医用超声波（二）- Transducer

本文主要是介绍医用超声波（二）- Transducer，对大家解决编程问题具有一定的参考价值，需要的程序猿们随着小编来一起学习吧！

图片来源于[1]

Transducer

做过超声波检查的朋友应该知道，不同于照X光或者CT需要很大的仪器和防辐射的房间，完成超声波的检查只需要一台看起来比较笨重的带轮子和大屏幕的机器，和一个类似于图片上面的一个探头。当然便携式版的超声机器也是有的，只要有USB接口的探头和一个平板就能做一次粗略的检查。便携式的通常图像质量要差一些以及可能会缺少一些功能。这是后话了。回到这个探头，它们正式的名字是Transducer，平常也会叫probe也就是探头。那百科上解释，Transducer就是能将能量从一种形式转换成另一种形式的设备。那这些超声波探头呢，就是能将高电压的电脉冲转换成超声波，也能将超声波转换成模拟电信号的设备。探头里的关键器件就是上篇提到的压电材料。

探头的一般结构如下图所示：

 图片来自于TI的医学超声波系统白皮书[2]

最外层的是Acoustic Lens，超声波透镜，跟光学透镜的功能相似，用于超声波聚焦。在焦点附近的超声波信号较强也就可以生成较清晰的图像。虽然这里透镜的焦点是确定，但是实际上最终焦点还可以在使用时进行调整。

透镜下是两层的matching layers，匹配层，这里的匹配是指压电材料和人体组织之间声波阻抗的匹配。虽然不怎么准确，但大家可以用传输线的电阻匹配来理解这匹配层的作用。TI这白皮书里就提到压电材料的阻抗是20-30个单位，而人体组织大约是1.5个单位，匹配层就大概是6-7个单位这样。

匹配层下面就是压电材料这一层了，piezo-ceramic，这是整个探头的核心，排列的方式有1D 和2D 两种。1D 就是每个pizeo-ceramic并排排成一排，之间留有一定的距离。2D就是排成矩阵的形式。

压电材料之后就是Acoustic Absorber，超声波吸收层。这一层就是把反方向的超声波吸收，防止这些超声波在探头里造成回声然后被压电材料感知从而影响图像质量。

其他的就是给压电材料供电和接收信号的线和元件了。

回到一开始的探头家族图，大家可能会好奇为什么会有这么多不同形状的探头，这是因为不同的应用场景会需要不同的探头。对比其他成像的手段，超声波生成的图像的质量是较差的，而这个较差的图像其实已经是非常努力然后达到的一个结果了，这里有超声波自身的物理局限性的原因。而这个“非常努力”就包括系统里各个地方的各种根据不同场景的优化，正如上篇提到的遇到肥胖的病人，就需要调整适合这个病人的系统参数才能得到较理想的图像。那使用不同探头就是为了能在不同的场景里得到最优化的结果。

这里主要介绍1D的探头，常见的探头有这些类型：

Linear Array

 图片来源于comcast imaging

这类探头的特点是表面是很平整的，呈扁长型，结构比较简单。内部的压电材料如上图所示一字排开，一个探头里可以有多达512个压电单元，而数个单元（如8到16个）组成一组。在工作时，以组为单位而不是单元为单位发射超声波，并且每个组基本不同时工作。例如最左边的组先发射超声波，完成回声检测后，旁边的组接着工作，一直到最右边的组，这个过程就完成了超声波图像一帧的扫描了。周而复始就可以持续的进行超声波检查，从而生成2D的超声波图像。图像的视野呈长方形。这类探头的频率较高，拥有较好的轴向分辨率，常用于人体表层组织器官的检查。

Curve Linear Array

 图片来源于[3]

这类探头有弧形的表面，里面的压电材料也是按照这个弧度排列，当然也还是一列的。工作原理跟上面的Linear array是基本一样的，不同的点在于它体积更大，图像的视野上窄下宽，随着深度的增加，视野愈加开阔。加上使用较低的工作频率，因此多用于检查深处的组织器官。

Phased Array

 图片来源于comcast imaging

这类探头体积比较小，压电单元只有64到128个，但是不同于上面以组为单位地发射超声波，此类探头工作时会使用其所有的单元。关键在于每个单元都有自己的电路，可以使用不同的时延来电击压电材料从而达成对超声波的方向和焦点的调整。如下图所示，当每个压电单元使用相同的时延，各自产生同步且并列的超声波（当然透镜会将它们聚集）。当每个单元的时延不同时，复合的超声波就可以有不同的方向和焦点，从而使扫描更加的灵活，也让自动扫描成为可能。因其灵活的超声波角度方向控制和较小的体积，这种探头可以躲开肋骨的干扰从而用于对病人进行心脏检查。而上述的linear和curve linear array则多用于腹腔附近的检查，例如肾脏和肝脏等。但是这种探头结构比较复杂，成本也较高（不同于linear 和curve linear array多个单元可以共用同一组电路），需要的软硬件支持也更多。

其余的探头，如图1左一的类似十字架的探头，是专用于CW多普勒模式的；图1左四和左五则是专用于女性子宫检查的探头；图1右一则是属于TEE（Transesophageal echocardiography）的一种探头，使用时将其伸入食道内，然后在靠近心脏处进行对病人的心脏检查，由于更加靠近心脏和完全没有肋骨的阻挡，这种探头的心脏超声波图像质量更高。

除了明显外观上的区别，不同探头间还有另外一个重要的区别，就是它们的工作频率。一般探头的工作频率介于1MHz 到20MHz 之间。这个频率一般会作为探头产品名字的一部分，例如xxx-5这样，5就是代表工作频率在5MHz这样。当然并不是说探头一定只能发出5MHz的超声波，但正如前面提到的优化，这是最适合这个探头的频率。

对于超声波来说，频率越低穿透能力越强。人体组织器官除了各种反射超声波之外，也会吸收一部分的超声波。如果探头的频率较高，就有可能出现到了一定深度后，超声波信号已经相当的弱，然后无法得到有意义的回声信号这种情况。这个时候就需要使用较低频率的探头了。但是低频率会带来另外一个问题，就是图像分辨率的下降。如下图所示，普通2D图像有两个方向的分辨率，axial 和lateral。跟超声波传播方向平行就是axial，轴向，另外一个就是水平方向了。低频主要会影响轴向的分辨率，所以图像质量和探测深度就是鱼与熊掌的问题了。

轴向的分辨率是指两个在轴向上能被超声波系统区分开的目标间的最小距离。距离小于这个分辨率的两个物体在超声波图像上很可能就杂糅到一块以为是一个物体了。频率跟波长成反比，如果频率低了，超声波波长就长了。假设两个物体距离太小，那么当部分超声波还在第一个物体产生回声返回时，前面波长部分的超声波又碰到了第二个物体产生回声了，结果就是接收器会同时接收到了两个物体的超声波信号从而无法将他们分离了。对于水平方向的分辨率同理，就是水平方向两个能被超声波系统区别开的物体间的最小距离，而对这个分辨率影响比较大的就是波的宽度了。

参考

[1]https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6208471/

[2] Signal Processing Overview of Ultrasound Systems for Medical Imaging

[3]http://www.vaultrasound.com/educational-resources/scanning-principles/transducers/

[4]https://www.ob-ultrasound.net/lineararrays.html

[5]https://sites.google.com/site/nataljasultrasoundphysics/transducers

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