CN109201439A - 一种医疗超声换能器阻抗匹配方法 - Google Patents

一种医疗超声换能器阻抗匹配方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种医疗超声换能器阻抗匹配方法，包括以下步骤：构建四分之一波长声阻抗匹配结构；构建声学干涉增强透射结构；将构建成的四分之一波长声阻抗匹配结构和声学干涉增强透射结构进行耦合，对压电层进行激发，激发出的超声波透过传导至硬质壳层包裹的生物软组织中；本发明利用四分之一波长阻抗匹配结构和声干涉增强透射结构进行耦合，使压电层激发的声波有效穿透硬质壳层进入生物组织中，实现了声能量向硬质壳层内的软物质透射；而且结构简单，易于实现。

Description

一种医疗超声换能器阻抗匹配方法
技术领域
本发明涉及一种医疗超声换能器阻抗匹配方法，医疗超声和超声检测领域。
背景技术
在过去的几十年中，关于超声检测(NDT)和超声生物组织成像的研究经历了巨大的发展。在这些研究和应用中一个重要难题是超声如何通过硬质壳层对其包裹的软性物质进行有效的超声检测和成像。解决这一问题的关键是实现超声波在非均匀介质的声阻抗匹配。例如，常用的PZT压电层的声阻抗(约34.5MRayl)远大于生物组织的声阻抗(约1.5MRayl)。为了将声波能量从压电层导入生物组织，需要进行阻抗匹配。理论上，具有特定阻抗的四分之一波长匹配层可以实现压电层和生物组织的声阻抗匹配。然而，当生物组织被硬质壳体包裹时，利用经典的四分之一波长阻抗匹配方法难以奏效，同时具有合适阻抗的匹配层材料在现实生活中也难以实现。
发明内容
本发明提供一种医疗超声换能器阻抗匹配方法，利用四分之一波长阻抗匹配结构和声干涉增强透射结构进行耦合，使压电层激发的声波有效穿透硬质壳层进入生物组织中，实现了声能量向硬质壳层内的软物质透射；而且结构简单，易于实现。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种医疗超声换能器阻抗匹配方法，包括以下步骤：
第一步：构建四分之一波长声阻抗匹配结构；
第二步：构建声学干涉增强透射结构；
第三步：将构建成的四分之一波长声阻抗匹配结构和声学干涉增强透射结构进行耦合，对压电层进行激发，激发出的超声波透过传导至硬质壳层包裹的生物软组织中；
作为本发明的进一步优选，
阻抗匹配层、硬质壳层和生物软组织构建形成四分之一波长声阻抗匹配结构；
压电层、阻抗匹配层和硬质壳层构建形成声学干涉增强透射结构；
作为本发明的进一步优选，硬质壳层的厚度为四分之一波长的奇数倍，通过得出压电层的激发频率f，其中n＝1,2,3……,lh为硬质壳层的厚度，vh为硬质壳层的声速度；
再通过得出压电层的厚度，其中，vp为压电层的声速度，lp为压电层的厚度；
利用Chebyshev公式或者利用Souquet公式或者利用Desilets公式获得阻抗匹配层的声阻抗，其中Zin为阻抗匹配层声阻抗，Zh为硬质壳层声阻抗，Zt为生物软组织声阻抗，由得出的阻抗匹配层声阻抗可以确定阻抗匹配层材料，由此可知阻抗匹配层的声速度；
设计压电层/阻抗匹配层的界面反射声波和阻抗匹配层/硬质壳层的界面反射声波在压电层中干涉相消，即两界面反射声波在压电层某处的相位相差为180度，此时，阻抗匹配层的厚度为二分之一波长的整倍数，通过得出阻抗匹配层的厚度，其中n＝1,2,3……,lin为阻抗匹配层的厚度，vin为阻抗匹配层的声速度；
作为本发明的进一步优选，压电层、阻抗匹配层和硬质壳层构建形成四分之一波长声阻抗匹配结构；
阻抗匹配层、硬质壳层和生物软组织构建形成声学干涉增强透射结构；
作为本发明的进一步优选，由于硬质壳层的厚度为二分之一波长的整数倍，通过其中n＝1,2,3……,lh为硬质壳层的厚度，vh为硬质壳层的声速度，两者为已知量，f为压电层的激发频率，得出压电层的激发频率；再通过得出压电层的厚度，其中，vp为压电层的声速度，其为已知量，lp为压电层的厚度；
通过公式Chebyshev公式或者Souquet公式或者Desilets公式得出阻抗匹配层声阻抗，其中Zp为压电层的声阻抗，Zh为硬质壳层声阻抗，Zin为阻抗匹配层声阻抗，由得出的阻抗匹配层声阻抗可以确定阻抗匹配层材料，由此可知阻抗匹配层的声速度；
设计阻抗匹配层/硬质壳层的界面反射声波和硬质壳层/生物软组织的界面反射声波在阻抗匹配层中干涉相消，即两界面反射声波在阻抗匹配层某处的相位相差为180度；此时，阻抗匹配层的厚度为四分之一波长的奇数倍，通过得出阻抗匹配层的厚度，其中n＝1,2,3……,lin为阻抗匹配层的厚度，vin为阻抗匹配层的声速度。
通过以上技术方案，相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明通过四分之一波长声阻抗匹配结构和干涉增强透射结构耦合的形式能有效的将声波能量传输到硬质壳层包裹的生物软组织内部；这为检测硬质壳层包裹的软物质检测(例如：脑颅包裹的脑体软组织)和成像提供了重要的研究方法；
本发明提出的耦合阻抗匹配弱化了阻抗匹配中的阻抗敏感性，不像经典声阻抗匹配结构对匹配层的阻抗有严苛要求，这为实际使用创造了有利条件。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的第一种优选实施例的耦合阻抗匹配结构；
图2为本发明的第一种优选实施例的耦合阻抗匹配结构的声波透射图；
图3为本发明的第二种优选实施例的耦合阻抗匹配结构。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
如图1-3所示，本发明的一种医疗超声换能器阻抗匹配方法，包括以下步骤：
第一步：构建四分之一波长声阻抗匹配结构；
第二步：构建声学干涉增强透射结构；
第三步：将构建成的四分之一波长声阻抗匹配结构和声学干涉增强透射结构进行耦合，对压电层进行激发，激发出的超声波透过传导至硬质壳层包裹的生物软组织中；
图1所示，作为本发明的第一种优选实施例，
阻抗匹配层、硬质壳层和生物软组织构建形成四分之一波长声阻抗匹配结构；
压电层、阻抗匹配层和硬质壳层构建形成声学干涉增强透射结构；
作为本发明的进一步优选，硬质壳层的厚度为四分之一波长的奇数倍，通过得出压电层的激发频率f，其中n＝1,2,3……,h为硬质壳层的厚度，vh为硬质壳层的声速度；
再通过得出压电层的厚度，其中，vp为压电层的声速度，lp为压电层的厚度；
利用Chebyshev公式或者利用Souquet公式或者利用Desilets公式获得阻抗匹配层的声阻抗，其中Zin为阻抗匹配层声阻抗，Zh为硬质壳层声阻抗，Zt为生物软组织声阻抗，由得出的阻抗匹配层声阻抗可以确定阻抗匹配层材料，由此可知阻抗匹配层的声速度；
设计压电层/阻抗匹配层的界面反射声波和阻抗匹配层/硬质壳层的界面反射声波在压电层中干涉相消，即两界面反射声波在压电层某处的相位相差为180度，此时，阻抗匹配层的厚度为二分之一波长的整倍数，通过得出阻抗匹配层的厚度，其中n＝1,2,3……,lin为阻抗匹配层的厚度，vin为阻抗匹配层的声速度；
以特定脑颅软物质为例，针对特定脑颅软物质进行检测时，硬质壳层的厚度满足四分之一波长的奇数倍，即其中n＝1,2,3……,lh和vh分别为硬质壳层的厚度和声速度。由于硬质壳层(脑壳)的lh和vh为已知量，当n＝1时激发频率也就确定；
声波由压电层激发，其激发频率f已经得到，并且对于特定PZT压电陶瓷，声速度vp为已知量，根据公式可以确定压电层的厚度lp；
PZT压电层、脑壳和脑颅软物质的声阻抗分别为34.5MRayl，5.5MRal和1.5MRal,如果利用Chebyshev公式可得这样确定阻抗匹配层的声阻抗为20.2MRayl，此阻抗和铜的声阻抗近似，可以选取铜作为阻抗匹配层的材料；
设计压电层、阻抗匹配层和硬质壳层构建声学干涉增强透射结构，要求压电层/阻抗匹配层的界面反射声波和阻抗匹配层/硬质壳层的界面反射声波在压电层干涉相消，即在压电层两界面反射声波相位相差为180度；
由于PZT压电层，阻抗匹配层和硬质壳层的声阻抗分别为34.5MRayl，20.2MRal和5.5MRal，这样声波从压电层激发向硬质壳层包裹的软物质传输时，在压电层/阻抗匹配层界面处可以看成软界面，在阻抗匹配层/硬质壳层界面处也为软界面；由于软界面不存在相位损失，所以要满足在在压电层某处的两个界面反射声波相位相差为180度，需要使阻抗匹配层的厚度满足二分之一波长的整数倍，即其中n＝1,2,3……,lin和vin分别为阻抗匹配层的厚度和声速度；当n＝1时，可以确定这里激发频率f和匹配层铜的声速度vin为已知量。
根据上述规则，确定各层的材料声阻抗和厚度；将这些参数代入多层复杂材料的声透射计算公式得到图2所示的声透射系数，可以看出本发明的耦合声阻抗匹配结构具有较高的声透射率。
图3所示，作为本发明的第二种优选实施例，
压电层、阻抗匹配层和硬质壳层构建形成四分之一波长声阻抗匹配结构；
阻抗匹配层、硬质壳层和生物软组织构建形成声学干涉增强透射结构；
作为本发明的进一步优选，由于硬质壳层的厚度为二分之一波长的整数倍，通过其中n＝1,2,3……,lh为硬质壳层的厚度，vh为硬质壳层的声速度，两者为已知量，f为压电层的激发频率，得出压电层的激发频率；再通过得出压电层的厚度，其中，vp为压电层的声速度，其为已知量，lp为压电层的厚度；
通过公式Chebyshev公式或者Souquet公式或者Desilets公式得出阻抗匹配层声阻抗，其中Zp为压电层的声阻抗，Zh为硬质壳层声阻抗，Zin为阻抗匹配层声阻抗，由得出的阻抗匹配层声阻抗可以确定阻抗匹配层材料，由此可知阻抗匹配层的声速度；
设计阻抗匹配层/硬质壳层的界面反射声波和硬质壳层/生物软组织的界面反射声波在阻抗匹配层中干涉相消，即两界面反射声波在阻抗匹配层某处的相位相差为180度；此时，阻抗匹配层的厚度为四分之一波长的奇数倍，通过得出阻抗匹配层的厚度，其中n＝1,2,3……,lin为阻抗匹配层的厚度，vin为阻抗匹配层的声速度。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
本申请中所述的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。
本申请中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (5)

1.一种医疗超声换能器阻抗匹配方法，其特征在于：包括以下步骤：
第一步：构建四分之一波长声阻抗匹配结构；
第二步：构建声学干涉增强透射结构；
第三步：将构建成的四分之一波长声阻抗匹配结构和声学干涉增强透射结构进行耦合，对压电层进行激发，激发出的超声波透过传导至硬质壳层包裹的生物软组织中。
2.根据权利要求1所述的医疗超声换能器阻抗匹配方法，其特征在于：
阻抗匹配层、硬质壳层和生物软组织构建形成四分之一波长声阻抗匹配结构；
压电层、阻抗匹配层和硬质壳层构建形成声学干涉增强透射结构。
3.根据权利要求2所述的医疗超声换能器阻抗匹配方法，其特征在于：
硬质壳层的厚度为四分之一波长的奇数倍，通过得出压电层的激发频率f，其中n＝1,2,3……,lh为硬质壳层的厚度，vh为硬质壳层的声速度；
再通过得出压电层的厚度，其中，vp为压电层的声速度，lp为压电层的厚度；
利用Chebyshev公式或者利用Souquet公式或者利用Desilets公式获得阻抗匹配层的声阻抗，其中Zin为阻抗匹配层声阻抗，Zh为硬质壳层声阻抗，Zt为生物软组织声阻抗，由得出的阻抗匹配层声阻抗可以确定阻抗匹配层材料，由此可知阻抗匹配层的声速度；
设计压电层/阻抗匹配层的界面反射声波和阻抗匹配层/硬质壳层的界面反射声波在压电层中干涉相消，即两界面反射声波在压电层某处的相位相差为180度，此时，阻抗匹配层的厚度为二分之一波长的整倍数，通过得出阻抗匹配层的厚度，其中n＝1,2,3……,lin为阻抗匹配层的厚度，vin为阻抗匹配层的声速度。
4.根据权利要求1所述的医疗超声换能器阻抗匹配方法，其特征在于：
压电层、阻抗匹配层和硬质壳层构建形成四分之一波长声阻抗匹配结构；
阻抗匹配层、硬质壳层和生物软组织构建形成声学干涉增强透射结构。
5.根据权利要求4所述的医疗超声换能器阻抗匹配方法，其特征在于：由于硬质壳层的厚度为二分之一波长的整数倍，通过其中n＝1,2,3……,lh为硬质壳层的厚度，vh为硬质壳层的声速度，两者为已知量，f为压电层的激发频率，得出压电层的激发频率；再通过得出压电层的厚度，其中，vp为压电层的声速度，其为已知量，lp为压电层的厚度；
通过公式Chebyshev公式或者Souquet公式或者Desilets公式得出阻抗匹配层声阻抗，其中Zp为压电层的声阻抗，Zh为硬质壳层声阻抗，Zin为阻抗匹配层声阻抗，由得出的阻抗匹配层声阻抗可以确定阻抗匹配层材料，由此可知阻抗匹配层的声速度；
设计阻抗匹配层/硬质壳层的界面反射声波和硬质壳层/生物软组织的界面反射声波在阻抗匹配层中干涉相消，即两界面反射声波在阻抗匹配层某处的相位相差为180度；此时，阻抗匹配层的厚度为四分之一波长的奇数倍，通过得出阻抗匹配层的厚度，其中n＝1,2,3……,lin为阻抗匹配层的厚度，vin为阻抗匹配层的声速度。
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