CN1043742C - 具有变迹的竖直方向聚焦的超声波传感器阵列 - Google Patents

Abstract

一种超声传感器阵列(10)，具有沿着一成像平面内一阵列轴线对齐的多个传感器元件(12)。每个传感器构件(12)包括一压电基片(24)，还包括一贴在基片后表面上的后电极(32)和一贴在基片前表面上的具有一定图样的前电极(30)。一导电的或金属的声学匹配层(26)叠置在具有一定图样的前电极(30)上。前电极(30)沿着一与成像平面垂直的竖直轴线具有特殊图样，从而使在竖直平面内的发射的超声束变迹。该图样按一预定的递减的加权函数而定，该函数最好近似一加重平均加权函数。与阵列轴线平行取向的一些狭槽切入压电基片(24)的前表面，以形成多个子元件。这也使压电基片(24)的这些部分被隔绝而不被具有一定图样的前电极所叠置，从而增强了束的变迹。

Description

具有变迹的竖直方向聚焦的超声波传感器阵列

本发明总地涉及超声波传感器阵列，更具体地涉及一种具有变迹的竖直方向上聚焦(apodized elevation focus)的声学上隔离的传感器元件的直线或曲线阵列。

在近几年，超声成象技术在临床医疗诊断和材料的无损检测中已开始盛行。在医疗诊断的成象中，这些技术已被用于测量和记录深层器官以及整个身体的生理结构的尺寸和位置。

超声成象系统一般包括多个沿一阵列轴线布置的平行压电传感器元件，每个元件都有一个压电层以及用于激励压电层并使它发射超声能的前和后电极。一个电激励电路激励传感器元件以形成能沿侧向扫描的超声能量细束，从而确定成象面。激励电路能以几种常规方式中的任一种激励多个压电元件，以提供例如沿成象面扫描一个窄束的相控阵，或在成象面内分步引导一个窄束的阶梯阵。

在竖直方向平面内束的形成比较困难，因为由于成本上和简便性的原因，沿竖直方向轴线一般不提供多个用来电聚焦波束的传感器元件。通常，在传感器阵列的前面布置一个光学透镜，为超声波束提供一个单一的竖直方向聚焦。但是，由于传感器晶体沿竖直方向方向的长度有限，绕射会在竖直方向上导致侧波瓣出现，它与主波瓣的成象相互干扰。另外，透镜所产生的聚焦场深度会受到过度限制。

过去已经尝试在竖直方向轴线上使超声波束变迹，以降低波束侧波瓣的幅度并由此改进传感器的清晰度。特别是，一薄片声屏蔽材料已被贴在压电传感器元件前表面的选定部分，以修整沿前表面各位置处发射出的超声能的强度，通常降低了在元件相对于它们中心的侧面处的强度。但是，使用声屏蔽材料是不精确的并且需要使用额外的层。

因此，本发明的目的是克服现有技术的缺点，提供一种更有效的提供成象束的超声传感器阵列，该成象束具有降低的竖直方向侧波瓣和比较好的在较宽范围的场深度上的聚焦，无需使用声屏蔽材料。

本发明的进一步目的在于提供一种超声传感器阵列，它具有一个具有一定图样的前电极和导电声匹配层，提供了具有降低的竖直方向侧波瓣的变迹成象束。通过直接修整沿每个传感器元件前表面各位置处发射出的超声能来实现这种变迹。超声传感器阵列在一较宽范围的场深度上还展示出比较好的聚焦。

本发明的超声传感器阵列包含有多个沿在成象面内的一阵列轴线排成一行的压电传感器元件。每个压电传感器元件都包含一压电基片，它带有一个由前电极覆盖的前表面，另外还有一个由后电极覆盖的后表面。电激励信号通过覆盖着的第一声配匹层施加到前电极。前电极具有一定图样，以提供一个沿一垂直于成象面的竖直方向轴线分布的预定递减加权函数。这在竖直方向面中提供了束变迹，束的侧波瓣所具有的幅度比没有变迹的传感器元件所提供的要低。

在本发明更详细的特征中，每个传感器元件的压电基片有一系列切入其前表面内的槽，沿完全平行于阵列轴线的方向排列。这些槽在声学上构成隔离的子元件，并且进一步隔离那些未被前电极覆盖的压电层部分，从而增强了所希望的束变迹。

本发明另一个更详细的特征中，每个传感器元件的前电极具有特别的图样，以便该元件发射一种具有近似为加重平均加权函数的能量分布的超声波束。这被认为是提供了一种特别理想的束变迹形式。

第一声匹配层可以取两种适当形式的任一种。在一种形式中，一个薄金属层(例如铜)形成第一声匹配层的后表面，以传导电信号给具有一定图样的前电极。或者，整个第一声匹配层可以由导电材料构成。

在本发明的另一个特征中，每个压电传感器元件可以包含一个均匀厚度的第二声匹配层，覆盖着第一声匹配层。此外，一个非导电材料的声透镜可以覆盖声匹配层。最后，每个传感器元件的前表面在竖直方向平面内可以具有或者平面形状或者凹入形状。

根据以下结合附图对较佳实施例的描述，本发明的其它特征和优点会变得显而易见，其中附图用例子说明了本发明的原理。

图1是一幅部分剖开的本发明超声传感器阵列的透竖直方向，它具有多个独立的超声传感器元件。为了说明起见，阵列的一部分已从其余部分提出。

图2是一幅图1阵列提出部分的放大剖面图，示出了几个超声传感器元件。

图3是一幅本发明超声传感器阵列的侧剖竖直方向。

图4是一幅在制造过程的早期阶段中用于本发明超声传感器阵列中的压电基片的横剖面图。压电基片有隔离的前和后电极。

图5一幅图4压电基片的端竖直方向，拥有一系列锯口槽，并且部分前电极按规定的图样被除掉。

图6A和6B是根据加重平均加权函数及其相应付里叶变换加权的窗口曲线图，单位是幅值的对数。

图7A和7B是均匀加权矩形窗口及其相应付里叶变换的曲线图，单位是幅值的对数。

图8是图6A加重平均加权函数的曲线图，它被划分成与本发明超声传感器元件前电极部分有关的区域。

图9A是一幅由传感器阵列所产生的扫描束在竖直方向上的分布曲线图，位于距传感器阵列40毫米距离处，其中传感器阵列带有根据图7A中曲线图均匀加权得出的传感器元件。

图9B是一幅在距传感器阵列40毫米的距离处，传感器阵列所产生的扫描束的在竖直方向上的分布曲线图，阵列具有根据图8的加重平均加权函数加权得出的传感器元件。

图10A是一幅在距传感器阵列60毫米的距离处，传感器阵列所产生的扫描束的在竖直方向上的分布曲线图，传感器阵列具有根据图7A的曲线图均匀加权得出的传感器元件。

图10B是一幅在距传感器阵列60毫米的距离处，带有根据图8的加重平均加权函数加权得出的传感器元件的传感器阵列所产生的扫描束的在竖直方向上的分布线图。

图11A是一幅在距传感器阵列80毫米的距离处，带有根据图7A的曲线图均匀加权得出的传感器元件的传感器阵列所产生的扫描束的在竖直方向上的分布曲线图。

图11B是一幅在距传感器阵列80毫米的距离处，带有根据图8加重平均加权函数加权得出的传感器元件的传感器阵列所产生的扫描束的在竖直方向上的分布曲线图。

图12A是一幅在距传感器阵列100毫米距离处，带有根据图7A的曲线图均匀加权得出的传感器元件的传感器阵列所产生的扫描束的在竖直方向上的分布曲线图。

图12B是一幅在距传感器阵列100毫米的距离处，传感器阵列所产生的描束的在竖直方向上的分布曲线图，传感器阵列具有根据图8加重平均加权函数加权得出的传感器元件。

图13A是一幅在距传感器阵列120毫米的距离处，带有根据图7A曲线图均匀加权得出的传感器元件的传感器阵列所产生的扫描束的在竖直方向上的分布曲线图。

图13B是一幅在距传感器阵列120毫米的距离处，带有根据图8的加重平均加权函数加权得出的传感器元件的传感器阵列所产生的扫描束的在竖直方向上的分布曲线图。

图14是一幅本发明超声传感器阵列替代实施例的横剖面侧竖直方向。

图15是一幅本发明超声传感器阵列另一个替代实施例的横剖面侧竖直方向。

如图所示，特别是图1-3所示，本发明体现于一个通常由标号10代表的超声传感器阵列中，并且体现于一种用于成象一个目标的相关方法中，其中通过在成象面中扫描一个窄束超声能量成象一个目标。传感器阵列包含有多个声学上隔离的超声传感器元件12，它们由可控幅度和相位的信号所激励，使波束在成象面上扫描。由于通过有选择地仅激励每个元件的选定部分而产生的单个传感器元件的变迹，因此传感器阵列提供了改进的波束的竖直方向聚焦。这使传感器阵列能提供改进的成象。

超声传感器阵列10包含有多个装在外壳14内的独立的超声传感器元件12。单独的元件被电连接到一个柔性印刷电路板的导线16上并电连接到由聚合物衬垫材料20固定到位的接地薄片18上。绕传感器元件和外壳有一个不带电表面层22。

每个单独的超声传感器元件12都包含有一个压电基片24、一个第一声匹配层26和一个第二声匹配层28。单独的元件在机械上相互隔开并且沿一个位于一成象面内的阵列轴线A分布，这个成象面由图2中的x-y轴确定。另外，通过加工压电基片及相邻的声匹配层使之具有凹形前表面，把单独的元件在机械上聚焦到成象面中。

阵列轴线A具有中凸形状，以便于扇面扫描。但是由以下描叙将会清楚，阵列轴线可以是直线或曲线，或者甚至可以具有直线与曲线的组合。超声传感器阵列能用美国专利申请号08/010,827中所揭示的方法加工并组装，该专利申请于1993年1月29日提出，标题是“超声传感器阵列及其制造方法”，在本文中它被引为参考。

如图3所示，本发明的每个超声传感器元件12另外还包含一个在压电基片24前表面上的具有一定图样的前电极30和一个在基片后表面上的后电极32。具有一定图样的前电极覆盖压电基片上的一系列子元件34。后电极32通过导片16连接到正极上，而具有一定图样的前电极通过第一声匹配层26和接地薄片18被连接到负电极上。

第一声匹配层最好由环氧树脂材料制成，厚度近似等于在理想工作频率下四分之一的波长(根据材料中的声速测出)。一个由铜之类的金属制成的导电层35构成了第一声匹配层的后表面，并为具有一定图样的前电极30提供导电能力。或者，一种具有适当声阻抗的导电材料，例如石墨、银填充环氧树脂或玻璃状碳，能用于第一声匹配层，并且金属层能被省略。

第二声匹配层28具有均匀的厚度并且夹在第一声匹配层26和不导电表面层22之间。最好有第二匹配层，但可以省略。

每个传感器元件12由横跨正和负极的激励信号来激励。激励信号引起那些由具有一定图样的前电极30所覆盖的子元件产生振动，从而导致从压电基片24前表面的相应区域发射超声波。

压电传感器元件12由聚合物衬垫材料20固定在外壳14内。不导电表面层22由诸如聚氨脂之类的材料构成。

图4和5示出了在基片被加工成凹形形状之前制造过程初始阶段期间的压电基片24。图4示出当金属层已经施加到基片表面之后的基片。两个穿透基片后表面上金属层的锯齿状切口36，分别构成了前和后电极30和32。锯齿状切口被布置成使前电极30能围绕基片的背面，从而便于接地薄片18的连接。前电极上的有效孔38由投射到前电极30上的后电极32的长度确定。

如图5所示，每个传感器元件12的有效孔38由大量切透压电基片24前表面的平行槽划分成子元件34，平行于阵列轴线A。切口用切割锯制成。根据以上参考专利申请(申请号为08/010,827)所作的较充分解释，这些槽基本穿过压电基片，这使基片能弯曲并构成其凹形形状。将会注意，在有效孔区域内前电极30的选择部分被清除掉。这种有选择的切除由一个切割锯完成，以便实现以下所述的变迹。

传感器阵列10所产生的扫描束竖直方向聚焦由传感器元件12的变迹来改进。每个传感器元件的变迹通过沿竖直方向，即沿Z-轴方向清除部分前电极30来实现，以便在整个压电基片辐射孔38提供一个锥形激励。这种电极的图样在槽被切出之前就做在了前表面上。

如图6A所示，最好使用加重平均的加权函数来变迹波束。如图6B所示，加重平均加权函数的付里叶变换具有明显低于变换主波瓣42水平的侧波瓣40。同图7A和7B中所示的矩形加权函数及其付里叶变换相比，加重平均加权函数的侧波瓣40远远低于矩形加权函数的侧波瓣40′，并且主波瓣42远远宽于矩形加权函数的主波瓣42′。注意，其它的加权函数在某种程度上也可以成功地使用。在身体内的成象环境中，可能含有许多产生大回波的硬结构，稍稍较宽的主波瓣42最好在较高的侧波瓣40之上，它们会引起由硬结构回波所导致的显著噪声。

圆柱传感器的加重平均加权函数具有以下形式，

A(x)=0.08+0.92[cos(πx/D)]²此处：

x=距中心轴线的距离

D=孔的总长度

注意加权函数的正确分布图不能仅仅通过除掉部分的前电极30来复制。因此，本发明的传感器元件12通过从选定的子元件34上除掉前电极来近似加权函数，以便所选定的子元件不会被相应传感器元件的激励信号所激励。通过把子元件划分成组或区来确定应从前电极上清除掉的子元件。在每个组中从选定数量的子元件中除掉前电极，组中剩下的元件发射超声能。对于固定数量的子元件，组的数目和每组中子元件的数量涉及在拥有足够数量的组以近似加权函数的曲线与在每组中拥有足够数量的子元件以使量化效应最小之间进行折衷。

在本较佳实施例中，传感器元件12具有12毫米的有效竖直方向的孔38。槽在横过孔的竖直方向的范围内均匀分开，构成112个复合子元件34。如图8所示，每半个孔被划分14个区44，每个区有4个子元件，在整个孔上总共有28个区。在每个区域内应去除前电极30以近似加重平均加权函数的子元件的数目能通过确定加权函数对应于所感兴趣区域的曲线下的面积来计算得出。对于14个每个具有4个子元件的区域能容易地显示出，最后两个区域应从每个这些区中所有4个子元件上除掉前电极。但是，在有效孔38内不必拥有不带任何有效子元件的区域；在延伸过有效产生了非超声能量的压电基片24上的后电极32的压电基片前表面部分能提供该功能。因此，为了计算，两个假想区15和16被加到每个有效孔的端部，并且对传感器元件进行计算的有效竖直方向的孔为13.7mm，每一半被划分成16个区。

由于加重平均加权函数相对其中心是对称的，因此仅对32个区44的一半进行计算。在一半曲线中加权函数曲线下每个区域的标称面积由以下方程得出： $\mathrm{Zn}=\frac{1}{D/32}{\∫}_{(n-1)D/32}^{\mathrm{nD}/32}A\left(x\right)\mathrm{dx}$ 其中：

n=1至6(区域的1/2)

D=13.7毫米

应除掉电极的子元件数目r_n由下面方程计算得出：

r_n=(Z_n-l)/4

由于每个区域42仅有4个元件，因此应除掉电极的子元件数目r_n使用预定阈值被量化为全数或整数i_n。作为通用准则，从0到0.5的计算值r_n代表在区域中没有任何电极应被清除掉，0.5到1.5代表一个电极应从区域中除掉，1.5到2.5代表两个电极应从区域中除掉，2.5到3.5代表三个电极应从区域中除掉，并且3.5到4.0代表4个电极应从区域中除掉。

进行计算得出下表：n     Z_n     r_n     q_n  n     Z_n        r_n    q_n1   0.996    -0.015    0    9     0.389    -2.443    22   0.973    -0.107    0    10    0.297    -2.813    23   0.929    -0.285    0    11    0.216    -3.135    34   0.865    -0.541    0    12    0.152    -3.392    35   0.785    -0.861    0    13    0.107    -3.571    36   0.692    -1.231    1    14    0.084    -3.664    37   0.592    -1.632    1    15    0.084    -3.665    48   0.489    -2.042    2    16    0.106    -3.575    4

因此，在区域1-4中不应从子元件34除掉任何部分的前电极30；在区域5-7中，应从一个子元件上除掉前电极；在区域8-10中，应从两个子元件上除掉前电极；在区域11-14中，应从三个子元件上除掉前电极；最后在区域15和16中，前电极应从所有四个子元件上除掉，不留任何有效的子元件。但如前文所述，区域15和16在压电基片24的12mm有效窗口或孔36的外侧，并且对应于压电基片不发射超声能的端部。

如图8中曲线左半部虚线46所示，加重平均加权函数的近似不是十分准确。最重要特征是，该分布向孔38的端部逐渐减小。

图9A-13A示出了当增加距阵列距离时由具有均匀竖直方向窗口的传感器阵列所产生的束竖直方向分布图，而图9B-13B示出了当增加距阵列的距离时由具有变迹的竖直方向上聚焦的传感器阵列所产生的束竖直方向分布图。在变迹传感器阵列中，有效孔38拥有112个子元件34，它们被分成14个区44，每个区有4个子元件。区域1-5有四个有效子元件，区域6和7有三个有效子元件，区域8-10有两个有效子元件，而区域11-14有一个有效子元件。因此这种布置仅在5号区域的情况中不同于上述较佳的布置。

在所示的例子中，在20毫米及以下的范围内，束未能很好地形成并且在变迹束与均匀孔束的性能之间设有什么差异。但当在40毫米的范围之内，能看见变迹束的分布图(图9B)有较清楚的主波瓣，并且在不带变迹的束分布图主波瓣外侧(图9A)在信号干扰方面至少有5dB的改进。在60毫米到120毫米的范围上，变迹束分布图的侧波瓣(图10B-13B)比不带变迹的束分布图至少近似低5dB。因此，将可以理解，本发明的超声传感器阵列10通过显著降低所得出的超声波束侧波瓣水平，来显著改进阵列的成象性能。

图14中示出了本发明的另一个实施例的传感器阵列10′。在这个实施例中，压电基片24′是平的，并且变迹是在横跨压电基片平表面的前电极30′上进行。最好是，不导电表面层22′通过拥有一个弧形外表面而构成一个硅橡胶透镜，它在竖直方向上聚焦超声波束。

图15示出了本发明另一个可选择的实施例的传感器阵列10″。在这个实施例中，构成子元件34的槽被省略。前电极30″仅激励那些被前电极所覆盖的压电基片24″部分。

尽管上文揭示了本发明的较佳实施例，但要知道，那些本领域熟练人员可以对较佳实施例作各种改变，而不背离本发明的范围。本发明仅由以下权利要求所确定。

Claims (10)

1．一个用于成象一个目标的超声传感器阵列，包含有多个在成象面内的沿阵列轴排成一列的压电传感器元件，每个压电传感器元件包括：

一个带有前表面和后表面的压电基片；

一个覆盖压电基片前表面的前电极；

一个覆盖压电基片后表面的后电极；和

一个覆盖前电极并向前电极传导电信号的第一声匹配层；

其特征在于，该前电极具有一定图样，该图样使得前电极仅覆盖压电基片前表面的选定部分，该选定部分小于整个前表面，并且该前电极被构成提供一个预定的垂直于成象面的沿竖直轴线分布的递减加权函数，从而提供一个在竖直平面内变迹的超声能束。

2．如权利要求1所述的超声传感器阵列，其特征在于每个传感器元件的压电基片拥有一系列切入其前表面的槽，这些槽沿完全平行于阵列轴线的方向延伸并形成在声学上隔开的子元件。

3．如权利要求2所述的超声传感器阵列，其特征在于所选定的声隔离子元件由具有一定图样的前电极连到第一声匹配层，以便压电基片放射具有预定能量分布的超声波。

4．如权利要求1所述的超声传感器阵列，其特征在于预定的递减加权函数近似为一个加重平均加权函数。

5．如权利要求1所述的超声传感器阵列，其特征在于第一声匹配层包含有一个环氧树脂材料层和一个用于传导电信号的金属层。

6．如权利要求1所述的超声传感器阵列，其特征在于第一声匹配层由导电材料制成。

7．如权利要求1所述的超声传感器阵列，其特征在于每个传感器元件被划分成有选择地被具有一定图样的前电极所覆盖的子元件，这样所选定的子元件平行地被第一声匹配层连接。

8．如权利要求1所述的超声传感器阵列，其特征在于每个传感器元件压电基片的前表面在竖直平面内具有一个凹面形状。

9．如权利要求1所述的超声传感器阵列，其特征在于每个传感器元件压电基片的前表面在竖直平面内是完全的。

10．一个通过在成象面内扫描窄束超声能来成象一个目标的超声传感器阵列，窄波束有在主被瓣的两侧上有相连的侧波瓣，它们沿竖直方向上从成象面延伸开，传感器阵列包括：

多个在成象面内沿阵列轴排成一列的传感器元件，多个传感器元件的每个都包含有：

一个有前表面和后表面的压电基片，

一个覆盖压电基片前表面的前电极，

一个覆盖压电基片后表面的后电极，和

一个覆盖前电极并向前电极传导电信号的第一声匹配层，

其特征在于，前电极仅覆盖压电基片前表面选定部分，这个选定部分小于整个前表面，并且前电极被构成近似得出一个预定递减加权函数，以便传感器元件向目标产生变迹束超声能并在竖直平面上聚焦，其波束的侧波瓣所具有的幅度低于均匀前表面压电元件所放射的侧波瓣。

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