www.paper.edu 超声成像换能器的应用现状及其展望 李文龙，菅喜岐
天津医科大学生物医学工程系，天津，300070
【摘要】作为超声波发射和回波接收器件的换能器，始终是医学超声成像系统中最为关键的声学部件。医学超声成像换能器的不断发展使超声图像更清晰，显示更直观。本文主要论述对人体不同部位进行超声检查换能器的应用现状、新型压电复合材料换能器、压电单晶材料换能器、宽频带换能器、三维成像换能器和电容式微加工换能器的技术发展及其展望。 【关键词】超声成像换能器；三维成像；压电材料；宽频带 0．引言
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。超声成像技术与其他成像技术相比，具有实时性好、无损伤以及低成本等独特优点，在实际临床中得到广泛应用。超声成像技术是利用超声换能器发出的超声波进入人体组织后，在人体不同组织分界处形成的反射回波，而进行成像处理的技术。超声换能器既是超声波发射器又是回波接收器，它是医学超声成像系统中最为关键的声学部件，是获得高质量图像的保
证。各种新的成像功能和方法的诞生也首先离不开换能器技术的革新。本文论述超声成像换能器的组成结构及其特性、应用现状、换能器技术的发展及其展望。
1．超声成像换能器的组成结构及其特性
按制作材料的不同，超声成像换能器可以分为压电陶瓷换能器、压电薄膜换能器、压电单晶换能器、复合材料换能器、电容式微加工换能器等。其工作频率在20 KHz~50MHz之间，一般来讲由压电薄膜和压电单晶材料制作的换能器工作频率比较高，压电陶瓷材料制作的换能器工作频率比较低。现在应用最广泛的是压电陶瓷换能器，一般由压电陶瓷阵元、匹配层、聚焦件和背衬块构成。压电陶瓷阵元是超声波发射和回波接受器件，构成换能器阵元有单阵元，也有多阵元，多阵元换能器阵元排列有线阵、凸线阵、环阵和两维阵等形式。匹配层置于阵元与人体皮肤之间，用其解决人体皮肤和阵元的声阻抗差异，使更多的超声波进入人体，同时加入匹配层后能提高换能器的灵敏度和带宽。聚焦件是使超声波波束能够有效聚焦，以提高换能器的横向分辨力。背衬块加在阵元的背面用来抑制不必要的振动和消除压电阵元背面声波的反射。
2．超声成像换能器的应用现状
目前B超成像设备上用得最多的换能器是一维阵换能器，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
www.paper.edu 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。
用于体表、小组织、颈部动脉检查的一维线阵换能器一般为128阵元，工作频率一般为7.5MHz或10MHz，临床应用中一些成像系统也有采用192或256阵元的高性能换能器；用于腹部和妇产科超声诊断的换能器多为一维线阵和一维凸线阵，一般为128-256阵元，其工作频率通常为3.5MHz或5MHz，凸线阵的曲率半径在40-60mm之间，其中40mm较为常用，凸线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；腔内壁超声成像一般多采用96-128阵元，工作频率一般为6.5 MHz，曲率半径为10-13mm的凸线阵换能器；用于乳腺、甲状腺的凸线阵换能器一般为128阵元，工作频率一般为5-10MHz，曲率半径为30-50mm；用于心脏功能超声诊断的换能器，由于受肋骨的限制，换能器不能像其它换能器一样随意移动，常采用相控阵实现多角度扫描，一般采用64阵元，工作频率在3MHz以下，临床应用中一些成像系统也有使用96或128阵元，3.5MHz或5MHz的高性能换能器。对于心脏超声诊断的另一种形式为避开肋骨的影响，采用食道插入式内窥镜心脏超声成像系统，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心脏功能超声检查的最佳位置，这种内窥镜换能器超声成像系统也可用于胃肠道疾病诊断，换能器外径为一般为10mm左右，工作频率为
5MHz-12MHz；用于外周血管、冠状动脉等介入性穿刺超声成像系统的换能器外径较小，一般为2mm，工作频率在12MHz-40MHz之间；眼科成像一般采用单阵元，凹面圆形换能器，工作频率多为1
挡风抑尘墙0MHz，采用机械扇扫[1]。
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。
3．超声成像换能器技术的发展
3.1 超声压电材料的发展
3.1.1 压电复合材料换能器
目前压电陶瓷是超声成像换能器中最常用的材料，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阻抗大，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以及超薄高频换能器不易加工等缺陷。20世纪70年代美国R.E.Newnham 和L.E.Cross等人开始对复合材料的研究[2]，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，目前研究和应用最广泛的为1-3
www.paper.edu 型压电复合材料，其具有高灵敏度、低声阻抗、较低的机械品质因数和容易
加工成型等特性[3-5]。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[6]，其性能明显优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，并应用于临床，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。
3.1.2 压电单晶换能器
1969年日本Nomura等人开始压电单晶材料的研究[7]，90年代中期压电单晶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又一研究热点[8-10]。如以铌锌酸铅-钛酸铅（PZNT）和铌镁酸铅-钛酸铅（PMNT）为代表的新型弛豫铁电单晶换能器，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压电陶瓷材料[11]。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能器的灵敏度和带宽[12]。1999年日本东芝公司研制了3.5MHzPZNT91/9型超声换能器，并获得了很高的分辨率和很强的穿透能力[13]，并应用于临床。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(LiNbO3)制作的高频单阵元压电单晶换能器，得到了很好的贯穿深度和图像的信噪比[8]。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压电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于临床。无石棉刹车片
3.2 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，目前仍大量应用，其对深部组织回声高频信号损失较大，影响超声图像的清晰度与灵敏度。上世纪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，而对深部组织时采用较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。上世纪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，例如同一换能器可以变换产生2.5、3.5、6MHz为中心频率的超声波，其频带宽度可以达到8MHz以上。超宽频带换能器已可以产生1.8~12MHz的超声波。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[14-16]。由于宽频带换能器能够接收声波在组织中产生的多次谐波，其包含的人体信息量大，能够提高图像的轴向分辨力，并且能提高超声成像系统的灵敏度。
www.paper.edu 3.3 三维超声成像换能器
与传统的二维超声成像相比，三维超声成像具有图像显示直观、能够得到被检查部位如容积、面积等的精确测量结果和可以缩短医生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[17,18]。
电脑备用电源
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[19]，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，可以像常规探头一样随意扫查，由计算机感知探头的运动轨迹进行采样，该方法操作灵活，可进行较大范围的的扫查，缺点是每次使用之前对系统必须校正，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阵元构成，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，为了实现三维重建，通常在成像平面的厚度方向上采用透镜实现聚焦，但由于透镜的焦距固定，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[20,21]。第一个商用二维阵换能器在1997年由奥地利Kretztchik进行研制，目前已应用于临床，但是由于制作工艺的限制，如复杂的二维面阵探头中传感器的并行处理技术、超声束的快速发射和接收技术等关键问题还未能解决，临床应用的二维换能器的阵元数还较少，对病变范围大的组织结构进行完整扫查还有一定困难，且仪器价格昂贵。
3.4 电容式微加工换能器（cMUT）
电容式微加工换能器是超声成像换能器发展的重要趋势[22,23]，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一个金属电极，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[22-24]，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[24]。 2002年美国斯坦福大学B.T. Khuri-Yakub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
www.paper.edu 且对cMUT的声场作了仿真研究[25-27]。目前cMUT还处在实验室研究阶段，未应用于临床。4．展望
医学超声成像技术已在临床上得到了广泛的应用，作为超声成像系统核心部件的换能器的研发在不断进行之中，从当初的频带较窄的压电陶瓷换能器，发展到现在部分应用于临床的贯穿深度深、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。随着最新超声医学基础理论、压电复合材料、压电单晶材料、cMUT和超声图像处理技术的进一步研究，一种成本低、宽频带、高频、多阵元、面阵列和微型化高性能的超声换能器将应用于临床，使超声图像更加清晰，更加直观。
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