CN104101653B - 增强型多阵元聚焦内窥超声探头 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种增强型多阵元聚焦内窥超声探头，通过至少三个单阵元平面换能器在空间不同位置上的组合，实现聚焦的效果，代替了凹面聚焦换能器，解决了凹面换能器在制作过程中的不便，通过改变换能器之间的相对位置，即可实现不同曲率半径凹面换能器的聚焦功能。所述至少三个单阵元平面换能器并联使用，通过设计电路使所述至少三个单阵元平面换能器能够用两根传输信号线完成多个发射单一接收功能，在保证探头空间尺寸的基础上增大回波信号，并且单一接收能够保证成像准确。

Description

增强型多阵元聚焦内窥超声探头
技术领域
本发明设计一种超声换能器，尤其是一种内窥超声换能器。
背景技术
内窥超声换能器的选取需要考虑到尺寸和功率两方面的要求。凹面聚焦换能器可以很好的满足内窥超声系统的要求，但是凹面聚焦换能器在制作上较为复杂，成本较高，聚焦点的变化将给不同曲率半径的凹面加工带来不便。若采用多个单阵元平面换能器组合使用，需解决信号线数目与换能器信号控制相矛盾的问题。换能器信号线数目多，探头套管的直径将会大大增加，三个单阵元平面换能器接收的回波通过不同的信号线传输，可任意的选取不同信号线的回波；多个换能器如果用同两根信号线，探头套管的直径不会改变，多个换能器回波信号混在一起，信号选择成为问题。本发明使用传统的平面矩形换能器通过在空间上的排列组合产生聚焦效果，设计电路使多个单阵元平面换能器能够实现多个同时发射，单个接收的功能，解决了探头尺寸限制和回波信号选择的问题。通过对组合后换能器声场的仿真，证明本发明具有聚焦效果，回波明显增强，并且制作方便，实用性强。
发明内容
针对现有技术中的上述技术问题，本发明的目的是设计一种内窥超声换能器，使其有聚焦效果，相比单一换能器具有发射功率相同时接收回波大的特点；与现有的凹面聚焦换能器相比具有制作方便，加工简单，成本低廉等特点。本发明通过以下技术方案实现。
一种超声探头，包括：
至少三个换能器，其中包括位于中间位置的一个第一换能器，以及基本对称地分布在所述第一换能器周围空间的多个第二换能器，所述多个第二换能器能够根据被检测目标进行设置，以实现组合聚焦；
信号收发电路，其耦合到所述至少三个换能器，使得所述至少三个换能器能够同时发射声波，并且只有位于中间的所述第一换能器接收到的回波能够返回。
优选地，所述至少三个换能器为顺次连接的三个平面矩形换能器，所述第一换能器与其一侧的所述第二换能器之间形成有第一夹角，所述第一换能器与其另一侧的所述第二换能器之间形成有第二夹角。
优选地，所述第一夹角与所述第二夹角基本相同。
优选地，所述第一夹角与所述第二夹角为锐角。
优选地，所述信号收发电路包括将所述至少三个换能器并联的回路，所述回路还与信号发射装置和信号接收装置连接。
优选地，每个所述第二换能器分别与两个稳压管串联；当激励信号加载在所述并联的回路两端时，所述至少三个换能器在激励信号的作用下产生振动，发射声波；所述声波遇到障碍后反射回波，所述至少三个换能器同时接收回波，其中位于中间的所述第一换能器的回波信号进入所述回路，位于周围的多个所述第二换能器的回波信号被稳压管阻隔不能通过。
本发明还提供了一种超声成像方法，包括：
设置至少三个换能器，将一个第一换能器设置于中间位置，将多个第二换能器基本对称地分布在所述第一换能器周围空间，并且根据被检测目标进行设置，以实现组合聚焦；
将信号收发电路耦合到所述至少三个换能器；
使所述至少三个换能器能够同时发射声波；以及
只返回位于中间的所述第一换能器接收到的回波。
优选地，所述至少三个换能器为顺次连接的三个平面矩形换能器，所述第一换能器与其一侧的所述第二换能器之间形成有第一夹角，所述第一换能器与其另一侧的所述第二换能器之间形成有第二夹角。
优选地，所述第一夹角与所述第二夹角基本相同。
优选地，所述第一夹角与所述第二夹角设置为锐角。
本发明由至少三个平面矩形换能器组成，在制作时可根据超声系统的预期工作范围调整换能器之间的角度，使换能器的聚焦点在超声系统的工作范围内。所述至少三个换能器并联使用在激励信号的作用下同时发射声波，在空间形成声场，声场中存在着能量最大值点即聚焦点。通过电路设计使接收时仅由中间换能器接收，接收到的回波中既包含着中间换能器发射能量的回波，又包含着周围换能器发射能量的回波分量，使回波增大效果明显、图像准确，提高了系统的性能，换能器整体结构微小，可在内窥超声系统中使用。
附图说明
图1为本发明内窥超声换能器结构图
图2为以本换能器为中心直角坐标系图
图3为内窥超声换能器工作电路图
图4为FieldII声场模拟软件一张仿真图(组合换能器接收信号随时间变化曲线)
图5为FieldII声场模拟软件一张仿真图(单阵元平面换能器接收信号随时间变化曲线)
图6为FieldII声场模拟软件另一张仿真图(换能器聚焦点随角度的变化曲线)
图7为FieldII声场模拟软件另一张仿真图(空间角度为0.205时z轴方向的声场分布)
图8为稳压管的U-I特性曲线
其中各附图标记含义如下：
1为单阵元平面换能器
2为稳压管
3为激励信号
4为一条并联回路两端的信号
5为另一条并联回路两端的信号
6为另一条并联回路两端的信号
具体实施方式
本发明的超声内窥换能器空间结构如图1所示，其基本结构由三个单阵元平面换能器1组成，整体对称，以本换能器为中心建立直角坐标系如图2所示，两侧的单阵元发射面与中间单阵元发射面所成的锐角记为a。本发明具体工作电路图如图3所示，图中三个单阵元平面换能器1并联工作，两侧的单阵元平面换能器1分别与两个稳压管2串联，激励信号3加载在并联电路两端，形状为正负矩形脉冲，根据并联性质，三个单阵元平面换能器1所在的回路激励相同，但根据稳压管2的伏安特性，在稳压管两端加正向电压时相当于具有0.3～0.7v压降的二极管；在稳压管两端加逆向电压时，如果加载的电压高于稳压管击穿电压，则稳压管导通，反之截止。由于激励信号3通常为几百伏，所以两侧的单阵元平面换能器1所在的支路能通过激励信号4、6，相比较激励信号3幅值来说少了稳压管的正向导通压降和负向导通压降。而中间的单阵元平面换能器1能通过激励信号5，激励信号4、6比激励信号3幅值稍小。三个单阵元平面换能器1在激励信号的作用下产生振动，发射声波。遇到障碍后反射回波，三个单阵元平面换能器1同时接收到回波，接收到的回波信号峰值在几百毫伏到1v左右，根据稳压管的U-I特性曲线如图8，逆向电压需超过击穿电压才能通过，正向超过开启电压才能通过，稳压管的正向开启电压与逆向击穿电压之和要远大于单阵元平面换能器1接收到的回波信号，所以在三个并联支路中只要有稳压管2的存在，则对于回波信号可视开路，这样就只有中间的单阵元平面换能器1能接收到回波信号，通过导线传输给超声探头外部的变压器。
为了计算声场，建立以换能器为中心的直角坐标系如图2所示，以中间单阵元平面换能器发射面的几何中心为坐标系中心建立直角坐标系，两侧的单阵元平面换能器发射面与中间的单阵元平面换能器发射面所成的锐角记为a，然后利用FiledII声场模拟软件对本发明设计的换能器进行仿真。通过设置工作频率、换能器尺寸等利用FiledII的声场计算函数在Matlab中计算换能器在空间形成的声场和换能器接收到的信号并进行绘制得到了如图4为换能器接收信号的归一化曲线、图6为换能器聚焦点随空间角度的变化曲线、图7为换能器在空间角度为0.205时z轴方向的声场分布。
对图4、5进行分析，读取换能器接收信号的最大值Imax，图4中组合换能器接收信号的Imax为5.79*10e-22，而图5中单阵元平面换能器接收信号的Imax为6.63*10e-24，组合换能器接收到的回波信号远远大于单阵元平面换能器接收到的回波信号。证明本发明对接收回波增大效果明显。
对图6进行分析当换能器张角的弧度值在0左右时，即三个换能器在空间近似一个平面内，此时没有聚焦效果；随着角度的增加，首先在Z轴上44mm的位置出现聚焦，之后随着角度进一步增加，聚焦点逐渐沿着Z轴负方向移动，当角度的弧度值过大时，即在1.4左右时，三个换能器在空间近似为矩形框的形状，所以此时对换能器的声场研究没有意义，能量最大值点也不是聚焦点。
对图6中任选一个点进行分析，例如取a＝0.205时曲线上的点；利用FieldII声场模拟软件对a＝0.205的换能器在Z轴方向上的声场进行模拟，如图7所示。分析图7，在Z轴方向上5～15mm的范围内声场的强度有明显的增强，且在z＝10mm时，强度达到最大，意味着换能器在该点实现聚焦。图7中的强度最大值出现位置与图6中读取的当a＝0.205时聚焦点位置相同，且图像的走势符合实际，均证明仿真结果正确。
确定超声系统的工作范围，根据如图6的FieldII声场模拟图选取合适角度的换能器，使聚焦点位于工作范围的中心，这样可使得聚焦点前后范围内的工作效果最佳。

Claims (8)

1.一种超声探头，包括：
至少三个换能器，其中包括位于中间位置的一个第一换能器，以及对称地分布在所述第一换能器周围空间的多个第二换能器，所述多个第二换能器能够根据被检测目标进行设置，以实现组合聚焦；
信号收发电路，其耦合到所述至少三个换能器，使得所述至少三个换能器能够同时发射声波，并且只有位于中间的所述第一换能器接收到的回波能够返回；
其特征在于，所述信号收发电路包括将所述至少三个换能器并联的回路，所述回路还与信号发射装置和信号接收装置连接；
每个所述第二换能器分别与两个稳压管串联；当激励信号加载在所述并联的回路两端时，所述至少三个换能器在激励信号的作用下产生振动，发射声波；所述声波遇到障碍后反射回波，所述至少三个换能器同时接收回波，其中位于中间的所述第一换能器的回波信号进入所述回路，位于周围的多个所述第二换能器的回波信号被稳压管阻隔不能通过。
2.根据权利要求1所述的超声探头，其特征在于，所述至少三个换能器为顺次连接的三个平面矩形换能器，所述第一换能器与其一侧的所述第二换能器之间形成有第一夹角，所述第一换能器与其另一侧的所述第二换能器之间形成有第二夹角。
3.根据权利要求2所述的超声探头，其特征在于，所述第一夹角与所述第二夹角相同。
4.根据权利要求2或3所述的超声探头，其特征在于，所述第一夹角与所述第二夹角为锐角。
5.一种超声成像方法，包括：
设置至少三个换能器，将一个第一换能器设置于中间位置，将多个第二换能器对称地分布在所述第一换能器周围空间，并且根据被检测目标进行设置，以实现组合聚焦；
将信号收发电路耦合到所述至少三个换能器；
使所述至少三个换能器能够同时发射声波；以及
只返回位于中间的所述第一换能器接收到的回波；
其特征在于，所述信号收发电路包括将所述至少三个换能器并联的回路，所述回路还与信号发射装置和信号接收装置连接；
每个所述第二换能器分别与两个稳压管串联；当激励信号加载在所述并联的回路两端时，所述至少三个换能器在激励信号的作用下产生振动，发射声波；所述声波遇到障碍后反射回波，所述至少三个换能器同时接收回波，其中位于中间的所述第一换能器的回波信号进入所述回路，位于周围的多个所述第二换能器的回波信号被稳压管阻隔不能通过。
6.根据权利要求5所述的超声成像方法，其特征在于，所述至少三个换能器为顺次连接的三个平面矩形换能器，所述第一换能器与其一侧的所述第二换能器之间形成有第一夹角，所述第一换能器与其另一侧的所述第二换能器之间形成有第二夹角。
7.根据权利要求6所述的超声成像方法，其特征在于，所述第一夹角与所述第二夹角相同。
8.根据权利要求6或7所述的超声成像方法，其特征在于，所述第一夹角与所述第二夹角设置为锐角。
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