114年:放射器材(2)
超音波換能器操作的原理為何？
A光電效應
B都卜勒效應
C康普吞效應
D壓電效應
詳細解析
本題觀念：
本題測試醫事放射師對醫用超音波（Medical Ultrasound）基礎物理原理的理解。超音波影像的產生，仰賴探頭（Transducer，或稱換能器）發射聲波並接收回音。探頭能夠在「電能」與「聲能（機械能）」之間進行雙向轉換，其背後的核心物理機制即為壓電效應（Piezoelectric effect）。
選項分析
- A. 光電效應 (Photoelectric effect)：錯誤。光電效應是指光子（如 X-ray）與物質的內層電子發生作用，光子能量被完全吸收並游離出電子的過程。在放射線攝影中，這是產生影像對比（Contrast）的主因，也應用於輻射偵測器（如光電倍增管），但與超音波探頭無關。
- B. 都卜勒效應 (Doppler effect)：錯誤。都卜勒效應是指觀察者與波源之間有相對運動時，所接收到的波頻率會發生改變的現象。在超音波學中，此效應被廣泛應用於測量血流速度與方向（如 Color Doppler），但它並非探頭本身「產生」或「接收」超音波的基本運作原理。
- C. 康普吞效應 (Compton effect)：錯誤。康普吞效應是指 X-ray 光子與物質外層電子作用，光子損失部分能量並改變行進方向（散射）的過程。這會造成 X 光影像出現假影（Fog）並增加工作人員的游離輻射劑量，與超音波物理無關。
- D. 壓電效應 (Piezoelectric effect)：正確。超音波換能器內部裝有壓電晶體（現今最常用的是人造陶瓷材料 PZT，鋯鈦酸鉛）。當施加交流電壓於晶體兩端時，晶體會發生機械性的膨脹與收縮，進而產生高頻聲波，此稱為「逆壓電效應」（發射模式）；當人體組織反射的回音（機械壓力）撞擊晶體時，晶體受壓變形並在表面產生微小電荷（電壓訊號），此稱為「正壓電效應」（接收模式）。
答案解析
超音波探頭（Transducer）的定義即為能夠轉換不同形式能量的裝置。在超音波檢查中，探頭必須兼具「發射器」與「接收器」的功能。透過壓電材料（Piezoelectric materials）的特性，探頭利用逆壓電效應將超音波儀器產生的電能轉換為聲波打入人體，再利用正壓電效應將組織反射回來的聲波壓力轉換為電訊號，最後交由電腦處理成影像。因此，壓電效應是超音波換能器最基礎且核心的操作原理，故正確答案為 D。
核心知識點
針對醫用超音波物理，考生必須熟記以下基礎觀念：
- 壓電效應 (Piezoelectric effect)：了解正壓電效應（壓力轉電能＝接收回音）與逆壓電效應（電能轉壓力＝發射超音波）的區別。
- 壓電材料：目前臨床超音波探頭最常使用的壓電材料為 PZT (Lead zirconate titanate，鋯鈦酸鉛)。
- 匹配層 (Matching layer)：包覆在壓電晶體外，用於縮小壓電材料與人體軟組織之間巨大的聲阻抗（Acoustic impedance）差異，減少超音波在探頭表面的反射，增加穿透率。
- 阻尼塊 (Damping block / Backing material)：位於晶體後方，用來縮短脈衝空間長度（Spatial pulse length, SPL），從而提高軸向解析度（Axial resolution）。
- 鑑別各種物理效應的臨床應用場景（例如：Doppler effect 用於血流頻位移分析，Photoelectric/Compton effect 專屬於游離輻射物理）。