引言
定量超声法是近年发展起来的经济有效的骨密度测量新方法，与传统测量方法相比，定量超声法具有廉价、便携、无电离辐射、操作简单、精密度高等优势。目前国内使用的定量超声测量仪主要依赖进口，对定量超声测量仪的研究还处于萌芽阶段。超声波传感器是定量超声测量仪的关键部件，其性能和品质直接影响着整机性能。研制高性能的超声波传感器对开发整个定量超声测量系统具有极其重要的意义，其关键技术是找出主要部件设计参数和传感器性能之间的关系，以及合理设计传感器的收发电路。
1定量超声骨密度测量原理
目前用定量超声法测量骨密度的一些研究表明，以跟骨超声测量技术最好。图1为跟骨定量超声干式测量原理图。
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图1中采用横向传播定量超声技术，将两个传感器同轴固定在跟骨两侧，一个作为发射器，另一个作为接收器，在皮肤和传感器之间涂上耦合剂。BUA(宽带超声衰减)和SOS(超声传播速度)是用于诊断骨质疏松的两个超声参数。通常运用插入取代式的脉冲传输法，将透过跟骨的信号与一个透过已知衰减系数和声速的参考媒质(如水)的信号作比较，再分析这些信号的频谱获得BUA和SOS。
2超声波传感器
2.1传感器设计
超声波骨密度传感器结构示意图(见图2)，它是一种单晶片、非聚焦的收发两用直探头。
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其中，超声换能器是探头的功能部件和重要组成部件，主要完成声能与电能之间的互相转换。换能器的主要构件包括压电元件、匹配层、背衬块和聚焦件。
压电元件作为超声换能器的主要部件，主要实现电能和声能之间的相互转换，依据测量人体跟骨所需要的探测深度和压电材料的性能参数选用频率为0.5MHz的压电陶瓷PZT-5作为压电元件，直径20mm，厚度3.8mm。
匹配层采用氧化铝刚玉保护膜作为压电晶片和人体组织之间的匹配层，既起到保护压电晶片的作用，又解决人体软组织的声特性阻抗(约1.5×106Pa·s/m)与压电陶瓷片的声特性阻抗(约30×106Pa·s/m)的匹配问题。
背衬块位于压电元件的背后，主要功能是将后向辐射的声能几乎全部吸收以消除后向干扰。这里采用环氧树脂和钨粉直接混合调配的方法制作背衬块，并通过改变它们的配比来研究背衬块对换能器性能的影响。
2.2关键参数对传感器性能的影响分析
高纵向分辨力和高灵敏度是超声波骨密度传感器的主要性能指标，背衬块中的钨粉比例与匹配层厚度是影响该性能指标的关键参数。
由文献可知，背衬块中的钨粉比例愈大，对换能器的阻尼作用愈大，压电陶瓷辐射的超声脉冲宽度就越窄。同时，这种背衬块具有较大的吸声系数，会降低换能器的发射效率。合适的背衬块钨粉配比既能实现窄脉冲辐射，提高分辨力，又能获得较大的峰值电压，提高发射效率和灵敏度。换能器中匹配层应用较多的是单层和双层匹配层。单层匹配层厚度大多遵循“四分之一波长匹配层”的原则。匹配层层数不同，其对应的声特性阻抗值就不同。合理选取匹配层厚度，实现最佳阻抗匹配，能增加辐射效率，提高灵敏度，改善传感器的性能。
因此，研制低损耗、宽频带的超声换能器的关键，须深入研究背衬块中钨粉比例与匹配层材料及厚度对传感器性能的影响。
2.3收发电路设计
超声波传感器的发射和接收电路是超声测量系统中的关键组成部分，直接影响着系统的性能、精度及测量范围。
采用一种新型发射电路(见图3a)，电路无需高压供电，用VMOS器件IRFP450作为开关元件，采用脉冲波激励方式，利用电感L1储能可产生高达80V的触发脉冲。既降低电路成本，减小电路体积，也消除安全隐患。触发脉冲波形(见图3b)。
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超声波接收电路由过压保护、前置放大、带通滤波以及后级放大四个部分组成(见图4)。
其中，前置放大电路和滤波电路是接收电路的核心部件。选用双通道可变增益放大器AD604作为前置放大，滤波器采用巴特沃斯型滤波器，其中心频率为0.5MHz，通过级联的方法实现八阶带通
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滤波，再经后级同相放大，作为ADC转换器的有效输入。
3实验分析
3.1钨粉比例对传感器性能的影响
制作6组传感器，每组传感器背衬块中的钨粉比例逐渐增加，钨粉比例分别为30%、40%、50%、60%、70%、80%，单层匹配层(兼作保护膜)。用超声耦合剂将每组发射和接收传感器直接耦合，用研制的配套电路对六组进行性能测试。多次实验得出6组传感器输出波形电压平均幅值和振荡次数随钨粉比例增加的变化关系(见图5，6)。
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由图6可知，随着背衬块中钨粉比例的增加，超声信号峰-峰和振荡次数都逐渐减小，且近似成线性关系。表明背衬块阻抗愈大，阻尼愈明显，增加阻抗能使波束收敛得到尖的窄脉冲，轴向分辨力也越好，但波形的幅值减小，辐射效率和换能器的灵敏度降低。因此，在制作背衬块时要合理选择阻抗，在灵敏度和脉冲宽度之间要进行很好的折衷。
3.2匹配层层数对传感器性能的影响
制作两组传感器，一组加单层匹配层，另一组加双层匹配层，背衬块钨粉比例均为80%。用耦合剂将两组传感器直接耦合，对两组传感器进行性能测试。
反复实验后，取两组不同匹配层数的传感器波形数据的平均值(见表1)。由表1可知，增加匹配层数可减少振荡次数，得到尖的窄脉冲，使整机具有较好的轴向分辨力，但换能器的灵敏度降低，这与钨粉比例对传感器性能的影响很相似。
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综合实验结果，采用含有60%钨粉的单匹配层传感器进行实验，窄脉冲的分辨力和换能器的灵敏度达到预期的效果。
4结束语
本文围绕超声波骨密度传感器的关键技术，用自行研制的定量超声骨密度传感器及其发射接收电
路进行对比实验研究，获得超声波传感器关键参数与其性能之间的关系。权衡灵敏度与脉冲宽度的性能指标，确定较为合理的背衬块中钨粉比例及其匹配层，为超声波骨密度仪器的开发奠定基础。
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