CN113477495A - 一种基于堆栈排列的双频长焦深超声换能器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于堆栈排列的双频长焦深超声换能器。一种基于堆栈排列的双频长焦深超声换能器包括外壳、绝声层、背衬材料层、低频带超声压电阵元、高频带超声压电阵元、信号线及非球面声学匹配层；所述的低频带超声压电阵元与高频带超声压电阵元采用一维堆栈排列结构。所述非球面声学匹配层的曲面结构由等声程原理和波前函数反推出来，且所述非球面声学匹配层设置于所述低频带超声压电阵元与所述高频带超声压电阵元之间。本发明采用双层超声压电阵元一维堆栈排列和非球面聚焦结构相结合的方案，可获得大景深与宽频带超声激发及接收的声学特性。本发明属于非球面聚焦的长焦深双频超声探测器，属于超声/光声成像、无损检测技术领域。
Description
技术领域
本发明属于超声/光声显微成像、无损检测技术领域，涉及一种基于堆栈排列的双频长焦深超声换能器，还涉及用于超声换能器的声学检测及聚焦技术的部分。
背景技术
光声显微成像技术是在光声成像的基础上发展起来的一种高分辨率光声成像方法。根据不同的聚焦模式，光声显微成像技术进一步可分为光学分辨率光声显微成像和声学分辨率光声显微成像。光学分辨率的光声显微成像技术主要依赖准弹道光子来提供光学定义的横向分辨率，其穿透深度仍然限制在～1.5mm内，难以满足人体浅表深层组织的无损高分辨显像要求。而声学分辨率光声显微系统利用高频超声波的低散射和深聚焦的优势，最大成像深度可达几个厘米，其在无创高分辨率血管成像中表现出较高的临床应用价值。
双频超声换能器的压电阵元往往会以环形或者平行相邻排列的方式，这会导致双频超声换能器的中心能量缺失或双阵元声场难以实现同轴发射及检测。同时，高数值孔径超声换能器的焦深随着数值孔径的增大而迅速缩短，致使光声显微系统只能在较短的焦深内获取高分辨率成像，而离焦区域的分辨率会恶化明显。因此，使用大数值孔径超声换能器会牺牲焦区内的成像范围，而且大数值孔径超声换能器的工作距离较短，甚至可能对人体浅表血管成像造成物理障碍。另外，高频超声换能器往往不具备宽频带声学特性，严重影响了光声/超声显微成像的空间分辨率。
申请号201710038098.3的专利公开了基于环形超声换能器阵列的大景深光声-声速双模成像法。该发明利用环形超声换能器阵列的动态聚焦得到较长深度范围内的光声图像。然而，这类的阵列传感器制造过程和算法非常复杂。申请号201610850278.7的专利公开了一种多尺度光声显微成像装置及其方法。该发明利用光学电控调焦透镜与多焦点高频超声换能器共焦调节，实现在同一位置不同深度上的多焦点光声共焦成像。然而，多焦点超声换能器的多焦点区域能量离散不均，易造成轴向局部区域成像分辨率和对比度差。申请号201610307366.2的专利公开了双频中空聚焦超声探测器。该发明利用双环带超声换能器与声学透镜，实现了双频聚焦特性，但由于其中空结构会致使能量损失严重，并且采用几何聚焦结构，声学焦区深度较短。
由于超声换能器的压电材料性能限制，会导致制作出的单材料超声换能器的声学频带难以达到最佳的状态；同时又因受到高斯声场本身性质的限制，焦深的拉长必然导致焦斑的增大，难以同时实现小焦斑和长焦深。然而，具有长焦深特征的小孔径声束在超声成像、光声成像、无损探测等领域存在重大的应用需求。因此，如何提供一种基于堆栈排列的双频长焦深超声换能器，并将其应用于超声聚焦与检测领域，是本领域亟需解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的提供一种基于堆栈排列的双频长焦深超声换能器，以解决现有的聚焦超声探测器带宽窄且难以同时实现小焦斑和长焦深的问题。本发明中的非球面聚焦的深景超声探测器具有焦斑小、焦深长、灵敏度高、实用性强等特点，可以适配各种超声/光声显微成像系统，更重要的是完全可适配于临床检测的超声/声分辨率光声显微成像系统及仪器设备。
本发明公开了一种基于堆栈排列的双频长焦深超声换能器。在其中一个实施例中，所述超声换能器包括外壳、绝声层、背衬材料层、低频带超声压电阵元、高频带超声压电阵元、信号线及非球面声学匹配层。
在其中一个实施例中，所述低频带超声压电阵元与所述高频带超声压电阵元采用一维堆栈排列结构，且所述低频带超声压电阵元设置于所述高频带超声压电阵元的上部.
在其中一个实施例中，所述非球面声学匹配层的曲面结构由等声程原理和波前函数反推出来，且所述非球面声学匹配层设置于所述低频带超声压电阵元与所述高频带超声压电阵元之间，以实现超声换能器的声场景深扩展.
在其中一个实施例中，所述外壳、绝声层、背衬材料层、低频带超声压电阵元、高频带超声压电阵元、非球面声学匹配层以同轴方式设置。
在其中一个实施例中，所述所述一维堆栈排列结构是指所述高频带超声压电阵元和所述低频带超声压电阵元同轴纵向排列。
在其中一个实施例中，所述高频带超声压电阵元作为所述低频带超声压电阵元的第二匹配层。
在其中一个实施例中，所述非球面声学匹配层作为所述低频带超声压电阵元的第一匹配层。
在其中一个实施例中，所述非球面声学匹配层配置为可获得具有均匀双频带长焦深特性的声束，形成中心范围能量分布极高，边缘分布极低聚焦声束段，其高功率密度范围声斑极小，焦深极长，焦深段内声斑峰值功率密度相近，可同时实现小焦斑和长焦深特性。
在其中一个实施例中，所述一维堆栈排列结构要求所述高频带超声压电阵元和低频带超声压电阵元的长度至少是其中心频率处声波长的30倍，宽厚比小于0.7，可防止横向模激励。
在其中一个实施例中，所述低频带超声压电阵元、非球面声学匹配层及高频带超声压电阵元的声学阻抗应满足四分之二波层关系：
其中，Zp、Zm、Zb分别为压电阵元材料、匹配层材料和背衬材料的声阻抗，Zlayer1、Zlayer2、Zin分别所述第一匹配层的输入阻抗、所述第二匹配层的输入阻抗以及所述第一匹配层和第二匹配层总输入阻抗。
在其中一个实施例中，所述高频带超声压电阵元为揉性超声压电阵元，设置于所述非球面声学匹配层下端，且其声阻抗与生物组织的声阻抗接近。
在其中一个实施例中，所述低频带超声压电阵元与所述高频带超声压电阵元分别设置有独立的信号线及外部接头。
在其中一个实施例中，所述双频长焦深超声换能器是双阵元超声换能器。
在其中一个实施例中，所述的长焦深非球面声场聚焦曲面结构的确定方法与系统主要根据等声程原理和波前函数反推出长焦深非球面声学聚焦结构的曲面结构。
在其中一个实施例中，所述非球面声学匹配层的曲面结构由等声程原理和波前函数反推出来，所述等声程原理用于确定声波波前函数上任一位置点与所述非球面声学匹配层的曲面结构上对应之间的关系方程组，具体包括：
所述等声程原理用于确定所述波前函数上任一位置点
与所述非球面声学匹配层的曲面上对应点M(rm,zm)之间的关系方程组：
其中，
为声波波前函数
的导数，K为常数。
在其中一个实施例中，所述聚焦声斑总尺寸受发射声束参数影响，取决于所述非球面声学匹配层曲面结构的聚焦声斑.
在其中一个实施例中，所述声场焦深长度是以聚焦声束中心高功率密度分布区域尺寸变化来衡量.
在其中一个实施例中，所述双频超声压电阵元的声轴与非球面声学匹配层中心同轴.
在其中一个实施例中，所述超声换能器的焦距取决于非球面声学匹配层的曲面对应焦距。
附图说明
图1为本发明建立的基于堆栈排列的双频长焦深超声换能器采用双超声阵元堆栈排列排列方式与非球面声学匹配层的非球面结构设计的示意图；
图2为本发明提供的非球面声学匹配层曲面结构的计算原理示意图；
图3为本发明一较佳实施例的基于堆栈排列的双频长焦深超声换能器的结构示意图；其中：1外壳、2信号线、3绝声层、4背衬材料层、5低频带超声压电阵元、6高频带超声压电阵元、7非球面声学匹配层、8长焦深非球面聚焦结构、9长焦深声学焦斑、10超声换能器的固定转接口、11低频带超声压电阵元的出线接口、12高频带超声压电阵元的出线接口。
图4为图1中实施例的实际扫描轴向和横向的声场图。
图5为图1中实施例的实际光声成像对比图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
本发明的基于堆栈排列的双频长焦深超声换能器结构可采用双超声阵元堆栈排列排列方式与非球面声学匹配层的非球面结构设计，图1所示。
实施例1
实施例1中采用非球面声学匹配层的方案实现双频长焦深超声换能器的研制，图2所示。
实施例1中非球面声学匹配层的曲面结构制备方法。图2所示，当超声波透射过长焦深非球面声学透镜上任一点M(rm,zm)，利用步骤4中的公式可求出经声学透镜聚焦后对应于波前函数上的点
(即点P与点M是一一对应的)。等声程原理是指无论M点怎么选择，始终有MQ+MP＝K(常数)。因为声波波前函数的获得是求解一个微分方程，获得的函数结果可以添加一个任意常数，对应于该函数可以沿横坐标z轴平移；另外，初始波前函数z＝z0的选择也有任意性，因此K的具体数值要视初始波前函数和所需聚焦波前函数的选择情况而定。其中，MQ＝z0-zm；
需要说明的是，当确定了初始波前函数和所需聚焦波前函数之后，对于声学透镜上的任一点M，常数K的值都是恒定不变的(对应的物理意义是指它们是等声程的)。
图3为实施例1一较佳的基于堆栈排列的双频长焦深超声换能器的结构示意图；其中：1外壳、2信号线、3绝声层、4背衬材料层、5低频带超声压电阵元、6高频带超声压电阵元、7非球面声学匹配层、8长焦深非球面聚焦结构、9长焦深声学焦斑、10超声换能器的固定转接口、11低频带超声压电阵元的出线接口、12高频带超声压电阵元的出线接口。。
实施例1要求基于堆栈排列的双频长焦深超声换能器的低频带超声压电阵元5的中心频率15MHz、-6dB的带宽10-20MHz、声焦长为10MM，焦深为5MM；高频带超声压电阵元6的中心频率62MHz、-6dB的带宽40-85MHz、声焦长为10MM，焦深为5MM；其中低频带超声压电阵元5采用压电陶瓷材料，其发射/接收超声波的有效面积的直径是8MM；高频带超声压电阵元6的压电元件采用厚度为20μm的PVDF压电薄膜材料，其发射/接收超声波的有效面积的直径是8MM。
实施例1中，低频带超声压电阵元5与高频带超声压电阵元6采用一维堆栈排列结构，且低频带超声压电阵元5设置于高频带超声压电阵元6的上部.
实施例1中，非球面声学匹配层7通过特定的长焦深非球面声场聚焦方法与系统确定其曲面结构8，且设置于所述的低频带超声压电阵元5与高频带超声压电阵元6之间，以实现超声换能器的声场景深扩展.
实施例1中，外壳1、绝声层3、背衬材料层4、低频带超声压电阵元5、高频带超声压电阵元6、非球面声学匹配层7以同轴方式设置。
实施例1中，一维堆栈排列结构是指两个超声阵元5,6同轴纵向排列。
实施例1中，高频带超声压电阵元6作为所述低频带超声压电阵元5的第二匹配层。
实施例1中，非球面声学匹配层7作为所述低频带超声压电阵元5的第一匹配层。
实施例1中，一维堆栈排列结构要求所述高频带超声压电阵元6和低频带超声压电阵元5的长度至少是其中心频率处声波长的30倍，宽厚比小于0.7，可防止横向模激励。
实施例1中，低频带超声压电阵元5、非球面声学匹配层7及高频带超声压电阵元6的声学阻抗应满足四分之二波层关系：
其中，Zp、Zm、Zb分别为压电阵元材料、匹配层材料和背衬材料的声阻抗，Zlayer1、Zlayer2、Zin分别非球面声学匹配层7的输入阻抗、高频带超声压电阵元6的输入阻抗和两层声学匹配层总输入阻抗。
制作非球面声学匹配层7为环氧树脂材料，其材料声学性能方面的声阻抗值在2.7MRayls～3.2MRayls，在30MHz的声衰减系数为9-12dB/mm；非球面声学匹配层7的结构设计，其表面为非球面，即利用非球面进行景深的扩展；非球面声学匹配层7直径为8mm其制作软模具，包括硅胶组分A和组分B，其质量比为1:0.02，经过搅拌混合、抽真空烘干固化处理得到模具。非球面声学匹配层7包括环氧树脂组分A和组分B，其质量比为1:0.35，搅拌混合、抽真空、导入软模具、放置抛光面玻璃、烘干固化后，得到的非球面声学匹配层7具有抛光效果。
外壳1采用不锈钢材料制作，总长度为16MM，容腔直径为14MM；本实施例中，绝声层3包括质量比为1.35：0.5～2：1～5：0.02～0.1的环氧树脂、氧化铝粉、玻璃微球、碳粉，经过搅拌混合、抽真空、烘干固化处理，进而制作成直径是12mm、厚度是5mm的绝声层3。背衬材料层4包括质量比为1.35：1～3：0.02～0.1的环氧树脂、氧化铝粉、碳粉，经过搅拌混合、抽真空、烘干固化处理，进而制作成直径是12mm、厚度是3mm的背衬材料层4，背衬材料层4的表面要求平整、光滑。
采用柔性光学球挤压的形式把高频带超声压电阵元6(PVDF压电薄膜)和301环氧光学胶水将高频带超声压电阵元6与非球面声学匹配层7粘贴在一起，粘贴中要保证高频带超声压电阵元6平整无褶皱、胶水无气泡，二者同轴粘贴；301环氧光学胶水完全固化后，用银环氧导电胶水分别在高频带超声压电阵元6的上下表面引出正负电极。
从机壳的出线孔引入两条独立信号线2，其正负极分别接入超声压电阵元5，6的正负电极，用防水胶，将出线孔密封，防止腔内灌水从出线孔泄露。
实例1要求超声换能器的声焦长为10MM，其中非球面声学匹配层7采用环氧树脂材料制作，总长度为6MM。待绝声层3、背衬材料层4、低频超声压电阵元5设置于外壳1的内腔后，用301环氧光学胶水将非球面声学匹配层7固定于低频超声压电阵元5的下端，外壳的容腔完全密封。
运用实施例1的一种基于堆栈排列的双频长焦深超声换能器，测试其声场的性能。
使用三维声场扫描装置和光纤超声传感器对非球面聚焦的深景超声探测器固定位置后，对其发射和接收进行实际的声场频带测试，获得图4。其中，图4(A)是获得基于堆栈排列的双频长焦深超声换能器的低频超声压电阵元5的超声带宽图，-6dB的带宽为～10MHz，图4(B)是获得基于堆栈排列的双频长焦深超声换能器的高频超声压电阵元6的超声带宽图，-6dB的带宽为～45MHz。
运用实施例1的一种基于堆栈排列的双频长焦深超声换能器，测试其光声成像性能。
将实施例1中的基于堆栈排列的双频长焦深超声换能器安装在声分辨率光声显微成像系统后，其与球面聚焦的同频率同焦距超声探测器分别对土耳其弓背蚁进行光声成像对照，图5所示，其中，图5(A)是利用双频长焦深超声换能器对土耳其弓背蚁进行光声成像图，图5(B)是利用实施例1中球面聚焦超声换能器对土耳其弓背蚁进行光声成像图。结果显示出实施例1中基于堆栈排列的双频长焦深超声换能器可获取土耳其弓背蚁更多信息。其深层分辨率和对比度更高。
上述实施例为本专利较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效置换方式，都包含在本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种基于堆栈排列的双频长焦深超声换能器，其特征在于：包括外壳、绝声层、背衬材料层、低频带超声压电阵元、高频带超声压电阵元、信号线及非球面声学匹配层；所述低频带超声压电阵元与所述高频带超声压电阵元采用一维堆栈排列结构，且所述低频带超声压电阵元设置于所述高频带超声压电阵元的上部；所述非球面声学匹配层的曲面结构由等声程原理和波前函数反推出来，且所述非球面声学匹配层设置于所述低频带超声压电阵元与所述高频带超声压电阵元之间，以实现超声换能器的声场景深扩展；所述外壳、绝声层、背衬材料层、低频带超声压电阵元、高频带超声压电阵元、非球面声学匹配层以同轴方式设置。
2.根据权利要求1所述的一种基于堆栈排列的双频长焦深超声换能器，其特征在于，所述一维堆栈排列结构是指所述高频带超声压电阵元和所述低频带超声压电阵元同轴纵向排列；所述高频带超声压电阵元作为所述低频带超声压电阵元的第二匹配层；所述非球面声学匹配层作为所述低频带超声压电阵元的第一匹配层。
3.根据权利要求1所述的一种基于堆栈排列的双频长焦深超声换能器，其特征在于，所述非球面声学匹配层配置为可获得具有均匀双频带长焦深特性的声束，形成中心范围能量分布极高，边缘分布极低聚焦声束段，其高功率密度范围声斑极小，焦深极长，焦深段内声斑峰值功率密度相近，可同时实现小焦斑和长焦深特性。
4.根据权利要求1所述的一种基于堆栈排列的双频长焦深超声换能器，其特征在于，所述一维堆栈排列结构要求所述高频带超声压电阵元和低频带超声压电阵元的长度至少是其中心频率处声波长的30倍，宽厚比小于0.7，可防止横向模激励。
5.根据权利要求1所述的一种基于堆栈排列的双频长焦深超声换能器，其特征在于，所述低频带超声压电阵元、非球面声学匹配层及高频带超声压电阵元的声学阻抗应满足四分之二波层关系：
其中，Zp、Zm、Zb分别为压电阵元材料、匹配层材料和背衬材料的声阻抗，Zlayer1、Zlayer2、Zin分别所述第一匹配层的输入阻抗、所述第二匹配层的输入阻抗以及所述第一匹配层和第二匹配层总输入阻抗。
6.根据权利要求1所述的一种基于堆栈排列的双频长焦深超声换能器，其特征在于，所述高频带超声压电阵元为揉性超声压电阵元，设置于所述非球面声学匹配层下端，且其声阻抗与生物组织的声阻抗接近。
7.根据权利要求1所述的一种基于堆栈排列的双频长焦深超声换能器，其特征在于，所述低频带超声压电阵元与所述高频带超声压电阵元分别设置有独立的信号线及外部接头；所述双频长焦深超声换能器是双阵元超声换能器。
8.根据权利要求1所述的一种基于堆栈排列的双频长焦深超声换能器，其特征在于，所述非球面声学匹配层的曲面结构由等声程原理和波前函数反推出来，所述等声程原理用于确定声波波前函数上任一位置点与所述非球面声学匹配层的曲面结构上对应之间的关系方程组，具体包括：
所述等声程原理用于确定所述波前函数上任一位置点
与所述非球面声学匹配层的曲面上对应点M(rm,zm)之间的关系方程组：
其中，
为声波波前函数
的导数，K为常数。
9.根据权利要求1所述的一种基于堆栈排列的双频长焦深超声换能器，其特征在于，所述聚焦声斑总尺寸受发射声束参数影响，取决于所述非球面声学匹配层曲面结构的聚焦声斑；所述声场焦深长度是以聚焦声束中心高功率密度分布区域尺寸变化来衡量；所述双频超声压电阵元的声轴与非球面声学匹配层中心同轴；所述超声换能器的焦距取决于非球面声学匹配层的曲面对应焦距。
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