CN114190976B - 一种双频超声换能器阵列及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种双频超声换能器阵列。本发明涉及的超声换能器的特征在于，在换能器的厚度振动方向上包含两层压电层，两层压电层工作于不同的中心频率，并且具有不同的功率输出能力以及成像能力。超声换能器的结构包括背衬层、低频柔性电路板层、低频压电层阵列、声学滤波层、高频压电层阵列、高频柔性电路板层及高频匹配层；其中声学滤波层、高频压电层阵列及高频匹配层共同作为低频压电层阵列的匹配层。双频超声换能器阵列能够拓展带宽覆盖，实现包括独立成像模式、谐波与超谐波成像模式、次谐波成像模式、短脉冲高分辨成像模式、宽带扫频成像模式、成像兼功率输出模式、双频功率输出模式等工作方法。

Description

一种双频超声换能器阵列及其工作方法

技术领域

本发明涉及医学超声成像器械技术领域，特别是涉及一种双频超声换能器阵列。

背景技术

传统的超声换能器，结构简单，多为单一中心频率，一个频带且带宽窄，其成像深度和成像分辨率相互限制。传统超声换能器主要使用幅值进行灰阶成像，彩色多普勒模式成像的带宽也比较窄。

随着科技的发展，对超声成像的质量提出了更高的要求，超声出现多种新型成像模式：如谐波成像、超谐波成像、次谐波成像以及频谱定量超声等。但是这些新型的成像模式对超声换能器的带宽提出了很高的要求，目前传统单一频率的超声换能器很难满足要求。

现有的拓宽带宽的超声换能器方案主要包括：(1)MEMS超声换能器，包括压电式微机械超声换能器和电容式微机械超声换能器两种。但目前MEMS超声换能器的加工难度高，成品率较低。(2)光声换能器，目前还不能应用于临床检测。(3)双频超声换能器，与传统超单频超声换能器结构最接近，兼容性最好，但需要精巧的结构设计。并排结构双频超声换能器对于发射面积的利用率低且加工难度高；层叠结构双频超声换能器包括背向发射和同向发射两种，其中背向发射的两个声场不重合，使用方式少；同向发射的两声场相互重合，满足多种新型成像方式的要求。如果两个频率差距较大，则两频带之间存在较大的间隙，无法连续覆盖宽频带，适用范围受限，仅适用于超谐波成像等少数场合。

本专利公开一种层叠结构同向发射的双频超声换能器及其工作方法，换能器的两个频带基本连接，覆盖宽频带，其工作方法包括独立成像模式、谐波与超谐波成像模式、次谐波成像模式、短脉冲高分辨成像模式、宽带扫频成像模式等新型超声成像模式，并可实现成像与功率输出的融合，如单频成像兼功率输出模式、双频成像兼功率输出模式、双频功率输出模式等。

发明内容

本发明公开了一种双频超声换能器阵列及其工作方法，对比于单频超声换能器阵列，双频超声换能器阵列能够拓展带宽覆盖，实现多种新型的成像及功率输出功能，具体内容如下：

一种双频超声换能器阵列，包括背衬层、低频柔性电路板层、低频压电层阵列、声学滤波层、高频压电层阵列、高频柔性电路板层及高频匹配层；

所述低频压电层阵列用于发射或接收低频超声波；所述高频压电层阵列用于发射或接收高频超声波；

所述低频柔性电路板层用于向低频压电层阵列提供激励信号并接收低频压电层阵列所采集的超声回波信号；所述高频柔性电路板层用于向高频压电层阵列提供激励信号并接收高频压电层阵列所采集的超声回波信号；

所述声学滤波层对于低频超声波起到增强放大的作用，使低频超声波有效向前侧传播；对于高频超声波起到抑制的作用，用于防止高频超声波向后侧传播；

所述高频匹配层用于加强所述高频超声波的前向波；所述前向波为由双频超声换能器阵列发射向人体等被测区域的声波；

所述背衬层用于衰减所述低频超声波的背向波，并起到支撑双频超声换能器阵列结构的作用；所述背向波为所述前向波的反方向波；

所述声学滤波层、高频压电层阵列及高频匹配层共同作为低频压电层阵列的匹配层；

所述低频压电层阵列和高频压电层阵列都能够处于发射、不发射、接收、不接收四种工作状态，低频压电层阵列和高频压电层阵列不同工作状态组合能够实现不同的工作方法。

本发明的工作方法主要涉及超声波发射与接收的各种频率与功率组合，产生出的工作方法包括：独立成像模式、谐波与超谐波成像模式、次谐波成像模式、短脉冲高分辨成像模式、宽带扫频成像模式、成像兼功率输出模式、双频功率输出模式。

所述独立成像模式，是指低频和高频压电层阵列交替成像方式。包括低频压电层阵列发射超声波再使用低频压电层阵列接收、高频压电层阵列发射超声波再使用高频压电层阵列接收这两个步骤，以便同时获得深度低分辨图像和浅表高分辨图像。

所述谐波与超谐波成像方式，是指低频压电层阵列发射超声波，高频压电层阵列接收的成像方式。在成像过程中由于生物组织或者微泡造影剂的非线性振动会产生谐波信号，使用低频发射高频接收的方式能够实现谐波与超谐波成像，获得更好的空间分辨率和对比度。

所述次谐波成像，是指高频压电层阵列发射超声波，低频压电层阵列接收的成像方式。次谐波成像具有较好的横向分辨率，由于次谐波在组织中衰减较小，所以更适合于扫描深层结构。

所述短脉冲高分辨率成像，是指低频压电层阵列和高频压电层阵列同时发射超声波，在空间中合成短脉冲超声发射信号，也能够同时采集超声波合成短脉冲超声回波信号。双频超声换能器阵列短脉冲的发射和接收能力能够提高超声图像的轴向分辨率，并能够提供足够的带宽。

所述宽带扫频成像模式，是指双频超声换能器阵列在一个宽频段内发射超声波啁啾信号，然后低频压电层阵列和高频压电层阵列同时接收来自探测区域的宽带超声啁啾信号，并进一步使用脉冲压缩技术进行成像，可获得高分辨、高信噪比的超声图像。

所述成像兼功率输出模式，是指一个或两个频率进行功率输出，另一个频率或两个频率进行超声成像。压电层的功率输出与压电层的材料有关。其中所述功率输出包括但不限于高强度聚焦超声消融技术、超声空化技术等。成像方式包括但不限于：超声B模式成像、超声谐波成像等，这些成像方式可组合进行。

所述双频功率输出模式，是指两个频率起到功率输出的作用。当两个频率都作为功率输出模式时，能够有效提高超声空化的效果。

可选的，所述低频压电层阵列的材料包括但不限于压电陶瓷、压电单晶和/或压电复合材料等；所述高频压电层阵列的材料包括但不限于压电陶瓷、压电单晶和/或压电复合材料等。

可选的，所述低频压电层阵列的阵元个数少于或等于高频压电层阵列阵元个数。当低频压电层阵列和高频压电层阵列阵元数均为1时，双频超声换能器阵列变为单阵元双频超声换能器。

可选的，所述低频压电层阵列相邻阵元间距为低频超声波波长的0.2倍至2倍，包含线性阵列以及相控阵阵列等多种模式。所述高频压电层阵列相邻阵元间距为高频超声波波长的0.2倍至2倍，包含线性阵列以及相控阵阵列等多种模式。

可选的，所述低频超声波的中心频率为0.1MHz-10 MHz；所述高频超声波的中心频率为0.2MHz-50 MHz，所述高频超声波的中心频率是所述低频超声波的中心频率的2-5倍。

可选的，所述高频匹配层为采用单一材料组成的单层结构或采用多种不同材料组成的多层结构，每层材料可为单一材料或复合材料。

可选的，所述声学滤波层为采用单一材料组成的单层结构或采用多种不同材料组成的多层结构。

可选的，所述双频超声换能器阵列可制作成一维线阵、一维凸阵、一维凹阵、二维面阵、1.5维阵列、2.5维阵列、环形前视阵列、环形侧视阵列、螺旋线阵列、阵元随机分布阵列以及单阵元超声换能器等。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明公开了一种双频超声换能器阵列及其工作方法，其中双频超声换能器阵列包括背衬层、低频柔性电路板层、低频压电层阵列、声学滤波层、高频压电层阵列、高频柔性电路板层、高频匹配层；其工作方法包括独立成像模式、谐波与超谐波成像模式、次谐波成像模式、短脉冲高分辨成像模式、宽带扫频成像模式、成像兼功率输出模式、双频功率输出模式。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还能够根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的双频超声换能器阵列的结构示意图。

符号说明：1-高频匹配层，2-高频柔性电路板层，3-高频压电层阵列，4-声学滤波层，5-低频压电层阵列，6-低频柔性电路板层，7-背衬层，8-高频压电层阵列阵元间隙，9-低频压电层阵列阵元间隙。

图2为独立成像模式示意图。21为低频压电层阵列向成像区域发射并接收超声波进行成像，22为高频压电层阵列向成像区域发射并接收超声波进行成像。

图3为双频超声换能器阵列的发射和接收超声信号的频谱示意图。其中31为低频压电层阵列发射和接收信号的频谱，32为高频压电层阵列发射和接收信号的频谱，两个频带基本连接，覆盖宽频带。

图4为低频和高频超声脉冲合成短脉冲示意图。41为低频脉冲，42为高频脉冲，低频和高频脉冲通过相位调制以及幅值叠加获得合成的短脉冲信号43。

图5为宽带扫频示意图，51为双频超声换能器阵列在一个宽频段内发射或接收的超声波啁啾信号。

图6为成像兼功率输出模式示意图，61为成像脉冲，包括一个频率或两个频率的成像脉冲，起到成像作用。62为功率输出脉冲，包括一个或两个频率的功率输出脉冲。成像与功率输出两个过程快速切换，实时监控功率输出效果。

图7为双频功率输出模式示意图，71为低频功率输出脉冲，72为高频功率输出脉冲，低频压电层阵列和高频压电层阵列同时向成像区域发射高功率超声波。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明公开了一种双频超声换能器阵列，能够同时发射或接收两个频率的超声信号，可应用于宽频谱信号采集，短脉冲信号发射，谐波成像以及成像与功率输出结合等领域。本发明公开的双频超声换能器阵列，每个压电层阵列均能被激励产生具有不同频率的超声波，能够将不同频率的超声波进行发射与接收的组合，达到不同成像或功率输出等目的。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加清晰，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例提供的双频超声换能器阵列的结构示意图。如图1所示，本实施例中的双频超声换能器阵列，包括由上至下依次设置的高频匹配层1、高频柔性电路板层2、高频压电层阵列3、声学滤波层4、低频压电层阵列5、低频柔性电路板层6、背衬层7，其中高频压电层阵列3的相邻阵元之间存在间隙8，低频压电层阵列5的相邻阵元之间存在间隙9，间隙8与间隙9一般由环氧树脂或类似材料填充。

所述低频压电层阵列用于发射或接收低频超声波；所述高频压电层阵列用于发射或接收高频超声波；

所述低频柔性电路板层用于向低频压电层阵列提供激励信号并接收换能器所采集的超声回波信号；所述高频柔性电路板层用于向高频压电层阵列提供激励信号并接收换能器所采集的超声回波信号；

所述声学滤波层对于低频超声波起到增强放大的作用，能够让低频超声波有效向前侧传播；对于高频超声波起到抑制的作用，用于防止高频超声波向后侧传播；

所述高频匹配层用于加强所述高频超声波的前向波；所述前向波为由双频超声换能器阵列发射向人体等被测区域的声波；

所述背衬层用于衰减所述低频超声波的背向波，并起到支撑双频超声换能器阵列结构的作用；所述背向波为所述前向波的反方向波；

可选的，所述低频压电层阵列的材料包括但不限于压电陶瓷、压电单晶和/或压电复合材料；所述高频压电层阵列的材料包括但不限于压电陶瓷、压电单晶和/或压电复合材料。

可选的，所述低频压电层阵列的阵元个数少于或等于高频压电层阵列阵元个数。当低频压电层阵列和高频压电层阵列阵元数均为1时，双频超声换能器阵列变为单阵元双频超声换能器。

可选的，所述低频压电层阵列相邻阵元间距为低频超声波波长的0.2倍至2倍，包含线性阵列以及相控阵阵列等多种模式。所述高频压电层阵列相邻阵元间距为高频超声波波长的0.2倍至2倍，包含线性阵列以及相控阵阵列等多种模式。

可选的，所述低频超声波的中心频率为0.1MHz-10 MHz；所述高频超声波的中心频率为0.2MHz-50 MHz，所述高频超声波的中心频率是所述低频超声波的中心频率的2-5倍。

可选的，所述高频匹配层为采用单一材料组成的单层结构或采用多种不同材料组成的多层结构。

可选的，所述声学滤波层为采用单一材料组成的单层结构或采用多种不同材料组成的多层结构。

可选的，所述双频超声换能器阵列可制作成一维线阵、一维凸阵、一维凹阵、二维面阵、1.5维阵列、2.5维阵列、环形前视阵列、环形侧视阵列、螺旋线阵列、阵元随机分布阵列以及单阵元超声换能器等。

图2为本发明进行独立成像模式的示意图。21为低频压电层阵列向成像区域发射并接收超声波进行成像，22为高频压电层阵列向成像区域发射并接收超声波进行成像。使用低频和高频压电层阵列单独成像时，与传统单频阵列成像效果相近，区别在于双频超声换能器阵列能够完成不同深度的成像任务。

图3为双频超声换能器阵列的发射和接收超声信号的频谱示意图。该示意图表示双频换能器阵列具有两个频段独立的发射或接收能力，低频频带31和高频频带32基本连接，覆盖宽频带，可实现的工作方法包括谐波与超谐波成像模式、次谐波成像模式、短脉冲高分辨率成像模式。

图4为低频和高频超声脉冲合成短脉冲示意图。短脉冲高分辨率成像模式是利用低频压电层阵列发射41低频脉冲、高频压电层阵列发射42高频脉冲，在空间中合成短脉冲超声激励信号43，也能够同时接收超声波合成短脉冲超声回波信号。双频超声换能器短脉冲的发射和接收能力能够提高超声图像的轴向分辨率，并能够提供足够的带宽。

图5为宽带扫频示意图。宽带扫频成像模式是双频超声换能器阵列在一个宽频段内发射超声波啁啾信号51，然后低频压电层阵列和高频压电层阵列同时接收来自探测区域的宽带超声啁啾信号，并进一步使用脉冲压缩技术进行成像，可获得高分辨、高信噪比的超声图像。

图6为成像兼功率输出模式示意图。成像兼功率输出模式包括单频成像兼功率输出模式和双频成像兼功率输出模式。单频成像兼功率输出模式，是指一个频率进行功率输出，另一个频率或两个频率进行超声成像，用于监控功率输出效果。压电层的功率输出与压电层的材料有关。其中所述功率输出作用包括但不限于高强度聚焦超声消融技术、超声空化技术等。成像方式包括但不限于：超声B模式成像、超声谐波成像等，这些成像方式可组合进行。双频成像兼功率输出模式，是指两个频率起到功率输出作用，一个频率或两个频率起到成像作用。当两个频率都作为功率输出模式时，能够有效提高超声空化的效果。成像与功率输出两个过程快速切换，实时监控功率输出效果。

图7为双频功率输出模式示意图，71为低频功率输出脉冲，72为高频功率输出脉冲，低频压电层阵列和高频压电层阵列同时向成像区域发射高功率超声波。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种双频超声换能器阵列及其工作方法，其结构特征在于，由上至下依次设置的高频匹配层、高频柔性电路板层、高频压电层阵列、声学滤波层、低频压电层阵列、低频柔性电路板层、背衬层；其工作方法在于实现多种工作模式，包括多种成像模式、成像兼功率输出模式以及双频功率输出模式；

所述低频压电层阵列用于发射或接收低频超声波；所述高频压电层阵列用于发射或接收高频超声波；

所述低频柔性电路板层用于向低频压电层阵列提供激励信号并接收换能器所采集的超声回波信号；所述高频柔性电路板层用于向高频压电层阵列提供激励信号并接收换能器所采集的超声回波信号；

所述声学滤波层对于低频超声波起到增强放大的作用，使低频超声波有效向前侧传播；对于高频超声波起到抑制的作用，用于防止高频超声波向后侧传播；

所述高频匹配层用于加强所述高频超声波的前向波；所述前向波为由换能器发射向人体等被测区域的声波；

所述背衬层用于衰减所述低频超声波的背向波，并起到支撑双频阵列结构的作用；所述背向波为所述前向波的反方向波；

所述高频匹配层为采用单一结构或采用多种不同材料组成的多层结构；

所述声学滤波层为采用单一材料组成的单层结构或采用多种不同材料组成的多层结构；

所述声学滤波层、高频压电层阵列及高频匹配层共同作为低频压电层阵列的匹配层；

所述工作方法主要包括成像模式、成像兼功率输出模式、双频功率输出模式；

所述成像模式是利用双频超声换能器阵列获取感兴趣区域的图像信息或某区域的指标信息，包括但不限于生物组织的结构信息及生理功能信息等；

所述成像兼功率输出模式是超声在目标区域进行功率输出的同时，利用超声成像监测该区域或邻近区域的结构或生理指标信息；

所述双频功率输出模式，是指两个频率起到功率输出的作用；当两个频率都作为功率输出模式时，有效提高超声空化的效果。

2.根据权利要求1所述的双频超声换能器阵列，其特征在于，在换能器的厚度振动方向上包含两层压电层，两压电层工作于不同的中心频率，并且具有不同的功率输出能力以及成像能力；

所述低频超声波的中心频率为0.1MHz-10 MHz；所述高频超声波的中心频率为0.2MHz-50MHz，所述高频超声波的中心频率是所述低频超声波的中心频率的2-5倍，其中低频和高频压电层阵列的材料包括但不限于压电陶瓷、压电单晶和/或压电复合材料。

3.根据权利要求1所述的双频超声换能器阵列，其特征在于，所述低频压电层阵列的阵元个数少于或等于高频压电层阵列阵元个数。

4.根据权利要求1所述的双频超声换能器阵列，其特征在于，所述低频压电层阵列相邻两阵元间距为低频超声波波长的0.2倍至2倍，所述低频压电层阵列相邻两阵元间距为高频超声波波长的0.2倍至2倍。

5.根据权利要求1所述的低频压电层阵列以及高频压电层阵列相邻阵元之间的间隙一般由环氧树脂或类似材料填充。

6.根据权利要求1所述双频超声换能器阵列可制作成一维线阵、一维凸阵、一维凹阵、二维面阵、1.5维阵列、2.5维阵列、环形前视阵列、环形侧视阵列、螺旋线阵列、阵元随机分布阵列以及单阵元超声换能器等。

7.根据权利要求1所述的双频超声换能器阵列的工作方法，其特征在于具有超声成像的工作模式，包括独立成像模式、谐波与超谐波成像模式、次谐波成像模式、短脉冲高分辨成像模式、宽带扫频成像模式；

所述独立成像模式，是指高低频交替成像方式；包括低频压电层阵列发射超声波再使用低频压电层阵列接收、高频压电层阵列发射超声波再使用高频压电层阵列接收这两个步骤，以便同时获得深度低分辨图像和浅表高分辨图像；

所述谐波与超谐波成像方式，是指低频压电层阵列发射超声波，高频压电层阵列接收的成像方式；在成像过程中由于生物组织或者微泡造影剂的非线性振动会产生谐波信号，使用低频压电层发射高频压电层接收的方式实现谐波与超谐波成像，获得更好的空间分辨率和对比度；

所述次谐波成像，是指高频压电层阵列发射超声波，低频压电层阵列接收的成像方式；次谐波成像具有较好的横向分辨率，由于次谐波在组织中衰减较小，所以更适合于扫描深层结构；

所述短脉冲高分辨率成像，是指高低频压电层阵列同时发射超声波，在空间中合成短脉冲超声发射信号，同时采集超声波合成短脉冲超声回波信号；双频超声换能器阵列短脉冲的发射和接收能力，提高超声图像的轴向分辨率，并提供足够的带宽；

所述宽带扫频成像模式，是指双频换能器阵列在一个宽频段内发射超声波啁啾信号，然后高低频压电层阵列同时接收来自探测区域的宽带超声啁啾信号，并进一步使用脉冲压缩技术进行成像，可获得高分辨、高信噪比的超声图像。

8.根据权利要求1所述的双频超声换能器阵列的工作方法，其特征在于具有超声成像兼功率输出的工作模式，包括单频成像兼功率输出模式、双频成像兼功率输出模式；

所述单频成像兼功率输出模式，是指一个频率进行功率输出，另一个频率或两个频率进行超声成像，用于监控功率输出效果；压电层的功率输出与压电层的材料有关；其中所述功率输出作用包括但不限于高强度聚焦超声消融技术、超声空化技术等；成像方式包括但不限于：超声B模式成像、超声谐波成像等，这些成像方式可组合进行；

所述双频成像兼功率输出模式，是指两个频率起到功率输出作用，一个频率或两个频率起到成像作用；成像与功率输出两个过程快速切换，实时监控功率输出效果。

9.根据权利要求1所述的双频超声换能器阵列的工作方法，其特征在于具有双频功率输出模式；双频功率输出模式，是指两个频率都处于高功率的发射模式，同时起到功率输出作用，有效提高超声空化的效果。