第五節　超聲探頭

在各種超聲診斷儀器中發出和接收超聲波的器件是超聲探頭。大多數超聲診斷儀器中的探頭既作發射，又作接收，既向人體內發射超聲波，又接收體內反射和散射回來的聲波。發射時探頭把電能轉換成聲能，接收時又把聲能轉換為電能，因此探頭又稱超聲換能器。探頭的核心是以壓電材料制成的壓電晶片。壓電材料具有壓電效應，當它受到外力作用發生形變時，其表面會產生電壓和自由電荷。對它施加電場時它會產生應力，發生形變。超聲診斷常用的壓電材料是壓電陶瓷。壓電片的兩個表面鍍有電極，引出導線，與儀器中的發射和接收電路連接。當發射電路發出電信號激勵壓電片時，壓電片發生振動，同時向介質發出超聲波。由介質傳播回來的超聲波帶動壓電片振動，在電極上產生電信號，進入接收電路放大處理。

壓電陶瓷的聲速和密度都比較高，因此它的聲阻抗率比軟組織的大幾十倍。因此軟組織和壓電片之間的界面上聲反射系數特別大，如果讓壓電片和軟組織直接接觸，軟組織中傳來的聲波的能量大部分會反射回去，只有一小部分進入壓電片，轉換為電能。同樣，壓電片內的振動能量在兩個表面之間來回反射，維持比較長的時間，使進入軟組織中的聲脈沖幅度小，時間拖得很長。這種現象稱為壓電陶瓷和軟組織的聲學不匹配，不利于提高儀器的性能。為了改善壓電片和軟組織之間的匹配性，在壓電片的前表面貼一層或多層匹配層（圖1-5-1）。單層匹配層的聲阻抗率應該介于壓電片和軟組織之間，多層匹配層的聲阻抗率從略低于壓電片的聲阻抗率逐層過渡到略高于軟組織的聲阻抗率。為了能靈活地改變匹配層的聲參數，匹配層常用環氧樹脂類材料加其他改性材料配制，也可選用塑料和金屬材料。匹配層的形狀和壓電片的相同，厚度大約是超聲波波長的1/4。

當用電脈沖激勵壓電片或聲波從介質傳入使其振動時，它的振動時間常比激勵的電脈沖或傳入的聲脈沖長。這是由于壓電片的余振引起的。這種現象會使發射的聲脈沖和接收的電信號拉長，降低縱向分辨率。為了減少這種效應，壓電片的背面有背襯（圖1-5-1），背襯通常用環氧樹脂和金屬粉末配制而成，它的聲阻抗率與壓電片的接近。當壓電片受電信號或超聲波激勵振動時，相當一部分能量傳入背襯而被散射吸收，不再返回壓電片。這樣能縮短壓電片的余振，增加探頭的帶寬。背襯的形狀也和壓電片一樣，厚度比較大，為十幾至幾十毫米。

為了達到超聲成像的目的，儀器產生的聲束必須在人體內部掃描，實現聲束掃描的技術有兩種，機械掃描和電子掃描。

一、機械掃描探頭和聚焦

機械掃描通常使用一個或幾個聚焦單探頭，用機械的方法如馬達帶動，使其擺動或旋轉，探頭發出的聲束在成像區域掃描。儀器工作時，一方面記錄探頭的方向，同時接收回波，兩者結合，得到各個位置的回波，處理后成像。為了使探頭運動時能保持和人體的耦合，常把探頭裝在一個充滿液體的小盒里，探頭發出的掃描聲束經過液體透過靜止的盒壁與人體耦合。機械掃描的聚焦探頭有許多優點，其電路部分比較簡單，它的橫向分辨率在順著掃描的方向和垂直于掃描的方向（有時稱為側向）是一樣的。同時，它也有一些缺點。首先其機械運動部分影響了使用壽命。其次機械驅動的方式不如電子掃描靈活，掃描速度也不能太快，特別是不能滿足彩色血流圖的步進式的掃描。

二、電子掃描探頭、電子聚焦

電子聚焦和掃描使用陣列探頭，下面以常用的線陣探頭為例說明它的結構和工作原理。

在線陣探頭里有許多壓電單元等間隔地排列成一條直線。每個單元和單探頭相似，也由壓電片、引線、匹配層和背襯組成，但它的壓電片的尺寸很小，只有零點幾毫米。陣列探頭的每次發射或接收總是由全部或部分單元共同完成的。在發射時，如果參與工作的各個單元在不同的時刻發出聲脈沖，疊加以后就有可能得到聚焦的總聲場。因此超聲波從各單元到焦點的傳播時間也是不一樣的。我們按照各單元的傳播時間決定每個單元的發射時間，傳播時間長的先發射，傳播時間短的晚發射，使各單元發出的聲脈沖同時到達聚焦點。為了實現電子聚焦和掃描，激發時要在不同的時刻激勵各個單元，接收時要對各個單元的信號作不同的延遲（圖1-5-2）。在超聲診斷儀里有許多相互獨立的發射和接收電路，稱為通道。通過電子開關的選擇，在每次發射和接收時各個通道分別和一個或兩個單元連接。每次工作時只有少數單元（8～16個）參加，例如第一次工作時由第一～八個單元參加，第二次工作時由第二～九個單元參加。每次形成的聲束都和線陣垂直。這樣通過單元的切換使聲束在空間平行地掃描，每次發射聲束在空間平移了一個單元間隔的距離。

另一種常用的陣列探頭是相控陣探頭，它的前表面比較小（20～30mm），適于通過小的聲窗作檢查。相控陣探頭每次工作時所有的單元都參加，通過改變每個單元的激發時間和接收延遲改變聲束的方向，使聲束在空間掃描出一個扇形。由于時間的變化相當于波形的相位變化，因此這種方式可以看成由信號的相位控制聲束的方向，這也就是這種探頭名稱的由來。還有一種形狀介于線陣和相控陣之間的凸陣探頭，它的單元也排成一段圓弧，但圓弧的半徑比相控陣的大，它的尺度介于線陣和相控陣之間。它的掃描方式和線陣的接近但每次工作時聲束的方向略有變化。它的掃描區域是介于扇形和矩形之間的一個圖形。凸陣探頭多用于腹部，因為使用方便而廣受歡迎。

電子聚焦技術與機械掃描探頭結合，出現了一種環陣探頭。這種探頭仍然采用機械掃描的方式，但是它的壓電片不是單個的圓片，而是由幾個同心的圓環組成。在各個圓環上加上時延不同的脈沖，就可以在不同的深度聚焦。環陣探頭可以在橫向和側向達到同樣的聚焦效果。為了適應不同的需要，超聲探頭的種類非常多，內窺探頭是插入人體使用的超聲探頭。內窺探頭種類很多，主要有經食管檢查心臟用的，經直腸、尿道和陰道的，還有血管內用的。一般它們更接近檢查的器官，避開了皮膚、皮下脂肪等傳播組織，因此檢查深度比較小，可以選用更高的頻率，得到更精細的圖像。但是它們的體積必須很小，因此技術要求很高。內窺探頭也有機械掃描和電子掃描兩種，其基本組成部分和工作原理與上面介紹的體外探頭是一樣的。

面陣探頭是一種三維成像用的探頭。上述線陣探頭的單元排成一段直線，而面陣探頭的單元排成一個平面，因此它可以在三維空間內掃描，形成三維圖像。

三、超聲探頭的分辨率

空間分辨率是超聲探頭的一個重要指標。假設人體內有兩個小目標，如果它們之間的距離比較大，超聲儀器就能區分它們。如果它們之間的距離很小，儀器就可能把它們當作一個目標。儀器能夠區分的最小距離稱為空間分辨率，簡稱分辨率。分辨率和方向有關。沿聲束方向的分辨率稱為軸向分辨率（也稱縱向分辨率），沿掃查平面與聲束垂直方向的分辨率稱為側向分辨率（也稱橫向分辨率），垂直于掃查平面且與聲束垂直方向的分辨率稱為切面分辨率（也稱厚度分辨率）。

超聲儀器是依靠回波脈沖的到達時間來確定目標的距離的。如果在聲束方向有兩個距離不同的目標，它們之間的距離為d，當儀器發射的脈沖被它們反射回來，會產生兩個回波脈沖，它們的到達時間相差2d/c，這里c是介質的聲速。如果這個時間差小于探頭的脈沖寬度（ΔT），兩個回波脈沖就會互相重疊，儀器不能分辨。因此儀器的縱向分辨率d大約等于：d=由于脈寬和帶寬（B tr）成反比，即ΔT=1/Btr，因此縱向分辨率和帶寬成反比。由此可見要提高縱向分辨率，就需要縮短探頭的脈寬，或增加探頭的帶寬。實際上，帶寬與探頭的中心頻率（f0）成正比，即Btr=b·f0，這里b為常數，它反映探頭晶片的特性。目前商用探頭的b值為0.5～0.7，因此，探頭的縱向分辨率

由此可見，縱向分辨率大約等于超聲波的波長，由于超聲波頻率越高越容易獲得短脈沖，因此超聲波頻率越高，波長越短，分辨率越高。我們知道超聲波的衰減具有頻率依賴型，脈沖波中的高頻成分更易衰減，從而造成脈沖波的帶寬減小，因此探頭的縱向分辨率會隨傳播距離增加降低。

超聲成像診斷通過聲束掃描得到目標的橫向位置。當在人體內掃描的聲束照射到一個目標時，就會產生回波。我們根據回波出現時的聲束方位確定目標的橫向位置。假設有探頭距離相等的兩個靠近的目標，顯然，如果目標之間的距離比聲束的寬度小，它們的回波就會出現在同一個聲束中，儀器不能區分它們的空間位置。因此，最小的橫向分辨距離大約等于聲束寬度。為了提高橫向分辨率，必須發射窄聲束。

為了提高橫向分辨率，超聲診斷設備都采用聚焦探頭。聚焦探頭發出聚焦聲束。在探頭表面各點發出聲場向正前方的一點會聚，在離探頭一定距離處形成焦點。在焦點前后一段范圍內聲束很窄，幅度很大，稱為焦柱。通過焦柱后聲場擴散。聚焦可以采用透鏡聚焦或電子聚焦實現。

除縱向分辨率和橫向分辨率外，還有一個和它們都垂直的方向的分辨率，稱為切面分辨率。最小的切面分辨距離大約等于聲束的厚度。通過對切面方向側向聚焦的方式可以提高切面分辨率。一般的線陣的電子聚焦不能達到切面方向側向聚焦的目的，通常的方法是在探頭前表面貼柱面的聚焦聲透鏡，或采用圓柱面的壓電片，柱面的母線和線陣方向平行從而實現切面方向側向聚焦。近年來推出的1.5維的新型探頭可以在一定程度上實現切面方向側向聚焦，從而提高切面分辨率。