修改浅谈医用超声探头的发展_V2_超声探头手法提升图示

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医用超声探头的研究进展

周锡明1，安玉林2，沙宪政3（1.岳阳市一人民医院 设备科，湖南 岳阳，414000 2.解放军四零一医院 医学工程室，山东 青岛，266071 3.中国医科大学 生物医学工程系，辽宁 沈阳，110001）

摘要：本文阐述了医用超声探头在医学超声设备的发展中的重要地位，同时从材料工艺，结构技术以及应用前景等方面分析了医用超声探头的发展现状和应用前景。

关键词：医学超声设备；医用超声探头；医学超声技术 中图分号类： 文献标识码：

文章编号：(以后添加)The Development of Medical Ultrasound Probe

Zhou Ximing1, An Yulin2, Sha Xianzheng3

(翻译上面的)Abstract: This paper analyzes the important status of medical ultrasonic probe in the development of ultrasonic equipment。At the same time，from the material technology，structure technology and application prospect，discuing the current status and future development of medical ultrasound probe.Key words: Medical ultrasonic equipment;Medical ultrasonic probe;Ultrasound technolog随着科技的进步，医用超声诊断设备朝宽频带化、数字化、多功能化、多维化、信息化发展。现今的超声诊断领域已出现了新的技术，像超声内窥镜，超声CT，多维超声，血管内超声等。20 世纪末超声检查已占据各类医学影像检查方式的四分之一[1]。

超声探头是在各类超声诊断设备中占有重要的位置，常被称为超声诊断仪的“眼睛”，它既能将高频电能变换为超声机械能向外辐射，并接收超声回波将声能转换为电能，即具有超声发射和接收双重功能，其性能和品质直接影响整机的性能。了解超声探头的发展对了解医用超声诊断领域的发展具有重要的意义。

1医用超声探头的应用现状

超声诊断是一种无损伤、实时性好、无电离辐射、使用方便、低成本、适用范围广的影像诊断方法，尤其是现代各种新型超声诊断设备应用于临床以来，超声诊断技术在现代化医院内具有很重要的地位，国际公认，医学超声成像技术、X-CT、MRI及ECT是现代医学成像技术的四大医学影像技术，已广泛应用于心脏科、产科、眼科、肝、肾、胆囊及血管系统等。

医用超声探头作为医学超声成像系统中最为

关键的声学部件。医用超声探头的特性具有使用特性和声学特性两大方面，使用特性主要有工作频率、频带宽度、灵敏度、分辨率等。而声学特性是指探头中换能器的阻抗特性、频率特性、换能特性、暂态特性、辐射特性和吸收特性等。

医用超声探头的主要特性跟它的换能器有着重要的联系。目前超声成像设备上用得最多的医用超声探头是一维阵换能器，该换能器已被应用于体表、小组织、心脏、腹部、妇产科和眼科等部位的超声诊断中，根据人体不同部位及器官临床诊断的要求制成不同形状大小、不同阵元数和不同频率的一维阵换能器。一维阵换能器又常见为一维线阵和一维凸线阵，凸阵换能器具有线阵换能器可进行多段电子聚焦和机械扇扫换能器具有宽阔视野的优点，在临床中得到了广泛的应用。

相控阵换能器常用于心脏功能超声诊断，心脏功能超声诊断由于受肋骨的限制，换能器不能像其他换能器一样随意移动，相控阵换能器采用实现顺序变角度扫描，临床应用中一些成像系统也有使用一些高性能换能器来做心脏功能超声诊断。对于心脏超声诊断的另一种形式为避开肋骨的影响，采用经食道心脏超声成像系统，该系统中换能器在平行或垂直于换能器平面的两个方向控制移动，以达到从心脏侧后方进行超声检查的最佳位置。

机械扇扫换能器常与内窥镜技术结合用于胃

肠道疾病诊断，也可用于外周血管、冠状动脉等诊断；单阵元凹面圆形换能器一般常应用于眼科成像；目前已有部分采用压电复合材料的宽频带换能器应用在临床多频率成像和谐波成像；采用压电单晶材料制作的高频换能器有的也应用于眼科超声成像中，用于妇产科、心脏等部位的超声成像系统有的也采用二维面阵换能器进行三维成像。

总之，由于超声医学工程技术的进步，超声探头由原来体外用的长形、圆形、凸形发展到各种腔内探头、管内探头，尤其是将数毫米直径的微型导管探头置于内窥镜的顶端或直接导入管腔，可以介入到腔内和血管内，甚至心脏冠状动脉内进行诊断以及辅助治疗。

2医用超声探头的关键技术和发展

目前，医用探头种类繁多，其性能也不尽相同。但是其基本结构是类似的，探头由插头、压电振子、声透镜、匹配层、吸声块、支撑架、声头外壳和电缆线构成。其中由压电振子、匹配层、声透镜和吸声块组成的医学超声换能器是是医疗超声系统中最为核心的声学部件，其研制理论及技术涉及到声学、信息、电子、材料、物理等多个领域。2.1从材料发展方面来讲

压电振子是探头中最重要的部件，是一个可逆的机电换能系统。压电陶瓷是目前应用最广泛的压电材料[2]。其具有机电转换效率高、易与电路匹配、性能稳定、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、抗张强度低、大面积元件成型较难及超薄高频换能器不易加工等缺陷。

在20世纪90年代取得突破性进展的是弛豫型铁电压电单晶[3]。2004 年，飞利浦将压电单晶（PMN-PT）应用到X7-2面阵换能器上，图像质量有了突破性提高。

基于锆钛酸铅（PZT）陶瓷的压电复合材料，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，其机电耦合系数高、声阻抗较低且易加工成型，在医用超声换能器中应用较多的是 1-3 型和 2-2 型[4]，其中1-3 型复合材料具有高灵敏度、低声特性阻抗、较低的机械品质因数和容易加工成型等特性[5]。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，其性能明显优于普通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，并应用于临床。如Odile Clade 等人用1-3型复合材料研制了中心频率为 3.5 MHz 凸阵和7 MHz 线阵相比陶瓷换能器带宽增加了15%~25%[6]。T.R.Shrout 等人使用细颗粒压电陶瓷制作2-2 型在高频超声换能器中有着很好的应用前景[7]。

压电材料未来的发展趋势是复合化、功能特殊化、性能极限化和结构微型化，最近一个阶段的发展方向集中在: 高居里温度压电材料、细晶粒压电陶瓷、无铅压电材料三个方面[8-9]。2.2 从结构技术方面来讲

传统压电超声换能器，均是基于压电振子、匹配层、背衬等核心结构[10]，然而传统换能器的设计及工艺，已经难以满足探头微型化、集成精密化的发展趋势。

近年来国际上有研究者利用由集成半导体工艺衍生而来的 MEMS（Microfabrication Proce）微加工工艺，开发了一类新型的医用超声换能器: 微加工超声换能器（Micromachined Ultrasonic Transducers，MUTs）。MUTs 利用微薄膜的弯曲振动发射和接收超声波，省却了传统换能器中的匹配层和背衬。根据机电转换机制的不同，MUTs 可以进一步划分为电容式 cMUT（capacitive MUT）和压电式 pMUT（pie-zoelectric MUT）两种。cMUT 最大的优势在于超宽的频带宽度[11]，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优点。而pMUT 是集压电薄 / 厚膜技术和硅微加工技术于一体，利用振膜的弯曲振动模式发射和接收超声波的器件[12]。从而从结构上不断创新。医用超声探头的应用发展前景

3.1与光学集成应用

医用超声内窥镜以电子内窥镜系统为基础，将超声换能器经由电子内窥镜活检通道伸入体腔，接近目标器官，既可以直接观察粘膜表面的病变，还可以通过超声扫描获得器官管壁断层的组织特征，不但扩大了普通内窥镜的诊断范围，而且提高了普通内窥镜的诊断能力。医用超声内窥镜是电子内窥镜技术与超声传感技术，微机电技术，现代计算机技术等高新技术的不断发展和融合的产物，是当前应用前景非常广阔的医疗仪器之一。

随着内窥镜在医学临床的普及应用，更加现代化，合理化，人性化，智能化的内窥镜设计与制造，显得尤为重要。超声内窥镜的探头细径化，变频，兼容性强以及图像处理自动化的发展进程中同时对医用超声探头的制作提出了新的要求，主要表现在细径、高频以及变频技术。3.2与导管介入手术集成医用

冠状动脉造影（CAG）是一种安全可靠的有创诊断技术，现已越来越多地被临床所接受，曾一度被认为是诊断冠心病的金标准。但是CAG只能显示血管长轴的管腔投影影像，无法分清管腔的实际形态，对病变位于腔内或壁内无法区别，更无法了解斑块的组织特性。随着PCI的发展，介入医师需要对冠脉内的解剖结构及病理生理状况进行全面的了解以指导介入治疗，单纯冠脉造影已不能完全满足临床的需要，而血管内超声（IVUS）是无创性的超声技术和有创性的导管技术结合起来的新的诊断方法，准确掌握血管的管壁和狭窄程度。它对冠脉进行切面显像，不仅可观察到管壁结构和管腔形态，还可准确地测量血管直径、管腔面积和斑块面积，明确斑块的性质和偏心程度，明确血管造影中等程度冠脉狭窄病变的性质、严重性和稳定性，指导进一步的治疗，已被广泛应用于临床。

血管内超声探头大致划分为机械旋转型单探头和电子扫描阵列式探头[13]两种。机械旋转型式是将装载有单晶体的转换器设计在外鞘内，利用一个灵活的传动轴带动转换器发生机械旋转获取图像。电子扫描阵列式通过由多个阵元呈环形排列在导管顶端，通过电子开关的逐次连续激励，从而获得

360°横断面图像。

IVUS已被广泛应由于临床，但它还存在一定的局限性。IVUS成像中的伪像使近场图像变得模糊，从而使超声导管的大小较其实际大小增大。超声导管与血管长轴不垂直会导致图像的几何形状失真。超声导管的大小也限制了其在严重狭窄病变中的使用。相控阵探头具有较机械探头更小的外直径，但是其分辨率明显低于机械探头，影响成像质量。3.3三维实时动态成像

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、面积等的精确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。

另外一种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。所以面阵换能器即多维高密度超声换能器的研制引起了人们的极大兴趣。目前用于临床的商业化面阵探头，主要采用单晶材料，然而研制面阵换能器存在着很多技术难题[14]，如灵敏度低、阵元引线复杂、系统发射/接收通道数等问题。心脏实时三维超声成像技术正在逐步发展中。

3.4高频探头的高速发展

因医学成像对更高分辨率的追求，使得高频超声（≥20 MHz）成像成为一个研究热点。在皮肤科、口腔科、眼科、肌肉骨骼系统疾病的诊断，以及小动物活体成像等领域得到广泛应用。此外，超高频（≥50 MHz）超声可以有效地诊断青光眼和眼部肿瘤。美国南加州大学 NIH 医学超声换能器技术中心在该领域处于领先地位，Shung K． K 教授领导的团队研制了多种高频超声换能器，例如中心频率为 67MHz 和 100 MHz 的 32 阵元超声换能器阵列[15]。加拿大 Sunnybrook 研究中心 S． Foster 教授领导的团队，研制了（30 ～ 80）MHz 高频超声换能器。美国Volcano 生产的 Revolution 心血管内导管系统，使用了中心频率为

MHz 的相控阵。美国 Boston Sci-entific 研制了含有 40 MHz 机械旋转超声换能器的iCro 心血管内导管超声系统[15]。结束语

医学超声成像技术已在临床上得到广泛应用，作为超声成像系统核心部件的换能器研发在不断进行中。从当初的频带较窄的压电陶瓷换能器，发展到目前部分应用于临床的穿透深、信噪比高的压电单晶换能器、三维成像换能器和广泛应用于临床的宽频带换能器。宽频带、多维高密度、高频、微型化腔内集成探头和环境友好是未来超声换能器发展的主要方向。医学超声技术的发展使得超声成像成为临床诊断领域的重要组成部分。

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