高频超声换能器与高频超声成象的研究.pdfVIP

高频超声逸鼢和高频塑喜点建象的研究 刘晓宙叶式公龚秀芬张卫亚贾译清’ 南京太学声学研究所．近代声学国家重点实验室．南京，210093 ·江苏省肿瘤医院B趋宣。南京．210009 1引 言 对浅表生物组织进{穗虚趁颠已广泛的应用到塑妻聪之中，新发展的高频超声扫描 系统可获得眼睛、皮肤、血管腔内的超声图象，图象分辨率得到了很大的提高．由于传统的 B超频率低于10MHz’成象的分辨率受到波长的限制，而且，由于换能器的频带较窄。无法用频 谱分析的方法来诊断人体组织，某些有用的频谱信息可能被丢失．高频的超声扫描系统可获 首先提出了带有损耗的KLM机电耦合等效电路模型，设计和制作了PVDF压电薄膜聚焦换 物组织进行定征，而且能得到生物组织的商分辨率的超声图象，所得的结果和组织的病理切 片进行了对比，获得了满意的结果． 2原理和方法 (1)改进的KLM机电耦合等效电路模型 高频超声扫描装置的核心是高频超声换能器．由于压电薄膜材料的声阻抗与人体组织 和水的声阻抗接近，用压电薄膜制成的换能器具有良好的脉冲响应，可用于超声成象技术以 获得高分辨的超声图象．但由于压电薄膜材料的机械和介质损耗较大，机电耦台系数较小。只 在0．1—0．2之问，所以薄膜换能器的灵敏度低，因此合理设计和靠4作薄膜高频换能器就显得特 别重要．一般的KLM机电耦合等效电路分析换能器均忽略压电材料的机械和介电损耗，所以 用一般的KLM机电耦台等效电路模型来分析PVDF换能器有一的局限性．本文采用带有损 耗的KLM机电耦合等效电路模型对PVDF压电薄膜换能器进行了分析和设计．为考虑机械 和介质损耗对换能器的影响，我们引进机械损耗角tall和介质损耗角t明6。，这样KLM机电耦 合等效电路中的参数均成为复数，我们称之为改进的KLM机电耦合等效电路(图1)． 胛。C0t 广t叶 《 !史 辟：50Oiatns (aJ (b) 圉l改避I墼／KLM机电耦台等效电路(B)发射时(b)j妾收时 根据这一改进的KLM机电耦合等效电路，我们设计和制作TPVDF高频聚焦超声换能 回波波形和相应的频谱见图2．由图2可见实验值和改进的KLM机电耦合电路模型预测值相 一致，而与～般的KLM机电耦合电路等效电路模型预测值有所不同，因此．用改进的KLM机 电耦合等效电路模型来分析PVDF压电薄膜换能器更为台适用此换能器，我们可在频谱的。 6dB带宽即从25MHz到55MHz频段范围内分析和研究生物组织的衰减和散射特性． 一……．．般的Kt．M审t电耦台等效电路的预铡值 围2技能器的脉冲回波波形及相应的颠潜 束宽度1409m)，将样品置于样品盒中，样品位于刚性反射板和塑料薄膜之间，激发的高频超 声波通过薄膜、样品后，由刚性反射板反射返回由同一换能器接收，源的大信号和回波信号 能器的上下左右的位置，使要测量的部位位于换能器的焦点附近。c扫的光栅扫描的参数由 是对散射信号进行峰值采样后获得的，数字存储示波器的采样是通过GPIB接口卡，由计算机 来控制，计算机可控制整个系统的扫描、信号的采集和分析． (2)测量方法和结果 测量的第一步是将换能器在2．5minx2．5ram视野中作一c扫的光栅型扫描，从而得到样品 的C扫的背向散射的超声图象，然后选择图象中样品的均匀部分作定量分析．测量时，声柬的 方向和样品的表面相垂宣．用三个声参量来定征生物组织：声速、声衰减系数和声散射系数． 测量声速和声衰减系数时，刚性反射板置于换能器的焦点处，测量的均匀部分分为16点，分别 测出各点的声速和声衰减系数后作平均，测量声散射系数时，换能器的焦点置于样品中央，均 匀部分分为64点，测出各点的声散射系数后再作平均．实验中对人体甲状腺组织进行了测量 f表1)，所得高频超声图象