CN111248939B - 用于声学衰减材料的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明题为“用于声学衰减材料的方法和系统”。提供了用于制造声学探头的背衬材料的各种方法和系统。在一个示例中，背衬材料可包括经增材制造的由镶嵌图案的层形成的元结构。镶嵌图案的几何形状和层的对齐可影响背衬材料的声学特性。

Description

用于声学衰减材料的方法和系统
技术领域
本文公开的主题的实施方案涉及用于制造超声换能器的背衬材料的方法和系统。
背景技术
对于医疗或工业应用，超声是采用超声波来探测目标对象(例如，患者的身体)的声学特性并产生对应图像的成像模态。超声成像系统的超声探头的换能器输出的超声信号的分辨率、强度和/或焦点可通过调整超声探头的多个部件来调谐。多个部件可包括被构造成控制超声探头的带宽、时间分辨率和灵敏度的背衬。形成背衬的材料可具有比生成超声信号的换能器的有源元件的声学阻抗低的声学阻抗，并且可被构造成具有声学衰减特性。此外，背衬材料可为导热的，以有助于耗散超声探头中生成的热量。
发明内容
在一个实施方案中，超声换能器包括用于生成超声波的元件和布置在元件后面的背衬，该背衬包括具有镶嵌图案的层。
应当理解，提供上面的简要描述来以简化的形式介绍在具体实施方式中进一步描述的精选概念。这并不意味着识别所要求保护的主题的关键或必要特征，该主题的范围由具体实施方式后的权利要求书唯一地限定。此外，所要求保护的主题不限于解决上文或本公开的任何部分中提到的任何缺点的实施方式。
附图说明
通过参考附图阅读以下对非限制性实施方案的描述将更好地理解本发明，其中以下：
图1示出了根据本发明的实施方案的示例性超声成像系统。
图2示出了超声换能器的示例声学叠层。
图3A示出了超声探头的背衬材料的第一镶嵌图案的示例。
图3B示出了第一镶嵌图案的第一横截面。
图3C示出了第一镶嵌图案的第二横截面。
图4A示出了超声探头的背衬材料的第二镶嵌图案的示例。
图4B示出了第二镶嵌图案的第一横截面。
图4C示出了第二镶嵌图案的第二横截面。
图5A示出了超声探头的背衬材料的第三镶嵌图案的示例。
图5B示出了第三镶嵌图案的第一横截面。
图5C示出了第三镶嵌图案的第二横截面。
图6A示出了超声探头的背衬材料的第四镶嵌图案的示例。
图6B示出了第四镶嵌图案的第一横截面。
图6C示出了第四镶嵌图案的第二横截面。
图6D示出了第四镶嵌图案的第三横截面。
图7A示出了超声探头的背衬材料的第五镶嵌图案的示例。
图7B示出了第五镶嵌图案的第一横截面。
图7C示出了第五镶嵌图案的第二横截面。
图8A示出了超声探头的背衬材料的第六镶嵌图案的示例。
图8B示出了第六镶嵌图案的第一横截面。
图8C示出了第六镶嵌图案的第二横截面。
图9示出了制造背衬材料的方法的示例。
具体实施方式
以下描述涉及超声探头的各种实施方案，诸如图1和图2中所示的超声探头。超声探头可包括在超声系统成像系统中，诸如图1中所示的超声成像系统。具体地，提供了用于形成用于超声探头的一个或多个换能器的背衬材料的系统和方法。超声探头的声学叠层的示例在图2中示出，其示出了包括背衬材料的探头的部件。背衬材料可至少部分地通过增材制造形成，并且被构造成衰减和扩散超声探头中的声波。背衬材料可与包括几何形状空隙的重复图案的镶嵌层相适应。图案中所用空隙的几何形状可影响背衬材料衰减声波的效率。可用于镶嵌图案的不同几何形状的示例在图3A至图8C中示出，这些图中示出了基于六边形、正方形、三角形和圆形的图案。图3A至图8C包括由镶嵌图案中的每个镶嵌图案形成的元结构的俯视图以及横截面图。元结构可为具有第一组声学特性的背衬材料的一个部件，为填充元结构中的多个单元的具有第二组声学特性的第二部件提供框架或支架。图9中示出了用于制造背衬材料的方法的示例，该方法包括使用增材制造来生成背衬材料的支架。
图2至图8C示出了各种部件相对定位的示例配置。至少在一个示例中，如果被示为彼此直接接触或直接联接，则此类元件可分别被称为直接接触或直接联接。相似地，至少在一个示例中，彼此邻接或相邻的元件可分别彼此邻接或相邻。例如，设置成彼此共面接触的部件可被称为共面接触。又如，在至少一个示例中，被定位成彼此间隔开并且其间仅具有空间而不具有其他部件的元件可被如此描述引用。又如，被示为位于彼此的上面/下面、位于彼此相对侧、或位于彼此的左侧/右侧之间的元件可相对于彼此被如此描述引用。此外，如图所示，在至少一个示例中，元件的最顶部元件或点可被称为部件的“顶部”，并且元件的最底部元件或点可被称为部件的“底部”。如本文所用，顶部/底部、上部/下部、上面/下面可为相对图的竖直轴而言的，并且可用于描述图中元件相对于彼此的定位。由此，在一个示例中，被示为位于其他元件上面的元件被竖直地定位在其他元件上面。又如，图中所示的元件的形状可被称为具有这些形状(例如，诸如为圆形的、平直的、平面的、弯曲的、圆形的、倒角的、成角度的等等)。此外，在至少一个示例中，被示为彼此相交的元件可被称为相交元件或彼此相交。另外，在一个示例中，被示为位于另一个元件内或被示为位于另一个元件外的元件可被如此描述引用。
现在转向图1，示出了根据一个实施方案的超声成像系统100的框图。如图所示，系统100包括多个部件。这些部件可彼此耦接以形成单个结构，可为分开的但位于公共房间内，或者可相对于彼此远离。例如，本文描述的模块中的一个或多个模块可在数据服务器中操作，该数据服务器相对于系统100的其它部件诸如探头和用户界面具有不同的和远程的位置。可选地，在超声系统的情况下，系统100可为能够从一个房间(例如，便携式地)移动到另一个房间的单一系统。例如，系统100可包括车轮或在车上被运输。
在所示实施方案中，系统100包括发射波束形成器101和发射器102，该发射器驱动诊断超声探头106(或换能器)内的元件104(例如压电晶体)的阵列，以将脉冲超声信号发射到受试者的体内或体积(未示出)中。此外，如下文进一步描述的那样，探头配有一个或多个致动器105，该致动器能够接收来自系统控制器116的信号，以便向用户输出触觉反馈。元件104、一个或多个致动器105以及探头106可具有多种几何形状。
探头106还可包括附加部件，诸如金属壳体、声学匹配层、声学透镜以及背衬材料。每个部件可在调节探头106内超声波的发射和/或接收方面具有特定的作用。例如，当施加电势时，背衬材料可通过抑制探头106中引起元件104阵列的振荡的过度振动来增加所传输的超声信号的轴向分辨率。下面参考图2进一步描述探头的部件，并且在下面对图3A至图8C的描述中提供了背衬材料的细节。
由元件104发射的超声信号从体内结构例如血管和周围组织反向散射，以产生返回到所述元件104的回波。回波由接收器108接收。接收到的回波被提供给波束形成器110，该波束形成器执行波束形成并且输出RF信号。RF信号然后被提供给处理RF信号的RF处理器112。另选地，RF处理器112可包括复合解调器(未示出)，该复合解调器对RF信号进行解调以形成代表回波信号的IQ数据对。然后，RF或IQ信号数据可被直接提供给存储器114以进行存储(例如，暂时存储)。
系统100的系统控制器(例如，电子控制器)116包括多个模块，这些模块可为单个处理单元(例如，处理器)的一部分或者分布在多个处理单元中。系统控制器116被构造成控制系统100的操作。例如，系统控制器116可包括图像处理模块，该模块接收图像数据(例如，RF信号数据或IQ数据对形式的超声信号)并且处理图像数据。例如，图像处理模块可处理超声信号以生成用于显示给操作者的超声信息(例如，超声图像)的切片或帧。在系统100中，图像处理模块可被构造成根据对所获取的超声信息的多个可选超声模态来执行一个或多个处理操作。仅以示例的方式，超声模态可包括彩色流、声学辐射力成像(ARFI)、B模式、A模式、M模式、频谱多普勒、声流、组织多普勒模块、C扫描和弹性成像。生成的超声图像可为二维(2D)或三维(3D)的。当获得多个二维(2D)图像时，图像处理模块还可被构造成稳定或配准图像。
当接收到回波信号时，可在成像会话(或扫描会话)期间实时处理所获取的超声信息。除此之外或另选地，超声信息可在成像会话期间临时存储在存储器114中，并且在实时或离线操作中以低于实时的方式进行处理。图像存储器120被包括以用于存储获取的超声信息的经处理的切片，这些切片未计划立即显示。图像存储器120可包括任何已知的数据存储介质，例如，永久存储介质、可移除存储介质等。另外，图像存储器120可为非暂态存储介质。
在操作中，超声系统可通过各种技术(例如，3D扫描、实时3D成像、体积扫描、使用具有定位传感器的探头的2D扫描、使用体素相关性技术的徒手扫描、使用2D或矩阵阵列探头的扫描等)获取数据，例如体积数据集。系统100的超声图像可(在系统控制器116处)由获取的数据生成，并且在显示设备118上显示给操作者或用户。
系统控制器116可操作地连接到用户界面122，该用户界面使得操作者能够控制系统100的至少一些操作。用户界面122可包括硬件、固件、软件或其组合，使得用户(例如，操作者)能够直接或间接控制系统100及其各种部件的操作。如图所示，用户界面122包括具有显示区域117的显示设备118。在一些实施方案中，用户界面122还可包括一个或多个输入设备115，诸如物理键盘、鼠标和/或触摸板。在示例性实施方案中，显示设备118是触敏显示器(例如触摸屏)，其可检测操作者在显示区域117上的触摸的存在，并且还可识别显示区域117中的触摸的位置。可以通过例如个体的手、手套、触笔等中的至少一者来施加触摸。如此，触敏显示器也可被表征为被构造成接收来自操作者的输入的输入设备。显示设备118还通过向操作者显示信息来将信息从系统控制器116传送至操作者。显示设备118和/或用户界面122也可进行音频通信。显示设备118被构造成在成像会话期间向操作者呈现信息。呈现的信息可包括超声图像、图形元素、用户可选元素和其它信息(例如，管理信息、患者的个人信息等)。
如上所述，超声探头包括用于生成超声信号的一个或多个有源部件。超声探头的有源部件或压电元件202的示例在图2中的声学叠层200的示意图中示出。压电元件202具有中心轴线204。提供了指示y轴、x轴和z轴的一组参考轴210。压电元件202在图2中示出，其中中心轴线204平行于z轴。然而，压电元件202相对于一组参考轴210的其它取向是可能的。
虽然图2中示出了单个压电元件，但超声探头可包括以阵列布置的多个压电元件，并且通过导线分别耦接到电能源。多个压电元件中的每一个可与相邻的压电元件电绝缘，但是都可耦接到相对于z轴位于压电元件上方和下方的公共层。多个压电元件和伴随层可被超声探头的外壳包围。外壳可为具有多种几何形状的塑料盒。例如，外壳可为矩形块、圆柱体或被构造成舒适地适合于用户的手的形状。如此，图2中所示的部件可适于具有适合装配在超声探头的外壳内的几何形状和尺寸。
压电元件202可为由天然材料诸如石英或合成材料诸如锆钛酸铅形成的块，该块在例如由发射器诸如图1的发射器102施加电压时变形并且振动。在一些示例中，压电元件20可为具有晶轴的单晶，诸如铌酸锂和PMN-PT(Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3)。压电元件202的振动生成超声信号，该超声信号包括沿箭头203指示的方向从超声探头传输出去的超声波。压电元件202还可接收超声波(诸如从目标物体反射的超声波)，并且将超声波转换成电压，该电压被传输到超声成像系统的接收器诸如图1的接收器108以被处理成图像。
电极214可与压电元件202直接接触，以经由导线215传输电压，该电压从超声波转换而来。导线215可连接到电路板(未示出)，来自多个压电元件的电极的多条导线可固定到该电路板。电路板可耦接到同轴电缆，从而在超声探头和接收器之间提供电子通信。
声学匹配层220可被布置在压电元件202上方，相对于z轴垂直于中心轴线204取向。声学匹配层220可为定位在压电元件202与待成像的目标物体之间的材料。在一些示例中，声学匹配层220可为沿x轴延伸的层，使得声学匹配层220定位在超声探头的多个压电元件中的每一个上方。
声学匹配层220的材料可为复合材料诸如环氧树脂或聚合物混合物，其具有落在压电元件202的声学阻抗与目标物体的声学阻抗之间的期望声学阻抗。在一些示例中，声学匹配层220可包括多于一个层，以在压电元件202与目标物体之间提供更渐进的阻抗过渡。压电元件202和目标物体的阻抗可足够不同，使得压电元件202发射的超声波可从目标物体反射而不是进入目标物体。通过将声学匹配层220布置在其间，超声波可首先穿过声学匹配层220，同相地从声学匹配层220发射出去，在目标物体处反射的可能性降低。声学匹配层220可缩短超声信号的脉冲长度，从而增加信号的轴向分辨率。
背衬226可相对于z轴被布置在压电元件202的下方。在一些示例中，背衬226可为沿x轴延伸的材料块，使得超声探头中的多个压电元件中的每一个位于背衬226的正上方。背衬226可被构造成吸收从压电元件202沿与箭头203指示方向相反的方向引导的超声波，并且衰减由超声探头的外壳偏转的杂散超声波。超声信号的带宽以及轴向分辨率可由背衬226增大。背衬226的声学效果可取决于背衬226的材料和结构。
声学匹配层220、压电元件202和背衬226中的每一者的相对厚度可根据部件中的每一个的材料和超声信号的波长而变化。压电元件202的厚度228可等于超声探头被构造成发射的超声波的波长的一半，并且声学匹配层220的厚度230可等于超声探头的超声波的波长的四分之一。背衬226的厚度232可在≤1mm至20或30mm的范围内。较厚的背衬可提供增加的声学衰减，这可能不允许背衬226热集成到声学叠层200中，并且抑制通过背衬226的热传导。因此，可调谐厚度232以在声学衰减与热导率之间提供期望的平衡。
背衬226的声学阻抗可适配压电元件202的声学阻抗，以允许超声波的有效激发。当背衬226的声学阻抗匹配压电元件202的声学阻抗时，信号分辨率可增加，但是能量可传递到背衬226中。能量可被背衬226吸收，从而降低效率并导致较暗的图像。然而，当不存在背衬226时，效率可能较高，但图像分辨率可能较低。因此，可调整背衬226的声学阻抗以实现期望程度的分辨率和效率两者。
背衬226的高声学衰减系数可能是期望的，以便容易地吸收探头内的散射超声波，否则这些超声波可能被反射回压电元件202。因此，背衬226的材料可具有目标范围内的密度，以赋予背衬226合适的阻抗和衰减特性。此外，背衬226可被构造成增加探头的频率带宽，以增强探头的信噪比，并且在不改变信号的频率的情况下减小超声信号的脉冲长度。背衬226还可拥有高热导率，以耗散在有源信号产生期间由压电元件202产生的热量，并且将热量从超声探头传导到散热器。在一些示例中，背衬226可能需要诸如高拉伸强度、高屈服强度等机械特性，以允许在背衬226不变形的情况下将背衬226紧邻刚性部件诸如电极214定位。
用于制造背衬226的材料的常规技术可包括浇注或压制复合材料。在一些示例中，复合材料可为金属(例如，钨或锡粉)或陶瓷(例如，氮化铝)与聚合物或环氧树脂的混合物。另选地，在其它示例中，复合材料可为高吸收组分诸如弹性体材料的粉末。然而，该聚合物可能具有相对较低的耐热性，并且可能不用于高温应用。在其它示例中，复合材料可由浸渍有环氧树脂的石墨泡沫或多孔铜形成，石墨泡沫或多孔铜提供远离压电元件202的高热导率。然而，石墨泡沫和多孔铜两者都可能对探头带来高成本，而常规的浇铸或压制过程由于在制造期间对二次加工的需求也为昂贵且低效的。另外，在制造期间，可不调谐上述复合材料的声学特性和热特性两者，以适应在不同超声探头之间产生的超声信号强度、频率、散射等的变化。
解决传统制造方法成本的尝试包括调整增材制造诸如3D印刷，以形成背衬226的复合材料。用于为浸渍有声学衰减部件的背衬材料增材制造支撑结构的数据集可能过于庞大。例如，数据集可存储在3D印刷机的系统控制器的存储器中，并且可占据存储器的大部分。由于数据集的大小，系统控制器检索和执行指令可能效率低下。在一些情况下，数据集的大小甚至可能导致系统控制器冻结并且请求重新启动。
因此，根据本文公开的实施方案，上述问题可通过用于通过在堆叠的镶嵌层中增材制造背衬的至少一个部件来形成背衬的方法和系统来解决。如本文所使用的，镶嵌图案可描述平铺的几何形状，该几何形状以重复方式布置以覆盖平面，其中在重复形状之间不存在空隙或形状的重叠。用于背衬的增材制造的数据集可包括两个指令集：第一指令集命令印刷第一镶嵌层并且第二指令集命令印刷第二镶嵌层，该第二镶嵌层可与第一指令集命令印刷的第一镶嵌层类似或不同，并且被构造成以影响背衬的声学特性的方式与第一层对齐。系统控制器可在重复印刷第一层和第二层之间交替，直到达到背衬的目标厚度。这样，数据集被减小为可重复检索和执行的两个小的指令集，而不是可检索和执行一次的一个大的指令集，从而允许系统控制器有效地访问和实施所存储的信息。
层中的背衬材料的形成也可允许背衬材料在堆叠的层的几何形状和对齐方面易于改变。例如，镶嵌图案可基于特定的空隙形状，诸如圆形、正方形、三角形或六边形。作为另一个示例，镶嵌图案可为随机几何形状，被构造成具有最小约束例如限定空隙的目标大小和材料，以形成开放单元结构。此类构型的堆叠可为半随机的，具有交替的第一层和第二层，如图3A至图8B中所示，每个层中存在相同图案的空隙。因此，随机性被约束到每个层。在堆叠背衬材料层时，材料形成开孔微结构。开孔微结构的每个单元的几何形状可通过层的对齐来成形。如果层完全对齐，则每个单元可具有基于镶嵌图案的形状。例如，可堆叠圆形空隙的重复图案的镶嵌层，使得每个层的空隙与相邻层对齐。由堆叠空隙形成的单元也可具有均匀的圆形横截面，该横截面垂直于堆叠的方向。然而，如果第二层从第一层偏移，则单元可具有带有不连续壁的不均匀横截面形状。在其它示例中，层的交错可能导致不规则的可变单元几何形状。下面参考图3A至图8C进一步描述各种图案和堆叠方案的示例以及对声学特性的影响。
第一镶嵌图案300的示例在图3A中以俯视图示出，例如，沿z轴观察。第一镶嵌图案300被结合到第一层302和第二层304中。第一层302和第二层304是相同的，其中第一层302由使用第一组空隙306图案化的材料片形成，并且第二层304由使用第二组空隙307图案化的材料片形成。第一组空隙306中的每个六边形空隙可通过第一层302的材料与相邻空隙间隔开。同样，第二层304的第二组空隙307中的每个六边形空隙可通过第二层304的材料与相邻空隙间隔开。第一层302和第二层304中的每个层可为200至400μm厚。第一层302和第二层304可堆叠以形成第一元结构308，其中第二层304相对于z轴位于第一层302下方。第一元结构308可为用于在超声探头的背衬中形成开孔结构的框架或支架。
第二层304可从第一层302偏移第一组空隙306或第二组空隙307中的空隙宽度310的一半。在一个示例中，空隙的宽度310可为400μm或更小。虽然为了简单起见，第一元结构308被示出为第一层302和第二层304中的每一者的堆叠，但是第一元结构308可包括许多第一层302和第二层304的片，其交替使得第一层302的每个片夹置在其下方的第二层304的片与其上方的第二层304的另一个片之间，并且类似地，第二层304的每个片夹置在其下方的第一层302的片与其上方的第一层302的另一个片之间(元结构308的顶层和底层除外)。第一层302和第二层304可重复堆叠，直到第一元结构308达到沿z轴测量的期望厚度，诸如≤1mm到20或30mm之间。
通过以偏移、交错的方式堆叠第一层302和第二层304以形成第一元结构308，第一元结构308可具有由层302和第二层304的材料限定的结构，从而形成可设置单元312的支架。单元312可为线性地延伸穿过元结构厚度的开口，单元312中的每个单元分别由第一层302的第一组空隙306周围的材料和第二层304的第二组空隙307周围的材料限定。当第一层302和第二层304对齐时，与单元312的体积相比，第一元结构308的单元312的体积可减小。当第一元结构308具有对齐的层时，每个孔可具有均匀的直径，该直径等于穿过元结构厚度的六边形空隙306的宽度310。相反，当
第一层302和第二层304没有对齐时，如图3A中所示，由于第一层302和第二层304交错对齐，单元312可具有较窄的直径。元结构308的构型在图3B中描绘的第一横截面303和图3C中描绘的第二横截面305中被更详细地示出。
如图3A中所示沿z-x平面截取的第一横截面303将第一元结构308示为第一镶嵌图案300的层的堆叠，包括第一层302、第二层304、第三层318、第四层320、第五层322和第六层324。第一层302、第三层318和第五层322可沿z轴彼此对齐。第二层304、第四层320和第六层324也可沿z轴彼此对齐。层中的空隙用交叉影线描绘。第一单元326和第二单元328可为图3A中所示的第一元结构308的单元312的示例，由虚线和点阴影表示，线性地延伸穿过第一元结构308的厚度316。
第一单元326和第二单元328延伸穿过元结构308的整个厚度316。由于第一元结构的层之间的偏移对齐，第一单元326和第二单元328包括每个层中的空隙部分。例如，第一层302的第一组空隙306中的第一空隙306a对齐第二层304的第二组空隙307中的第一空隙307a的上方和左侧。第三层318的第一空隙330与第一层302的第一空隙306a对齐。第一层302的第一空隙306a的一部分，以及第二层304的第一空隙307a的一部分和第三层318的第一空隙330的一部分可包括在第一单元326中。在第一单元326继续向下穿过第一元结构308时，第一单元326由来自每个层的空隙的一部分形成，每个空隙的该部分沿z轴在彼此顶部堆叠。
与第一元结构308的层都对齐时相比，第一单元326(和第二单元328)的宽度314可减小。如上所述，当第一元结构308的层对齐时，单元312的宽度314可等于六边形空隙的宽度310。然而，使第一元结构308的层交错对齐减小了第一元结构308的单元312的宽度314。
元结构308的层的偏移也可改变一个层的空隙与相邻层的空隙之间的流体连通，这是由于不同层的空隙之间的重叠引起的。当这些层对齐时，这些层的空隙在空隙的整个宽度上对齐，并且直接耦接到上面层中的整个空隙和下面层中的整个空隙。然而，在图3A至图3C的交错对齐中，空隙如图3B所示沿x轴偏移，并且如图3C的第二横截面305中所示也沿y轴偏移。空隙可沿z轴在空隙的宽度的部分上重叠。因此，第一层302的第一空隙306a可通过包括在第一单元326中的两个空隙的部分流体耦接到第二层304的第一空隙307a。第一空隙306a也可流体连接到第二层304中的另外两个空隙，这两个空隙中的一个布置在第一空隙307a的前面并且向左偏移，并且这两个空隙中的另一个布置在第一空隙307a的后面并且也向左偏移。类似地，第二层304的第一空隙307a可流体耦接到第一层302的第一空隙306a以及第一层302的另外两个空隙。这两个空隙中的一个可在第一空隙306a的前面并且向右偏移，并且这两个空隙中的另一个可在第一空隙306a的后面并且也向右偏移。
第二层304的第一空隙307a也通过包括在第一单元326中的两个空隙的部分流体耦接到第三层318的第一空隙330。第二层304的第一空隙307a另外流体耦接到第三层318中的另外两个空隙。这两个空隙中的一个可在第一空隙330的前面并且向右偏移，并且这两个空隙中的另一个可在第一空隙330的后面并且也向右偏移。因此，除了第一元结构308的顶层和底层之外，元结构308的层中的每个空隙可流体耦接到上层中的三个空隙和下层中的三个空隙。
第一元结构308可为被增材制造为超声探头诸如图1的超声探头106的背衬材料的框架的元结构。背衬材料的元结构可为背衬材料的更刚性的部件，从而提供稳定性和热导率。元结构可由陶瓷或绝缘金属形成(例如，以降低探头中电短路的可能性)。
除了提供结构支撑和有效的热传递，背衬材料的元结构也可为声学扩散器。元结构可通过在多个方向上辐射超声波来减少超声探头内回波和反射的生成，由此在背衬材料内允许更具扩散性的声学空间，从而增加平均超声波路径长度和能量吸收。
因此，与第一元结构308的层对齐时相比，当所述层如图3A至图3C中所示交错时，进入第一元结构308的声波(如图3B至图3C中箭头332所指示)与第一元结构308的材料之间相互作用的可能性增加。入射声波可撞击背衬材料的顶层中的空隙或元结构的材料。当元结构的层偏移时，通过空隙进入背衬材料的波比当层对齐时更有可能继续行进到元结构的材料的下面区段。类似地，当波最初撞击元结构的材料时，波更有可能继续行进到元结构的空隙中。因此，入射声波与元结构的扩散材料和填充元结构的空隙的衰减材料两者相互作用的概率增加了。
元结构的单元和空隙由镶嵌图案诸如图3A的第一镶嵌图案300的增材制造的片形成，可用具有声学衰减特性的较软组分填充。较软的组分可为聚合物，诸如环氧树脂或浸渍的聚氨酯，其在元结构被印刷之后被添加到元结构中。另选地，在印刷元结构期间，背衬材料可被增材制造为将较软的组分结合到元结构中。
较软的组分可允许背衬材料衰减探头内的传播到探头内部的超声波。较软的组分和元结构的声学衰减特性可导致从压电晶体发出的探头内部的超声波的散射和吸收。通过有效衰减超声波，降低了探头内部的波散射的可能性，否则波散射会干扰指向目标物体的超声信号束。在背衬材料中没有高度衰减的情况下，信号束可能具有较差的轴向分辨率。
通过调整元结构的几何参数，可调节背衬材料在阻止、衰减和扩散超声波的宽频带方面的有效性。改变限定空隙的材料的镶嵌图案、线宽和层厚度允许调谐背衬材料以增强背衬材料的特定效果。如上所述，通过偏移第一元结构308的第一层302和第二层304，可增加背衬材料的扩散效果，并且从而增加声学衰减。如图4A中的第二镶嵌图案400的示例中所示，除了将背衬材料的元结构的层对齐之外，背衬材料的声学特性可通过改变元结构的镶嵌图案的线宽来进一步修改。
第二镶嵌图案400具有第一层402和第二层404。第二镶嵌图案400的第二层404可类似于图3A的第一镶嵌图案300的第一层302和第二层304，该第二层404具有比第一层402的线宽408更宽的类似线宽410。第一层402可为具有第一组六边形空隙406的材料的层，并且第二层404可为具有第二组六边形空隙412的材料的层。第一层402的材料可与第二层404的材料相同，并且第一组空隙406的直径416可与第二组空隙的直径422类似或不同。
第一层402可堆叠在第二层404上，以形成第二元结构414。在第二元结构414中，第二层404可沿第二元结构414的一个边缘(例如左边缘)从第一层402偏移第一组空隙406的直径422的一半或者第二组空隙412的直径422的一半。在一些示例中，由于第一层402与第二层404之间的空隙直径和线宽的差异，第一层402从第二层404的偏移可能不一致地保持为横跨第二元结构414的直径的一半。
第一层402在第二层404上的堆叠可重复，直到达到第二元结构的期望厚度。例如，分别如图4B和图4C中的第一横截面403和第二横截面405中所示，第二元结构414可总共包括六层。第二元结构414可具有延伸穿过第二元结构414的整个厚度的单元418。单元418中的每一个的体积和几何形状可由第二元结构414的层的堆叠来限定，并且在第一横截面403和第二横截面405中更详细地描绘。
图4B至图4C中第一横截面403和第二横截面405中所示的第二元结构414是具有第一层402、第二层404、第三层430、第四层432、第五层434和第六层436的叠层。第一层402、第三层430和第五层434可相同并且彼此对齐，而第二层404、第四层432和第六层436可相同并且彼此对齐。
单元418中的第一单元438和第二单元440可线性地延伸穿过第二元结构414的厚度442。第一单元438的宽度444可由右侧的第一层402、第三层430和第五层434的材料边缘以及左侧的第二层404、第四层432和第六层436的材料边缘来界定。第一单元438的宽度444可类似于第二单元440的宽度446，但是在其它示例中可不同，这取决于第一层402的第一组空隙406与第二层404的第二组空隙412之间的直径不同。第一单元438的宽度444和第二单元440的宽度446都可比空隙的宽度窄。
如图4A至图4B中所示，第二元结构414中的空隙的对齐类似于如图3A至图3B中所示的第一元结构308中的空隙的对齐。第二元结构414的每个层的每个空隙与相邻层中的空隙的一部分重叠，并且重叠部分包括在第二元结构414的单元中。例如，第一层402的第一组空隙406中的第一空隙406a的一部分与布置在第一层402的第一空隙406a下方和右侧的第二层404的第二组空隙412中的第一空隙412a的一部分重叠。第二层404的第一空隙412a的另一部分也与布置在第二层404的第一空隙412a的下方和左侧的第三层430的第一空隙448的一部分重叠。如图4C的沿垂直于图4B的第一横截面403的平面截取的第二横截面405所指示，第二元结构414的每个层的空隙类似地沿x轴交错。
如上面对图3A至图3C的第一元结构308所描述的，第二元结构的每个层的每个空隙可流体耦接到上面层中的三个空隙和下面层中的三个空隙。例如，当第二镶嵌图案400的第二层404的线宽410等于图3A至图3C的第一镶嵌图案的第一层302和第二层304的线宽时，由于第一层402的线宽408较窄，所以第二元结构414的单元418的体积分数可能不同于第一元结构308的单元体积分数。第二元结构414的单元体积分数可大于第一元结构308的单元体积分数。然而，如果第二元结构414的第一层402具有比第一层402更厚的线宽，则第二元结构414的单元体积分数可相反小于第一元结构308的单元体积分数。
改变超声探头背衬的元结构的单元的体积分数可改变背衬的密度。改变背衬材料的密度可改变背衬材料的声学阻抗。由于声学阻抗是材料的密度和声学信号的声速的乘积，因此增加密度可增加元结构的声学阻抗，并且降低密度可降低声学阻抗。因此，第一元结构308的声学阻抗可被调整以匹配压电晶体(诸如图2的压电元件202)的阻抗。
背衬材料的密度可通过增材制造元结构来控制，该元结构具有两层元结构中的一层的线宽，该线宽适于赋予所得背衬材料所需程度的声学阻抗。可调整其中一层的线宽，而不会增加3D印刷系统用来生成元结构的数据集的复杂性。例如，印刷系统可使用用于生成图3A至图3C的第一元结构308的两个层的数据集，并且修改其中一个层的线宽以获得该层的目标单元体积分数。
背衬材料的密度也可通过改变元结构的层的厚度来调整。例如，第一层402的厚度和第二层404的厚度都可增加，以增加两个层的单元体积分数并且降低背衬材料的密度。减小第一层402和第二层404的厚度可减小两个层的单元体积分数并且增加背衬材料的密度。作为另一示例，一个层的高度可独立于另一个层而变化，以类似地改变背衬材料的声学阻抗能力。
超声探头的背衬的声学特性也可通过改变在背衬材料的元结构中具有空隙的镶嵌图案的层中重复的几何形状来调整。在图5A至图8B中，示出了可用作镶嵌基础的替代形状，分别描绘了基于正方形、三角形和圆形的图案。在图5A中的第三镶嵌图案500的示例中，可通过在第三镶嵌图案500的第二层504上堆叠第一层502来形成第三元结构506。
第三元结构506的第一层502和第二层504可相同，通过沿y-x平面呈正方形的第一层502中的第一组空隙508和第二层504中的第二组空隙514的重复图案形成。第一层502可堆叠在第二层504上，使得这些层偏移第一组空隙508的宽度510的一半，其也是第二组空隙514的宽度的一半。如图5B和图5C中的第一横截面503和第二横截面505分别所示，第三元结构506的所得单元512可穿过第三元结构506的厚度具有规则和均匀的对齐。
第一横截面503和第二横截面505将第三元结构506描绘为包括第一层502、第二层504、第三层516、第四层518、第五层520和第六层522的层的堆叠。第一层502、第三层516和第五层520沿z轴对齐，并且第二层504、第四层518和第六层522也沿z轴对齐。在沿z-x平面截取并且沿第二层504的一部分材料切开的第一横截面503中，第一层502、第三层516和第四层518的空隙是均匀的，并且沿x轴被第一层502、第三层516和第四层518的材料以及沿z轴被其间的层的材料均匀隔开。
在沿与第一横截面503相同的平面截取但是通过第一层的第一组空隙508和第二层504的第二组空隙514切开的第二横截面505中，第三元结构506的单元512的第一单元524和第二单元526可线性地延伸穿过第三元结构506的厚度528，如图5C中所示。第一单元524的宽度530可等于第二单元526的宽度532。第三元结构506的所有单元512可具有与第一单元524和第二单元526类似的尺寸和几何形状。
第一层502的第一组空隙508中的第一空隙534可沿z轴与第二层504的第二组空隙514中的第一空隙536的一部分以及第二层504的第二组空隙514中的第二空隙538的一部分重叠。第一层502的第一空隙536与第二层504的第一空隙536之间的重叠部分可包括在第一单元524中，并且第一层502的第一空隙536与第二层504的第二空隙538之间的重叠部分可包括在第二单元526中。第一层502的第一空隙534可另外与第二层504中的空隙重叠，在第二层504的第一空隙536和第二空隙538的前面并且与其重叠，以及与第二层504中的空隙重叠，在第二层504的第一空隙536和第二空隙538的后面并且与其重叠。因此，第三元结构506的每个空隙流体耦接至上层中的四个空隙和下层中的四个空隙。
虽然第三镶嵌图案500可提供简单的图案，从而产生能够以高再现性有效地制造的均匀的单元512，但是与沿图3A至图3C的基于六边形的第一元结构308和图4A至图4C的第二元结构414中的三个方向的反射相比，第三元结构506可主要在两个方向反射超声波。如此，第三元结构506可提供比第一镶嵌图案300和第二镶嵌图案400更小程度的声学扩散。除了基于六边形的图案之外，源自三角形空隙的镶嵌图案也可在三个方向反射超声波。
图6A中示出了第四镶嵌图案600的示例。第四镶嵌图案600具有相同的第一层602和第二层604。第一层602具有第一组空隙606，并且第二层604具有第二组空隙608，这两组空隙被描绘为等边三角形。然而，在其它示例中，空隙可不是等边三角形，具有与每个三角形的底边不同长度的边。
第四镶嵌图案600可由在第一取向和第二取向之间交替的三角形形成。例如，在沿x轴的第一层602的第一行610中，第一组空隙606中的第一空隙612可处于第一取向，其中底边相对于y轴位于第一空隙612的顶部，并且点位于第一空隙612的底部。第二空隙614紧邻第一空隙612并且在其右侧。第二空隙614相对于第一空隙612翻转，其中三角形的点相对于y轴位于第二空隙614的顶部，并且三角形的底边位于第二空隙614的底部。通过将第二空隙614相对于第一空隙612颠倒定向，第二空隙614可占据沿第一层602的行以第一取向布置的第一组空隙606中的每个空隙之间的空间。
第一组空隙606也可在沿y轴的列616中的第一取向和第二取向之间交替。第一组空隙606中的第三空隙618可处于第一取向。与第三空隙618直接相邻并且位于该第三空隙下方(相对于y轴)的第四空隙620以第二取向布置。第三空隙618和第四空隙620一起可形成第一菱形。在第一菱形下面沿y轴可为第二菱形，其由第一组空隙606中的第五空隙622和第六空隙624形成，分别以第一取向和第二取向布置。
在其它示例中，第一层602的第一组空隙606和/或第二层604的第二组空隙608可旋转若干度。例如，第一组空隙606可顺时针旋转30度，而第二组空隙608保持在如图6A中所示的对齐状态。作为另一示例，第一组空隙606可顺时针旋转30度，并且第二组空隙608逆时针旋转30度。通过独立旋转由第四镶嵌图案600的层形成的元结构的层的空隙，声波可通过更多角度反射，并且结合第四镶嵌图案600的背衬材料的增大的扩散率可导致更宽的带宽行为。
第一层602可相对于z轴堆叠在第二层604之上，以形成第四元结构626。沿z轴测量的第四元结构626的厚度可包括处于交替构型中的与第一层602对齐的多个层和与第二层604对齐的多个层。第一层602可定位在第二层604上方，使得第一层602的第一组空隙606不与第二层604的第二组空隙608对齐。在图6A中，第二层604被示为沿x轴从第一层602偏移第一组空隙606的三角形底边的宽度628的一半，以及沿y轴偏移空隙606的高度630的一部分，高度630垂直于宽度628。第二层604从第一层602偏移的高度630的部分可为小于高度630一半的高度630的一部分，诸如三分之一或四分之一。
第一层602和第二层604的未对准可导致形成具有不规则形状和体积的第四元结构626的单元632，如图6B中的第一横截面603、图6C中的第二横截面605和图6C中的第三横截面607中所示。第四元结构626在图6B至图6D中示出为包括第一层602、第二层604、第三层634、第四层636、第五层638和第六层640的层的堆叠。第一横截面603沿z-x平面和沿第一层602的材料截取。可彼此对齐的第一层602、第三层634和第五层638在第一横截面603中不包括空隙。在第二层604中，与第四层636和第六层640对齐，第二组空隙608中的第一空隙642与第二组空隙中的第二空隙644相邻。第二空隙644在第一横截面603中的宽度646比第一空隙642的宽度648窄。
类似地，在同样沿z-x平面和沿第二层604的材料截取的第二横截面605中，第一层602的第一组空隙606中的第一空隙652的宽度650比第一层602的第一组空隙606中的第二空隙656的宽度654宽。第一横截面603和第二横截面605中空隙的宽度的差异是由第一组空隙606和第二组空隙608的三角形几何形状产生的。三角形几何形状也可驱动第四元结构626中的蜂窝形状的几何形状的不规则性。
第四元结构626的单元632中的第一单元658和第二单元660在图6D中示出为在沿垂直于第一横截面603和第二横截面605的平面截取的第四元结构626的第三横截面607中。第一单元658和第二单元660可线性地延伸穿过第四元结构626的整个厚度662。单元632可由第四元结构626的空隙的重叠部分形成。例如，第一层602的第一空隙652可沿z轴与第二层604的第二空隙644重叠，两个空隙的重叠部分包括在第一单元658中。
空隙的三角形形状可导致单元632的不规则和可变的尺寸和几何形状。作为示例，第一单元658的宽度664比第二单元660的宽度666更宽。第四元结构的其它单元632可具有与第一单元658或第二单元660不同的宽度。此外，第四元结构626的层的未对准可将每个层的每个空隙定位成与上层中的六个空隙和下层中的六个空隙重叠并流体耦接。第四元结构626可具有比图3A至图5C中所示的任何先前元结构的层间空隙的更高程度的重叠和互连。
单元宽度的变化导致元结构中不规则的单元尺寸，这可能导致可与元结构交互的声波频率的变化。更具体地，不同的单元尺寸可扩大由元结构反射的波长范围，从而允许具有元结构(诸如图6A至图6D的第四元结构626)的背衬比图3A至图5C中所示的元结构扩散更大的超声波的频率带宽。除此之外或另选地，背衬的扩散带宽可通过改变元结构层的厚度来增加。
通过使背衬材料的元结构与圆形空隙的镶嵌图案相适应，可进一步增加压电晶体生成的超声波可反射的多个方向。图7A中示出了第五镶嵌图案700的示例。第五镶嵌图案700具有相同的第一层702和第二层704。沿x轴，第一层702的第一组空隙706和第二层704的第二组空隙708可以线性行布置，由第一层702的材料和第二层704的材料间隔开。
每个层中的空隙的行能够以最小化空隙之间的间隙形成的方式对齐。例如，第一层702中的第一组空隙706的第一行710相对于y轴位于第一组空隙706的第二行712的正上方。第二行712沿x轴从第一行708偏移第一组空隙706的直径714的一半。相对于y轴位于第二行712正下方的第三行716与第一行710对齐，并且位于第三行716正下方的第四行718与第二行712对齐。这样，第一层702和第二层704的行交替对齐，使得第一组空隙706的行从上面的第一组空隙706的行和下面的第一组空隙706的行偏移，并且与第一组空隙706的每隔一行对齐。
第一层702的材料和第二层704的材料的线宽720在第一层702或第二层704上可能不均匀。线宽720在如跨越第二层704中的第二组空隙708中的两个空隙的虚线719所指示的两个相邻空隙之间的区域中可比如跨越第二层704的材料的较厚区域的虚线721所指示的三个空隙之间的相交区域中更窄。改变线宽720可允许第一层702的材料填充第一组空隙706中的空隙之间的任何空间，并且第二层704的材料填充第二组空隙708中的空隙之间的任何空间，所述空间可能是空隙的圆形几何形状造成的。
第五元结构722可通过相对于z轴将第一层702堆叠在第二层704之上来形成。第一层702和第二层704能够以交替顺序重复堆叠，直到第五元结构722达到期望的厚度。第一层702可堆叠在第二层704上方，使得第一层702的第一组空隙706不与第二层704的第二组空隙708对齐。相反，第一层702的第一组空隙706中的每个空隙可位于第二层704的区域上方，在该区域中第二组空隙708中的三个空隙相交。第五元结构722的单元724的最终几何形状在图7B中的第一横截面703和图7C中的第二横截面705中示出。第五元结构722在图7B和图7C中示出为包括第一层702、第二层704、第三层726、第四层728、第五层730和第六层732的层的堆叠。第一层702、第三层726和第五层730可沿z轴对齐，并且第二层704、第四层728和第六层732可沿z轴对齐。单元724中的第一单元726和第二单元729可线性地延伸穿过第五元结构722的整个厚度731。第一单元727的宽度733可等于第二单元729的宽度734，并且也可等于图7C中第二横截面705中所示的第三单元738的宽度736。
单元724中的每一个可包括层的空隙的重叠部分。例如，第一层702的第一组空隙706中的第一空隙740可与第二层704的第二组空隙708中的第一空隙742以及第二层704的第二组空隙708中的第二空隙744重叠。与下面第二层704的第一空隙742重叠的第一层702的第一空隙740的第一部分包括在第一单元727中，并且与下面第二层704的第二空隙744重叠的第一层702的第一空隙740的第二部分包括在第二单元729中。第五元结构722的层的每个空隙具有包括在第一单元中的第一部分和包括在第二单元中的第二部分。
如图7A中所示，由于第一层702和第二层704的线宽不均匀，因此第五元结构722的相邻单元724之间的间距可变化。作为一个示例，图7B中所示的单元724(例如，第一单元727和第二单元729)可以均匀的距离间隔开，该距离比图7C中所示的第三单元738与相邻单元(未示出)之间的间距窄。此外，每个层的每个空隙可重叠并且流体耦接到上层中的三个空隙和下层中的三个空隙。第五元结构722可具有比图3A至图6D中所示的元结构更复杂的构型。
第五元结构722的复杂几何形状可导致超声波被第五元结构722无限散射，使得波在所有方向上被反射。通过增加反射波的最小路径长度，第五元结构722可为比图3A至图6D中所示的元结构更好的超声波信号扩散器。由第五元结构722提供的有效声学扩散可增加结合第五元结构722的背衬材料的声学衰减，并且减少镜面反射和伪影的生成。
圆形镶嵌图案对超声波反射的影响可与背衬材料声学阻抗的调整相结合。图8A中描绘了第六镶嵌图案800的示例，第六镶嵌图案800还包括第一层802和第二层804中的圆形空隙。第一层802和第二层804可相同。
在第一层802内，第一组空隙806沿x轴以线性行布置。类似地，第二组空隙808也以线性行布置在第二层804中。与图7的第五镶嵌图案700不同，第一组空隙806和第二组空隙808也可沿y轴布置成线性列。由于第一组空隙806和第二组空隙808线性对准，对角相邻的空隙可比图7A的第五镶嵌图案700中间隔更远。同样与第五镶嵌图案700相反，第六镶嵌图案800的线宽810在第一层802的材料和第二层804的材料上可为均匀的。
由于均匀的线宽810和对角相邻的空隙之间更大的间距，第六镶嵌图案800可包括第一层802中的第一组孔812，其设置在第一组空隙806中的四个空隙相交的区域中。类似地，第二层804具有与第一组孔812相同的第二组孔814，其设置在第二组空隙808中的四个空隙的交叉点上。像空隙一样，第一组孔812和第二组孔814可为第一层802的材料和第二层804的材料中的通孔，以规则的重复图案设置。第一组孔812和第二组孔814的形状可类似于具有向内弯曲侧面的菱形。孔的宽度816可小于空隙的直径818。
第一层802可堆叠在第二层804之上，以形成第六元结构820。第一层802和第二层804能够以交替方案堆叠，直到获得第六元结构820的期望厚度，从而形成延伸穿过第六元结构820的厚度的单元822。第一层802可与第二层804偏移对齐，使得第一层802的第一组空隙806不与第二层804的第二组空隙808对齐。类似于图7的第五元结构722，第一层802可定位在第二层804上方，使得第一层802的第一组空隙806中的每个空隙在第二层804的第二组孔814中的孔上方居中。第一组孔812中的每个孔在第一层802的第一组空隙806中的空隙内居中。
第六元结构820的层的未对准可能导致不均匀的单元尺寸。第六元结构820的层的布置在图8B中的第一横截面803和图8C中的第二横截面805中示出。第六元结构820可为包括第一层802、第二层804、第三层824、第四层826、第五层828和第六层830的层的堆叠。第一层802、第三层824和第五层828可沿z轴对齐，而第二层804、第四层826和第六层830可沿z轴对齐。
在第一横截面803中，单元822中的第一单元832和第二单元834可线性地延伸穿过第六元结构820的整个厚度836。第一单元832的宽度838可类似于第二单元834的宽度840，并且可由第二组孔814的宽度816限定。例如，第二层804的第二组孔814中的第一孔842的沿x轴限定的整个宽度可包括在第一单元832中。第一单元832还可包括第一层802的第一组空隙806中的第一空隙844的一部分，其沿z轴与第二层804的第一孔842重叠。第一层802、第三层824和第五层828的每个空隙可分别在沿单元822的第二层804、第四层826和第六层830中的每个层的孔上居中。
第一横截面803可跨第二层804的第二组孔814的中心部分切开。第二横截面805可沿与第一横截面803相同的平面截取，但是沿x轴在第二层804的第二组孔814之间以及第一层802的第一组孔812之间切开。在第二横截面805中，单元822中的第三单元846和第四单元848可线性地延伸穿过第六元结构820的厚度836。第三单元846的宽度850可类似于或不同于第四单元848的宽度852。第三单元846的宽度850和第四单元848的宽度852都可比第一单元832的宽度838和第二单元834的宽度840窄。第三单元846的宽度和第四单元848的宽度可由第六元结构820的相邻层中的空隙的对齐来限定。
例如，第三单元846的宽度850可由第一层802中的第一组空隙806中的第二空隙854的第一部分限定，该第一部分与下面的第二层804中的第二组空隙808中的第一空隙856的一部分重叠。第四单元848的宽度852可由第一层802的第二空隙854的第二部分限定，该第二部分与第二层804的第二空隙858的一部分重叠。每个层的每个空隙可具有包括在一个单元中的一部分和包括在第二单元中的另一部分。类似于图7A至图7C的第五元结构722，第六元结构820的每个层的每个空隙可与上层中的四个空隙和下层中的四个空隙以及上层的孔和下层的孔重叠并且流体耦接。第六元结构820可具有复杂的构型，其也在所有方向反射声波，从而增加了比图3A至图6D的元结构更多的扩散的频率带宽。然而，与图7A至图7C的第五元结构722相比，第六元结构820的不同单元宽度也导致不同的单元尺寸，这可进一步增强第六元结构820的扩散性。
通过增材制造背衬材料的元结构(诸如图3A至图8C中所示的元结构)，用于制造元结构的印刷系统可用简单的指令集来适配，以在印刷元结构的第一层与元结构的第二层之间交替。该指令集可包括使第一层和第二层偏移的命令，使得这些层的空隙不对齐。通过改变背衬材料的元结构的几何形状和层的厚度，可容易地调整超声探头的背衬材料的声学阻抗、扩散带宽和声学衰减。例如，通过改变层中的一层的线宽或形成不规则单元可改变声学阻抗以匹配产生超声波的压电晶体的声学阻抗，从而调整元结构中的单元体积填充比和元结构的密度，如图4A至图4C的第二元结构414所示。如图6A至图8C中所示，可通过结合导致不规则单元几何形状的镶嵌图案来增强扩散带宽，从而增加超声波在不同方向的反射。不规则的单元几何形状也可能与更复杂的单元几何形状相关联，从而导致元结构的更高的衰减系数。
虽然图3A至图8C中所示的元结构示出了由在重复的第一层和第二层两者中使用的镶嵌图案形成的元结构，但是应当理解，所示的示例是非限制性示例。用于超声探头背衬的增材制造的元结构的其它示例可包括具有不同线宽的几何形状的非均匀重复或随机图案的层。除此之外或另选地，第一层可基于与第二层不同的形状或图案。已经设想了图案和形状的各种组合，以赋予超声探头的背衬特定的、期望的声学特性，这些声学特性可在通过增材制造来制造元结构的过程中被容易地调整。
图9中示出了用于制造超声探头的背衬的方法900。背衬包括第一部件和第二部件，第一部件是为背衬提供结构框架的元结构，第二部件填充元结构的单元和空隙。用于制造背衬的系统可包括3D印刷设备(其可为可操作地/通信地耦接到印刷机接口计算设备)、用于使用第二组分(可为树脂)填充元结构的设备以及用于将背衬安装到超声探头的外壳中的设备。在902处，该方法包括获得或生成元结构的第一层的第一3D模型和元结构的第二层的第二3D模型。元结构的模型可为计算机辅助设计文件(CAD)、增材制造文件(AMF)或其它3D建模文件。元结构的3D模型可在印刷机接口计算设备上生成。在一些示例中，3D模型可完全通过CAD或其它程序从操作者指令中生成。在其它示例中，3D模型可至少部分地根据从3D扫描仪(例如，激光扫描仪)接收的信息生成，该扫描仪可对元结构的物理模型成像。3D模型可定义第一层和第二层的尺寸、第一层和第二层的材料中的空隙的镶嵌图案以及第一层和第二层的材料特性，从而以数字格式完全表示将要产生的元结构的第一层和第二层的最终形式。如图3A至图8C所示，元结构包括空隙(例如，空白空间)，并且因此第一层和第二层的3D模型可包括支撑结构、填充材料或允许在空隙上印刷的其它特征部。3D模型可包括第一层和第二层的镶嵌图案以及用于填充层的单元和空隙的树脂，以便产生包括与树脂集成的元结构的完整背衬。在其它实施方案中，镶嵌层可单独印刷，并且然后用树脂填充，并且因此用树脂填充元结构可不包括在3D模型中。
在904处，获得要印刷的元结构的材料层的总数。在一个示例中，总层数可基于背衬的目标厚度来确定。期望的厚度可由操作者输入或者在印刷机接口计算设备上生成。印刷机接口计算设备可基于背衬厚度和每个层的厚度来计算层数，因为每个层的厚度在50至400μm的范围内。在其它示例中，总层数可由用户指定。
作为另一示例，可输入元结构的3-D机械CAD模型，诸如砖形模型。机械模型也可为定制的形状调整，以匹配特定的应用，从而提供期望的形状、附件等。印刷机的机器模型可从3-D机械CAD模型中导出，通过将实体转变成一系列二维平面而从3-D CAD模型生成“切片”数据。镶嵌图案约束可在“切片”数据的生成期间或在先前的3-D CAD模型中提供。
在906处，生成第一层的第一模型的一个或多个2D切片，并且将其作为第一指令集保存在存储器中。第一指令集可保存在印刷机接口计算设备的存储器中或者印刷设备的存储器中。切片可在印刷机接口计算设备上生成，并且然后切片作为STL文件被发送到印刷设备，或者第一层的第一模型可被发送到印刷设备，并且印刷设备可将第一模型切片成一个或多个切片以生成STL文件。因此，第一模型被切成一个或多个合适厚度(诸如在0.1mm到0.4mm的范围内的厚度)的水平层。因为第一层的最终厚度可在50至400μm的范围内，所以在一些示例中，第一层的第一模型可作为2D切片，并且可仅印刷一个层来形成第一层。
在908处，生成第二层的第二模型的一个或多个2D切片，并且将其作为第二指令集保存在存储器中。类似于上面讨论的第一指令集，第二指令集可保存在印刷机接口计算设备的存储器中(例如，作为STL文件)，或者保存在印刷设备的存储器中。因此，第二模型被切成一个或多个合适厚度(诸如在0.1mm到0.4mm的范围内的厚度)的水平层。因为第二层的最终厚度可在50至400μm的范围内，所以在一些示例中，第二层的第二模型可作为2D切片，并且可仅印刷一层来形成第二层。
在910处，方法900包括根据第一指令集印刷第一层。第一层可印刷在构建层或其它合适的结构上。如上面所解释的，第一层可印刷有重复图案，例如空隙的镶嵌图案。第一层用印刷设备印刷，该印刷设备可为被构造成印刷金属、陶瓷和/或其它具有高热导率的材料的合适设备。印刷设备可利用选择性激光熔化(SLM)技术、直接金属激光烧结(DMLS)技术或其它合适的金属或陶瓷印刷技术。在空隙最初填充有树脂的示例中，印刷设备可被构造成印刷多种材料(例如，金属和树脂)，并且因此可包括多于一个印刷头。
在印刷期间，一个或多个印刷头通过受控机构在水平和垂直方向上移动，以完成或印刷3D模型的每个层，该受控机构由运行在印刷设备上的控制软件操作，例如适于与印刷设备一起使用的计算机辅助制造(CAM)软件包。构建板通常是静止的，其上平面平行于水平面，尽管在一些示例中构建板可被垂直地上下移动。印刷材料固化以形成层(并且将元结构的层密封在一起)，并且然后在开始印刷下一个层之前，印刷头或构建板被垂直地移动。
在912处，根据第二指令集印刷第二层。第二层在第一层被印刷之后被印刷，并且被印刷在第一层之上。在一些示例中，例如，如图3A中所示和上面讨论的，第二指令集可指示第二层被印刷成从第一层偏移。第二层可在线厚度、层厚度或几何形状上与第一层相同或不同，也可印刷为具有空隙的镶嵌图案的层材料，如第二指令集所指示。
在914处，根据第一指令集印刷元结构的下一个层。根据第一指令集印刷的下一个层印刷在已印刷的最后一个层上(例如，在第二层上)并且与第一层对齐。在916处，根据第二指令集印刷下一个层。根据第二指令集印刷的下一个层被印刷在已印刷的最后一个层上并且与第二层对齐。在918处，方法900确定元结构的总层数是否已经被印刷。如果总层数没有被印刷，则方法900循环回到914，并且根据第一指令集印刷下一个层。这样，印刷设备继续印刷元结构的连续层，在根据第一指令集印刷层和根据第二指令集印刷层之间交替，直到整个元结构被创建。
如果已经印刷了总层数，则方法900进行到920，以将树脂添加到完整的元结构中，从而形成背衬材料。树脂可通过外部设备诸如注射器添加，从而允许树脂流入元结构并且填充元结构的单元和空隙以形成背衬。另选地，元结构可用集成到元结构中的树脂印刷，并且因此在一些示例中，可省去添加树脂的单独步骤。树脂可通过暴露在热或UV辐射下固化并且允许硬化。在922处，背衬材料被安装在超声探头或其它合适的声学探头的声学叠层或其它结构中。另一外部设备诸如自动机或者操作者可将背衬安装到探头中。可将背衬插入超声探头的外部外壳中，位于生成超声信号的探头的元件的后面。
因此，方法900提供了元结构的3D印刷，该元结构适于作为超声探头的背衬中的部件。然而，在其它示例中，可替代地通过堆叠层压来形成元结构。在此类示例中，元结构的第一层一者和第二层中的每的多个复制品可通过诸如光刻的过程独立形成，并且这些层能够以交替的布置方式堆叠并且层压以将这些层熔合在一起。作为另一示例，元结构的完整结构可被印刷并且用树脂浸渍。浸渍的结构可通过层压或一些其它方法加工并耦接到超声探头的其它部件。
这样，声学探头诸如超声探头的背衬可通过成本有效的方法制造，该方法容易允许调谐背衬材料以增强背衬的声学特性。背衬材料的元结构提供声学扩散、阻抗、热导率和机械强度，并且可通过以交替方案重复堆叠第一层和第二层来进行增材制造。第一层和第二层中的每一者可为具有以镶嵌图案布置并且堆叠的空隙的材料层，使得第二层从第一层偏移，并且第一层和第二层的空隙不对齐。元结构的单元可具有诸如几何形状、大小、填充比和体积等物理变量，这些物理变量取决于空隙的形状和层的偏移对齐。物理变量调节元结构的声学特性，从而允许通过改变第一层和第二层的形状、层厚度和/或堆叠对齐来容易地调节声学特性。用于印刷和调谐元结构的数据集可能需要在增材制造系统控制器(诸如与3D印刷机通信的计算机)的存储器中相对少量的存储。数据集可为与印刷两个层的指令相适应的文件，其具有用于镶嵌图案的几何形状和堆叠对齐的可调整参数。可最小化对控制器的存储器的需求，减少控制器访问和执行用于印刷元结构的指令的时间量。
作为镶嵌图案的交替交错层，增材制造超声探头背衬的元结构的技术效果是增加了包含该元结构的背衬材料的声学扩散率、阻抗和衰减。
如本文所用，以单数形式列举并且以单词“一个”或“一种”开头的元件或步骤应当被理解为不排除多个所述元件或步骤，除非明确说明此类排除。此外，对本发明的“一个实施方案”的引用不旨在被解释为排除也包含所引用特征的附加实施方案的存在。此外，除非明确地相反说明，否则“包含”、“包括”或“具有”具有特定特性的元件或多个元件的实施方案可包括不具有该特性的附加此类元件。术语“包括”和“在......中”用作相应术语“包含”和“其中”的通俗语言等同物。此外，术语“第一”、“第二”和“第三”等仅用作标记，而不旨在对其对象施加数字要求或特定位置次序。
在一个实施方案中，超声换能器包括用于生成超声波的元件和布置在该元件后面的背衬，该背衬包括具有镶嵌图案的层。在超声换能器的第一示例中，背衬包含元结构，该元结构包括该层和填充该元结构的单元的填充材料。超声换能器的第二示例可选地包括第一示例，并且进一步包括，其中元结构比填充材料更刚性和多孔，并且由导热和声学扩散材料形成，并且其中填充材料被构造成衰减声波。超声换能器的第三示例可选地包括第一示例和第二示例中的一个或多个，并且进一步包括，其中该层是第一层，并且背衬进一步包括多个附加层，该多个附加层包括与第一层对齐的第一组层和从第一层偏移的第二组层，该多个附加层中的每个层包括镶嵌图案。超声换能器的第四示例可选地包括第一示例至第三示例中的一个或多个，并且进一步包括，其中第一层和多个附加层形成延伸穿过多个层的厚度的开口，开口由每个层的镶嵌图案限定。超声换能器的第五示例可选地包括第一示例至第四示例中的一个或多个，并且进一步包括，其中镶嵌图案是圆形空隙的重复图案。超声换能器的第六示例可选地包括第一示例至第五示例中的一个或多个，并且进一步包括，其中镶嵌图案是六边形空隙的重复图案。超声换能器的第七示例可选地包括第一示例至第六示例中的一个或多个，并且进一步包括，其中镶嵌图案是三角形空隙的重复图案。超声换能器的第八示例可选地包括第一示例至第七示例中的一个或多个，并且进一步包括，其中镶嵌图案是正方形空隙的重复图案。超声换能器的第九示例可选地包括第一示例至第八示例中的一个或多个，并且进一步包括，其中第一组层具有与第二组层的限定镶嵌图案的材料的线宽不同的限定镶嵌图案的材料的线宽。
在另一实施方案中，一种方法包括增材制造分层元结构，元结构的至少第一层具有镶嵌图案，用树脂填充分层元结构以形成背衬材料，并且将背衬材料耦接在声学探头的声学叠层中。在该方法的第一示例中，增材制造分层元结构包括印刷第一层。该方法的第二示例可选地包括第一示例，并且进一步包括其中印刷第一层包括利用增材制造系统控制器检索存储在系统控制器的存储器中的第一指令集并且执行第一指令集以印刷第一层。该方法的第三示例可选地包括第一示例和第二示例中的一个或多个，并且进一步包括，其中增材制造分层元结构包括在第一层之上印刷第二层，第二层具有镶嵌图案。该方法的第四示例可选地包括第一示例至第三示例中的一个或多个，并且进一步包括，其中印刷第二层包括利用系统控制器检索存储在系统控制器的存储器中的第二指令集并且执行第二指令集以印刷第二层。该方法的第五示例可选地包括第一示例至第四示例中的一个或多个，并且进一步包括，其中在第一层之上印刷第二层包括印刷与第一层偏移对齐的第二层。该方法的第六示例可选地包括第一示例到第五示例中的一个或多个，并且进一步包括，其中增材制造分层元结构包括印刷多个附加层，该多个附加层包括具有镶嵌图案并且印刷为与第一层对齐的第一组层和具有镶嵌图案并且印刷为与第二层对齐的第二组层，第一组层中的每个层沿垂直轴线与第二组层中的相应层交替。该方法的第七示例可选地包括第一示例至第六示例中的一个或多个，并且进一步包括，其中印刷多个附加层包括；对于第一组层中的每个层，检索存储在系统控制器的存储器中的第一指令集并且执行第一指令集以印刷该层，对于第二组层中的每个层，检索存储在系统控制器的存储器中的第二指令集并且执行第二指令集以印刷此层。该方法的第八个示例可选地包括第一示例至第七示例中的一个或多个，并且进一步包括，其中镶嵌图案包括具有几何形状的空隙的重复图案，每个空隙与相邻空隙均匀间隔开并且均匀对齐。
在另一实施方案中，背衬材料包括树脂和由多个层形成的元结构，每个层具有空隙的镶嵌图案，该元结构填充有树脂，并且被构造成扩散和衰减声学探头内生成的声波。
该书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使相关领域中的普通技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何设备或系统以及执行任何包含的方法。本发明可取得专利权的范围由权利要求书限定，并且可包括本领域普通技术人员想到的其他示例。如果此类其它示例具有与权利要求书的字面语言没有区别的结构元素，或者如果它们包括与权利要求书的字面语言具有微小差别的等效结构元素，则此类其它示例旨在落入权利要求书的范围内。

Claims (18)

1.一种超声换能器，包括：
用于生成超声波的元件；和
布置在所述元件后面的背衬，所述背衬包括由多个具有镶嵌图案的层构成的元结构，所述镶嵌图案包括空隙，多个层的每一个直接堆叠在另一个层上，所述多个层的所述空隙的周围材料限定元结构的单元，所述元结构的单元线性延伸穿过所述元结构，所述元结构包括填充所述元结构的单元的填充材料；所述背衬被构造成衰减和扩散声波。
2.根据权利要求1所述的超声换能器，其中所述元结构比所述填充材料更刚性和多孔，并且由导热和声学扩散材料形成，并且其中所述填充材料被构造成衰减声波。
3.根据权利要求1所述的超声换能器，其中所述层包括第一层和多个附加层，所述多个附加层包括与所述第一层对齐的第一组层和从所述第一层偏移的第二组层，所述多个附加层中的每个层包括所述镶嵌图案。
4.根据权利要求3所述的超声换能器，其中所述第一层和多个附加层的空隙形成延伸穿过所述多个层的厚度的开口，所述开口由每个层的所述镶嵌图案限定。
5.根据权利要求4所述的超声换能器，其中所述镶嵌图案为圆形空隙的重复图案。
6.根据权利要求3所述的超声换能器，其中所述第一组层具有与限定所述第二组层的所述镶嵌图案的材料的线宽不同的限定所述镶嵌图案的材料的线宽。
7.根据权利要求1所述的超声换能器，其中所述镶嵌图案为六边形空隙的重复图案。
8.根据权利要求1所述的超声换能器，其中所述镶嵌图案为三角形空隙的重复图案。
9.根据权利要求1所述的超声换能器，其中所述镶嵌图案为正方形空隙的重复图案。
10.一种用于制造用于声学探头的背衬材料的方法，包括：
增材制造分层元结构，所述分层元结构的至少第一层具有镶嵌图案，所述分层元结构由声学扩散材料形成；
在所述第一层之上印刷第二层，所述第二层具有所述镶嵌图案，所述第二层直接堆叠在所述第一层上；所述镶嵌图案包括空隙，所述第一层和所述第二层的所述空隙的周围材料限定元结构的单元，所述元结构的单元线性延伸穿过所述元结构；
用树脂作为填充材料来填充所述分层元结构以形成所述背衬材料，所述填充材料被构造成衰减声波；以及
将所述背衬材料耦接在所述声学探头的声学叠层中。
11.根据权利要求10所述的方法，其中增材制造所述分层元结构包括印刷所述第一层。
12.根据权利要求11所述的方法，其中印刷所述第一层包括利用增材制造系统控制器检索存储在所述系统控制器的存储器中的第一指令集并且执行所述第一指令集以印刷所述第一层。
13.根据权利要求12所述的方法，其中印刷所述第二层包括利用所述系统控制器检索存储在所述系统控制器的存储器中的第二指令集并且执行所述第二指令集以印刷所述第二层。
14.根据权利要求13所述的方法，其中在所述第一层之上印刷所述第二层包括印刷与所述第一层偏移对齐的所述第二层。
15.根据权利要求14所述的方法，其中增材制造所述分层元结构包括印刷多个附加层，所述多个附加层包括具有所述镶嵌图案并且印刷为与所述第一层对齐的第一组层和具有所述镶嵌图案并且印刷为与所述第二层对齐的第二组层，所述第一组层中的每个层沿垂直轴线与所述第二组层中的相应层交替。
16. 根据权利要求15所述的方法，其中印刷所述多个附加层包括：
对于所述第一组层中的每个层，检索存储在所述系统控制器的所述存储器中的所述第一指令集并且执行所述第一指令集以印刷所述层；以及
对于所述第二组层中的每个层，检索存储在所述系统控制器的所述存储器中的所述第二指令集并且执行所述第二指令集以印刷所述层。
17.根据权利要求10所述的方法，其中所述镶嵌图案包括具有几何形状的空隙的重复图案，每个空隙与相邻空隙均匀间隔开并且均匀对齐。
18. 一种用于声学探头的背衬材料，包括：
树脂；和
元结构，所述元结构由多个层形成，每个层具有空隙的镶嵌图案，所述每个层直接堆叠在另一个层上，所述镶嵌图案包括空隙，所述多个层的所述空隙的周围材料限定元结构的单元，所述元结构的单元线性延伸穿过所述元结构，所述元结构填充有所述树脂并且被构造成扩散和衰减所述声学探头内生成的声波。
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