一、压电换能器
超声波诊断仪通过探头产生入射超声波（发射波）和接收反射超声波（回波），是诊断设备的重要组成部分。高频电能激励探头中的晶体产生机械振动，反射超声波的机械振动可通过探头转化为电脉冲。也就是说，探头可以将电能转化为声能，也可以将声能转化为电能，所以探头也被称为超声波传感器。其原理来自于晶体的压电效应。
1.压电效应
压电效应一般是指1880年法国物理学家居里兄弟发现的晶体在弹性介质中的声电可逆特性，也称为居里效应(图7-4)。
图7-4 晶体压电效应
具有压电效应的晶体被称为压电晶体。目前常用于超声探头的晶体片有锆酸铅、钛酸钡、石英、硫酸锂等人工或天然晶体。钛酸钡和锆酸铅是在高温下烧结的多晶陶瓷体。将空白烧结成陶瓷体后，经过适当的研磨和修复，得到所需的几何尺寸，然后用高压直流电场极化，具有压电性能，成为能量传输设备。
(1)正压电效应 在晶体或陶瓷的一定方向上，加上机械力，晶体或陶瓷的两个应力表面产生相反的电荷；相反的变形方向，电荷的极性变化，电荷密度与外部机械力成正比，表面电荷效应被称为正压电效应，如图所示(a)。
(2)逆压电效应 在晶体或陶瓷表面沿电场方向施加电压，在电场作用下引起晶体或陶瓷几何形状应变，电压方向变化，应变方向变化，变形与电场电压成比例，称为逆压电效应，如图7-4所示(b)。
一般来说，压电效应是线性的，但当电场过强或压力过大时，就会出现非线性关系。
由于切割方向和几何尺寸的不同，晶体和陶瓷片产生的固有机械振动频率也不同。当外部交变电压频率与固有频率一致时，产生的机械振动最强；当外部机械力频率与固有频率一致时，产生的电荷也最大。超声波诊断仪中激励脉冲的频率必须与探头的固有频率相同。
2.压电换能器的特点
压电换能器的特性参数很多，现在只介绍以下三种。
(1)频率特性 压电换能器的晶体本身是弹性体，因此具有固有的谐振频率。当施力频率等于固有频率时，由于正压电效应，会产生机械谐振和最大电信号。另一方面，当所施加电的频率和压电晶体固有频率一致时，由于逆压电效应则应发生机械谐振，谐振时振幅最大，弹性能量也最大，这时，压电体获得最大形变振动,通过介质产生超声波输出。实验表明，当施加力或电的频率与晶体固有频率不一致时，压电换能器晶体产生的电信号范围和变形振动范围将减小，这表明它们是频率函数。
图7-5 压电晶体的电流-频率特性
当电压频率为体施加一定值的电压，当电压频率为一定频率时，电路电流或阻抗会发生变化fm当电流出现最大值时Imax，当电压频率为另一频率时fn当电流出现最小值时Imin。压电晶体的电流随频率而变化（见图7-5），表明压电换能器晶体的等效阻抗随频率而变化。如果电压频率继续增加，还可以发现一系列电流定期波动，波动最大值(对应fm1、fm2…)波动最小值(对应)依次减小fn1、fn2…依次增加，fm最小阻抗频率称为压电振子(也称为最大传输频率)；fn称为最大阻抗频率(也称为最小传输频率)。
(2)换能特性 传感器的传感特性包括两个方面：电能-机械能-超声能、超声能-机械能-电能。前者属于发射过程，后者属于接收过程。能量间转换不可避免地会产生损失（无用能耗），以转换效率来表示传感器的性能：
电机转换效率=输出的机械功率/输入的电功率
声转换效率=辐射超声功率/输入机械功率
因此： 电声转换效率=辐射超声功率/输入电功率
(3)暂态特性 超声数超声波诊断仪的传感器都在脉冲状态下工作，传感器对脉冲的响应速率称为临时特性，这也是一个重要指标。传感器的临时特性与其频率特性有关，简而言之，传感器的频谱越宽，其临时特性越好，允许的超声脉冲宽度越窄。这里描述的脉冲宽度是指连续发射超声的时间长度，单位为秒(s)，它不同于频率(超声波每秒振动的次数)。
二、超声探头类别
从以下不同方面对超声探头进行分类：①分为眼科探头、心脏探头、腹部探头、颅脑探头、腔内探头、儿童探头等。②体外探头、体内探头、穿刺活检探头按应用方法分类；③根据探头中能器使用的振元数量分类，有单元探头和多元探头；
图7-6 各种超声探头应用于不同的诊断部位
④有线扫探头、相控阵探头、机械风扇扫探头和方阵探头按波束控制模式分类；⑤根据探头的几何形状(这是一种常用的分类方法)，有矩形探头、柱形探头、弧形探头(又称凸形)、圆形探头等。还有一些其他的分类方法，这里就不一一介绍了。通常在工作中，习惯使用更多①、④、⑤三种分类方式。以下仅介绍最常见的典型探头。
图7-7 柱形单振探头结构剖面图
1.柱形单振元探头
柱形单振元探头主要用于A超和M超，又称笔杆式探头。目前在经颅多普勒(TCD)此探头也用于胎心监测仪器。由于是各种超声成像仪探头的结构基础，特此介绍。
(1)结构 柱形单振元探头的基本结构如图7-7所示。
它主要由五部分组成：①用于接收电脉冲产生机械超声振动的压电晶体，完成声电声转换。根据诊断要求设计几何形状和尺寸，上下电极分别焊接引线，用于传输电信号；②垫衬吸声材料，用于衰减并吸收压电振子背向辐射的超声能量，使之不在探头中来回反射而使振子的振铃时间加长，因此要求垫衬具有较大的衰减能力，并具有与压电材料接近的声阻抗，为了使所有来自压电振子背向辐射的声波进入垫层，不再反射回振子。吸声材料一般由环氧树脂和钨粉或铁氧体粉和橡胶粉组成；③声学绝缘层，防止超声能传递到探头外壳引起反射，干扰信号；④外壳作为探头内部材料的支撑体，并固定电缆引线，通常在外壳上标明探头的型号和标称频率；⑤保护层，保护振子不磨损。保护层应选择衰减系数低、耐磨的材料。由于保护层与振子和人体组织同时接触，其声阻应接近人体组织的声阻，并将保护层作为插入层间的声阻渐变层，其厚度应为λ/4。
(2)基本特征 超声探头作为一种传感器，其最重要的性能是：特征频率、受电激励后的振动时间和体积。
压电晶体的厚度取决于探头的特性频率。给压电晶体施加电动激励后，前后都会发出声能。只要周围介质的声阻抗与压电晶体不同，一些声能就会在前后界面反射回晶体，并以声波的形式在晶体中以同样的速度传播。声波传输到对面所需的时间与晶体的厚度成正比。当晶体厚度仅为波长的一半时，反射应力和发射应力相互加强，压电晶体产生共振，呈现最大位移范围。相当于半波长厚度的频率称为压电晶体的基本共振频率。当晶体厚度等于波长时，每一面的应力正好相反，位移幅度最小。由于任何频率下半波长晶体的厚度取决于晶体材料中声波的传播速度，因此必须特别计算每种压电材料的半波长厚度，即不同压电材料的半波长厚度不同。压电元件的厚度与产生的频率成反比，因为波长与频率成反比。
超声系统的纵向分辨率受电激励后振动时间的长短影响。为了追求良好的纵向分辨率，激励电脉冲宽度通常尽可能窄。然而，由于超声波探头的压电材料经常对电激励反应较长（即电脉冲结束后声振荡仍以衰减振荡维持一段时间），这种振铃反应会产生长超声波脉冲。如果不阻尼，分辨率就会减弱。因此，必须在压电体后面放置特殊的垫层材料，利用其吸声特性产生阻尼，减弱振铃反应，缩短脉冲总长度。同时，这种阻尼材料还能吸收压电晶体后面的声能，否则会在晶体中反射，干扰被检介质中的回声。阻尼垫缩短了传感器的声脉冲时间，但也降低了灵敏度；阻尼弱会损害分辨率，但会使传感器具有更好的灵敏度。
图7-8 机械扇形扫描探头的工作原理
对于柱形单振元探头，振元直径的大小主要影响超声场的形状。一般来说，振元直径大，声束指向性好，易于聚焦。当然，当声窗受到限制时，只能使用较小的振元。振元直径通常为5~30mm选择范围内。
2.机械扇扫超声探头
风扇扫描B型超声诊断仪采用机械风扇扫描超声探头，依靠机械传动驱动传感器来回摆动或连续旋转，实现风扇扫描（图7-8）。
利用机械扫描实现超声图像的实时动态显示，是20世纪70年代末成熟的技术。一开始扫描线数量少，扫描角度小，间隔角度均匀性差，探头体积重量大，操作使用非常不方便。比如早期的机械扇扫探头的重量达0.6kg以上，扫描角度仅30°。随着技术的进步，到20世纪80年代中期，机械风扇扫描超声传感器的产品性能日益提高，重量可达0.2kg下面，扫描帧频约30帧/s,扫描角度达85°，而且扫描线的均匀性也大大提高。这不仅给操作和使用带来了便利，而且显著提高了机械扇扫描超声图像的质量。
除了传感器声学特性的基本要求外，机械扇扫探头还应满足以下要求：①确保探头中的压电振子30次/s左右高速摆动，摆动幅度应足够大；②摆动速度应均匀稳定；③体积小，重量轻，手持操作方便；④外观应适合探索，并能灵活改变扫描方向；⑤机械振动和噪声应小到不引起患者紧张和易怒。
目前，机械风扇扫描探头的主要缺点是噪声大，探头寿命短。大多数机械风扇扫描探头的寿命只有几千数千小时。对于这种结构，技术、工艺或材料都是一个非常困难的问题。目前，机械风扇扫描探头的生产越来越少，有被电子凸阵和相控阵风扇扫描探头所取代的趋势。
图7-9 电子线阵探头剖面
3.电子线阵超声探头
电子线性扫描超声诊断仪采用电子线性超声探头。其结构如图7-9所示，主要由开关控制器、阻尼垫、传感器阵列、匹配层、声镜和外壳六部分组成。
(1)开关控制器 用于控制探头中各振元的一定组合，采用直接激励，则每一个振元需要一条信号线连接到主机，目前换能器振元数已普遍增加到数百个，则与主机的连线需要数百根，这不仅使工艺复杂，因此而增加的探头和电缆的重量也是不堪设想的。采用开关控制器就可以使探头与主机的连线数大大减小。
(2)阻尼垫衬 其作用与柱形单振元探头中的垫衬作用相同，用于产生阻尼,抑制振铃并消除反射干扰。阻尼垫衬材料的构成要求亦和柱形单振元探头相似。
(3)换能器阵列 换能器的晶体振元通常是采用切割法制造工艺，即对一宽约10mm，一定厚度的矩形压电晶体，通过计算机程控顺序开槽。开槽宽度应小于0.1mm，开槽深度则不能一概而论，这是因为所用晶片的厚度取决于探头的工作频率，相当于半波长厚度的频率叫做压电晶体的基础共振频率。晶体材料的半波长厚度σ可由下式给出。
σ=Cp·T·1／2
式中:Cp为超声波在该材料中的传播速度，T为工作频率超声波的周期。
当换能器的工作频率确定后，根据所用晶片材料的半波长厚度，即可确定所用晶片的厚度。显然，探头的工作频率越高，所用晶片的厚度则越薄。开槽的深度主要影响振元间互相耦合的大小，振元间互耦大则相互干扰大，使收发分辨力降低。一般来说，开槽深则互耦小。 至于每个振元的宽度，一是考虑辐射强度，宽度窄则振元的有效面积小，辐射强度小，影响探测灵敏度。二是波束和扩散角，宽度窄则近场区域以外扩散角大,声束主瓣宽,副瓣大,横向分辨力下降，要使副瓣小,则应满足振元中心间距d<1/2λ。考虑以上因素，通常取单个振元宽度与厚度之比小于0.6。因此，工作频率越高,换能器的制作困难越大。例如，对某种已选定的晶体材料而言，当工作频率为2.5MHz时，假设其半波长厚度为0.8mm，则单个振元的宽度小于0.48mm。当工作频率上升到5MHz时，晶体的半波长厚度仅为0.4mm，则单个振元的宽度小于0.24mm。当工作频率为7.5MHz时，晶体半波长厚度仅有0.26mm，则单个振元的宽度应小于0.16mm。可见，高频率的探头、换能器制作工艺难度大。
为了进一步减小互耦，线阵探头应满足d
(4)匹配层 由于声透镜同时与晶体振元和人体接触，两者的声阻抗差别甚大［压电晶体振元的阻抗Zf≈(20～35)×106kg·s－１·m－2，人体组织的阻抗Ze≈(1.58～1.7)×106kg·s－１·m－2］，难于使声透镜的特性阻抗同时与两者匹配。超声经不同阻抗界面传播，将产生反射，会增加能量损耗并影响分辨力，因此，往往需要采用匹配层来实现探头与负载之间的匹配。
对匹配层除厚度与声阻抗的要求外，还要求其声阻尼要小，以减小对超声能量的损耗。在工艺上应保证其同时与晶体振元和声透镜接触良好。
图7-10 电子凸阵探头示意
匹配层材料通常也采用环氧加钨粉配制。
4.电子凸阵超声探头
凸阵探头的结构原理与线阵探头相类似，只是振元排列成凸形(图7-10)。但相同振元结构凸形探头的视野要比线阵探头大。由于其探查视场为扇形，故对某些声窗较小的脏器的探查比线阵探头更为优越，比如检测骨下脏器，有二氧化碳和空气障碍的部位更能显现其特点。但凸形探头波束扫描远程扩散，必须给予线插补，否则因线密度低将使影像清晰度变差。
最后要特别提一下的是探头的工作情况，不论是线阵探头还是凸形探头，探头中的振元都不是同时被激励的，它们总是被分组分时受激励，而且分配的方法有多样。
5.相控阵超声探头
图7-11 相控阵探头结构示意
相探阵超声探头可以实现波束扇形扫描，因此又称为相控电子扇扫探头，它配用于相控阵扇形扫描超声诊断仪。相控阵超声探头外形及内部结构与线阵探头颇有相似之处。其一是所用换能器也是多元换能器阵列;其二是探头的结构、材料和工艺亦相近，主要由换能器、阻尼垫衬、声透镜以及匹配层几部分组成；
但它们的不同之处也主要有两点：第一是在探头中没有开关控制器，这是因为相控阵探头换能器中，各振元基本上是同时被激励的，而不是像线阵探头换能器那样分组、分时工作的，因此，不需要用控制器来选择参与工作的振元。第二是相控阵探头的体积和声窗面积都较小(图7-11)，这是因为相控阵探头是以扇形扫描方式工作的，其近场波束尺寸小，也正因为此，它具有机械扇形扫描探头的优点，可以通过一个小的“窗口”，对一个较大的扇形视野进行探查。