CN105848792A - 具有可变厚度解匹配层的超声换能器和超声成像系统 - Google Patents
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Abstract
包括具有多个换能器元件的声学层以及耦合到声学层的解匹配层的超声换能器和超声成像系统。解匹配层具有比声学层大的声阻抗，并且解匹配层具有进行改变以便改变超声探头的带宽的厚度。
Description
技术领域
本公开一般涉及包括声学层(其包括多个换能器元件)的超声换能器和超声成像系统。换能器和超声成像系统包括解匹配层，其具有进行改变以便改变超声换能器的带宽的厚度。
背景技术
已知常规超声换能器包括声学层(其包括一个或多个换能器元件)的后侧上的解匹配层。解匹配层通常包括具有比声学层高的声阻抗的材料。使用解匹配层使超声换能器能够使用较薄声学层来取得与使用较厚声学层原本实现的相同谐振频率。使用较薄声学层使声学层能够具有与成像系统的更好电阻抗匹配，并且帮助改进给定频率的换能器所需的灵敏度。
一般期望将超声换能器设计成具有尽可能宽的总带宽。取得更宽带宽的一种已知方式涉及将声学层加工成具有多个厚度。压电材料较厚的区域将具有较低频率响应，而压电材料较薄的区域将具有较高频率响应。将压电材料加工成具有不同频率响应将产生具有更大总带宽的超声换能器。但是，压电材料、例如锆钛酸铅(PZT)以超声换能器中所需的容差的多个不同厚度的制造是困难并且费用高的。
因此，由于这些及其他原因，需要一种具有改进带宽的改进超声换能器和超声成像系统。
发明内容
本技术的实施例一般涉及超声换能器以及制作超声换能器的方法。
在一实施例中，超声换能器包括：声学层，其包括多个换能器元件；以及解匹配层，耦合到声学层。解匹配层具有比声学层的声阻抗大的声阻抗。解匹配层具有进行改变以便改变超声换能器的带宽的厚度。
在一实施例中，一种超声成像系统包括用于发射和接收超声信号的超声换能器，超声换能器包括声学层，其包括多个换能器元件。该超声成像系统包括耦合到声学层的解匹配层。解匹配层具有比声学层的声阻抗大的声阻抗。解匹配层具有发生改变以便改变超声换能器的带宽的厚度。
附图说明
图1是按照一实施例的超声成像系统的示意图；
图2是按照一实施例的超声换能器的截面图的示意表示；
图3是按照一实施例的解匹配层的透视图的示意表示；
图4是示出具有不同解匹配层的两个换能器的实验结果的图表；
图5是按照一实施例的超声换能器的截面图的示意表示；
图6是按照一实施例的超声换能器的截面图的示意表示；
图7是按照一实施例的解匹配层的示意表示；以及
图8是按照一实施例的超声换能器的透视图的示意表示。
具体实施方式
在以下详细描述中，参照形成其组成部分的附图，附图中通过举例说明示出可实施的具体实施例。充分详细地描述这些实施例，以便使本领域的技术人员能够实施实施例，并且要理解，可利用其他实施例，并且可进行逻辑、机械、电气和其他变更，而没有背离实施例的范围。因此，以下详细描述不是要被理解为限制本发明的范围。
本技术的实施例一般涉及具有改进带宽的超声换能器和超声成像系统。附图中，相似元件采用相似标识符来标识。
图1是按照一实施例的超声成像系统的示意图。超声成像系统100包括波束形成器101和发射器102，其驱动换能器106中的换能器元件104，以便将脉冲超声信号发射到体内(未示出)。换能器元件配置成发射和接收超声信号。换能器106可以是1D换能器、1.25D换能器、1.5D换能器、1.75D换能器、E4D换能器或者任何其他类型的超声换能器。另外，换能器106根据实施例可以是线性换能器或者曲面换能器。换能器106包括变化厚度的解匹配层107。下面将更详细描述解匹配层107。脉冲超声信号从体内的结构(例如血细胞或肌肉组织)中后向散射，以产生回波，其返回到元件104。回波由元件104转换为电信号，并且电信号由接收器108来接收。表示接收回波的电信号经过接收波束形成器110，其输出超声数据。按照一些实施例，换能器106可包含进行发射和/或接收波束形成的全部或部分的电子电路。例如，按照一实施例，发射波束形成器101、发射器102、接收器108和接收波束形成器110的全部或部分可位于换能器106中。术语“扫描”在本公开中还可用来表示经过发射和接收超声信号的过程来获取数据。术语“数据”或“超声数据”在本公开中可用来表示采用超声成像系统所获取的一个或多个数据集。用户界面115可用来控制超声成像系统100的操作，包括患者数据的输入和/或扫描或显示参数的选择。
超声成像系统100还包括处理器116，以控制发射波束形成器101、发射器102、接收器108和接收波束形成器110。处理器与发射波束形成器101、发射器102、接收器108和接收波束形成器110进行电子通信。处理器116还与换能器106进行电子通信。处理器116可控制换能器106以获取数据。处理器116控制元件104的哪些是活动的以及从换能器106所发射的波束的形状。处理器116还与显示装置118进行电子通信，并且处理器116可将数据处理为图像以供显示装置118上显示。对本公开来说，术语“电子通信”可定义成包括有线和无线两种连接。按照一实施例，处理器116可包括中央处理器(CPU)。按照其他实施例，处理器116可包括能够执行处理功能的其他电子组件，例如数字信号处理器、现场可编程门阵列(FPGA)或图形板。按照其他实施例，处理器116可包括能够执行处理功能的多个电子组件。例如，处理器116可包括从包括下列电子组件的电子组件列表中选取的两个或更多电子组件：中央处理器、数字信号处理器、现场可编程门阵列和图形板。按照另一个实施例，处理器116还可包括对RF数据进行解调并且生成原始数据的复合解调器(未示出)。在另一个实施例中，解调可在处理链中更早地执行。处理器116可适合按照多个可选择超声形态对数据执行一个或多个处理操作。当接收回波信号时，可在扫描会话期间实时处理数据。对本公开来说，术语“实时”定义成包括没有任何特意延迟而执行的过程。例如，一实施例可在7-20帧/秒的实时帧率来获取和显示数据。对本公开来说，术语“帧率”可应用于超声数据的2D或3D帧。另外，术语“体积速率”（volume rate）可用来表示应用于4D超声数据时的帧率。应当理解，实时帧率可取决于获取数据的体积所花费的时间长度。对于体积获取，帧率取决于获取数据的各体积所需的时间长度。相应地，当获取数据的较大体积时，实时体积速率可能比较慢。因此，一些实施例可具有比20体积/秒快许多的实时体积速率，而其他实施例可具有比7体积/秒慢的实时体积速率。作数据可在扫描会话期间暂时存储在缓冲器(未示出)中，并且在即时或离线操作中以低于实时的速率来处理。本发明的一些实施例可包括多个处理器(未示出)，以操控处理任务。例如，第一处理器可用来对RF信号进行解调和抽选，而第二处理器可用来在显示图像之前进一步处理数据。应当理解，其他实施例可使用处理器的不同布置。
超声成像系统100可按照例如10 Hz至30
Hz的体积速率连续获取数据。从该数据所生成的图像可按照相似速率来刷新。其他实施例可按照不同速率来获取和显示数据。例如，一些实施例可按照小于10 Hz或大于30 Hz(这取决于体积的大小和预计应用)来获取数据。包含存储器120，以用于存储经处理的获取数据帧。在示范实施例中，存储器120具有存储相当于超声数据的帧的至少数秒的充分容量。数据帧按照某种方式来存储，以促进按照其获取顺序或时间对其进行检索。存储器120可包括任何已知数据存储介质。
可选地，本发明的实施例可利用对比剂来实现。当使用包含微泡的超声对比剂时，对比成像生成体内的解剖结构和血流的增强图像。在使用对比剂的同时获取数据之后，图像分析包括分离谐波和线性分量，增强谐波分量，以及通过利用增强谐波分量来生成超声图像。谐波分量与接收信号的分离使用适当滤波器来执行。对比剂用于超声成像是本领域的技术人员众所周知的，并且因此不作更详细描述。
在本发明的各个实施例中，数据可通过处理器116由其他或不同模式相关模块(例如，B模式、彩色多普勒、M模式、彩色M模式、频谱多普勒、弹性成像、TVI、应变、应变率等)来处理，以形成2D或3D数据。例如，一个或多个模块可生成B模式、彩色多普勒、M模式、彩色M模式、频谱多普勒、弹性成像、TVI、应变、应变率及其组合等。存储图像束和/或帧，并且可记录指示在存储器中获取数据的时间的定时信息。模块可包括例如扫描转换模块，以执行扫描转换操作，以便将图像帧从波束空间坐标转换成显示空间坐标。可提供一种视频处理器模块，其从存储器中读取图像帧，并且在对患者执行过程的同时实时地显示图像帧。视频处理器模块可将图像帧存储在图像存储器中，从其中读取和显示图像。
图2是按照一实施例的超声换能器106(图1所示)的截面图的示意表示。换能器106包括声学层202，其可包括多个换能器元件。按照一实施例，换能器元件可以是压电材料、例如锆钛酸铅(PZT)。按照图2所示的实施例，声学元件可按照线性阵列来设置。但是，按照其他实施例，换能器元件可按照包括2D阵列的不同配置、例如在E4D换能器中设置。换能器106包括透镜204、第一匹配层206、第二匹配层208、解匹配层210和基底212。第一匹配层206和第二匹配层208设置在声学层202与透镜204之间。第一匹配层206耦合到声学层202和第二匹配层208。第二匹配层208耦合到第一匹配层206和透镜204。解匹配层210耦合到与匹配层和透镜204相对侧上的声学层202。按照一实施例，图2所示的组件可采用环氧树脂和另一种粘合剂来耦合在一起。因此，在图2所示的层之间可存在极薄的环氧树脂或另一种粘合剂层。
按照一实施例，声学层可以是PZT，其具有33.7 MRayl的较高声阻抗。但是，为了使声能对组织中的透射为最大，匹配层206、208设置在透镜204与声学层202之间。匹配层206、208选择成使从换能器106中具有不同声阻抗的层之间的边界所反射的声能量为最小。匹配层的每个可包括：例如，金属，例如铜、铜合金、其中嵌入石墨图案的铜、镁、镁合金、铝、铝合金；填充环氧树脂；玻璃陶瓷；合成陶瓷；和/或玻璃陶瓷。透镜204可以是具有与采用超声波所成像的组织不同的音速的橡胶或任何其他材料。透镜204适合对于从声学层202所发射的超声束进行整形和聚焦。用来形成透镜204的材料可选择成与人体的电阻抗紧密匹配。匹配层206、208提供透镜204与声学层202之间的组合距离x，其中距离x为谐振频率的所发射超声波的预期波长的大约1/4至1/2。
解匹配层210包括与声学层202相邻的前侧220以及与声学层202相对的后侧222。前侧220限定离声学层202的均匀距离的表面。按照图2所示的实施例，前侧220限定平坦表面。但是，解匹配层210整形成使得后侧222限定凹面。图2是沿宽度方向214的换能器106的截面图。将针对图3更详细描述宽度方向214。按照图2所示的实施例，解匹配层210的厚度按照沿宽度方向214的曲线而改变。
图3是按照一实施例、图2的解匹配层210的透视图的示意表示。解匹配层210包括长度方向224和宽度方向214。如在图3中可见，解匹配层220沿长度方向224比沿宽度方向214长。前侧220和后侧222也在图3中表示。前侧220限定平坦表面。解匹配层210整形成使得后侧222限定凹面。按照一实施例，解匹配层210是具有沿宽度方向214的恒定截面的形状。将按照示范实施例来描述解匹配层210的尺寸。按照一实施例，解匹配层210是换能器106(图2所示)的组成部分，其中声学层配置为线性阵列。线性阵列的元件沿长度方向224来设置。解匹配层220从具有比声学层202(图2所示)高的声阻抗的材料来形成。解匹配层202例如可以是碳化钨，其具有大约100 MRayl的声阻抗。解匹配层202可从具有比声学层202明显高的声阻抗的任何其他材料来制成。按照示范实施例，解匹配层202可从粉末烧结为粗糙形状，并且然后加工为具有更准确尺寸的最终形状。例如，解匹配层210可烧结为一般平坦层，并且然后可在加工步骤期间完成后侧表面的形状和尺寸。按照示范实施例，解匹配层210沿长度方向224可以为28 mm以及沿宽度方向214可以为15 mm。解匹配层210在边缘的厚度可以为0.31
mm(如边缘厚度223所示)以及在中心可以为0.15 mm(如中心厚度225所示)。中心线226通过图3的虚线来表示。中心线226沿宽度方向214处于解匹配层210的中间。对本公开来说，术语“中心”将定义成包括沿解匹配层210的中心线的位置。按照一实施例，解匹配层210整形成使得后侧222限定凹面。图3所示实施例的凹面具有17.8 cm的恒定曲率半径。具有10-50 cm的曲率半径的凹面应当完全适合于最常见的换能器尺寸。但是，应当理解，其他实施例可具有带不同曲率半径和/或不同地整形的凹面。例如，其他实施例可包括具有带可变曲率半径的凹面的解匹配层。也就是说，沿宽度方向214的解匹配层的截面可包括具有包含多个不同曲率半径的复合曲线的后侧。
图4是示出将具有图3所示解匹配层的换能器(列示为“具有整形解匹配层的换能器”)与具有恒定厚度的控制解匹配层的换能器(列示为“具有控制解匹配层的换能器”)进行比较的实验结果的图表400。已经详细描述了图3所示解匹配层的尺寸。控制解匹配层是相同长度和宽度，但是具有恒定厚度。更具体来说，控制解匹配层沿长度方向为28 mm，沿宽度方向为15 mm，以及厚度为0.31 mm。
现在参照图2、图3和图4，图表400包括来自具有控制解匹配层的换能器的数据以及来自具有整形解匹配层的换能器的数据。具有整形解匹配层的换能器是针对图2和图3所述的换能器。它是线性相控阵列换能器，并且包括具有针对图3所述尺寸的解匹配层。具有控制解匹配层的换能器是线性相控阵列换能器，其与具有整形解匹配层的换能器相同，只不过解匹配层具有0.31 mm的恒定厚度。
换能器的带宽作为中心频率的百分比来测量。在图表中，FL6是6 dB低频；FH6是6 dB高频；FL20是20
dB低频；FH20是20 dB高频；PW6是6 dB脉冲宽度；PW20是20
dB脉冲宽度；以及PW30是30 dB脉冲宽度。
具有控制解匹配层的换能器具有中心频率的93.6%的6 dB带宽，而具有整形解匹配层的换能器具有中心频率的112%的6 dB带宽。因此，没有除了可变厚度的解匹配层的变化，有可能产生具有18.4%更大带宽的换能器。具有控制解匹配层的换能器具有中心频率的123%的20 dB带宽，而具有整形解匹配层的换能器具有中心频率的137%的带宽。因此，具有整形解匹配层的换能器示出对于20
dB带宽大于11%的改进。制造可变厚度的解匹配层是从换能器获得附加带宽的有效方式。它比加工压电换能器阵列以创建具有不同厚度的声学层更简易并且更节省成本。
图5是按照一实施例的超声换能器502的截面图的示意表示。共同参考标号用来标识先前针对图2和图3所述的相同组件。超声换能器502包括解匹配层504和基底506。解匹配层504整形成限定面向透镜204的前侧508以及与透镜204相对的后侧510。按照图5所示的实施例，解匹配层504整形成使得前侧508限定离声学层202的均匀距离，而后侧510限定凹面。按照图5所示的示范实施例，前侧508限定平坦表面，因为声学层202是平坦的。按照其他实施例，在声学层是曲面、例如在曲面阵列探头中的情况下，解匹配层可整形成使得前侧限定匹配声学层的曲率的弯曲表面。对于声学层为曲面的一实施例，解匹配层的厚度将沿与声学层垂直的方向来测量。解匹配层504整形成限定凹陷沟道。限定凹陷沟道，因为解匹配层504具有在边缘(如边缘厚度512所示)比在中心(如中心厚度514所示)大的厚度。中心厚度在沿宽度方向214的解匹配层504的中间的位置来得到。边缘厚度在沿宽度方向214、离中心最远的解匹配层的位置来得到。正如针对图2所述的示例那样，换能器502具有长度方向，其比宽度方向214大。长度方向在图5中不可见。当在图5的截面中查看时，解匹配层504包括均匀厚度的第一部分516。解匹配层504还包括限定处于第一固定角的表面的第二部分518以及限定处于第二固定角的表面的第三部分520。解匹配层的厚度在第一部分516和第二部分518中沿宽度方向214按照线性方式改变。图5所示的实施例只是一个示范实施例。按照其他实施例，表面相互之间可按照不同角度来设置，以及其他实施例可包括不同数量的表面。
图6是按照一实施例的超声换能器602的截面图的示意表示。共同参考标号用来标识先前针对图2、图3和图5所述的相同组件。超声换能器602包括解匹配层604和基底606。解匹配层604整形成限定面向透镜204的前侧608以及与透镜204相对的后侧610。按照图5所示的实施例，解匹配层604整形成使得前侧508限定平坦表面，而后侧510限定多个表面。解匹配层604整形成限定具有不同厚度的多个区域。解匹配层604限定第一区域611、第二区域612、第三区域614、第四区域616和第五区域618。图6是截面图。因此，应当理解，图6所示的区域的每个表示沿长度方向(未示出)延伸的2D表面。第一区域611通过第一过渡区621来连接到第二区域612。第三区域614通过第二过渡区620来连接到第一区域611。第四区域616通过第三过渡区624来连接到第二区域612。第五区域618通过第四过渡区622来连接到第三区域614。图6表示换能器602的截面图。在一实施例中，解匹配层604沿宽度方向214在截面中可以是恒定的。相应地，图6所示区域的每个可表示2D表面。解匹配层604整形成使得它沿宽度方向214在中心比在边缘薄。中心处的厚度通过中心厚度626来表示，而边缘处的厚度通过边缘厚度628和630来表示。解匹配层604还包括中间厚度的两个区域。第二区域612和第三区域614具有分别通过厚度632和634所示的厚度。按照图6所示的实施例，解匹配层604的厚度按照阶跃函数而改变。也就是说，解匹配层604的厚度跨宽度方向214在过渡区的每个突然变化。应当理解，按照其他实施例，解匹配层的厚度可按照其他阶跃函数而改变。例如，其他实施例可具有均匀厚度的不同数量的离散阶跃或区域。
图7是图6所示解匹配层604的视图的示意表示。图7是底视图，并且它示出第一区域611、第二区域612、第三区域614、第四区域616和第五区域618各为2D区域或表面。过渡区在图7中不可见。
图8是按照一实施例的超声换能器800的透视图的示意表示。超声换能器800包括声学层802。声学层802包括按照2D阵列所设置的多个换能器元件。换能器800是具有沿宽度方向801和长度方向803的全波束控制的E4D换能器。按照一实施例，声学层802可以是沿宽度方向801和长度方向803的共同尺寸。换能器800包括声学透镜804。换能器800包括附连到声学层802的第一匹配层806以及附连到第一匹配层806和透镜804的第二匹配层808。换能器800包括解匹配层810，其附连到声学层802。换能器800还包括基底812，其连接到解匹配层810。
解匹配层812的厚度沿宽度方向801和长度方向803改变。换言之，解匹配层812沿宽度方向801没有恒定截面。解匹配层812可整形成使得后侧814限定凹面。按照一实施例，凹面可包括具有沿全部方向的恒定曲率半径的碗形凹陷区域。按照另一实施例，凹面的曲率半径可基于方向而改变。例如，解匹配层812可整形成限定沿宽度方向801的第一曲率半径以及沿长度方向803的第二不同曲率半径。按照其他实施例，解匹配层的厚度可按照其他方式改变。例如，解匹配层的厚度可按照沿一个或多个方向的曲线而改变，以及厚度可按照沿一个或多个方向的阶跃函数而改变。解匹配层可整形成限定包括改变的曲率半径的复合曲线，并且解匹配层可整形成限定包括相互之间以不同角度所设置的多个表面的后侧表面。这些表面的数量和取向可根据实施例而改变。但是，对于大多数实施例，设想厚度将在中心位置比在边缘位置的一个或多个薄。另外，对于换能器元件按照2D阵列来设置的实施例，可期望具有在厚度方面按照沿宽度方向801和长度方向803是相同的方式的解匹配层变化。
本书面描述使用包括最佳模式的示例来公开本发明，并且还使本领域的技术人员能够实施本发明，包括制作和使用任何装置或系统，以及执行任何结合方法。本发明的专利范围由权利要求书来限定，并且可包括本领域的技术人员想到的其他示例。如果这类其他示例具有与权利要求的文字语言完全相同的结构单元，或者如果它们包括具有与权利要求的文字语言的非实质差异的等效结构单元，则预计它们落入权利要求的范围之内。
Claims (20)
1. 一种超声换能器，包括：
声学层，包括多个换能器元件；以及
解匹配层，耦合到所述声学层，所述解匹配层具有比所述声学层的声阻抗大的声阻抗，所述解匹配层具有进行改变以便改变所述超声换能器的带宽的厚度。
2. 如权利要求1所述的超声换能器，其中，所述解匹配层包括具有长度方向和宽度方向的形状，其中所述解匹配层沿所述长度方向比沿所述宽度方向长，并且其中所述厚度沿所述宽度方向而改变。
3. 如权利要求2所述的超声换能器，其中，所述解匹配层的厚度沿所述宽度方向在中心比在边缘小。
4. 如权利要求3所述的超声换能器，其中，所述解匹配层的厚度沿所述宽度方向按照阶跃函数而改变。
5. 如权利要求3所述的超声换能器，其中，所述解匹配层包括与所述声学层相邻的前侧以及与所述声学层相对的后侧，并且其中所述前侧限定离所述声学层的均匀距离的表面。
6. 如权利要求3所述的超声换能器，其中，所述解匹配层的后侧限定凹面。
7. 如权利要求6所述的超声换能器，其中，所述解匹配层的后侧限定沿所述宽度方向具有固定曲率半径的凹面。
8. 如权利要求7所述的超声换能器，其中，所述固定曲率半径处于10 cm与50 cm之间。
9. 如权利要求1所述的超声换能器，其中，所述解匹配层包括具有长度方向和宽度方向的形状，其中所述解匹配层是沿所述长度方向和所述宽度方向的共同尺寸。
10. 如权利要求9所述的超声换能器，其中，所述解匹配层的后侧限定沿所述宽度方向具有第一固定曲率半径和沿所述长度方向具有第二固定曲率半径的凹面。
11. 一种超声成像系统，包括：
超声换能器，用于发射和接收超声信号，
其中所述超声换能器包括声学层，所述声学层包括多个换能器元件，以及
解匹配层，耦合到所述声学层，所述解匹配层具有比所述声学层的声阻抗大的声阻抗，所述解匹配层具有进行改变以便改变所述超声换能器的带宽的厚度。
12. 如权利要求11所述的超声成像系统，其中，所述解匹配层包括具有长度方向和宽度方向的形状，其中所述解匹配层沿所述长度方向比沿所述宽度方向长，并且其中所述厚度沿所述宽度方向而改变。
13. 如权利要求12所述的超声成像系统，其中，所述解匹配层的厚度沿所述宽度方向在中心比在边缘小。
14. 如权利要求12所述的超声成像系统，其中，所述解匹配层包括沿与所述声学层垂直的所述宽度方向的均匀截面。
15. 如权利要求14所述的超声成像系统，其中，所述解匹配层包括与所述声学层相邻的前侧以及与所述声学层相对的后侧，并且其中所述前侧限定离所述声学层的均匀距离的表面。
16. 如权利要求15所述的超声成像系统，其中，所述解匹配层整形成限定沿所述长度方向所定向的凹陷沟道。
17. 如权利要求16所述的超声成像系统，其中，所述解匹配层的厚度沿所述宽度方向按照线性方式而改变。
18. 如权利要求16所述的超声成像系统，其中，所述解匹配层的厚度沿所述宽度方向按照曲线而改变。
19. 如权利要求17所述的超声成像系统，其中，所述解匹配层的厚度包括具有第一厚度的区域以及具有比所述第一厚度大的第二厚度的第二区域。
20. 如权利要求16所述的超声成像系统，其中，所述解匹配层与均匀厚度的解匹配层相比将所述超声换能器的带宽增加至少10%。
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