CN101675470A - 利用可调节的流体透镜进行孔径控制和复用的方法和装置 - Google Patents

Abstract

声成像系统(1300)包括：声换能器(40)；多个可变折射声透镜元件(10)，其耦合到声换能器；控制器(1326)，其适于产生多个用于可变折射声透镜元件(10)的电极(250，260)的控制信号；复用器(1322)，其适于复用用于可变折射声透镜元件(10)的电极的控制信号以产生复用的控制信号；解码器(1312)，其适于解复用该复用的控制信号以产生多个用于可变折射声透镜元件(10)的电极(250，260)的控制信号；以及，电缆(1330)，其适于从复用器(1322)向解码器(1312)提供复用的控制信号。可变折射声透镜元件(10)适于响应于施加到其上的控制信号来调节所述声换能器(40)的有效孔径以具有选择的孔径大小。

Description

利用可调节的流体透镜进行孔径控制和复用的方法和装置

技术领域

本发明涉及声成像方法、声成像装置，且更具体地涉及采用可调节的流体透镜对声波进行聚焦控制以优化成像分辨率(例如，通过改变高度聚焦(elevation focus)、横向聚焦(lateral focus)和景深)的方法和装置。

背景技术

声波(具体地包括超声)在许多科学或技术领域中是有用的，诸如医学诊断，机械部件的无损控制和水下成像等。声波允许进行诊断和控制，其与光学观察互补，因为声波可在不透电磁波的介质中行进。

声波通常从声换能器发射。图1示出了用于说明声换能器孔径的大小对声波聚焦的影响的示例性活塞换能器100。实线110说明对于大的固体活塞孔径112，声能如何在距离z处在相对较窄的区域中聚焦。相比而言，线120说明更小的“虚线”孔径122如何在距离z处产生更宽的聚焦区域。

在声成像中，在所谓的“远场”中，孔径大小决定了在距离z处的分辨率(R)，如：

$\left(1\right),R=\frac{\mathrm{\λz}}{D}=\mathrm{\λ}(F/\#)$

其中λ是声波长且D是孔径长度(即，活塞直径)，且F数(F/#)等于(z/D)。

对于不同应用，孔径大小可能需要改变。举例而言，在超声治疗疗法中，可使用较小孔径来最初在较宽的区域上散布高强度聚焦能量(以较小的总能量密度)，之后改变孔径至更紧密的聚焦以在特定聚焦位置处更好地瞄准(targeting)和发送更多能量。在声成像和治疗中，孔径可能需要改变，因为存在近场障碍物(即，肋骨或重要血管)，其使得更大的孔径没有用处，且尽管较小的孔径将造成分辨率损失，但是分辨率减小，成像/治疗仍可以是有用的。

利用单个元件换能器或者仅具有少量元件的换能器来动态地改变孔径大小以做出这些孔径折衷是不实际的，因为没有办法控制能量。

因此，提供声换能器阵列，其使用大量元件以允许调节和控制“有效孔径”大小，以允许进行聚焦控制。

在由大量换能器元件(例如，50个或50个以上的换能器元件)组成的声换能器阵列中，系统可通过向每个换能器元件施加合适信号来控制有效孔径大小。举例而言，该系统可通过向换能器元件的发射的波形施加切趾函数来控制有效孔径大小，这将使外围换能器元件基本上“清零”，即这些换能器元件将发射要乘以相对较小(例如，零)的权重因子的发射波形，这个权重因子有效地使元件对聚焦波前的作用无效。可替代地，某些换能器元件可简单地不用在特定发射配置中。在发射时，当在不同深度处聚焦达到最大可用孔径时，这允许有效孔径发生改变。在接收时，当在不同深度处接收声信号时，电子器件可扩大有效孔径，这是为了确保系统中恒定的F/#，恒定的F/#导致均匀分辨率。

为此目的，开发了具有相对大量换能器元件的声成像装备，包括传统的一维(“1D”)声换能器阵列以及采用微束成形技术的全取样二维(“2D”)声换能器阵列。

但是，当换能器元件的数目增加时，所需要的电子器件和电缆布线量相应地增加。

发明内容

因此，期望提供一种声成像装置，其提供具有大量换能器元件的换能器阵列的功能，但所述换能器阵列需要更少的电子器件，其可具有简化的电缆布线要求，且其可潜在地更廉价地来部署。还期望提供这样的声成像装置，其将以减小的计算要求提供孔径控制。

在本发明的一个方面，声探头包括：声换能器；以及，多个可变折射声透镜元件，其耦合到声换能器并适于响应于施加到其上的控制信号来调节声换能器的有效孔径以具有选择的孔径大小用于发射声波和接收声信号中的至少一个操作。

在本发明的另一方面，控制声探头的聚焦的方法包括：提供多个耦合到声换能器的可变折射声透镜元件；以及，向多个可变折射声透镜元件施加控制信号以调节声换能器的有效孔径以具有选择的孔径大小用于发射声波和接收声信号中的至少一个操作。

在本发明的又一方面，一种声成像系统包括：声换能器；多个耦合到声换能器的可变折射声透镜元件，每个可变折射声透镜元件具有一个或多个电极，电极适于响应于施加到其上的选择的电压来调节可变折射声透镜元件的至少一个特征；控制器，其适于产生多个用于可变折射声透镜元件的电极的控制信号；复用器，其适于复用用于可变折射声透镜元件的电极的控制信号以产生复用的控制信号；解码器，其适于解复用该复用的控制信号以产生多个用于可变折射声透镜元件的电极的控制信号；以及电缆，其适于从复用器向解码器提供复用的控制信号。

在本发明的另一方面中，提供一种控制声成像装置的声探头的方法。该方法包括：产生多个用于控制声探头的可变折射声透镜元件的控制信号；复用控制信号以产生复用的控制信号；向声探头传送复用的控制信号；解复用该复用的控制信号以产生多个用于控制声探头的可变折射声透镜元件的控制信号；以及，向声探头的可变折射声透镜元件的电极提供多个解复用的控制信号。

附图说明

图1示出了用于说明声换能器的孔径大小对声波聚焦的影响的示例性活塞换能器。

图2A至图2B说明了可用在声探头中的可变折射声透镜元件的一个实施例。

图3示出了声探头的一个实施例，该声探头包括耦合到声换能器的空间填充可变折射声透镜。

图4A至图4B说明了使用可变折射声透镜元件来控制声换能器的有效孔径的布置(arrangement)的一个实施例。

图5A至图5B说明了使用可变折射声透镜元件来控制声换能器的有效孔径的布置的另一个实施例。

图6A至图6B说明了使用可变折射声透镜元件来控制声换能器的有效孔径的布置的又一个实施例。

图7A至图7B描绘了作为例如图4A至图4B所示布置的频率的函数的景深(DOF)和分辨率(R)的曲线。

图8A至图8B示出声探头的实例，其具有三个沿着高度(elevation)尺寸紧邻地布置的可变折射声透镜元件，用于高度有效孔径控制。

图9示出可用于形成较小孔径的可变折射声透镜元件的网格的一个实例。

图10示出可用于形成较小孔径的可变折射声透镜元件的网格的另一个实例。

图11是声成像装置的实施例的方块图，该声成像装置使用包括耦合到声换能器的可变折射声透镜的声探头来提供实时轴向聚焦控制同时维持恒定的横向分辨率。

图12示出控制声成像装置的方法的一个实施例的流程图。

图13示出声成像装置的一个实施例。

图14是说明用于调节声探头中的声聚焦的方法的一个实施例的流程图。

具体实施方式

将参考附图在下文中更全面地描述本发明，在附图中示出了本发明的优选实施例。但本发明可以不同的形式实施且不应被理解为限于本文所陈述的实施例。而是，这些实施例作为本发明的教导实例而被提供。

变焦流体透镜技术是针对通过具有特定折射率的流体填充腔的物理边界的变化允许光聚焦这一明确目的而最初开发的解决方案(参见专利合作条约(PCT)公布WO2003/069380，该文献通过全文引用的方式结合到本文中，如同完全在本文中进行了陈述)。被称作电湿润的过程实现流体表面的移动，其中腔内的流体通过在导电电极上施加电压而移动。这个表面拓扑结构的改变允许光以这样的方式被折射：使得改变行进路径，从而使光聚焦。

同时，声波，且特别是超声波，在流体介质中传播。实际上，人体常常被视为不能支持不同于压缩波的高频声波的流体。在这个意义上，这些波对于大块组织中的声传播速度差异造成的畸变敏感，而且对界面处音速的突然变化造成的畸变敏感。这个性质用于在2007年5月3日所提交的美国临时专利申请60/915,703“METHODS ANDAPPARATUSES OF MICROBEAMFORMING WITH ADJUSTABLEFLUID LENSES”中公开的声探头和声成像装置的实施例中，为了所有的目的，该申请以全文引用的方式结合到本文中，如同完全在本文中进行了陈述。

在下文的讨论中，对声成像装置和包括可变折射声透镜的声探头进行了描述。在本申请中所用的术语“可变折射声透镜”的上下文中，词语“透镜”被广泛地定义为意指用于导向或聚焦不同于光的(可能地除光以外的)辐射的装置，特别是声辐射，例如超声辐射。虽然可变折射声透镜可使声波聚焦，但是在本文中词语“透镜”的使用并不暗示这样的聚焦。一般而言，本文所用的可变折射声透镜适于折射声波，其可使声波偏转和/或聚焦。

图2A至图2B示出可变折射声透镜元件10的一个实施例，其可用于声探头中。每个可变折射声透镜元件10包括外壳210、耦合元件220、第一流体介质241和第二流体介质242、第一电极250和至少一个第二电极260a。例如，外壳210可为圆柱形。有利地，外壳210的顶端和底端基本上是透声的，而声波不穿透外壳210的侧壁(一个或多个)。举例而言，可以沿着外壳210的侧壁(一个或多个)提供吸声材料。在图2A至图2B中未示出声换能器，当可变折射声透镜元件10用于声探头中时，声换能器将设置于可变折射声透镜元件10的“顶部”，电极250的上方。在此情况下，声波将经由耦合元件220从可变折射声透镜元件10的“下方”发射或者接收。

每个可变折射声透镜元件10适于响应于施加到其上的至少一个选择的电压来调节其至少一个声信号处理特征。举例而言，有利地，可变折射声透镜元件10包括沿着传播轴(“聚焦”)和/或垂直于这个轴(“偏转”)改变声波聚焦的能力。

有利地，耦合元件220设置于外壳210的一端。耦合元件220被设计成：当其压靠在身体(例如人体)上时，形成接触区域。有利地，耦合元件220包括柔性密封袋，其填充有耦合固体物质，诸如具有与身体基本上相同声阻抗的聚脂薄膜(Mylar film)(即，声窗)或塑料膜。

外壳210封闭体积为V的密封腔212，其中提供了第一流体介质241和第二流体介质242。在一个实施例中，例如外壳210内的腔体积V具有大约0.8cm的直径、大约1cm的高度(即，沿着外壳210的轴线)。

有利地，在第一流体介质241和第二流体介质242中的音速是彼此不同的(即，声波在流体介质241中传播速度不同于它们在流体介质242中的传播速度)。而且，第一流体介质241和第二流体介质242彼此不可混溶。因此，它们在腔中总是保持为分离的流体相。第一流体介质241与第二流体介质242之间的分隔是接触表面或弯月面，其在没有任何固体部件的情况下限定第一流体介质241与第二流体介质242之间的边界。另外，有利地，两种流体介质241、242中的一个是导电的，且另一种流体介质基本上是不导电的或者是电绝缘的。

在一个实施例中，第一流体介质242主要由水构成。举例而言，它可为盐溶液，其中离子含量足够高以具有电极性行为或者导电。在此情况下，第一流体介质241可包含钾和氯离子，二者的浓度例如均为1mol.l^-1。可替代地，其可为水与乙醇的混合物，由于存在诸如钠或钾的离子(例如具有0.1mol.l^-1的浓度)而具有实质的导电性。例如第二流体介质241可包括对电场不敏感的硅油。有利地，在第一流体介质242中的音速可为1480m/s，而在第二流体介质241中的音速可为1050m/s。

有利地，第一电极250设置于外壳210中以便接触两种流体介质241、242中导电的那一个。在图2A至图2B的实例中，假定流体介质241是导电流体介质，而流体介质242是基本上不导电的流体介质。但应当理解，流体介质241可为基本上不导电的流体介质且流体介质242可为导电的流体介质。在此情况下，第一电极250将被布置成与流体介质242接触。而且，在此情况下，如图2A至图2B中所示的接触弯月面的凹性将被倒转。

同时，沿着外壳210的横向(侧)壁设置第二电极260a。可选地，两个或更多第二电极260a、260b等沿着外壳210的一个或多个横向(侧)壁设置。电极250和260a连接到可变电压源的两个输出端(在图2A至图2B中未示出)。

在操作时，可变折射声透镜元件10结合如下的一个或多个声换能器元件操作。在图2A的示范性实施例中，当由可变电压源施加于电极250与260之间的电压为零时，第一流体介质241与第二流体介质242之间的接触表面是弯月面M1。以已知方式，弯月面的形状由外壳210的横向壁的内侧表面性质决定。于是其形状近似地为球体的一部分，特别是对于第一流体介质241与第二流体介质242具有基本上相等的密度的情况。因为声波W在第一流体介质241与第二流体介质242中具有不同的传播速度，所以填充有第一流体介质241和第二流体介质242的体积V充当关于声波W的会聚透镜。因此，进入到声透镜元件10的声波W的发散性在穿过第一流体介质241与第二流体介质242之间的接触表面时减小。可变折射声透镜元件10的焦距是到声波源点的距离，从而通过可变折射声透镜元件10，声波变得平坦且具有声强度的最高会聚性。

当由可变电压源施加于电极250与260之间的电压被设置成正值或负值时，由于电极250与260之间的电场，弯月面的形状被改变。特别地，力被施加于第一流体介质241邻近第一流体介质241与第二流体介质242之间的接触表面的那部分上。由于第一流体介质241的极性行为，其倾向于更靠近或者进一步远离电极260而移动，这取决于所施加的电压的符号以及所使用的实际流体。因此，第一流体介质241与第二流体介质242之间的接触表面发生改变，如在图2B的示范性实施例中所示。在图2B中，M2表示当电压被设置为非零值时接触表面的形状。这样的接触表面形式的电控改变被称作电湿润。在第一流体介质241导电的情况下，当施加电压时，第一流体介质241与第二流体介质242之间的接触表面的形状改变与先前所述相同。由于接触表面的形式的改变，当电压非零时，可变折射声透镜元件10的焦距发生改变。

有利地，在图2A至图2B的实例中，在流体介质241主要由水构成的情况下，外壳210的至少“底”壁(在图2A至图2B中被示出为朝向页面顶部)被涂敷亲水涂层270。当然，在流体介质242主要由水构成的不同实例中，取而代之地，外壳210的顶壁可被替代地涂敷亲水涂层270。

同时，PCT公布WO2004051323提供对使可变折射流体透镜的弯月面倾斜的详细描述，PCT公布WO2004051323以其全文引用的方式结合到本文中，如同完全在本文中进行了陈述。

图3示出了声探头300的一个实施例，其包括耦合到声换能器40的空间填充可变折射声透镜30。可变折射声透镜30包括K个可变折射声透镜元件10的阵列。每个可变折射声透镜元件10可基本上如上文所述进行构造。声换能器40有利地通过一个或多个声匹配层230耦合到每个声透镜元件10的外壳210的底部。对声匹配层的需要主要由声换能器材料的选择来驱动，并且在某些实施方式中声匹配层可能不是必需的，如压电微机械超声换能器(PMUT)或电容式微机械超声换能器(CMUT)的情况。

声换能器40可为如图3中所示的单个元件换能器，或者可替代地可包括P个换能器元件的一维换能器阵列或二维换能器阵列。在声探头300中，可变折射声透镜元件10的数目K大于换能器元件的数目P。有利地，对于每个换能器元件，存在相对应的多个K/P可变折射声透镜元件10。在一个有利的布置中，当换能器40包括一维换能器阵列时，对于每个换能器元件存在至少三个(3)声透镜元件10(即，K/P≥3)。在另一个有利的布置中，当换能器40包括二维换能器阵列时，对于每个换能器元件，存在至少九个(9)声透镜元件10(即，K/P≥9)，在二维中的每个维度中包括至少三个声透镜元件10。

图3示出向每个可变折射声透镜元件10的电极施加不同信号以构造有效更大的、平稳变化的可变折射声透镜30的能力。但是，有效更大的弯月面无需是连续的。举例而言，从一个间隔间(compartment)到另一个间隔间可能存在竖直移位。这是用于菲涅尔(Fresnel)透镜的相同原理。理想地，耦合流体242具有与接触患者的层相似的阻抗。当表面到达正确拓扑结构时，则将例如利用或者传统声成像中用于时间分辨回声信息的短时成像脉冲或者时间分辨短纯音(tone burst)来激发声换能器40以允许检测沿着位置线的运动。

在一个实施例中，声探头300适于在发射模式和接收模式两种模式下操作。在此情况下，在发射模式中，声换能器元件40将输入到它的一个或多个电信号转换成其输出的一个或多个声波。在接收模式中，声换能器元件40将其接收的声波转换成其输出的电信号。

在可替代的实施例中，声探头300可替代地适于以仅接收模式操作。在此情况下，单独地提供发射换能器。

在又一个实施例中，声探头300可替代地以仅发射模式被利用。这样的模式对治疗应用是有用的，其中超声能量旨在与组织或声穿透的对象相互作用以提供治疗。

可通过外部电子器件(例如，可变电压源)控制对可变折射声透镜元件10的调节，该外部电子器件例如在可变折射声透镜元件10具有3mm直径时可在20ms内调节表面拓扑结构或者当可变折射声透镜10具有100微米的直径时在快达100微秒内调节表面拓扑结构。当声探头300在发射模式和接收模式两种模式下操作时，可变折射声透镜元件10将被调节成改变有效发射和接收聚焦。在发射模式中，换能器40将能够发出以M模式或B模式操作的短时(宽带)信号，可能为短纯音以允许脉冲波多普勒(Doppler)或者发出用于其他成像技术的其他相关联信号。典型的应用可以是以调节到临床上感兴趣的区域的固定聚焦使平面成像。另一个用途可能是利用多个焦点使平面成像，调节聚焦以使递送到轴向聚焦区域的能量最大化。声信号可为时域分辨信号(诸如正常回声、M模式或PW多普勒)或甚至非时域分辨信号(诸如CW多普勒)。

图4A至图4B示出了使用声透镜元件来控制声换能器的有效孔径的布置的一个实施例。图4A至图4B中所示的实例说明了使用包括三个可变折射声透镜元件(10-1、10-2和10-3)的声透镜组件400来控制声换能器40的有效孔径。为了简化说明，在图4A至图4B的实例中示出了仅仅三个可变折射声透镜元件10，但可变折射声透镜元件10的数目可超过三个。声透镜组件400包括在其外围周围的吸声材料410以使来自离轴导向能量的声反射/回响最小化。有利地，每个可变折射声透镜元件10的侧壁可包括吸声材料410。

在图4A和图4B中，换能器40产生并发射声能。在图4A中，所有三个可变折射声透镜元件10-1、10-2和10-3用于使用声换能器40的全孔径来聚焦声能。相比而言，在图4B中，通过使用声透镜元件10-1和10-3引导声能中的某些使之远离中心焦点(center focus)(其中能量中的某些被吸声材料410吸收)来形成更小的有效孔径。因此，在图4B中的有效声轴上孔径包括位于声透镜10-2下方的换能器40的部分。

在图4A中，其中采用所有三个可变折射声透镜元件10-1、10-2和10-3来制造全孔径，所有声能沿着阵列中心在轴上发射或接收。这个更大(全)孔径将提供比图4B的较小有效孔径更高的横向分辨率。相比而言，在图4B中，较小有效孔径在整个发射/接收路径上提供更宽的束宽度。

图5A至图5B说明了使用可变折射声透镜元件10-1和10-2来控制声换能器40的有效孔径的布置的另一个实施例。特别地，图5A至图5B示出了使用包括两个在彼此顶部堆叠的可变折射声透镜元件10-1和10-2的声透镜组件500来形成较小的“有效孔径”用于接收声波。为了简化说明，在图5A至图5B的实例中仅示出了两个堆叠的可变折射声透镜元件10，但堆叠的可变折射声透镜元件10的数目可多于两个。

在图5A所示的实例中，到来的接收的声波前中的某些由可变折射声透镜元件10-2重新导向远离可变折射声透镜元件10-1并进入吸收材料410内。然后信号无另外聚焦地穿过可变折射声透镜元件10-1，且在换能器40处得到的声能在小“有效孔径”550A处被接收。在图5B所示的实例中，可变折射声透镜元件10-1以常规透镜的方式聚焦所接收的声能。在此情况下，产生甚至更小的“有效孔径”550B。在图6A至图6B的实施例中，换能器40包括三个换能器元件41、42和43。

图6A至图6B说明了使用声透镜元件来控制声换能器40的有效孔径的布置的另一个实施例。特别地，图6A至图6B说明了使用包括两个在彼此顶部堆叠的可变折射声透镜元件10-1和10-2的声透镜组件600来形成更小的“有效孔径”以用于发射声波。在图6A至图6B的实施例中，换能器40包括三个换能器元件41、42和43。

在图6A所示的实例中，离开的发射的能量中的某些由可变折射声透镜元件10-1重新导向到吸收材料510、410中(示出为到吸收材料410内的白色箭头)。然后，声波无另外聚焦地穿过可变折射声透镜元件10-2且从换能器40得到的声能被发射，如同其来自比换能器40的物理孔径更小“有效孔径”650A。在图6B所示的实例中，可变折射声透镜元件10-2将穿过可变折射声透镜元件10-1的发射的能量聚焦，产生相比图6A聚焦的更窄的发射束，但来自类似于图6A的有效孔径650A的透镜聚焦的有效孔径650B。

图7A至图7B描绘了作为例如图4A至图4B中所示布置的频率的函数的景深(DOF)和横向分辨率(R)的曲线。在具有图7A至图7B所描绘的特征的实例中，换能器40为6mm直径的正方形单个元件活塞且声能在2cm的距离处聚焦。可变折射声透镜元件10-2覆盖4mm×6mm(横向尺寸×高度尺寸)的换能器40的一部分，且可变折射声透镜元件10-1和可变折射声透镜元件10-3每一个在可变折射声透镜元件10-2的两侧各分别覆盖1mm×6mm的换能器40的一部分。

对于5MHz换能器，当使用由可变折射声透镜元件10-2覆盖的换能器40的部分从全孔径(在2cm焦距处1.0mm分辨率)到更窄的4mm×6mm孔径时横向分辨率变坏50％(1.5mm横向分辨率)，但当从全孔径到可变折射声透镜元件10-2所覆盖的换能器40的部分时在DOF中存在从2.7cm到6.2cm的增益。这对于在较长范围上或者针对更深的治疗范围情况获得成像或能量沉积的均匀性是有益的。

针对大多数临床情况的成像超声在2.5-10MHz的成像范围中操作。对于眼部或其他短深度应用，使用较高频率(10-30MHz)。对于治疗应用，使用较低频率，可以通过改变孔径(通过增加DOF)来最大地影响所述较低频率。

在方位和高度这两者中具有声换能器元件的阵列的建置成本高于常规一维(线性)阵列。可利用多透镜系统来修改甚至在单个元件或多个元件阵列上的孔径而不必合并更多的换能器元件。

图8A至图8B示出具有沿着高度维度的三个声透镜元件10的声探头800的实例。特别地，图8A至图8B示出沿着方位维度的正方形单个元件阵列(或者具有少量元件的阵列)的实例。可使用三个可变折射声透镜元件10来在高度方面控制孔径。

对于高强度超声或者治疗加热超声，孔径的控制是有用的，最初使用窄孔径在更宽广区域上递送略微不同的强度，然后使用更大的孔径在更聚焦的区域上递送更高的强度。这可能是需要的，以升高区域到“基础温度”，然后在更聚焦的区域上重新聚焦能量(提高温度)。举例而言，使用在图4A至图4B中所示的布置，6mm直径的全孔径将给出分辨率λ*z/D，对应于可变折射声透镜元件10-2的3mm直径的更窄有效孔径将提供两倍宽的分辨率。在此情况下，在治疗的最初阶段，可仅使用可变折射声透镜元件10-2，然后可使用全孔径来增加更窄区域上的能量沉积。

当使用大的单个元件换能器或者m个元件换能器阵列时，可使用可变折射声透镜元件10的(n×1)或(n×n)阵列来控制孔径的大小。这在n×1＞m或n×n＞m时是有用的且可提供提高的孔径控制，只通过开启m个换能器元件中的某些元件的发射/接收功能不能获得提高的孔径控制。举例而言，利用可变折射声透镜元件10的n×n网格，外部可变折射声透镜元件10(沿着网格外围定位)可用于通过重新导向声波远离中心而减小孔径。可变折射声透镜元件10的倾斜角将必须大于或等于透镜的临界角以确保无能量转移到轴向。临界角被定义为sin^-1(c2/c1)，其中c1是波最初在其中行进的介质(入射介质)中的音速，且c2是折射介质中的音速。

图9至图10示出可用于形成不同的更小孔径的可变折射声透镜元件10的n×n网格的两个实例。在多声元件透镜外侧上的吸声材料吸收能量；从而从减小的孔径发射/接收能量。图9示出围绕n×n网格的边界使可变折射声透镜元件10倾斜(倾斜透镜用虚线方框表示)以形成更小正方形孔径的实例。图10示出使用可变折射声透镜元件10中的附加倾斜以形成类似“圆形”孔径的更小孔径。在FFUS透镜网格下方的换能器可以是单个元件活塞、m个元件一维声一元件阵列或者“m×m”二维声元件阵列。有利地，m＜n。

各种修改和附加特征是可能的。举例而言，沿着声传播方向(轴向轴线)的透镜孔径中每一个的变化将增加或减小景深和焦距。而且，n个透镜可由不同材料制成，这可能会改变它们的稳定性变化率。

图11是声成像装置1100的实施例的框图，该成像装置使用包括耦合到声换能器的可变折射声透镜的声探头以通过改变孔径大小来提供具有对横向分辨率和高度分辨率控制的实时轴向聚焦控制。声成像装置1100包括处理器/控制器1110、发射信号源1120、发射/接收开关1130、声探头1140、滤波器1150、增益/衰减器级1160、声信号处理级1170、聚焦控制器1180和可变电压源1190。同时，声探头1140包括多个耦合到包括一个或多个换能器元件的声换能器1144的可变折射声透镜元件1142。

声探头1140例如可实现为如在上文中结合图3所述或者如图4A至图4B、5A至图5B和图6A至图6B所示的声探头300。在此情况下，有利地，每个可变折射声透镜元件1142的两种流体241、242具有匹配的阻抗，但音速不同。这将允许声波的最大向前传播，同时允许对束方向进行控制。有利地，流体241、242具有被选择成最大化声波的聚焦和折射灵活性的音速。

可变电压源1190向每个可变折射声透镜元件1142的电极供应控制电压。在一个实施例中，电压被供应到可变折射声透镜元件1142以控制由声换能器1144所提供的有效孔径大小。

声换能器1144可包括声换能器元件的一维阵列。

在操作时，声成像装置1100操作如下。

聚焦控制器1180控制由可变电压源1190施加到可变折射声透镜元件1142的电极的电压。如上文所解释，这又如期望地控制每个可变折射声透镜元件1142的折射。

当由可变折射声透镜元件1142中的两种流体限定的弯月面的表面达到正确拓扑结构时，处理器/控制器1110控制发射信号源1120以产生待施加到声换能器1144的一个或多个期望的电信号以产生期望的声波。在一种情况下，发射信号源1120可被控制以产生在M模式或B模式下操作的短时(宽带)信号，可能为短纯音以允许脉冲波多普勒或产生用于其他成像技术的其他相关联的信号。典型的用途可以是以调节到临床上感兴趣的区域的固定高度聚焦来使平面成像。另一用途可以是以多焦点使平面成像，调节高度聚焦以使递送到轴向聚焦区域的能量最大化。声信号可为时域分辨信号，诸如正常回声、M模式或者PW多普勒，或者甚至为非时域分辨信号，诸如CW多普勒。

在一个实施例中，声探头1140适于在发射模式和接收模式下操作。如上文所解释的那样，在可替代实施例中，声探头1140可替代地适于在仅接收模式下操作。在此情况下，单独地提供发射换能器，且可省略发射/接收开关1130。

图12示出控制声成像装置的高度聚焦的方法1200的一个实施例的流程图。

在第一步骤1205中，将声探头1140耦合到患者。

然后，在步骤1210中，聚焦控制器1180控制由可变电压源1190施加到可变折射声透镜元件1142的电极的电压以在目标高度处聚焦。如上文所解释的那样，这又如期望地控制每个可变折射声透镜元件1142的折射。在一个实施例中，电压被供应到可变折射声透镜元件1142以控制由声换能器1114所提供的有效孔径大小。

接下来，在步骤1215中，处理器/控制器1110控制发射信号源1120和发射/接收开关1130以向声换能器1144施加一个或多个期望的电信号。可变折射声透镜元件1142结合声换能器1144操作以产生声波并将声波聚焦到患者的目标区域，包括目标高度。

随后，在步骤1220中，可变折射声透镜元件1142结合声换能器1144操作以接收从患者的目标区域回来的声波。此时，处理器/控制器1110控制发射/接收开关1130以将声换能器1144连接到滤波器1150以将来自声换能器1144的电信号(一个或多个)输出到滤波器1150。

接下来，在步骤1230中，滤波器1150、增益/衰减器级1160和声信号处理级1170一起操作以调理来自声换能器1144的电信号并从该电信号产生所接收到的声数据。

然后，在步骤1240中，将所接收到的声数据存储于声成像装置1100的声信号处理级1170的存储器(未示出)中。

接下来，在步骤1245中，处理器/控制器1110确定其是否在另一个轴向距离处聚焦或者具有不同的横向和/或高度分辨率。如果是这样，那么，在步骤1250中，选择新的聚焦，且过程在步骤1210处重复。如果不是这样，那么在步骤1255中，声信号处理级1170处理所接收到的声数据(可能结合处理器/控制器1110)以产生并输出图像。

最后，在步骤1260中，声成像装置1100输出图像。

一般而言，方法1200可适于在声波是时域分辨信号(例如正常回声、M模式或PW多普勒)或者甚至是非时域分辨信号(例如CW多普勒)的场合进行测量。

与上文结合图11所述类似的装置和与图12所示类似的方法也可与这些相同的原理一起使用以利用具有仅一个或几个换能器元件的声探头来改变横向聚焦。

在上文所讨论的设备的某些实施例中，大量声透镜元件可能是必需的。特别地，声透镜元件的空间填充大阵列(其额外细节可见于在2007年5月3日提交的美国临时专利申请60/915,703)需要空间的实质部分被填充活性透镜同时最小化由电极或非透镜材料所占据的过量表面积。用于声探头中声透镜元件中每一个的电极需要连接到不同的控制电压信号以控制它们的操作来向声探头提供声发射和/或接收特征。这可能会导致大量电缆。这种增加的复杂性有时会消除用于声成像和/或超声治疗的声透镜元件技术的吸引人的特点之一，特别是使用声透镜元件能减小导引束所需的换能器元件和相关联的电缆、放大器、控制系统等的数目这一事实。

因此，在一个实施例中，采用复用和解复用电路来将控制信号从成像系统传送到用于声探头的声透镜元件阵列。

图13示出声成像装置1300的一个实施例。声成像装置1300包括通过电缆1330连接到成像系统1320的声探头1310。声探头1310包括声换能器40和通过信号线1314连接到解码器(或解复用器)1312的声透镜元件10的相关联的声透镜阵列。成像系统1320包括通过信号线1324连接到复用器1322的成像控制器1326。有利地，声探头1310封闭于第一外壳内，且成像系统1320封闭于第二外壳中，且电缆1330在第一外壳与第二外壳之间延伸。

在操作时，成像控制器1326在线1324上输出控制信号以用于控制声透镜元件10改变声透镜阵列上的弯月面几何形状以允许最佳聚焦。复用器1322复用信号线1324上的控制信号并输出电缆1330上的复用的控制信号。复用器1322的操作将在下文中更详细地描述。解码器1312从电缆1330接收复用的控制信号并输出信号线1314上的控制信号用于控制声透镜元件10改变声透镜阵列上的弯月面几何形状。

在一个示范性实施例中，声换能器40的孔径是正方形3×3cm²。在此实施例中，构造每个声透镜元件10，使得在每一侧上大小为5mm。因此，在该阵列中存在36个声透镜元件10。在一个实施例中，控制信号控制每个声透镜元件10两个电极以实现透镜的非球形变形。在此情况下，复用器1322将控制信号复用在一起72形成由电缆1330携载的单个复用的控制信号。复用器1322需要能处理电压为～10伏的0.72MHz信号(36个透镜×2个电极/透镜×10KHz(交流电压频率))，这易于实现。

第二实施例涉及用于热烧蚀的声换能器40。在用于体外消融的这个类别换能器中，使用大的孔径大小允许紧密的空间聚焦，其在治疗区外具有最小的生物效应。这些孔径可通常具有大约10cm或更大的直径。在这个几何形状中，具有10cm直径的声换能器包含大约7853mm²的面积。在此情况下，声透镜阵列可包括大约277个声透镜元件10，每个在一侧具有6mm的大小。因此，复用器1322需要能将信号复用至在～10伏电压处大于5MHz的频率(277个透镜×2个电极/透镜×10KHz(交流电压频率))。同样，这易于实现。

图14是示出用于调节声探头中的声聚焦的方法1400的一个实施例的流程图。

在第一步骤1410中，成像系统确定声探头期望的聚焦位置。

在下一步骤1420中，成像系统计算实现期望的聚焦位置的声透镜阵列的几何形状。

在步骤1430中，成像系统产生控制信号用于声透镜阵列中每个透镜元件的电极(一个或多个)。

在步骤1440中，复用器组合各个控制信号以产生复用的控制信号。

在步骤1450中，复用器经由电缆向声探头提供复用的控制信号。

在步骤1460中，声探头处的解码器解复用该复用的信号以产生各个控制信号。

在步骤1470中，解码器向声透镜阵列的声透镜元件的相对应电极发送各个控制信号。

在步骤1480中，声透镜元件响应于控制信号以使声透镜阵列产生期望的声聚焦。在发射操作的情况下，然后声信号经由声透镜阵列从声换能器发射。在接收操作的情况下，声信号由声换能器经由声透镜阵列接收。

虽然在本文中公开了优选实施例，但保持在本发明的概念和范围内的许多变型也是可能的。对于本领域中的一般技术人员来说，在查阅了这里的说明书、附图和权利要求之后，这些变型将变得清楚。因此本发明仅受所附权利要求的精神和范围的限制。

Claims (14)

1.一种声探头(300，400，500，600，1140，1310)，包括：

声换能器(40)；以及，

多个可变折射声透镜元件(10)，它们耦合到所述声换能器(40)并适于响应于施加到其上的控制信号来调节所述声换能器(40)的有效孔径以具有选择的孔径大小用于发射声波和接收声信号中的至少一个操作。

2.根据权利要求1所述的声探头(300，400，1140，1310)，其中，所述多个可变折射声透镜元件(10)包括在所述声换能器(40)的表面上相对于彼此横向放置的至少三个可变折射声透镜元件(10-1，10-2，10-3)。

3.根据权利要求1所述的声探头(300，400，500，600，1140，1310)，其中，所述声换能器(40)包括P个声换能器元件，且其中所述多个可变折射声透镜元件(10)包括在所述声换能器(40)的表面上相对于彼此紧邻放置的K个可变折射声透镜元件，其中K＞P。

4.根据权利要求1所述的声探头(500，600，1140，1310)，其中所述多个可变折射声透镜元件(10)包括放置于所述声换能器(40)上的至少第一可变折射声透镜元件(10-1)和放置于所述第一可变折射声透镜元件(10-1)上的第二可变折射声透镜元件(10-2)，其中可独立于所述第二可变折射声透镜元件(10-2)的折射对所述第一可变折射声透镜元件(10-1)的折射进行控制。

5.根据权利要求1所述的声探头(300，400，500，600，1140，1310)，还包括设置于所述可变折射声透镜元件(10)的外围的至少部分的周围的吸声材料(410)。

6.一种控制声探头(300，400，500，600，1140，1310)的聚焦的方法，包括：

提供多个耦合到声换能器(40)的可变折射声透镜元件(10)；以及，

向所述多个可变折射声透镜元件(10)施加控制信号以调节所述声换能器(40)的有效孔径以具有选择的孔径大小用于发射声波和接收声信号中的至少一个操作。

7.根据权利要求6所述的方法，其中所述多个可变折射声透镜元件(10)在所述声换能器(40)的表面上放置成阵列，且其中施加所述控制信号以使所述可变折射声透镜元件(10)中的至少一个的聚焦远离所述声探头的声轴线而倾斜以调节所述声换能器(40)的有效孔径。

8.根据权利要求6所述的方法，其中所述多个可变折射声透镜元件(10)包括放置于所述声换能器(40)上的至少第一声透镜元件(10-1)和放置于所述第一声透镜元件(10-1)上的第二可变折射声透镜元件(10-2)，且其中控制所述第二可变折射声透镜元件(10-2)使得由所述第二可变折射声透镜元件(10-2)所接收的声波的一部分由所述第二可变折射声元件(10-2)导向远离所述第一可变折射声透镜元件(10-1)。

9.根据权利要求6所述的方法，其中所述多个可变折射声透镜元件(10)包括放置于所述声换能器(40)上的至少第一可变折射声透镜元件(10-1)和放置于所述第一可变折射声透镜元件(10-1)上的第二可变折射声透镜元件(10-2)，且其中控制所述第一可变折射声透镜元件(10-1)使得由所述第一可变折射声透镜元件(10-1)接收的声波的一部分由所述第一可变折射声元件(10-1)导向远离所述第二可变折射声透镜元件(10-2)。

10.一种系统(1300)，包括：

多个可变折射声透镜元件(10)，每个可变折射声透镜元件(10)具有一个或多个电极(250，260)，所述电极(250，260)适于响应于施加到其上的选择的电压来调节所述可变折射声透镜元件(10)的至少一个特征；

控制器(1326)，其适于产生多个用于所述可变折射声透镜元件(10)的所述电极(250，260)的控制信号；

复用器(1322)，其适于复用用于所述可变折射声透镜元件(10)的电极(250，260)的控制信号以产生复用的控制信号；

解码器(1312)，其适于解复用所述复用的控制信号以产生多个用于所述可变折射声透镜元件(10)的电极(250，260)的控制信号；以及，

电缆(1330)，其适于将来自所述复用器的所述复用的控制信号提供至所述解码器(1312)。

11.根据权利要求10所述的系统(1300)，还包括耦合到所述多个可变折射声透镜元件(10)的声换能器(40)。

12.根据权利要求10所述的系统(1300)，其中控制所述声透镜元件(10)以作为具有大于每个可变折射声透镜元件(10)的有效大小的单个可变折射声透镜(30)来操作。

13.根据权利要求10所述的系统(1300)，其中每个可变折射声透镜元件(10)包括：

腔(212)；

放置于所述腔(212)内的第一流体介质和第二流体介质(241，242)；以及

电极对(250，260)，

其中所述第一流体介质(241)中的声波音速不同于所述第二流体介质(242)中的相应声波音速，

其中所述第一流体介质和第二流体介质(241，242)相对于彼此不可混溶，以及

其中所述第一流体介质(241)具有与所述第二流体介质(242)明显不同的电导率。

14.一种控制声成像装置(1300)的声探头(300，400，500，600，1140，1310)的方法(1400)，所述方法包括：

产生(1430)多个用于控制所述声探头(300，400，500，600，1140，1310)的可变折射声透镜元件(10)的控制信号；

复用(1440)所述控制信号以产生复用的控制信号；

将所述复用的控制信号传送(1450)到所述声探头(300，400，500，600，1140，1310)；

解复用(1460)所述复用的控制信号以产生所述多个用于控制所述声探头(300，400，500，600，1140，1310)的可变折射声透镜元件(10)的控制信号；以及，

向所述声探头(300，400，500，600，1140，1310)的所述可变折射声透镜元件(10)的电极提供(1470)所述多个解复用的控制信号。

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