段,未应用于临床。

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