圖片來源於[1]
Transducer
做過超聲波檢查的朋友應該知道，不同於照X光或者CT需要很大的儀器和防輻射的房間，完成超聲波的檢查只需要一台看起來比較笨重的帶輪子和大屏幕的機器，和一個類似於圖片上面的一個探頭。當然便攜式版的超聲機器也是有的，只要有USB接口的探頭和一個平板就能做一次粗略的檢查。便攜式的通常圖像質量要差一些以及可能會缺少一些功能。這是后話了。回到這個探頭，它們正式的名字是Transducer，平常也會叫probe也就是探頭。那百科上解釋，Transducer就是能將能量從一種形式轉換成另一種形式的設備。那這些超聲波探頭呢，就是能將高電壓的電脈沖轉換成超聲波，也能將超聲波轉換成模擬電信號的設備。探頭里的關鍵器件就是上篇提到的壓電材料。
探頭的一般結構如下圖所示：
圖片來自於TI的醫學超聲波系統白皮書[2]
最外層的是Acoustic Lens，超聲波透鏡，跟光學透鏡的功能相似，用於超聲波聚焦。在焦點附近的超聲波信號較強也就可以生成較清晰的圖像。雖然這里透鏡的焦點是確定，但是實際上最終焦點還可以在使用時進行調整。
透鏡下是兩層的matching layers，匹配層，這里的匹配是指壓電材料和人體組織之間聲波阻抗的匹配。雖然不怎么准確，但大家可以用傳輸線的電阻匹配來理解這匹配層的作用。TI這白皮書里就提到壓電材料的阻抗是20-30個單位，而人體組織大約是1.5個單位，匹配層就大概是6-7個單位這樣。
匹配層下面就是壓電材料這一層了，piezo-ceramic，這是整個探頭的核心，排列的方式有1D 和2D 兩種。1D 就是每個pizeo-ceramic並排排成一排，之間留有一定的距離。2D就是排成矩陣的形式。
壓電材料之后就是Acoustic Absorber，超聲波吸收層。這一層就是把反方向的超聲波吸收，防止這些超聲波在探頭里造成回聲然后被壓電材料感知從而影響圖像質量。
其他的就是給壓電材料供電和接收信號的線和元件了。
回到一開始的探頭家族圖，大家可能會好奇為什么會有這么多不同形狀的探頭，這是因為不同的應用場景會需要不同的探頭。對比其他成像的手段，超聲波生成的圖像的質量是較差的，而這個較差的圖像其實已經是非常努力然后達到的一個結果了，這里有超聲波自身的物理局限性的原因。而這個“非常努力”就包括系統里各個地方的各種根據不同場景的優化，正如上篇提到的遇到肥胖的病人，就需要調整適合這個病人的系統參數才能得到較理想的圖像。那使用不同探頭就是為了能在不同的場景里得到最優化的結果。
這里主要介紹1D的探頭，常見的探頭有這些類型：
Linear Array
圖片來源於comcast imaging
這類探頭的特點是表面是很平整的，呈扁長型，結構比較簡單。內部的壓電材料如上圖所示一字排開，一個探頭里可以有多達512個壓電單元，而數個單元（如8到16個）組成一組。在工作時，以組為單位而不是單元為單位發射超聲波，並且每個組基本不同時工作。例如最左邊的組先發射超聲波，完成回聲檢測后，旁邊的組接着工作，一直到最右邊的組，這個過程就完成了超聲波圖像一幀的掃描了。周而復始就可以持續的進行超聲波檢查，從而生成2D的超聲波圖像。圖像的視野呈長方形。這類探頭的頻率較高，擁有較好的軸向分辨率，常用於人體表層組織器官的檢查。
Curve Linear Array
圖片來源於[3]
這類探頭有弧形的表面，里面的壓電材料也是按照這個弧度排列，當然也還是一列的。工作原理跟上面的Linear array是基本一樣的，不同的點在於它體積更大，圖像的視野上窄下寬，隨着深度的增加，視野愈加開闊。加上使用較低的工作頻率，因此多用於檢查深處的組織器官。
Phased Array
圖片來源於comcast imaging
這類探頭體積比較小，壓電單元只有64到128個，但是不同於上面以組為單位地發射超聲波，此類探頭工作時會使用其所有的單元。關鍵在於每個單元都有自己的電路，可以使用不同的時延來電擊壓電材料從而達成對超聲波的方向和焦點的調整。如下圖所示，當每個壓電單元使用相同的時延，各自產生同步且並列的超聲波（當然透鏡會將它們聚集）。當每個單元的時延不同時，復合的超聲波就可以有不同的方向和焦點，從而使掃描更加的靈活，也讓自動掃描成為可能。因其靈活的超聲波角度方向控制和較小的體積，這種探頭可以躲開肋骨的干擾從而用於對病人進行心臟檢查。而上述的linear和curve linear array則多用於腹腔附近的檢查，例如腎臟和肝臟等。但是這種探頭結構比較復雜，成本也較高（不同於linear 和curve linear array多個單元可以共用同一組電路），需要的軟硬件支持也更多。
其余的探頭，如圖1左一的類似十字架的探頭，是專用於CW多普勒模式的；圖1左四和左五則是專用於女性子宮檢查的探頭；圖1右一則是屬於TEE（Transesophageal echocardiography）的一種探頭，使用時將其伸入食道內，然后在靠近心臟處進行對病人的心臟檢查，由於更加靠近心臟和完全沒有肋骨的阻擋，這種探頭的心臟超聲波圖像質量更高。
除了明顯外觀上的區別，不同探頭間還有另外一個重要的區別，就是它們的工作頻率。一般探頭的工作頻率介於1MHz 到20MHz 之間。這個頻率一般會作為探頭產品名字的一部分，例如xxx-5這樣，5就是代表工作頻率在5MHz這樣。當然並不是說探頭一定只能發出5MHz的超聲波，但正如前面提到的優化，這是最適合這個探頭的頻率。
對於超聲波來說，頻率越低穿透能力越強。人體組織器官除了各種反射超聲波之外，也會吸收一部分的超聲波。如果探頭的頻率較高，就有可能出現到了一定深度后，超聲波信號已經相當的弱，然后無法得到有意義的回聲信號這種情況。這個時候就需要使用較低頻率的探頭了。但是低頻率會帶來另外一個問題，就是圖像分辨率的下降。如下圖所示，普通2D圖像有兩個方向的分辨率，axial 和lateral。跟超聲波傳播方向平行就是axial，軸向，另外一個就是水平方向了。低頻主要會影響軸向的分辨率，所以圖像質量和探測深度就是魚與熊掌的問題了。
軸向的分辨率是指兩個在軸向上能被超聲波系統區分開的目標間的最小距離。距離小於這個分辨率的兩個物體在超聲波圖像上很可能就雜糅到一塊以為是一個物體了。頻率跟波長成反比，如果頻率低了，超聲波波長就長了。假設兩個物體距離太小，那么當部分超聲波還在第一個物體產生回聲返回時，前面波長部分的超聲波又碰到了第二個物體產生回聲了，結果就是接收器會同時接收到了兩個物體的超聲波信號從而無法將他們分離了。對於水平方向的分辨率同理，就是水平方向兩個能被超聲波系統區別開的物體間的最小距離，而對這個分辨率影響比較大的就是波的寬度了。
參考
[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