CN113092595B - 复合柔性三维压力监测阵列的柔性超声换能阵列及装置 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了一种复合柔性三维压力监测阵列的柔性超声换能阵列及装置，其柔性超声换能阵列自下而上包括：底层匹配层、超声阵元层和顶层覆盖层；超声阵元层包括多个压电超声阵元；顶层覆盖层包括：顶层超声阵元电气连接层，顶层超声阵元电气连接层与压电超声阵元上表面相连；底层匹配层自下而上包括：压力传感阵元、压力传感阵元电气引出层和底层超声阵元电气连接层；底层超声阵元电气连接层上表面与压电超声阵元下表面相连；换能器阵列电气接口分别与顶层超声阵元电气连接层、底层超声阵元电气连接层和压力传感阵元电气引出层电连接。本公开将柔性三维压力监测阵列与柔性超声换能器阵列复合形成一个有机整体，减小整体体积。

Description

复合柔性三维压力监测阵列的柔性超声换能阵列及装置
技术领域
本公开涉及超声成像检测领域，尤其涉及一种复合柔性三维压力监测阵列的柔性超声换能阵列及装置。
背景技术
常规的超声探头，无法适应检测目标表面曲率连续变化不规则情况，如人体表面或者起伏变化的结构表面，渐渐难以满足检测需要。
近年来，柔性超声换能器阵列由于其形状可随物体表面变化、无需使用辅助材料等优点，成为检测不规则目标的首选方法。但是，目前的柔性超声换能器由于探头贴附在目标表面后，需要测量获取探头的曲率、视场角等参数，方能用于后期进行图像处理。尽管现有方法借助第三方形状扫描仪、内置光学或者超声形变探测装置等，但也造成了系统复杂且应用场景受限的问题。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本公开提供了一种复合柔性三维压力监测阵列的柔性超声换能阵列及装置，以解决以上所提出的技术问题。
(二)技术方案
根据本公开的一个方面，提供了一种复合柔性三维压力监测阵列的柔性超声换能阵列，自下而上包括：底层匹配层、超声阵元层和顶层覆盖层；
所述超声阵元层包括：多个压电超声阵元；
所述顶层覆盖层包括：顶层超声阵元电气连接层，所述顶层超声阵元电气连接层与所述压电超声阵元第一面相连；
所述底层匹配层自下而上包括：压力传感阵元、压力传感阵元电气引出层和底层超声阵元电气连接层；所述底层超声阵元电气连接层第一面与所述压电超声阵元第二面相连；所述压力传感阵元电气引出层和所述压力传感阵元相连；
换能器阵列电气接口，分别与所述顶层超声阵元电气连接层、所述底层超声阵元电气连接层和所述压力传感阵元电气引出层电连接。
在本公开的实施例中，所述压电超声阵元为长方体压电材料、圆柱体压电材料和正方体压电材料中的一种或多种。
在本公开的实施例中，多个所述压电超声阵元呈行列等间距排列。
在本公开的实施例中，所述换能器阵列电气接口包括：
超声信号发送电气接口，与所述顶层超声阵元电气连接层相连；
超声信号接收电气接口，与所述底层超声阵元电气连接层相连；以及
压力传感器信号接口，与所述压力传感阵元电气引出层相连。
在本公开的实施例中，所述压力传感阵元的布置点位与所述压电超声阵元的中心相对。
在本公开的实施例中，所述压力传感阵元的布置点位与所述压电超声阵元的边缘相对，且均匀分布。
在本公开的实施例中，所述复合柔性三维压力监测阵列的柔性超声换能阵列为N行×M列阵列，其中，M和N均为大于1的整数。
根据本公开的一个方面，提供了一种应用上述的复合柔性三维压力监测阵列的柔性超声换能阵列的装置，还包括：
微控制器，发出生成超声波激发指令；
数模转换模块，接收所述微控制器发出的超声波信号，并进行数模转换；
第一信号放大模块，接收所述数模转换模块发出的超声波信号，并进行信号放大；以及
超声信号发送模块，接收所述信号放大模块发出的超声波信号，并通过所述超声信号发送电气接口激发所述柔性超声换能阵列发射的超声波信号。
在本公开的一些实施例中，还包括：
超声信号接收模块，通过所述超声信号接收电气接口接收所述柔性超声换能阵列发射的超声回波信号；以及
第二信号放大模块，接收所述超声信号接收模块发出的超声回波信号，并进行信号放大；所述数模转换模块接收所述第二信号放大模块发出的超声回波信号，并进行数模转换后发送至所述微控制器进行处理和保存。
在本公开的一些实施例中，还包括：
压力信号接收模块，与所述压力传感器信号接口相连，检测所述压力传感阵元的压力信号；
第三信号放大模块，接收所述压力信号接收模块发出的压力信号，并进行信号放大；所述数模转换模块接收所述第三信号放大模块发出的压力信号，并进行数模转换后发送至所述微控制器；所述微控制器获得所述底层匹配层的压力分布情况；
获取模块，根据所述底层匹配层的压力分布情况获取所述底层匹配层的形变图进而获取所述底层匹配层的曲率值；
补偿模块，根据所述底层匹配层的曲率值对所述超声信号发送模块和/或所述超声信号接收模块进行补偿。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开复合柔性三维压力监测阵列的柔性超声换能阵列及装置至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：
(1)本公开将柔性三维压力监测阵列从结构角度复合到与柔性超声换能器阵列中，形成一个有机的整体，减小整体体积。
(2)本公开通过压力传感阵元获得底层匹配层压力分布情况，并根据压力分布情况确定底层匹配层的曲率值，根据曲率值对超声信号发送模块发射的超声波信号和超声信号接收模块发射的超声回波信号进行补偿，实现对曲率的实时监测和补偿。
附图说明
图1为本公开第一实施例复合柔性三维压力监测阵列的柔性超声换能阵列的示意图。
图2为本公开第一实施例复合柔性三维压力监测阵列的柔性超声换能阵列的剖面示意图。
图3为本公开第一实施例复合柔性三维压力监测阵列的柔性超声换能阵列的爆炸示意图。
图4为本公开第一实施例中底层匹配层的示意图。
图5为本公开第一实施例中底层匹配层的剖面示意图。
图6为本公开第一实施例中底层匹配层的爆炸示意图。
图7为应用本公开第一实施例复合柔性三维压力监测阵列的柔性超声换能阵列的装置的示意图。
图8为本公开第一实施例提供的垂直方向位移引起超声波传输变化示意图。
图9为本公开第二实施例提供的水平方向位移引起超声波传输变化示意图。
【附图中本公开实施例主要元件符号说明】
1-复合柔性三维压力监测阵列的柔性超声换能阵列；
2-顶层覆盖层；
201-顶层超声阵元电气连接层；
3-超声阵元层；
301-压电超声阵元；
4-底层匹配层；
401-底层超声阵元电气连接层；
402-压力传感阵元；
403-压力传感阵元电气引出层；
5-换能器阵列电气接口；
501-超声信号发送电气接口；
502-超声信号接收电气接口；
503-压力传感器信号接口。
具体实施方式
本公开提供了一种复合柔性三维压力监测阵列的柔性超声换能阵列及装置，其柔性超声换能阵列自下而上包括：底层匹配层、超声阵元层和顶层覆盖层；超声阵元层包括多个压电超声阵元；顶层覆盖层包括：顶层超声阵元电气连接层，顶层超声阵元电气连接层与压电超声阵元上表面相连；底层匹配层自下而上包括：压力传感阵元、压力传感阵元电气引出层和底层超声阵元电气连接层；底层超声阵元电气连接层上表面与压电超声阵元下表面相连；换能器阵列电气接口分别与顶层超声阵元电气连接层、底层超声阵元电气连接层和压力传感阵元电气引出层相连。本公开将柔性三维压力监测阵列与柔性超声换能器阵列复合形成一个有机整体，减小整体体积。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
本公开某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本公开的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此数所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本公开满足适用的法律要求。
在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种复合柔性三维压力监测阵列的柔性超声换能阵列。图1为本公开第一实施例复合柔性三维压力监测阵列的柔性超声换能阵列的示意图。图2为本公开第一实施例复合柔性三维压力监测阵列的柔性超声换能阵列的剖面示意图。图3为本公开第一实施例复合柔性三维压力监测阵列的柔性超声换能阵列的爆炸示意图。如图1至3所示，本公开复合柔性三维压力监测阵列的柔性超声换能阵列1为N行×M列阵列，其中M和N均为大于1的整数。本公开复合柔性三维压力监测阵列的柔性超声换能阵列1自下而上包括：底层匹配层4、超声阵元层3和顶层覆盖层2。图1和图2中黑色引出线条表示引出接口。其中，所述超声阵元层3包括：多个压电超声阵元301，呈行列等间距排列。其中，所述顶层覆盖层2包括：顶层超声阵元电气连接层201，所述顶层超声阵元电气连接层201与所述压电超声阵元301第一面相连。换能器阵列电气接口5包括：超声信号发送电气接口501、超声信号接收电气接口502和压力传感器信号接口503。其中，超声信号发送电气接口501与所述顶层超声阵元电气连接层201相连。超声信号接收电气接口502与所述底层超声阵元电气连接层401相连。压力传感器信号接口503与所述压力传感阵元电气引出层403相连。
关于底层匹配层4做详细描述。图4为本公开第一实施例中底层匹配层的示意图。图5为本公开第一实施例中底层匹配层的剖面示意图。图6为本公开第一实施例中底层匹配层的爆炸示意图。如图4至图6所示，所述底层匹配层4自下而上包括：压力传感阵元402、压力传感阵元电气引出层403和底层超声阵元电气连接层401；所述底层超声阵元电气连接层401第一面与所述压电超声阵元301第二面相连；所述压力传感阵元电气引出层403和所述压力传感阵元402相连。
关于压电超声阵元301的结构进行详细介绍。所述压电超声阵元301为长方体压电材料、圆柱体压电材料和正方体压电材料中的一种或多种。
在一些实施例中，所述压电超声阵元301为长方体压电材料或正方体压电材料时。压力传感阵元402的布置点位可以与所述压电超声阵元301的中心相对，用来实时监测柔性超声换能器阵元匹配层的压力分布情况。压力传感阵元402的布置点位还可以与压电超声阵元301的四个端点相对，用来测量水平方向的压力。
例如，五个压力传感阵元402的布置点位分别为一个压力传感阵元402的布置点位与压电超声阵元301的中心相对，四个压力传感阵元402的布置点位与压电超声阵元301的四个端点相对。
在另一些实施例中，所述压电超声阵元301为圆柱体压电材料时。压力传感阵元402的布置点位可以与所述压电超声阵元301的中心相对，用来实时监测柔性超声换能器阵元匹配层的压力分布情况。压力传感阵元402的布置点位与压电超声阵元301的圆周边缘相对，且均匀分布，用来测量水平方向的压力。例如，四个压力传感阵元402的布置点位分别为一个压力传感阵元402的布置点位与压电超声阵元301的中心相对，三个压力传感阵元402的布置点位与压电超声阵元301的边缘相对，且三个压力传感阵元402沿压电超声阵元301的周向均匀分布。
图7为应用本公开第一实施例复合柔性三维压力监测阵列的柔性超声换能阵列的装置的示意图。如图7所示，应用复合柔性三维压力监测阵列的柔性超声换能阵列的装置包括：微控制器、数模转换模块、第一信号放大模块、超声信号发送模块、超声信号接收模块、第二信号放大模块、存储模块、压力信号接收模块、第三信号放大模块、获取模块和补偿模块。微控制器用于发出生成超声波激发指令。数模转换模块用于接收所述微控制器发出的超声波信号，并进行数模转换。第一信号放大模块用于接收所述数模转换模块发出的超声波信号，并进行信号放大。超声信号发送模块用于接收所述信号放大模块发出的超声波信号，并通过所述超声信号发送电气接口501激发所述柔性超声换能阵列1发射的超声波信号。超声信号接收模块用于通过所述超声信号接收电气接口502接收所述柔性超声换能阵列1发射的超声回波信号。第二信号放大模块用于接收所述超声信号接收模块发出的超声回波信号，并进行信号放大。存储模块用于接收所述微控制器发出的超声回波信号，并进行处理和保存。压力信号接收模块与所述压力传感器信号接口503相连，检测所述压力传感阵元402的压力信号。第三信号放大模块用于接收所述压力信号接收模块发出的压力信号，并进行信号放大。获取模块用于根据微控制器获得的底层匹配层4的压力分布情况，确定所述底层匹配层4的形貌图并获取所述底层匹配层4的曲率值。补偿模块用于根据所述底层匹配层4的曲率值对所述超声信号发送模块和/或所述超声信号接收模块进行补偿。
工作时，微控制器发出生成超声波激发指令，经过数模转换模块进行数模转换及第一信号放大模块进行信号放大后，超声信号发送模块通过换能器阵列电气接口5的超声信号发送电气接口501激发超声换能器阵列1发射超声波信号。
超声回波信号与被测物作用后，经过换能器阵列电气接口5的超声信号接收电气接口502，经数模转换模块进行数模转换及第二信号放大模块进行信号放大后，进入微控制器进行处理和保存。
在获得超声回波信号的同时，压力信号接收模块通过换能器阵列电气接口5的压力传感器信号接口503检测柔性超声换能器阵列1中的压力传感阵元402的信号。微控制器获得匹配层压力分布情况，之后根据压力分布情况获得底层匹配层4的形变图并推算出底层匹配层4曲率值，根据底层匹配层4曲率值对超声波回波信号进行补偿。
在使用时，如果柔性超声换能器阵列与皮肤有相对位移，也可以通过三维压力监测阵列实时获取压力分布变化情况，对超声波发送及接收信号进行补偿。图8为本公开第一实施例提供的垂直方向位移引起超声波传输变化示意图。如图8所示，当皮肤发生垂直方向的厚度变化Dv时，超声波传出以及返回的路径发生变化，导致压电超声阵元301接收超声波的时间Dt产生变化，此时，根据压力传感阵元402获取皮肤发生垂直方向厚度变化引起的应力的变化情况获得进而获取所述底层匹配层4的曲率值变化，进而根据曲率变化补偿超声接收时间Dt，实现超声波准确探测。
在本公开的第二个示例性实施例中，提供了一种复合柔性三维压力监测阵列的柔性超声换能阵列。图9为本公开第二实施例提供的水平方向位移引起超声波传输变化示意图。如图9所示，与第一实施例的复合柔性三维压力监测阵列的柔性超声换能阵列相比，本实施例复合柔性三维压力监测阵列的柔性超声换能阵列的区别在于：水平方向位移Dh引起超声波传输变化。当皮肤发生水平方向的位移变化Dh时，压电超声阵元301接收超回波的中心发生变化，导致压电超声阵元301接收超声波幅度A产生变化，此时，根据压力传感阵元402获取皮肤发生水平方向位移变化引起的应力的变化情况获得进而获取所述底层匹配层4的曲率值变化，进而根据曲率变化补偿超声波幅度A，实现超声波准确探测。
在本公开的第二个示例性实施例中，三维压力监测阵列由压力传感阵元402构成，主要包括位于压电超声阵元301中心垂直下方的压力传感点和位于压电超声阵元301四个角垂直下方的压力传感器点，压电超声阵元301中心垂直下方的压力传感点主要用来监测垂直方向压力变化，压电超声阵元301四个角垂直下方的压力传感器点同时检测垂直与水平方向压力变化，根据压电超声阵元301压电超声检测点的数量制备形成压力监测点后，可实现三维压力监测。
至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开复合柔性三维压力监测阵列的柔性超声换能阵列及装置有了清楚的认识。
综上所述，本公开提供一种复合柔性三维压力监测阵列的柔性超声换能阵列及装置，通过压力传感阵元获得底层匹配层压力分布情况，并根据压力分布情况确定底层匹配层的曲率值，根据曲率值对超声信号发送模块发射的超声波信号和超声信号接收模块发射的超声回波信号进行补偿，实现对曲率的实时监测和补偿，可以广泛应用于医疗成像与工业无损探伤等诸多领域。
还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。
并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。
此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种复合柔性三维压力监测阵列的柔性超声换能阵列，自下而上包括：底层匹配层、超声阵元层和顶层覆盖层；
所述超声阵元层包括：多个压电超声阵元；
所述顶层覆盖层包括：顶层超声阵元电气连接层，所述顶层超声阵元电气连接层与所述压电超声阵元第一面相连；
所述底层匹配层自下而上包括：压力传感阵元、压力传感阵元电气引出层和底层超声阵元电气连接层；所述底层超声阵元电气连接层第一面与所述压电超声阵元第二面相连；所述压力传感阵元电气引出层和所述压力传感阵元相连；
换能器阵列电气接口，分别与所述顶层超声阵元电气连接层、所述底层超声阵元电气连接层和所述压力传感阵元电气引出层电连接。
2.根据权利要求1所述的柔性超声换能阵列，其中，所述压电超声阵元为长方体压电材料、圆柱体压电材料和正方体压电材料中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的柔性超声换能阵列，其中，多个所述压电超声阵元呈行列等间距排列。
4.根据权利要求1所述的柔性超声换能阵列，其中，所述换能器阵列电气接口包括：
超声信号发送电气接口，与所述顶层超声阵元电气连接层相连；
超声信号接收电气接口，与所述底层超声阵元电气连接层相连；以及
压力传感器信号接口，与所述压力传感阵元电气引出层相连。
5.根据权利要求1所述的柔性超声换能阵列，其中，所述压力传感阵元的布置点位与所述压电超声阵元的中心相对。
6.根据权利要求5所述的柔性超声换能阵列，其中，所述压力传感阵元的布置点位与所述压电超声阵元的边缘相对，且均匀分布。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的柔性超声换能阵列，其中，所述复合柔性三维压力监测阵列的柔性超声换能阵列为N行×M列阵列，其中，M和N均为大于1的整数。
8.一种应用如权利要求1至7中任一项所述的柔性超声换能阵列的装置，其中，还包括：
微控制器，发出生成超声波激发指令；
数模转换模块，接收所述微控制器发出的超声波信号，并进行数模转换；
第一信号放大模块，接收所述数模转换模块发出的超声波信号，并进行信号放大；以及
超声信号发送模块，接收所述信号放大模块发出的超声波信号，并通过所述超声信号发送电气接口激发所述柔性超声换能阵列发射的超声波信号。
9.根据权利要求8所述的装置，其中，还包括：
超声信号接收模块，通过所述超声信号接收电气接口接收所述柔性超声换能阵列发射的超声回波信号；以及
第二信号放大模块，接收所述超声信号接收模块发出的超声回波信号，并进行信号放大；所述数模转换模块接收所述第二信号放大模块发出的超声回波信号，并进行数模转换后发送至所述微控制器进行处理和保存。
10.根据权利要求9所述的装置，其中，还包括：
压力信号接收模块，与压力传感器信号接口相连，检测所述压力传感阵元的压力信号；
第三信号放大模块，接收所述压力信号接收模块发出的压力信号，并进行信号放大；所述数模转换模块接收所述第三信号放大模块发出的压力信号，并进行数模转换后发送至所述微控制器；所述微控制器获得所述底层匹配层的压力分布情况；
获取模块，根据所述底层匹配层的压力分布情况获取所述底层匹配层的形变图进而获取所述底层匹配层的曲率值；
补偿模块，根据所述底层匹配层的曲率值对所述超声信号发送模块和/或所述超声信号接收模块进行补偿。
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