第三章 超声波的产生《超声治疗学》课件Word格式.docx

1、 天然石英酒石酸钠 人工合成石英铌酸锂钽酸锂 铌镁酸铅 优点压电性和频率稳定性好 特点优点 1 原材料价格低廉 2 机械强度好易于加工成各种形状和尺 寸满足不同的需求 3 通过材料添加可制成品种性能不同 的材料 4 采用不同的形状和极化方式得到各种 所需的振动模式 用途非常广多晶体最常用的PZT 配方系统合成固溶体 工艺工艺流程 压电陶瓷的性能主要取决与陶瓷材料组 分和显微结构 压电陶瓷材料 各种类型压电陶瓷片 2 压电陶瓷材料 烘 料 配 料 球磨 预烧 成 型 烧 结 测试性能 老 化 极 化 被电极 传统的压电陶瓷工艺流程 晶胞结构 压电陶瓷的压电效应 压电陶瓷属于铁电体一类的物质是人工

2、制造的多晶压电 材料它具有类似铁磁材料磁畴结构的电畴结构电畴是分子自 发形成的区域它有一定的极化方向从而存在一定的电场在 无外电场作用时各个电畴在晶体上杂乱分布它们的极化效应 被相互抵消因此原始的压电陶瓷内极化强度为零见图a 直流电场E 剩余极化强度 电场作用下的伸长 剩余伸长 a 极化处理前 b 极化处理中 c 极化处理后 但是当把电压表接到陶瓷片的两个电极上进行测量时却无法 测出陶瓷片内部存在的极化强度这是因为陶瓷片内的极化强度 总是以电偶极矩的形式表现出来即在陶瓷的一端出现正束缚电 荷另一端出现负束缚电荷由于束缚电荷的作用在陶瓷片的 电极面上吸附了一层来自外界的自由电荷这些自由电荷与陶瓷

3、 片内的束缚电荷符号相反而数量相等它起着屏蔽和抵消陶瓷片 内极化强度对外界的作用所以电压表不能测出陶瓷片内的极化 程度如图 电极 自由电荷 极化方向 束缚电荷 电极 陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附 的自由电荷示意图 如果在陶瓷片上加一个与极化方向平行的压力F如图陶 瓷片将产生压缩形变图中虚线片内的正负束缚电荷之间 的距离变小极化强度也变小因此原来吸附在电极上的自由 电荷有一部分被释放而出现放电荷现象当压力撤消后陶 瓷片恢复原状 这是一个膨胀过程 片内的正负电荷之间的距 离变大极化强度也变大因此电极上又吸附一部分自由电荷而 出现充电现象这种由机械效应转变为电效应或者由机械能转 变为电能的现象就是正

4、压电效应 F 极化方向 正压电效应示意图 实线代表形变前的情况虚线 代表形变后的情况 同样若在陶瓷片上加一个与极化方向相同的电场如 图由于电场的方向与极化强度的方向相同所以电场的作用使 极化强度增大这时陶瓷片内的正负束缚电荷之间距离也增 大就是说陶瓷片沿极化方向产生伸长形变图中虚线同 理如果外加电场的方向与极化方向相反则陶瓷片沿极化方向 产生缩短形变这种由于电效应而转变为机械效应或者由电能转 变为机械能的现象就是逆压电效应 向 方 场 电 逆压电效应示意图 极化 实线代表形变前的情况 方向 虚线代表形变后的情况 正压电效应的电位移与施加的应力有如下关系 D dT d压电常数 逆压电效应的应变与

5、施加的电场强度有如下关 系 S dE 注正逆压电效应的压电常数一样 各种压电材料的参数 介质损耗tan 压电体在交变电场的作用 下输入电能以漏电损耗和微观的弛豫损耗等 方式被消耗掉转化为热能损失此过程称为 介质损耗 tan 1 IRIc RnC Qe cot RnC 电学品质因素 将压电振子经极化工艺处理的压电陶瓷片接入一特 定的传输网络中如图一A B两点外加一定的信号电压 给压电振子并逐步改变电压频率当频率调到某一数值 时压电振子产生谐振此时振子阻抗最小输出电流最 大以表示最小阻抗或最大导纳的频率当频率继续增 大到另一频率时振子阻抗最大输出电流最小以表示最 大阻抗或最小导纳的频率我们把阻抗最

6、小的频率近似 作为谐振频率阻抗最大的频率近似作为反谐振频率 型网络传输法测试线路 机械品质因素Qm表示压电材料在谐振时机械 损耗的大小是综合评价压电材料性能的重要参数 1 Qm 4 Co C1 R1f 将压电振子在谐振频率附近的 参数和特性用一相应电路的参 数和特性来表示这个电路称 为电振子的等效电路 等效电路 L1动态电感 C1动态电容 R1动态电阻或串联谐振电阻 C0并联电容或静态电容 频率常数N压电振子的基本谐振频率与 沿振动方向的振子长度的乘积是一个常 数这个常数称为频率常数 频率常数与振动模式有关 单位Hzm NL fL L Nt ft h 机电耦合系数k反映材料中机械能与电 能之间

7、的转换关系 2 通过压电效应转换的电能 k 储人的机械能的总量 2 通过逆压电效应转换的机械能 k 储人的电能的总量 机电耦合系数与振子的材料和振动模式有关 其它的压电参数 d33 d31 压电电荷系数 压电应变系数 g g 压电电压系数 33 31 k k k 机电耦合系数 机电转换效 33 31 p 率指标 N N N 频率常数 33 31 P YE31 YE33 杨氏模量 T 居里温度 c 压电陶瓷振动模态 2 压电振子的振动模式 伸缩振动切变振动弯曲振动 沿轴向振动 薄片型 极 轮廓振动或 厚度振动 化 薄长片 径向振动 方 向 厚度切 变振动 长度振动 极化方向 横向效应 伸缩振动极

8、化方向与电场方向平行时产生的振动 包括长度伸缩振动厚度伸缩振动 切变振动极化方向与电场方向垂直时产生的振动 包括平面切变振动厚度切变振动 纵向效应弹性波传播方向与极化轴平行 横向效应弹性波传播方向与极化轴垂直 弯曲振动具有两种以上激励电极的振子在极化方 向与电场方向平行而施加的方式不同时产生的振动 包括厚度弯曲和横向弯曲 各种振动模式可达到的频率范围 振动模式 频 率 1K 10K 100K 1M 10M 100M 弯曲振动 1G 长度振动 轮廓振动 径向振动 厚度振动 能阱振动 声表面波 4 压电材料及其应用 1材料 钛酸钡 钛酸铅 钙钛 锆酸铅 矿型 钛锆酸铅 非钙钛矿型焦绿石硫 化镉氧化

9、锌氮化铝 2 应用 电声器扬声器送话筒 水下通讯和探测水声换能器鱼群探测器 雷达中的陶瓷表面波器件 通讯设备陶瓷滤波器 精密测量压力计 红外技术红外热电探测器 高压电源变压器 压电陶瓷点火器 冲击块 外 V 壳 高压引线 垫块 压电陶瓷变压器 V V2 2 输出 输入 伸缩振动 双膜片压电振子 串联型 _ _ _ _ _ V 等效电路 并联型 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 压电陶瓷滤波器 1 mV 2 mV 损耗 f f f f f r2 a2 r1 a1 在频率附近的信号衰 减最小fa2 2 的反谐 振 fr1 1的谐振 f 二压电材料 3 压电高分子聚合物 PVDForPVF2

10、聚偏氟乙烯 特点薄膜型压电材料 高柔顺性高机械强度高压电常数 低值声阻抗率低可作水听器 高分辨率窄脉冲换能器高频超声换能器 4 压电复合材料 压电陶瓷高分子聚合物压电复合材料 类型1-3型2-2型0-3型3-1型等 现在的超探头换能器几乎全是压电复合材料 1-3型压电复合材料 1-3型压电复合材料工艺流程 1-3型压电复合材料图示 1-3型压电复合材料 特点 1声阻抗低约为PZT的14制作换能器时容易找 到相应的吸声被衬材料易与人体组织匹配 2低Qm值约比PZT低12个数量级适合做宽带换 能器 3低Kp比PZT径向振动模低使能量集中于厚度振 动提高电声转换效率 4柔韧性可制作成特定形状满足实际

11、应用 5材料中的PZT相分布的可控性换能器设计灵活 压电陶瓷与复合压电陶瓷比较 压电陶瓷与复合压电陶瓷 三治疗超声换能器 各种类型的超声换能器 电能 机械振动能 换能器的工作原理 驱动源 超声换能器 耦合介质 人体组织 超声设备仪器 声学系统 换能器的主要性能指标 工作频率f 超声换能器工作频率的选择是很重要的它不 仅直接关系到换能器的频率特性和方向性也 影响换能器的发射功率效率和灵敏度等重要 指标 换能器的工作频率应与整个超声设备的工作频 率相一致通常等于它本身的谐振频率这样 可以获得最佳的工作状态取得最大的发射功 率和效率 带宽 机电转换系数和机电耦合系数 换能器的阻抗特性 换能器的品质因

12、素由于换能器是由机 械系统和电路系统两大部分组成所以常用 Qe和Qm共同描写换能器的品质因素 方向特性指向性函数 换能器的频率特性换能器的一些重要参数 指标随工作频率变化的特性 声场的几何参数换能器的焦距焦域 尺寸等 辐射声功率换能器在单位时间内向声场 介质辐射的声能量 电声效率换能器辐射声功率与输入电 功率的比值 换能器的结构类型 1厚度振动模式超声理疗热疗高强 聚焦超声设备f055MHz 2长度伸缩振动模式超声手术器械f 20100kHz 理疗换能器的结构 单元聚焦换能器结构 单 球面 元 自聚焦 自 聚 焦 平凹面 换 声透镜 声透镜 聚焦 能 平凸面 器 声透镜 平凸面透镜换能器 2透

13、镜式聚焦换能器 压电陶瓷 透镜 2透镜式聚焦换能器 考虑声阻抗匹配 ZPZT 30 ZAl 169 Zperspex 32 Zwater 15 Zfat 14 Zfaft tissue 16 Zbone 78 Transmissivity Planetransducerswithalens 3球面聚焦换能器 R W 122 Ra Cf h W a 相同大大相同高小 和相同大小和相同大大 2000 30000 075 MHz 10cm focal length 1800 10cm focal length 3MHz 10cm focal length 25000 1600 10 cm diame

14、ter 1400 20000 1200 1000 15000 800 600 10000 400 5000 200 0 0 0 2 4 6 8 10 12 14 0 2 4 6 8 10 12 14 8000 15MHz 10cm focal length 7000 10cm diameter 6000 4000 Effect of frequency 3000 2000 1000 0 0 2 4 6 8 10 12 14 250000 20cm diameter 200000 150000 Effect of transducer diameter 100000 50000 0 2 4 6

15、8 10 12 14 16 500 450 15MHz 10cm focal length 5cm diameter 350 8000 300 7000 15MHz 10cm focal length 250 150 100 4000 50 16 0 2000 0 2 4 6 8 10 12 14 16 2000 900 075 MHz 10 cm focal length 10cm diameter 075 MHz 15cm focal length 10 cm diameter 1800 800 1600 700 600 300 0 5 10 15 20 25 0 5 10 15 20 2

16、5 075MHz 5cm focal length 10 cm diameter 15000 Change in focal length 10000 16 0 2 4 6 8 10 12 球面自聚焦换能器 Truncated bowls 单元聚焦换能器的使用 球面自聚焦换能器焦域可设计转换效 率高大功率使用但制造工艺复杂大 尺寸不易加工且易脆 声透镜要考虑透镜材料性能阻抗匹配 衰减耐温和变形粘接剂等因素适 用于中小功率 聚焦换能器阵列的结构 4多阵元组合换能器 Hemispherical Bowls used for Brain HIFU by Boston group 4 组合换能器 纹影

17、法 平凹面声透镜与厚度振动换能器结合用于治疗 脑部疾病的动物试验的聚焦换能器应用实列 几类聚焦超声换能器比较 换能器类型 优点 缺点 单元 透镜 制造控制易实 效率低易变形 现技术成熟 换能 自聚焦 容易实现理想 成本高工艺 器 焦域 难焦距不可调 多阵元 纯多阵元 转换效率高 工艺复杂压电片和多 路功放要求高 换能器 相控 焦距焦点形状可 开发难度大技 控效率高 术尝不成熟 超声无创治疗广阔的应用范围 市场潜力超过1000亿美元 治疗超声 血管成形术 超声去脂 眼药物传送 经皮药物传送 声动力治疗 药物传送到大脑 溶栓 乳化 基因传送 基因治疗 降低动脉增生 骨折愈合 热疗 热切除 恶性肿瘤

18、 良性肿瘤 非肿瘤性疾病 坐骨神经修复 止血 超声雾化哮喘 子宫颈炎 外阴疾病 过敏性鼻炎 Mitragotri S Nature Reviews Drug Delivery 2005 4255-260 其他 小 结 压电效应正逆压电效应 压电材料 单晶压电陶瓷PVDF压电复合陶瓷四类 几类治疗超声换能器 平面透镜聚焦组合换能器 医学超声换能器的检测方法 辐射压力法水听器激光体模 com 84 Measurement of Acoustic Power and Acoustic Field of Therapeutical Ultrasound HIFU 3 34 P70 35 P81 84HIFUP188