CN101675468B - 改进的超声衰减材料 - Google Patents

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Abstract

提供了改进的声衰减材料和应用。一种改进的超声衰减材料可包括由诸如多孔聚四氟乙烯(PTFE)之类包括空隙空间的多孔聚合物组成的纤维纺织层。一种改进的声衰减材料可包括与环氧树脂层交织的多孔聚合物薄板。多孔聚合物薄板可包括通孔。提供了包括具有多孔PTFE纤维纺织层的背衬件的超声换能器的实施方式。包括具有多孔PTFE纤维纺织层的背衬件的该超声换能器可用于三维超声成像装置。提供了包括与环氧树脂层交织的多层多孔PTFE薄板的超声换能器的实施方式。包括多层多孔PTFE薄板的该超声换能器可用于超声成像导管。

Description

改进的超声衰减材料
背景
声衰减材料广泛用于需要衰减声信号的多种应用。例如，可在用于建筑应用的隔音材料中使用声衰减材料。许多此类声衰减材料需要相当大的体积来实现期望的衰减水平。
声衰减材料还被引入需要控制声能的较小设备中。一个这样的应用是超声成像探头领域。超声成像探头广泛用于医疗领域。例如，超声探头广泛用于多种外部、腹腔镜、内窥镜以及血管内成像应用。例如，成像探头提供的超声图像可用于诊断目的。
超声成像探头通常包括沿纵轴排列的多个平行的压电换能器元件，其中各个元件互连至一对电极。通常，这些换能器通过制造期间的切割被沿纵向划分，得到在成像平面内实现电子操纵和聚焦的独立的换能器元件。互连至电极的电子电路激发换能器元件，使它们发射超声能量。换能器元件可将所接收到的超声能量转换成电信号，然后这些电信号被处理并用来产生图像。
通常，换能器包括具有声学面的压电材料有源层，声学信号从该声学面发射。通常在有源层的后部、在有源层与声学面相反的一面设置声衰减构件。声衰减构件用于衰减会干扰声学面处接收到的声信号的不想要的声信号(例如会从换能器后面发射和反射回换能器后面的信号)。如所能理解地，对于特定的声衰减材料，声衰减能力通常随声衰减构件体积的增大而增强。因此，当声衰减构件体积减小时，声衰减能力通常减弱。因此，包括超声换能器和声衰减构件的超声探头的总体积和质量会至少部分取决于声衰减构件的材料的声衰减能力。
概要
随着超声成像探头的应用和用途持续扩大，对能产生更高成像性能、更小型和/或生产率提高的超声探头设计的需求也扩大。就这方面而言，通过改进在超声成像探头中使用的声衰减材料实现与超声成像探头有关的性能、小型化以及生产效率的改进变得尤其重要。此外，一般存在对改进的声衰减材料的需求。
鉴于上述原因，本文所描述的实施方式的一个目的是提供改进的声衰减材料。另一目的是提供使用改进的声衰减材料的改进的超声换能器系统。
在一个方面中，提供了一种声衰减材料，它可用于衰减入射到该材料上的声能。该材料可包括由具有孔隙结构的第一聚合物组成的第一组成部分和由第二聚合物组成的第二成分。第一组成部分的孔隙结构可由第二组成部分部分填充。当第一组成部分的孔隙结构中无第二种组成部分时，第一组成部分可具有第一挠曲模量，而当第二组成部分部分设置在第一组成部分的孔隙结构中时，第一组成部分可具有第二挠曲模量。第一挠曲模量低于第二挠曲模量。第一组成部分可由纺织和/或无纺多孔聚合物组成。
在另一方面中，提供了一种声衰减材料，其包括适用于衰减具有100kHz与100MHz之间的频率的声能的第一层。该第一层可具有第一刚度和第一声衰减。该声衰减材料还可包括具有第二刚度和第二声衰减的第二层。第一刚度可小于第二刚度，而第一声衰减可比第二声衰减至少大两倍。第一层可由纺织和/或无纺多孔聚合物组成。
在相关方面中，一种包括纺织层的声衰减材料可用于衰减入射到材料上的声能。该纺织层可由多根纤维组成。这些纤维可由多孔聚四氟乙烯(PTFE)组成。纺织层可限定这些纤维之间的空隙空间，这些空隙空间至少部分由含氟热塑性塑料(THV)填充。
在另一方面中，提供了一种可用于衰减入射到其上的声能的声衰减材料，该材料包括多层无纺膜和多层支承层。该无纺膜可由多孔聚合物组成。该多层无纺膜可与多层支承层交织。这些支承层可由支承材料组成。该支承材料可以是多孔的或无孔的。这些支承层可以是多孔的或无孔的。
在另一方面中，提供了一种声衰减材料，其被配置成使从该材料的第一侧传播至该材料的第二侧的声束必须通过多孔聚合物的至少一部分。在该声衰减材料中还可包括加强材料。多孔聚合物的声衰减可以是加强材料的声衰减的至少两倍。
在另一方面中，提供了一种方法，其包括以下步骤：将包括多孔聚合物层的构件放置在要衰减的声能的路径中；在该构件中吸收该声能的至少一部分；以及用至少一层支承材料支承多孔聚合物层。该多孔聚合物可以是纺织的和/或无纺的。该方法还可包括将该材料的前侧毗邻表面定位，并在该材料中吸收从该表面发出的能量和入射到该材料的后侧的能量。该方法还可包括通过将该材料放置在预定体积中来衰减预定体积中的声能。
在又一方面中，提供了一种声衰减材料，其包括适用于超声换能器装置和加强材料的纺织层。该纺织层可用于衰减入射于其上的声能。该纺织层可由其间限定了空隙空间的多个多孔纤维组成。加强材料可至少部分填充该空隙空间。
一实施方式可包括含有第二多根纤维的第二纺织层。第二多根纤维可以是多孔的，且可限定第二纺织层空隙空间。加强材料可至少部分填充第二纺织层空隙空间。在各种实施方式中，环氧树脂层可被设置在两层纺织层之间。
在一实施方式中，加强材料可包括环氧树脂、THV、氟化乙烯丙烯(FEP)、PTFE、聚醚砜(PES)、乙烯-FEP共聚物(EFEP)、热塑性聚酯(PET)、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚碳酸酯(PC)、液晶聚合物(LCP)或它们的任何组合。在一个实施方式中，多根纤维可包括从包括PTFE、氨基甲酸酯、聚苯乙烯、含氟聚合物、硅酮以及聚烯烃的组中选择的多孔聚合物。
在一个实施方式中，该声衰减材料可用于衰减超声范围中的声能。例如，该声衰减材料可用于衰减100kHz与100MHz之间的声能。
在另一方面中，提供了一种超声换能器系统，其包括有源层和声衰减层。该有源层可具有声学面和后面(与声学面相反)，且包括至少一个超声换能器元件。该声衰减层可包括多孔聚合物和加强材料，且互连至有源层的后面。在一种设置中，加强材料可被部分吸入多孔聚合物的多孔结构中。
在一个实施方式中，该超声换能器元件可用于发射超声信号、接收超声信号，或既发射又接收超声信号。至少一个超声换能器元件可以是平坦的。至少一个超声换能器元件可以是弯曲的。在一个实施方式中，加强材料可包括热塑性材料和/或热固性材料。
多种实施方式的超声换能器系统可包括设置在有源层的后面与声衰减层之间的中间层。该中间层可包括环氧树脂、硅酮橡胶、钨、氧化铝、云母、微球体或它们的任何组合。
在又一方面中，提供了一种超声换能器系统，其包括有源层和声衰减层。该有源层可具有声学面和后面(与声学面相反)，且包括至少一个超声换能器元件。该声衰减层可包括多孔聚合物纤维纺织层和加强材料，且互连至有源层的后面。该加强材料可至少部分填充声衰减层的纤维之间的空隙空间。在一种设置中，该声衰减层可包括多层纺织层以及在毗邻的声衰减层之间的粘合剂层，这些粘合剂层用来将声衰减层接合到一起。
一实施方式可包括电连接构件。该电连接构件可由绝缘材料和多个独立的导电路径组成。可将多个导电路径中的每一个设置成与至少一个超声换能器元件中相应的一个成横向且与之电接触。
在一种设置中，背衬件可包括通过该背衬件的多个连续路径。这些路径至少部分由导电材料填充，从而提供通过背衬件的导电路径。
在另一方面中，提供了一种超声换能器系统，它包括有源层和背衬件。该有源层可具有声学面和后面(与声学面相反)，且包括至少一个超声换能器元件。该背衬件可包括支承材料。该背衬件可包括至少一层无纺膜，该无纺膜由与支承材料组成的多层支承层交织的多孔聚合物组成。
在一个实施方式中，无纺膜可包括被支承材料至少部分填充的多个通孔。可安排毗邻的无纺膜以使特定的无纺膜的多个通孔中的至少某些通孔不与毗邻的无纺膜的任何通孔对齐。可安排毗邻的无纺膜以使特定的无纺膜的多个通孔中的大多数或全部通孔不与毗邻的无纺膜的任何通孔对齐。在一实施方式中，每一层无纺膜的厚度可小于200微米(例如在1与200微米之间)，而多个支承层中每一层的厚度可小于200微米(例如在1与200微米之间)厚。
在一个实施方式中，膜和支承层中的每一个可平行于有源层定向。在另一个实施方式中，膜和支承层中的每一个可相对于有源层成一角度定向。
在一个实施方式中，膜和支承层可以没有通孔。在这样的设置中，每一层无纺膜的厚度可小于800微米(例如在1与800微米之间)，而多个支承层中的每一个的厚度可小于500微米(例如在1与500微米之间)。此外，在这样的设置中，支承材料可由聚合物、陶瓷、金属或它们的组合组成。该支承材料可以是多孔的或无孔的。多层支承层可以是多孔的或无孔的。在支承材料包括聚合物的实施方式中，聚合物可以是热固性材料、热塑性材料、含氟聚合物、环氧树脂或它们的任何组合。此外，多个互连层可被设置在毗邻的膜与支承层之间。互连层可包括两面均设置有粘合剂的载体。互连层可将毗邻的膜与支承层接合到一起。
在另一方面中，提供了一种超声换能器系统，它包括有源层和背衬件。该有源层可具有声学面和后面(与声学面相反)，且包括至少一个超声换能器元件。该背衬件可包括第一面和与该第一面相反设置的第二面。该背衬件可互连至有源层的后面。该背衬件可包括多孔聚合物和加强材料，且可被配置成使从超声换能器元件的第一面传播至其后面的声束必须通过多孔聚合物的至少一部分。可选择多孔聚合物和加强材料以使背衬件的总挠曲模量至少是该多孔聚合物自身的挠曲模量的两倍。对于从第一面传播至后面的声束，该背衬件可具有在1MHz下至少25dB/cm的声衰减。可选择该多孔聚合物和加强材料以使多孔聚合物的声衰减至少是加强材料的声衰减的两倍。
在另一方面中，提供了一种超声换能器系统，它包括有源层和背衬件。该有源层可具有声学面和后面(与声学面相反)，且包括至少一个超声换能器元件。该背衬件可包括多层膜，这些膜由与包括支承材料的多层支承层交织的多孔聚合物组成。多层膜可包括已经去除了多层膜的部分的多个部分。
可安排毗邻的膜以使特定膜的已经去除了多层膜的部分的某些、大多数或全部的多个部分不与毗邻膜的任何通孔对齐。
在又一方面中，提供了一种减少入射到超声换能器的后面的声能的方法。该方法可包括提供含多孔聚合物的材料层、毗邻超声换能器的后面定位该材料层以及吸收该材料层中的声能。该材料层可具有前面和后面。该前面可与超声换能器的后面成面对面接触，而该后面可与流体接触。该吸收步骤可包括吸收从超声换能器的后面发出的声能以及吸收入射到该材料层的后面的声能。
在一个实施方式中，该流体可以是气体或液体。在一个实施方式中，该材料层可包括至少一层多孔聚合物纤维纺织层，其中多孔聚合物纤维之间的空隙空间至少部分由无孔聚合物填充。
在另一方面中，提供了一种减少入射到超声换能器的后面上的声能的方法。该方法可包括提供包括无纺多孔聚合物层和支承材料的声衰减构件、毗邻超声换能器的后面定位该声衰减构件，以及在该声衰减构件中吸收声能。该声衰减构件可具有前表面和后表面。该前表面可与超声换能器的后面面对面接触。该吸收步骤可包括在声衰减构件中吸收从超声换能器的后面发出的声能和入射到声衰减构件的后表面的声能。
在一个实施方式中，该声衰减构件可包括与多层支承材料交织的多层无纺多孔聚合物层。该多层无纺多孔聚合物层可包括多个孔。
在又一方面中，提供了一种超声导管探头，它包括设置在外壳中的超声换能器。该超声换能器包括具有声学面和与该声学面相反的后面的有源层。该有源层可包括至少一个超声换能器元件。该超声换能器还可包括互连至该后面的背衬件。该背衬件可包括与多层支承层交织的多层声衰减层。
在一个实施方式中，多层声衰减层可包括多孔聚合物。在一个实施方式中，多层声衰减层可包括通过其中的多个过孔。该多个过孔可至少部分由支承材料填充。
在另一方面中，提供了一种声衰减装置，该装置包括声衰减材料和互连至该声衰减材料的支承结构。该声衰减材料可用于衰减入射到该材料上的声能，且可包括由多孔聚合物组成的第一组成部分和由支承材料组成的第二组成部分。第一组成部分可以是纺织的和/或无纺的。
在一种设置中，该多孔聚合物的多孔结构可部分由第二组成部分填充。在一种设置中，第一组成部分可由多孔纤维纺织层组成。
在一个实施方式中，第一组成部分可包括多层无纺膜，而第二组成部分可包括多层支承层。这些膜和支承层可交织。在一个实施方式中，多层膜中的每一层可包括限定通过多层膜的多个通路的多个过孔。所述多个过孔可至少部分由该支承材料填充。
以上关于各个上述方面所讨论的多种特征可供上述方面中的任一个利用。经过考虑以下进一步的描述，附加的方面和相应的优点对本领域技术人员将会显而易见。
附图简述
图1是超声探头和感兴趣部位的实施方式的示意图。
图2示出纤维纺织层的实施方式。
图3是图2的纤维纺织层的截面图。
图4是纤维之间的空隙空间中设置了填充材料的图2的纤维纺织层的截面图。
图5是纤维之间的空隙空间设置了填充材料而且在纺织层的顶部和底部设置了膜的图2的纤维纺织层的截面图。
图6是接合到一起的类似于图5中所示的两层材料的截面图。
图7是接合到一起的如图4所示的两层材料的截面图。
图8A是包括与多层支承材料薄板交织的多层多孔聚合物薄板的材料的截面图。
图8B是包括与多层支承材料薄板交织的多层多孔聚合物薄板的材料的截面图。
图9是包括多个通孔的多孔聚合物薄板的实施方式的截面的立体图。
图10是图9的薄板的截面图。
图11是与多层支承材料交织的图9的多层薄板的截面图。
图12是超声探头组件的实施方式的立体图。
图13是图12的超声换能器的一部分的示意图。
图14示出附连至框架的超声换能器的实施方式。
图15是超声换能器组件的实施方式的截面图。
图16是超声换能器组件的背衬组件的实施方式的示意图。
图17是超声换能器的实施方式的截面图。
图18是包含在导管中的超声探头组件的实施方式的立体图。
图19是图18的导管的截面图。
图20是互连至支承结构的声衰减材料的立体图。
图21是衰减声能的方法的流程图。
图22是减少入射到超声换能器后面上的声能的方法的流程图。
详细描述
图1是超声探头100、超声成像装置109以及兴趣部位102的实施方式的示意图。该超声探头100包括至少一个超声换能器103。该超声换能器103可以是能将电能转换成机械能(例如声能)和/或将机械能转换成电能的机械有源层。例如，超声换能器103可用于将来自超声成像装置109的电信号转换成超声声能。此外，超声换能器103可用于将所接收到的超声声能转换成电信号。该超声换能器103可包括至少一个接地电极112和至少一个信号电极113。至少一个信号电极113和至少一个接地电极112可分别通过至少一根信号连接线110(例如至少一根信号线)和至少一根接地连接线111(例如至少一根接地线)电互连至超声成像装置109。超声换能器103可包括个体换能器元件的阵列，每个个体换能器元件都通过信号连接线和接地连接线电连接至超声成像装置109。该阵列可以是包括单行个体换能器元件的一维阵列。该阵列可以是包括例如以多列和多行排列的个体换能器元件的二维阵列。整个阵列的接地连接线可聚集，并通过单根接地连接线电连接至超声成像装置109。
为了生成超声图像，超声成像装置109可向超声换能器103发送电信号，超声换能器103又可将电能转换成超声声能104向兴趣部位102发射。兴趣部位102可以是患者的体内结构，诸如器官之类。兴趣部位102中的结构可将声能106的一部分反射回超声换能器103。反射回的声能106可被超声换能器103转换成电信号，该电信号可被发送至超声成像装置109，这些信号在装置109处被处理并可产生兴趣部位102的图像。
将来自超声成像装置109的电信号转换成导向兴趣部位102的超声声能104的过程也会产生导向除兴趣部位102之外的方向的另外的声能107。此另外的声能107可从诸如超声探头100的外壳101之类的多种结构反射而返回超声换能器103，在超声换能器103处被转换成电信号。来自反射回的另外的声能107的电信号会与反射回的声能106的电信号干扰。这样的干扰会导致图像质量下降。
为减少来自反射回的另外的声能107的干扰，可在超声探头100中包括声衰减材料108。声衰减材料108可沿超声换能器103与正对兴趣部位102的表面相反的表面(例如超声换能器103的后表面)互连至超声换能器103。声衰减材料108可防止大量的另外的声能107返回超声换能器103的后表面。声衰减材料108还能减少从其它源到达超声换能器103的后表面的声能量。就这方面而言，声衰减材料108可提供降低的干扰和增强的图像质量。在声衰减材料108直接连接至超声换能器103的实施方式中，至少一根信号连接线110可穿过声衰减材料108。
此外，可将声衰减材料定位于超声探头100中的其它位置，以衰减超声探头100中的声能。例如，可将一定量的声衰减材料114对着外壳101定位，以衰减(例如吸收)会从外壳101的内表面反射从而降低图像质量的声能。虽然在图1中被示为对外壳101的内部的一整边划线，但可沿外壳101对衰减声能有益的任何内表面或其一部分放置声衰减材料114。还可将声衰减材料114靠近超声探头100中的其它结构(例如电路板)定位，以衰减可能从那些其它结构反射的声能。
现在将描述可用于衰减声能，包括衰减超声探头中的超声能的声衰减材料的实施方式。图2是可用于声衰减材料的纺织层200的示图。纺织层200可由多个个体纤维组成，诸如个体纤维202a、202b、202c以及202d。图2示出一种类型的织物的实施方式，其中诸如个体纤维202a、202b、202c以及202d之类的个体纤维相对于彼此位置交织。例如，纤维202b在第一交点203a处位于纤维202a之下(如图1中取向)与在第二交点203b处位于纤维202c之上之间交织。
图2的纺织层200是可用于一实施方式的织物的类型和构造的一个实施例。还可使用本领域技术人员已知的其它类型的织物。此外，可改变这些织物的多种参数以实现不同的织物特性。例如，可改变纤维之间的距离，诸如纤维202a与202c之间的距离以实现多种织物密度。通过改变纤维直径和/或织物的构造可实现诸如厚度之类的其它纺织层200特性。纺织层200的所有纤维可以是相同直径，或者这些纤维可包括多种不同的直径。
纺织层200还包括空隙空间。空隙空间一般是织物平面中未被组成纺织层200的任一纤维占据的任何空间。例如，纤维202a、202b、202c以及202d之间的空间204是纺织层200限定的空隙空间的一部分。
图3是示例性纺织层200沿图2的剖面线A-A的剖面图。图3示出蛇形排列，其中诸如纤维202b之类的个体纤维相对于织物中的其它纤维位置交织。
纺织层200的诸如纤维202b之类的个体纤维可包括聚合物。可构造该聚合物以使这些纤维具有预定的孔隙率。孔隙率是材料中的空隙空间的量度。空隙空间可以是聚合物中不包括该聚合物的空间。孔隙率可标识为材料中的空隙空间的体积与材料总体积的比例。因此，孔隙率将在0与1之间，且可作为百分比给出。零值表示无孔隙。空隙空间可包括空气、水或任何其它物质。空隙空间可包括真空。例如，纺织层200的纤维的孔隙率可小于85％。
在一个实施方式中，这些个体纤维可由诸如多孔PTFE、多孔氨基甲酸酯、多孔聚苯乙烯、多孔硅酮、多孔含氟聚合物、多孔聚烯烃之类的多孔聚合物或它们的组合组成。例如，多孔聚烯烃可以是多孔聚乙烯、多孔聚丙烯或它们的组合的形式。多孔聚乙烯、多孔聚丙烯以及多孔PTFE可以是开放格式的。多孔氨基甲酸酯、多孔硅酮、多孔含氟聚合物以及多孔聚苯乙烯可以是封闭格式的。在一个实施方式中，个体纤维可由单种类型的多孔聚合物组成。在包括多孔PTFE的实施方式中，该多孔PTFE可例如具有类似于授予Gore的美国专利号4,187,390中所描述的微结构，该专利的全部内容通过引用结合于此。在包括多孔PTFE的实施方式中，该多孔PTFE可例如具有类似于授予Bacino的美国专利号5,476,598中所描述的微结构，该专利的全部内容通过引用结合于此。
孔隙率会影响多孔聚合物的声衰减特性。例如，随着孔隙率增大，所捕获的空气——它是声能的劣导体——的量也增多，从而导致具有意料之外的声衰减特性的集合体材料。多孔聚合物可用于衰减具有100kHz与100MHz之间的频率的声能。例如，多孔PTFE可在1MHz下具有大于50dB/cm的声衰减能力。实际上，多孔PTFE可在1MHz下具有大于10,000dB/cm的声衰减能力。比较起来，硅酮RTV在1MHz下可具有小于5dB/cm的声衰减。
图4是纺织层200按照如图3所示的相同取向的截面图，其中填充材料401设置在纤维之间的空隙空间中。如图4所示，填充材料401可填充个体纤维之间的空隙空间，并密封这些纤维。在这样的构造中，填充材料401可实现若干功能。
一个此类功能可以是为纺织层200的多孔纤维提供机械支承。就这方面而言，填充材料401可为纺织层200提供机械支承，从而得到具有比单独的纺织层200抗压性更高的密封的纺织层400。
填充材料401还可密封纺织层200的个体纤维的多孔结构中捕获的空气或其它气体。就这方面而言，填充材料401可包围和密封个体纤维，以使被捕获在这些个体纤维中的空气或其它气体不能逸出到周围区域。同样，可防止密封的纺织层400外部的气体或液体进入纺织层200的个体纤维的孔。
在聚合物是开放格式聚合物的实施方式中，填充材料401可包围纺织层200的个体纤维而不会大量穿透到纤维中。替代地，填充材料401可部分被吸入(例如部分渗入)纺织层200的个体纤维。这样的部分吸入会导致增强的机械强度。纺织层200的个体纤维未被填充材料401填充的部分可包括例如吸入的空气。因此，与纺织层200的个体纤维的空隙空间相关联的声衰减特性可在纺织层200的个体纤维已经被填充材料401包围之后得到保留。关于存在部分吸入的开放格式聚合物，可能存在三个不同的区。第一区可以是不存在填充材料的多孔聚合物。第二区可以是填充材料已经填充多孔聚合物的空隙区的地方。第三区可以是由多孔聚合物外部的填充材料组成的层。
在聚合物是封闭格式聚合物的实施方式中，填充材料401可部分地填充纺织层200的个体纤维的表面不规则处。这样的表面填充可促进纺织层200的个体纤维与填充材料401之间的接合。
如将能理解地，通过改变诸如例如在个体纤维中使用的聚合物的孔隙率、个体纤维的大小、纺织层200中的个体纤维之间的间距、填充材料401被吸入个体纤维的程度(例如当多孔聚合物是开放格式时)以及用来密封纺织层200的填充材料401的量等参数，可实现密封的纺织层400的多种机械和声学特性。在一个实施方式中，填充材料401可以是热塑性和/或热固性材料。填充材料401可包括THV、FEP、PTFE、PES、EFEP、PET、PEEK、PEI、PC、LCP或它们的组合。示例性的热塑材料是THV，诸如美国明尼苏达州圣保罗市的3M公司销售的DyneonTM THV。在包括多孔PTFE和THV的示例性实施方式中，PTFE和THV相组合有好处，其原因在于这两种材料的声阻抗和声传播速度足够相似而不会在两种材料的界面处引起大量反射。
转到图5，声衰减材料构件500可包括可互连至密封的纺织层400的第一附加层501和第二附加层502。在替代的实施方式中，声衰减材料构件500可包括单个附加层501而没有第二附加层502。附加层501和502可包括具有预定的孔隙率水平的聚合物。附加层501和502可提供附加的声衰减能力并提供附加的机械强度。包括密封于THV中的多孔PTFE纤维的纺织层的材料示例有美国特拉华州纽华克市的戈尔公司制造的Tenara。
图6是一实施方式的截面图，其中利用粘接材料层601将如图5中所示的两层声衰减材料构件500接合到一起。粘接材料层601可由诸如例如环氧树脂之类的粘性聚合物组成。在图6所示的实施方式的示例性实现中，声衰减材料构件500中的每一个包括多孔PTFE纤维(例如纤维602)和多孔PTFE附加层603。粘接材料层601的厚度小于0.025mm，而且声衰减材料构件500中的每一个约为0.38mm厚。可使用更厚的粘接材料层，诸如例如0.05mm厚。
在图7中所示的声衰减材料的实施方式中，可利用粘接层703(例如环氧树脂)将两薄板701、702——分别类似于图4的密封的纺织层400且包括纺织多孔聚合物纤维的密封层——接合到一起，以形成保持柔性且具有特定声衰减特性的声衰减材料700。
所描述的包括含有具有空隙空间的聚合物纤维纺织层的至少一层的材料可用于多种声衰减应用。这样的材料可在诸如图1的上述超声探头之类的超声探头中使用。这些材料还可用于其它声衰减应用。
图8A是声衰减材料800的截面图，该材料包括与多个支承材料薄板802(例如膜和/或薄膜)交织的多个多孔聚合物薄板801(例如膜)。例如，这样的声衰减材料800可用于衰减声能，包括衰减超声探头中的超声能。多孔聚合物薄板801的多孔聚合物可以是以上讨论的多孔聚合物中的一种或多种。该多孔聚合物薄板可由无纺多孔聚合物组成。例如，支承材料薄板802可由陶瓷材料、聚合物、金属或它们的组合组成。在支承材料薄板802包括聚合物的实施方式中，该聚合物可以是热固性或热塑性材料。例如，该聚合物可以是环氧树脂或含氟聚合物。
支承材料薄板802可以比多孔聚合物薄板801更刚性。就这方面而言，在声衰减材料800中，多孔聚合物薄板801可提供的声衰减，而支承材料薄板802可提供比多孔聚合物薄板801单独可实现的刚性更大的刚性。就这方面而言，支承材料802可具有比多孔聚合物薄板801更强的抗压碎性和更大的挠曲模量。例如，支承材料802的挠曲模量可以是多孔聚合物薄板801的挠曲模量的至少两倍。还例如，多孔聚合物薄板801的挠曲模量可小于20MPa，而声衰减材料800的净挠曲模量可大于40MPa。
可分别构造声衰减材料800的个体薄板，然后将它们层叠到一起形成声衰减材料800。可使用粘合剂将层叠结构的各层接合到一起。可通过处理层叠件以使支承材料薄板802部分被吸入多孔聚合物薄板801中，将该层叠结构的各层接合在一起。
可使用设置在载体上的粘合剂层将层叠结构的各层接合到一起。该粘合剂可以是压敏的，诸如例如丙烯基压敏粘合剂。例如，可将双面胶带薄层803设置在多孔聚合物薄板801与支承材料802的毗邻层之间。还可使用本领域技术人员已知的其它层叠薄板的方法。
可改变支承材料薄板802和多孔聚合物薄板801的厚度以实现多种机械和声学特性。例如，如图8A所示，多孔聚合物薄板801的厚度可小于支承材料薄板802的厚度。在其它实施方式中，这些薄板可以是相等厚度，或多孔聚合物薄板801可比支承材料薄板802更厚。
在一个实施方式中，各个多孔聚合物薄板801可具有小于800微米的厚度，而各个支承材料薄板802可具有小于500微米的厚度。例如，各个多孔聚合物薄板801可具有1与800微米之间的厚度，而各个支承材料薄板802可具有1与500微米之间的厚度。在特定的示例性实施方式中，各个多孔聚合物薄板801可以是约30微米厚，而各个支承材料薄板802可以是约25微米厚。
图8A中所示的声衰减材料800示出个体层与总结构取向相同的构造。图8B是声衰减材料808的截面图，该材料包括与多块支承材料薄板805交织的多块多孔聚合物薄板804。在图8B中所示的实施方式中，个体层804、805的取向相对于声衰减材料808的总结构的取向成角度807。该角度807可变化以实现多种声学和机械特性。可将可选的密封层806添加至声衰减材料808的顶面和/或底面，以防止多孔聚合物薄板804和/或支承材料薄板805的边缘暴露到周围环境中。声衰减材料800和808中存在的层数可与图8A和8B中所示的层数不同。
图8A的构造使得从声衰减材料800的第一侧810传播至声衰减材料800的第二侧的声束必须通过诸如多孔聚合物薄板801之类的多孔聚合物薄板的多层。可选择图8B的构造的角度807以及声衰减材料808的总体结构的取向，以使从声衰减材料808的第一侧812传播至声衰减材料808的第二侧813的声束必须通过诸如多孔聚合物薄板804之类的多孔聚合物薄板的多层。
参考图8A和8B所描述的包括与多块支承材料薄板交织的多块多孔聚合物薄板的材料可用于多种声衰减应用。这样的材料在1MHz下可具有至少25dB/cm的净声衰减，且可用于衰减具有100kHz与100MHz之间的频率的声能。这样的材料可在诸如上述图1的超声探头之类的超声探头中使用。这些材料还可用于其它声衰减应用。
图9是包括由多孔聚合物组成且包括诸如通孔901之类的多个通孔的薄板900的声衰减材料的一部分的立体图。在示例性实施方式中，薄板900的厚度可以在1与200微米之间。薄板900的多孔聚合物可以是以上讨论的聚合物中的一种或多种。在一个实施方式中，薄板900可由多孔PTFE和/或其它多孔聚合物(例如氨基甲酸酯、硅酮、含氟聚合物、聚苯乙烯以及聚烯烃)构成。薄板900可由无纺多孔聚合物组成。
孔的大小(例如孔的面积或直径)、孔的数量以及孔的图案均可不同，以实现如下讨论的特定的材料特性。图10是图9的薄板900沿截面线B-B的截面图。可通过本领域已知的任何合适手段产生这些孔，包括例如激光钻孔。这些孔可均匀或不均匀地分布。这些孔可以都是同一大小，或个体孔的大小可不同。
图11是刚性复合材料1100的实施方式的截面图。该刚性复合材料1100包括诸如声衰减材料薄板900之类的多层多孔聚合物薄板和声衰减材料的附加薄板1101。附加薄板1101可由相同材料构成，且可具有与薄板900相同的通孔特性。如图11所示，多孔聚合物薄板可与支承材料层1102的诸层交织。支承材料层1102也可占据多孔聚合物薄板900、1101的通孔的至少一部分。就这方面而言，支承材料层1102可形成三维互连的刚性矩阵。例如，多孔聚合物薄板900、1101之间的支承材料层1102的厚度可以在1与200微米厚之间。
与声衰减材料层交织的支承材料层1102的组合提供具有不寻常的声衰减和机械特性的复合材料1100。就这方面而言，支承材料层1102例如可包括环氧树脂、THV、FEP、PES、EFEP、PTFE、PET、PEEK、PEI、PC、LCP或它们的组合，且具有比多孔聚合物薄板900、1101更强的抗压碎性和更大的挠曲模量。例如，支承材料层1102的挠曲模量可以是多孔聚合物薄片900、1101的挠曲模量的至少两倍。还例如，多孔聚合物薄片900、1101的挠曲模量可小于20MPa，而复合材料1100的净挠曲模量可大于40MPa。
因此，复合材料1100可从支承材料层1102获得机械强度，同时从多孔聚合物薄板900、1101获得声衰减特性。该复合材料在1MHz下可具有至少25dB/cm的净声衰减，且可用于衰减具有100kHz与100MHz之间的频率的声能。
改变多孔聚合物薄板中不同层的厚度和孔的构造，可改变复合材料1100的机械和声学特性。例如，如图11所示，两薄板900、1101中的孔未对齐。一般而言，多孔聚合物薄板900、1101将具有比支承材料层1102显著更高的声衰减率。因此，通过刚性复合材料1100的声能将主要透过支承材料层1102的结构。通过使多孔聚合物薄板900、1101的孔交错，将迫使传播通过支承材料层1102的声能遵循蛇形路径。就这方面而言，从顶表面1103通过复合材料1100传播到底表面1104的任何声束必须通过多孔聚合物薄板900、1101的至少一部分。这将倾向于比多孔聚合物薄板900、1101的孔成一直线的情况将声能衰减至更大程度，而通过支承材料层1102的声能将能遵循通过复合材料1100的直线路径。
类似于多孔聚合物薄板的孔的对齐，孔的大小和数量可不同以使期望的声衰减特性和期望的机械特性平衡。例如，一般而言，较大的通孔会导致更刚性和更结实的复合材料1100。较大的通孔或数量更多的通孔也会对传播通过刚性复合材料1100的声能形成更大的路径，这会导致具有较低总声衰减的更刚性和更结实的复合材料1100。
此外，类似于上述情况，在使用了开放格式聚合物的情况下，可能会出现将一些环氧树脂吸入多孔聚合物层中的部分吸入。在开放格式聚合物的孔隙大小小于预定量或使用了封闭格式聚合物的情况下，基本上不会出现吸入。在出现吸入的情况下，可能具有与减小多孔聚合物层的厚度和/或增大多孔聚合物层900、1101的通孔的大小类似的效果。
而且，一般而言，支承材料已经吸入多孔聚合物层的多孔结构的一部分中的区域会比没有支承材料的多孔聚合物层的区域显著更硬。例如，支承材料已经吸入多孔聚合物层的多孔结构一部分的区域可具有比无支承材料的多孔聚合物层的区域的挠曲模量大两倍以上的挠曲模量。
可通过加工和处理影响吸入程度。例如，在包括多孔PTFE的实施方式中，在复合材料1100的制造期间，多孔PTFE在与支承材料层1102接触之前先用溶剂润湿，可提高支承材料向多孔PTFE吸入的程度。此外，在制造期间或之后施加给复合材料1100的任何压力会使支承材料层1102吸入到多孔聚合物层900、1101中。复合材料1100上的压力还会压碎(例如永久压缩)多孔聚合物层900、1101。
图11中所示的复合材料1100包括两层多孔聚合物层900、1101。其它实施方式可包括单层多孔聚合物层或两层以上多孔聚合物层。例如，声衰减材料的一种实施方式是使用与环氧树脂层交织的三层多孔PTFE层构造的。向各PTFE层中钻出多个孔，这些孔的平均直径为约0.14mm，且占有多孔PTFE层的总表面积的约10.7％。在一个样本中，个体多孔PTFE层的孔高度对齐地排列。测得该样本的声衰减在1MHz下为375dB/cm。在另一个样本中，个体多孔PTFE层的孔对齐程度相对低地排列。测得对齐程度低的样本的声衰减在1MHz下为431dB/cm。
另一实施方式使用与环氧树脂层交织的两层多孔PTFE层来构造。该多孔PTFE层包括多个孔。该实施方式在50psi压缩下未表现出塑性变形。在多孔PTFE层中无多个孔的相似实施方式在50psi压缩下会表现出约3％的塑性形变。
盲孔可代替诸如通孔901之类的上述通孔。这样的构造消除了通过复合材料1100的连续的支承材料声学路径。
如所描述的包括含孔(例如通孔)多孔聚合物的至少一块薄板的材料可用于多种声衰减应用。这样的材料可在诸如图1的上述超声探头之类的超声探头中使用。这些材料还可用于其它声衰减应用。实际上，这些材料可广泛用于需要衰减声能的多种应用。
上述的每一种声衰减材料可在比特定应用所需大小更大的主薄板上制造。例如，可制造声衰减材料的主薄板以便用作超声换能器中的背衬材料，其包括用于多个个体超声换能器系统的足够材料。例如，主薄板可被分成个体部分以便用于个体超声换能器系统。该工艺还可包括用密封材料(例如环氧树脂和/或热塑性含氟聚合物)密封个体部分的暴露边缘的步骤。
在制造了声衰减材料的个体部分(例如其中未制造主薄板)的实施方式中，该工艺可包括用密封材料(例如环氧树脂和/或热塑性含氟聚合物)密封声衰减材料的暴露边缘的步骤。
在上述每一种声衰减材料中，多孔聚合物可具有比用来提供支承的材料显著更大的声衰减能力。例如，多孔聚合物的声衰减能力可大于支承材料的声衰减能力的两倍。此外，支承材料可比多孔聚合物显著更硬(例如具有更大的刚度)。例如，支承材料可具有多孔聚合物的挠曲模量的两倍的挠曲模量。而且，多孔聚合物可具有至少5％的孔隙率。例如，多孔聚合物可具有5％与85％之间的孔隙率。
例如，可在需要控制声能的系统中使用上述材料。此外，由于上述材料单位厚度的衰减相对高，所以特定厚度的衰减材料可实现较大衰减，或者期望的衰减量可以用较少的衰减材料实现。后一种能力在需要小型化的应用中尤其有利。具体而言，之前参考图1所讨论的示例超声探头一般利用声衰减材料来控制一个或多个有源(例如压电)元件所产生的声能。例如，在超声换能器中使用上述材料，可更好地做出与现有探头相同大小的探头和/或更小的换能器探头。
图12示出超声探头组件1200的立体图。探头组件1200包括外壳1201和电缆1202。电缆1202互连至超声成像装置(未示出)。一般而言，探头组件1200包括被包括在外壳1201中且可用于通过沿探头组件1200的一端的探头组件面1203发射超声能的多个超声换能器。以声波形式的超声能可被引导通过患者的外表皮进入患者的体内结构。这些声波可与多个内部器官相互作用并反射。然后探头组件1200检测这些反射，并通过超声成像装置将这些反射显示为患者的体内结构的图像。
探头组件1200可用于扫描成像体积1208。可通过将一维换能器阵列安装在可动构件上实现这一目的。一般而言，一维换能器阵列包括沿纵轴1205含多个换能器元件的单行。通过电子控制，声能束可沿纵轴1205扫过。某些声能被反射回换能器阵列，在阵列中被换能器阵列从声能转换成电信号。然后可将这些电信号转换成声能扫描区域的二维图像。探头组件1200可包括可沿仰角轴1204被机械地扫描(例如旋转)的一维换能器阵列。因此，通过沿纵轴1205的电子扫描和换能器阵列沿仰角轴1204的机械扫描相结合，可使声能束扫过成像体积1208。反射回换能器阵列的能量可被转换成成像体积1208的三维图像。
探头组件1200中的换能器阵列可以是沿仰角轴1204被机械地扫描(例如旋转)的二维阵列。可利用该阵列垂直于旋转轴(例如仰角轴1204)的维度来进一步控制所发射的声能。例如，可使用沿仰角轴1204的换能器来使声能成形，以减少旁瓣并改善沿仰角轴1204的聚焦。
转到图13，给出了一维超声换能器系统1300的截面示意图。超声换能器系统1300具有纵轴1305和仰角轴1304，它们例如分别类似于图12的探头组件的纵轴1205和仰角轴1204。超声换能器系统1300可用于发射和/或接收超声信号。
一般而言，如本领域技术人员所知，换能器1315(包括诸如压电层1306之类的有源层和下述附连至该有源层的任何可选匹配层)可沿纵轴1305分成预定数量的分立部分(例如部分1309a到1309n，其中n表示分立部分的预定数量)。这些分立部分中的每一个可以是换能器元件(例如，分立部分1309a可以是换能器元件)。这些分立部分可电互连，从而两个或多个分立部分可用作单个换能器元件(例如分立部分1309a和1309b可电互连并起单个换能器元件的作用)。还可存在背衬件1313。
图13示出沿纵轴1305为直的超声换能器系统1300。超声换能器系统1300可沿纵轴1305弯曲。例如，可通过沿纵轴1305彼此成一定角度放置个体平面换能器元件实现此弯曲。图13还示出了超声换能器系统1300的个体换能器元件沿仰角轴1304为平面。在替代构造中，超声换能器系统1300的个体换能器元件可沿仰角轴1304弯曲。
换能器1315可包括压电层1306。压电层1306可包括压电材料层1320、第一电极层1321以及第二电极层1322。压电材料层1320可由陶瓷基材料(例如锆钛酸铅(PZT))组成。第一电极层1321可由一层或多层导电材料组成。类似地，第二电极层1322可由一层或多层导电材料组成。第一电极层1321连接至各个个体换能器元件的那部分可用作该个体换能器元件的信号电极。相似地，第二电极层1322连接至各个个体换能器元件的那部分可用作该个体换能器元件的接地电极。
一般而言，信号电极和接地电极如图13所示地排列，且接地电极在压电材料1320正对要成像的部位的那一面。信号电极和接地电极的位置可互换。在这样的实施方式中，可能必须提供附加的接地层以屏蔽信号层。接地电极可以是如图13中所示的个体电极，或可以是位于各个个体换能器元件之上的一个连续的接地材料层。个体换能器元件电极可互连至电子电路系统，该电子电路系统可提供声波产生和感测。
可选的声匹配层可互连至压电层1306。图13的超声换能器系统1300示出了互连至压电层1306的第一可选的匹配层1307和第二可选的匹配层1308。可选的匹配层的存在和数量可与图13中所示的构造不同。换能器1315包括压电层1306以及与其附连的任何可选的匹配层。
压电层1306可以是能将电能转换成机械能且能将机械能转换成电能的机械有源层。如上所述，压电层1306可由夹置在接地电极与信号电极之间的PZT材料层组成。能产生声信号的多种组成部分和材料可代替压电层1306的至少一部分。这样的组成部分和材料包括陶瓷材料、铁电材料、复合材料、电容器微细加工的超声换能器(CMUT)、压电微细加工的超声换能器(PMUT)以及它们的任意组合。不管具体组成部分、操作的机电原理或材料如何，机械有源层可包括将电能转换成机械能且将机械能转换成电能的装置，其具有声学面1314和可单独控制的多个换能器元件。一般而言，可在该机械有源层中使用本领域技术人员已知的可用于成像目的的产生超声声信号的任何系统。
返回图13，各个个体分立部分可通过在换能器1315切割期间产生的截槽(例如分立部分1309c与1309d之间的截槽1310)与相邻的分立部分分开。截槽可用填充材料填充。此外，一个或多个声学透镜可互连至声学面1314。
当压电层1306发射声能时，某些声能将进入背衬件1313。因为这样的声能未被引导至成像体积1208，所以期望衰减此声能。衰减此声能有助于减少通过压电层1306的背面反射回压电层1306的声能量。这些反射的声能会干扰从成像体积1208反射回压电材料1306的声能，而这将引起图像劣化。
背衬件1313可包括中间层1301。中间层1301可由超声换能器设计领域技术人员已知的材料或多种材料组成，诸如例如环氧树脂、硅酮橡胶、钨、氧化铝、云母、微球体或它们的组合。背衬件1313还可包括第二层1302。该第二层1302可以是诸如之前描述的包括由多孔聚合物组成的纺织纤维层(例如，这些纤维可由多孔PTFE组成)的材料之类的高衰减材料。例如，该第二层1302可由参考图6和/或7描述的声衰减材料组成。
图14是换能器和框架组件1400的示图。换能器和框架组件1400包括安装至框架1401的图13的超声换能器系统1300。如上参考图13所描述地，超声换能器系统1300可包括换能器阵列1315、中间层1301以及第二层1302。例如，可将换能器和框架组件1400安装在图12的探头组件1200中。可安装换能器和框架组件1400以使它可围绕框架旋转轴1402旋转。在这样的系统中，且如上所述，声束可以沿纵轴1405电子地操纵和通过使换能器和框架组件1400围绕框架旋转轴1402旋转机械地操纵声束。可使用电机或其它设备(未示出)来使换能器和框架组件1400围绕框架旋转轴1402旋转。
为将换能器阵列1300声学地耦合至图12的探头组件面1203，可将换能器和框架组件1400浸没到流体(例如液体)中。该流体可被包含在图12的探头组件1200的外壳1201中。
如上所述，可使换能器和框架组件1400在外壳1201中旋转，以实现声束沿仰角轴1204的扫描。此外，如上所述，可将换能器和框架组件1400浸没到流体中。在这样的系统中，减小换能器和框架组件1400的大小和/或重量是有好处的。通过减小换能器和框架组件1400的大小，可降低换能器和框架组件1400在其被浸没的流体中的运动阻力。通过减小换能器和框架组件1400的重量，可减小换能器和框架组件1400的惯性。减小换能器框架组件1400的运动阻力和/或惯性可得到提高的定位精确性、较短的运动响应时间以及降低的电机功率要求等。
因此，使用包含如上所述的至少一层多孔聚合物纤维纺织层的背衬件代替传统的超声换能器背衬材料(例如硅酮橡胶)可提供重量和大小减小的好处。同样，如果用包括至少一层多孔聚合物纤维纺织层的相似大小的背衬件代替传统的超声换能器背衬材料，则可加强该背衬件的声衰减。
此外，上述多孔聚合物纤维纺织层的柔性允许高效地制造诸如图14的换能器阵列1300之类的弯曲的换能器阵列。例如，最初可将图14的换能器阵列1300制造为平坦的换能器阵列。就这方面而言，平坦连续的压电材料层可互连至包括至少一层多孔聚合物纤维纺织层的背衬件。在切割该压电材料以形成个体换能器阵列元件之后，可将此组件互连至诸如换能器和框架组件1400的框架1401的弯曲表面1403之类的弯曲表面。然后可填充由切割工艺产生的截槽。
返回图13，第一电极层1321和第二电极层1322可以多种方式电互连至超声成像装置。例如，可通过沿换能器1315的边缘电互连至第一电极层1321实现到各个个体换能器元件(例如分立部分1309a到1309n)的第一电极层1321的电互连。例如，分立部分1309c的的第一电极层1321可互连至分立部分1309c的暴露末端1303。
图15示出将超声成像装置电互连至换能器1315的分立部分的第一电极层1321的另一方法。图15是图13的超声换能器系统1300沿图13的截面线C-C所取的截面图，其中增加了多个电互连1501a到1501n。多个电互连1501a到1501n中的每一个延伸穿过中间层1301和第二层1302。例如，电互连1501a电互连至分立部分1309a的第一电极层1321，且延伸穿过中间层1301和第二层1302。电互连1501a的暴露部分1503电互连至分立部分1309a的第一电极层1321。该暴露部分1503可利用本领域已知的多种方法电互连至超声成像装置。替代地，电互连1501a到1501n可不延伸穿过第二层1302的底面1504。在这样的构造中，电互连1501a到1501n可利用本领域技术人员已知的方法(例如引线接合)互连至超声成像装置。
可通过首先建立穿过中间层1301和第二层1302的孔形成电互连1501a到1501n。这可通过例如激光钻孔来实现。然后可使用导电材料填充这些孔(例如通过电镀工艺)。电互连1501a到1501n可被配置成使单根电连接线电互连至多个分立部分。例如，电互连1501a可电互连至分立部分1309a和1309b。在这样的构造中，分立部分1309a和1309b可共同构成单个换能器元件，而电互连1501b可不存在。电互连1501a到1501n可相对于它们电互连的分立部分横向地定向。
图16示出将超声成像装置电互连至换能器1315的分立部分的第一电极层1321的另一方法。图16是用于超声换能器组件的背衬组件1600的示意图。为避免重复，未在图16中示出换能器阵列。相反，仅示出了背衬组件1600。示出背衬组件1600与图13的超声换能器系统1300取向相似。
图16的背衬组件1600包括中间层1601和第二层1602。类似于以上关于超声换能器系统1300所讨论地，中间层1601可由超声换能器设计领域的技术人员已知的材料或多种材料组成，而第二层1602可以是诸如以上所描述的包括由多孔聚合物组成的纤维纺织层的材料之类的高衰减材料。背衬组件1600包括互连组件1603。互连组件1603可由绝缘材料1604和个体导电构件组成。如图16所示，互连组件1603可被设置在中间层1601与第二层1602的部分之间。在图16中已经切掉了沿线1607的部分以揭示互连组件1603的内部细节。
个体导电构件可以是诸如导线1605之类的个体导线。个体导线可被设置在绝缘材料中诸如狭缝1606之类的狭缝中，且相对于个体换能器元件横向取向。就这方面而言，互连组件1603可由穿过背衬组件1600的多个电互连组成。绝缘材料1604可由与中间层1601相同的材料组成。
如以上参考图1所述，可沿超声探头100中的其它表面放置声衰减材料114。相似地，在诸如图12中所示的实施方式之类的实施方式中，可使用上述声衰减材料来给外壳1201和/或探头组件1200中的其它组成部分加衬里。上述声衰减材料的此类应用通过减少入射到诸如图13的换能器阵列1300之类的超声换能器阵列的不需要的声能量，可有助于改善图像质量。一般而言，可将上述声衰减材料对着一表面定位，其中声衰减材料的前面与该表面成面对面关系，而该声衰减材料的后面与流体(例如空气或水)接触。在这样的位置，声衰减材料能用于吸收从该表面发出的声能和通过流体传播且在声衰减材料的后面入射的声能。
转到图17，给出了超声换能器系统1700的截面示意图。在图17中切掉了沿线1711和1712的部分，以揭示超声换能器系统1700的内部细节。超声换能器系统1700具有纵轴1705和仰角轴1704。超声换能器系统1700由预定数量的分立部分组成，它们在图17中用分立部分1709a到1709n表示，其中n表示分立部分的预定数量。超声换能器系统1700被示为具有单行n个换能器的一维阵列，其中n表示分立部分的预定数量。替代地，超声换能器系统1700可包括排列成多行和多列的分立部分的二维阵列。
一般而言，如本领域技术人员已知，换能器1715(由压电层1706和与其附连的任何可选的匹配层组成)可分成沿纵轴1705排列的预定数量的分立部分，它们在图17中用分立部分1709a到1709n表示。类似于参考图13所讨论地，这些分立的部分可分别形成换能器元件，或它们可电组合，使两个或多个分立部分形成一个换能器元件。还可存在如下所述的背衬件1701。
换能器1715可包括压电层1706。压电层1706可包括压电材料层1720、第一电极层1721以及第二电极层1722。压电材料层1720可由陶瓷基材料组成。第一电极层1721可由一层或多层导电材料组成。类似地，第二电极层1722可由一层或多层导电材料组成。第一电极层1721连接至各个个体换能器元件的那部分可用作该个体换能器元件的信号电极。同样，第二电极层1722可用作接地电极。个体换能器元件电极可互连至电子电路系统，该电子电路系统可提供声波产生和感测。
可选的声匹配层可互连至压电层1706。图17的超声换能器系统1700显示出单个可选的匹配层1707。可选的匹配层的存在和数量可与图17中所示的构造不同。换能器1715包括压电层1706以及与其附连的任何可选的匹配层。
压电层1706可以是用于将电能转换成机械能且将机械能转换成电能的机械有源层，而且可由以上参考图13的压电层1306所讨论的任一种材料组成。图17的换能器1715包括声学面1714。各个个体换能器元件可通过在换能器1715的切割期间产生的截槽(例如，分立部分1709c与1709d之间的截槽1710)与相邻元件分开。
超声换能器系统1700的背衬件1701可包括以上关于图11所描述的复合材料。就这方面而言，背衬件1701可包括一层或多层多孔聚合物薄板，诸如与支承材料层1702交织的薄板1703a、1703b以及1703c。支承材料可例如由环氧树脂组成。多孔聚合物薄板1703a、1703b以及1703c中的每一个可由多孔PTFE组成。多孔聚合物薄板1703a、1703b以及1703c中的每一个可包括诸如通孔1708之类的多个通孔。多个通孔可至少部分由支承材料1702填充。
图17示出包括三层多孔聚合物薄板1703a、1703b以及1703c的背衬件1701。各种实施方式可使用单层多孔聚合物薄板、两层多孔聚合物薄板、或四层或更多层多孔聚合物薄板。多孔聚合物薄板中的孔图案可与图17中所示的不同。可改变孔大小、数量以及图案以实现期望的机械和/或声学特性。
如图17所示，支承材料1702完全密封多孔聚合物薄板1703a、1703b以及1703c。可通过预先切割个体多孔聚合物薄板1703a、1703b以及1703c然后将他们密封在支承材料1702中来实现这样的构造。
替代地，背衬件1701可被制造成比单个超声换能器系统1700所需的大小更大。例如，可提供比单个超声换能器系统1700所需大数倍的背衬材料薄板。相似大小的压电材料层以及可能需要的任何可选的匹配层可一起互连至背衬材料薄板。然后可切割此组件以在压电材料条之间产生截槽。然后可填充这些截槽。然后可将整个组件切割成诸如图17的超声换能器系统1700之类的个体超声换能器系统。
就这方面而言，可将背衬件1701减小至其最终大小(例如通过切割)，其中个体多孔聚合物薄板1703a、1703b以及1703c的边缘沿背衬件1701的侧面暴露。取决于超声换能器系统1700的应用和工作环境，个体多孔聚合物薄板1703a、1703b和1703c的边缘可保持暴露，或这些边缘可在制造步骤中被密封(例如在背衬件1701的边缘周围放置环氧树脂层)。可密封这些边缘以例如防止物质进入多孔聚合物薄板的孔隙，或提供附加的机械完整性。
可按照类似于以上关于图13的超声换能器系统1300所讨论的方式实现与超声换能器系统1700的个体换能器元件的电互连。例如，可通过沿换能器1715的边缘电互连至第一电极层1721实现与，各个个体换能器元件的第一电极层1721的电互连。例如，可按照类似于以上参考图15(例如通过背衬件1701钻孔并电镀)和图16(例如使用类似于互连组件1603的互连组件)所描述的方式通过背衬件1701电连接，实现与第一电极层1721的电互连。
一旦安装在例如超声探头中，则可定向超声换能器系统1700以使声学面1714靠近超声探头的外部。因此，超声换能器系统1700的后部(例如背衬件1701与压电层1706相反的后面)可背对超声探头的外部并朝向超声探头的内部。就这方面而言，背衬件1701的后面可暴露于可能例如包含空气的超声探头的内部环境中。
图17示出沿仰角轴1704为直的超声换能器系统1700。在替代构造中，超声换能器系统1700的个体换能器元件可沿仰角轴1704弯曲。
图17示出具有类似于参考图9-11所描述的材料的背衬件1701的超声换能器系统1700。注意，超声换能器系统1700也可使用参考图8A和8B所描述的背衬件材料来构造。
图18和19示出图17的超声换能器系统1700的示例性应用。图18示出包括超声换能器的导管1800。导管1800包括包围超声换能器的外壳1801和互连的管1802。管1802可包括导电路径，以将超声换能器与超声成像装置(未示出)电互连。导管1800中的超声换能器可沿纵轴1805和仰角轴1804取向，从而声能束可扫过成像平面1808。
声波形式的超声能可被引导至患者的体内结构中。这些声波可与多个内部器官相互作用并反射。然后导管1800中的超声换能器检测这些反射，并通过超声成像装置将这些反射显示为患者体内结构的图像。
图19是沿图18的导管1800的截面线D-D的截面图。包括换能器1715和背衬件1701的超声换能器系统1700设置在外壳1801中。导管1800还包括电互连至超声换能器系统1700的电互连组件1904。该电互连组件1904可以是例如可从美国特拉华州纽华克市的戈尔公司得到的GORETMMicroFlat带状电缆。导管1800还可包括工作通道1905。
例如，可根据参考图8A到11所描述的实施方式构造背衬件1701。应当理解的是，因为背衬件1701可由单位厚度高衰减(相对于传统的超声换能器背衬材料)的多孔聚合物薄板组成，所以背衬件1701可比由传统背衬材料(例如环氧树脂、硅酮橡胶)组成的具有相似衰减能力的背衬件更薄。更薄的刚性背衬件1701具有若干优点。例如，在诸如导管1800之类的圆形导管中，当减小背衬件厚度时，可增大超声换能器系统1700的最大宽度。同样，当减小背衬件厚度时，可增大导管中其它组成部分的可用空间和/或减小导管的总尺寸。背衬件1701的刚性还用于在无需辅助支承构件的情况下支承和/或定位换能器1715。此外，通过背衬件1701电互连至换能器1715的上述方法会导致无需沿换能器1715的边缘的电连接，从而换能器1715和背衬件1701可延伸至或接近导管1800的外壳1801。
本文中描述的声衰减材料可用于多种位置。如上所述，可使用该声衰减材料来给探头组件1200的外壳1201内部加衬里。图20示出声衰减材料2001互连至(例如用环氧树脂接合)支承结构2002以形成声能吸收面板2000的示例性实施方式。可将这样的面板2000定位在多种位置以吸收声能。例如，可使该面板位于其中需要减小声能级的预定体积中。该面板2000可包括上述声衰减材料中的一种或多种。
图21是衰减声能的方法的流程图。虽然该流程图以特定顺序示出特定步骤，但它仅仅用于示例性目的，而且可重新排列在图21中描述的这些步骤的顺序。第一步骤2101包括将构件放置在要衰减的声能路径中。该构件可包括多孔聚合物和支承材料。该多孔聚合物可包括PTFE、氨基甲酸酯、聚苯乙烯、硅酮、含氟聚合物、聚烯烃(例如聚乙烯和聚丙烯)或它们的组合。
该多孔聚合物可以是一层或多层纺织纤维层的形式。该支承材料可占据纺织纤维之间的空隙空间的一部分。
该多孔聚合物可以是多个无纺薄板个体层形式。例如，多层多孔聚合物可与多层支承材料交织。这些薄板可以是连续的或者这些薄板可以是打孔的。在这些薄板被打孔的实施方式中，支承材料可至少部分填充这些孔。
该放置操作可包括将该构件毗邻一表面放置，其中该构件的前面与该表面接触。该放置操作可包括将该构件放置在预定体积中以衰减该预定体积中的声能。
第二步骤2102可以是吸收该构件中的声能的至少一部分。在毗邻一表面放置该构件的实施方式中，该吸收步骤可包括吸收从该表面发出的声能，且吸收该构件中在构件的后面入射的声能。
第三步骤2103可以是用支承材料支承多孔聚合物。这可例如通过将纺织多孔聚合物层密封在支承材料基质中来实现，或通过将多层多孔聚合物与多层支承材料交织来实现。
图22是减少入射到超声换能器后面的声能的方法的流程图。虽然该流程图以特定顺序示出特定步骤，但它仅仅用于示例性目的，而且可重新排列在图22中描述的这些步骤的顺序。该声能可具有100kHz与100MHz之间的频率。
第一步骤2201包括提供包含多孔聚合物的材料层。该多孔聚合物可以是纺织的或无纺的。该材料层可具有前表面和后表面。该材料层还可包括支承材料。在包括纺织的多孔聚合物的实施方式中，可将纺织的多孔聚合物层密封在支承材料基质中。
在包括无纺多孔聚合物的实施方式中，无纺多孔聚合物可以是与多块支承材料薄板交织的多块薄板的形式。这些薄板可以是连续的或者这些薄板可以是打孔的。在这些薄板被打孔的实施方式中，支承材料可至少部分填充这些孔。
第二步骤2202可以是定位该材料，以使该材料的前表面毗邻超声换能器的后面且成面对面关系。该材料的后表面可与诸如气体之类的流体接触。例如，该流体可以是包含在超声探头外壳中或包括超声换能器的导管中的空气。
下一步骤2203可以是吸收从超声换能器的后面发出的声能。接下来的步骤2204可以是吸收在该材料的后表面入射的声能。就这方面而言，可防止被吸收的能量到达超声换能器的后面而干扰超声换能器的工作。
虽然上述详细描述一般地描述了与声衰减材料和超声探头组件有关的实施方式，但本文中所描述的实施方式可用于需要声衰减的其它应用和其它超声换能器构造。
对以上描述的实施方式的附加修改和扩展将对本领域技术人员显而易见。这些修改和扩展旨在包含在如所附权利要求所限定的本发明的范围中。

Claims (30)

1.一种超声换能器系统，包括：
具有声学面和后面的有源层，其中所述有源层包括至少一个超声换能器元件，其中所述后面在所述有源层与所述声学面相反的一侧；以及
互连至所述后面的背衬件，所述背衬件包括由具有孔隙结构的聚合物组成的至少一层无纺膜和多层聚合物支承层，其中所述至少一层无纺膜中的每一层与所述多层支承层交织。
2.如权利要求1所述的超声换能器系统，其特征在于，所述至少一个超声换能器元件中的至少一个是平坦的。
3.如权利要求1所述的超声换能器系统，其特征在于，所述至少一个超声换能器元件中的至少一个是弯曲的。
4.如权利要求1所述的超声换能器系统，其特征在于，所述至少一层无纺膜中的每一层包括多个通孔，其中所述多层聚合物支承层包括共同的聚合物支承材料，而且所述多个通孔的至少一部分由所述共同的聚合物支承材料填充。
5.如权利要求4所述的超声换能器系统，其特征在于，所述至少一层无纺膜的所述多个通孔中的至少一部分未与毗邻的无纺膜的任意通孔对齐。
6.如权利要求5所述的超声换能器系统，其特征在于，所述至少一层无纺膜的所述多个通孔中的大部分未与毗邻的无纺膜的任意通孔对齐。
7.如权利要求6所述的超声换能器系统，其特征在于，所述至少一层无纺膜的所述多个通孔都未与毗邻的无纺膜的任意通孔对齐。
8.如权利要求1所述的超声换能器系统，其特征在于，所述聚合物从由PTFE、氨基甲酸酯、聚苯乙烯、含氟聚合物、硅酮以及聚烯烃组成的组中选择。
9.如权利要求8所述的超声换能器系统，其特征在于，所述聚合物是PTFE。
10.如权利要求4所述的超声换能器系统，其特征在于，所述共同的聚合物支承材料从由环氧树脂、THV、FEP、PTFE、PES、EFEP、PET、PEEK、PEI、PC以及LCP组成的组中选择。
11.如权利要求4所述的超声换能器系统，其特征在于，所述至少一层无纺膜中的每一层在1与200微米厚之间，其中所述多层支承层中的每一层在1与200微米厚之间。
12.如权利要求1所述的超声换能器系统，其特征在于，所述至少一层无纺膜中的每一层和所述多层支承层平行于所述有源层定向。
13.如权利要求1所述的超声换能器系统，其特征在于，所述至少一层无纺膜中的每一层和所述多层支承层相对于所述有源层成一角度定向。
14.如权利要求1所述的超声换能器系统，其特征在于，所述背衬件包括多层所述无纺膜，其中所述多层无纺膜各具有1与800微米之间的厚度，其中所述多层支承层各具有1与500微米之间的厚度。
15.如权利要求14所述的超声换能器系统，其特征在于，所述聚合物从由PTFE、氨基甲酸酯、聚苯乙烯、含氟聚合物、硅酮以及聚烯烃组成的组中选择。
16.如权利要求15所述的超声换能器系统，其特征在于，所述聚合物是PTFE。
17.如权利要求15所述的超声换能器系统，其特征在于，所述多层支承层由从由聚合物、陶瓷以及金属组成的组中选择的材料组成。
18.如权利要求15所述的超声换能器系统，其特征在于，所述多层支承层由从由热固性材料、热塑性材料、含氟聚合物以及环氧树脂组成的组中选择的材料组成。
19.如权利要求14所述的超声换能器系统，其特征在于，还包括设置在毗邻的膜与支承层之间的多个互连层，所述多个互连层中的每一个包括：
具有第一表面和第二表面的粘合剂载体；
设置在所述第一表面上的第一粘合剂层；以及
设置在所述第二表面上的第二粘合剂层。
20.如权利要求19所述的超声换能器系统，其特征在于，所述多层互连层可用于使所述毗邻的膜与支承层相互接合。
21.如权利要求1所述的超声换能器系统，其特征在于，还包括通过所述背衬件的多个连续路径，其中所述多个连续路径至少部分由导电材料填充，其中所述多个连续路径中的每一个可用于提供通过所述背衬件的导电路径。
22.一种超声导管探头，包括：
外壳；以及
设置在所述外壳中的超声换能器，所述超声换能器包括：
具有声学面和后面的有源层，其中所述有源层包括至少一个超声换能器元件，其中所述后面在所述有源层与所述声学面相反的一侧；以及
互连至所述后面的背衬件，所述背衬件包括与多层聚合物支承层交织的多层声衰减层，所述声衰减层各自包括由聚合物组成的膜。
23.如权利要求22所述的超声导管探头，其特征在于，所述多层声衰减层包括：
具有第一厚度的第一声衰减层，其中所述第一声衰减层包括第一多个过孔，所述第一多个过孔限定通过所述第一声衰减层的所述第一厚度的多条通路；以及
具有第二厚度的第二声衰减层，其中所述第二声衰减层包括第二多个过孔，所述第二多个过孔限定通过所述第二声衰减层的所述第二厚度的多条通路，其中所述多个支承层包括共同的支承材料，且所述第一多个过孔和所述第二多个过孔中的至少一部分由所述共同的支承材料填充。
24.如权利要求23所述的超声导管探头，其特征在于，所述有源层包括多个超声换能器元件。
25.如权利要求23所述的超声导管探头，其特征在于，所述至少一个超声换能器元件可用于执行发射超声信号和接收超声信号中的至少一种。
26.如权利要求23所述的超声导管探头，其特征在于，组成所述声衰减层的所述聚合物具有孔隙结构。
27.如权利要求26所述的超声导管探头，其特征在于，所述聚合物是PTFE，其中具有孔隙结构的所述聚合物的单位厚度的声衰减是所述支承材料的单位厚度的声衰减的至少两倍。
28.如权利要求23所述的超声导管探头，其特征在于，所述共同的支承材料从由环氧树脂、THV、FEP、PTFE、PES、EFEP、PET、PEEK、PEI、PC以及LCP组成的组中选择。
29.如权利要求22所述的超声导管探头，其特征在于，所述聚合物从由PTFE、氨基甲酸酯、聚苯乙烯、含氟聚合物、硅酮以及聚烯烃组成的组中选择，而所述支承材料从由聚合物、陶瓷以及金属组成的组中选择。
30.如权利要求29所述的超声导管探头，其特征在于，所述多层声衰减层各具有小于800微米的厚度，其中所述多层支承层各具有小于500微米的厚度。
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