CN117879718A - 超声探头和超声装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种超声探头和超声装置，包括超声换能器和声人工结构，所述超声换能器用于产生涡旋超声波，所述声人工结构设于所述超声换能器的一侧，且位于所述涡旋超声波的传播路径上，所述声人工结构包括结构板，所述结构板远离所述超声换能器的一侧的表面开设有螺旋凹槽或螺旋凸起，所述螺旋凹槽或所述螺旋凸起的宽度由其中心向外逐渐增大。本发明能够提高超声波的聚焦能力。

Description

超声探头和超声装置

技术领域

本发明涉及超声技术领域，特别涉及一种超声探头和超声装置。

背景技术

涡旋声场是一种声操控技术，通过在声场中心形成低声压区域对粒子进行空间聚集，在实际应用中，由于涡旋声场本身具备更强的捕获力，更大的力矩和更深的渗透深度，因此具有多种潜在的应用价值，例如，在声学成像领域，通过聚焦分数涡旋场可以实现对特定区域内的声学信息进行高分辨率的成像；在声学传感领域，可以利用聚焦分数涡旋场的特殊声场结构，实现对目标物体的旋转运动进行探测和测量。

目前产生涡旋声场的方式主要依赖于换能器阵元，通过电学手段控制每一个换能器的相位偏移，并且通过物理改变换能器阵元的排布形状，使得换能器阵元的整体相位满足分数涡旋场相位的要求，进而通过声场叠加形成声涡旋场。在医学成像中，换能器阵元通常是作为超声探头上的的重要组成部分，用于将电能转化为声能并进行发射和接收超声信号。

而为了使得通过超声探头产生的涡旋超声波具有更高的超声成像的深度，通常需要使用较大数量的换能器以获得更高的分辨率和更精确的相位调控能力，虽然能够实现超声探头发出的超声波能够在特定区域集中且提高超声成像深度的效果，但同时也会导致涡旋超声波的产生需要较为复杂的控制系统和庞大的换能器阵元，一方面会导致超声探头的成本较高，另一方面，还会使得产生具有目标参数的涡旋声场的调试过程特别复杂。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种超声探头，旨在通过一个简单的声人工结构对超声换能器发射的涡旋超声波进行调制从而产生一个沿超声波传播方向的长聚焦焦斑，提高超声波的聚焦能力。

为实现上述目的，本发明提出的一种超声探头，包括：

超声换能器，所述超声换能器用于产生旋涡声场状的超声波；和

声人工结构，所述声人工结构设于所述超声换能器的一侧，且位于所述超声波的传播路径上，所述声人工结构包括结构板，所述结构板远离所述超声换能器的一侧的表面开设有螺旋凹槽或螺旋凸起，所述螺旋凹槽或所述螺旋凸起的宽度由其中心向外逐渐增大。

可选地，所述螺旋凹槽的第一螺线r₁和第二螺线r₂或所述螺旋凸起的第一螺线r₁和第二螺线r₂均符合r₁＝r₀e^b(θ+π)和r₂＝(r₀+w)e^b(θ+π)；

其中，r₀为所述第一螺线r₁的初始半径，w为所述第一螺线r₁和所述第二螺线r₂之间的最小宽度，b为所述第一螺线r₁和所述第二螺线r₂的旋转变化量系数，θ为所述第一螺线r₁和所述第二螺线r₂的角度变化量系数。

可选地，所述第一螺线r₁的初始半径r₀符合其中，f为超声换能器的工作频率，c₀为所述超声波在水中的传播速度；和/或

所述最小宽度w符合其中，f为超声换能器的工作频率，c₀为所述超声波在水中的传播速度。

可选地，所述结构板的厚度D₁符合所述螺旋凹槽的深度d₁符合/>其中，f为超声换能器的工作频率，c₀为所述超声波在水中的传播速度；或

所述螺旋凸起的高度d₂符合所述结构板的厚度D₂符合/>其中，f为超声换能器的工作频率，c₀为所述超声波在水中的传播速度。

可选地，所述超声换能器包括依次层叠连接的背衬层、压电层以及匹配层；

所述超声探头还包括支架，所述支架的一侧与所述匹配层连接，所述支架的另一侧连接有所述结构板。

可选地，所述压电层的厚度d₃符合其中，c₁为所述超声波在所述压电层的传播速度。

可选地，所述压电层的材料为压电陶瓷、压电单晶或压电复合材料其中的一种。

可选地，所述匹配层的厚度d₄符合其中，c₂为所述超声波在所述匹配层的传播速度；和/或

所述超声换能器包括多个所述匹配层，多个所述匹配层依次层叠连接，位于两端的所述匹配层分别与所述压电层和所述支架连接。

可选地，所述结构板的材料为树脂材料、亚克力材料、橡胶材料或光刻胶材料的其中一种。

本发明还提供一种超声装置，包括超声探头，所述超声探头包括超声换能器，所述超声换能器用于产生旋涡声场状的超声波；和

声人工结构，所述声人工结构设于所述超声换能器的一侧，且位于所述超声波的传播路径上，所述声人工结构包括结构板，所述结构板远离所述超声换能器的一侧的表面开设有螺旋凹槽或螺旋凸起，所述螺旋凹槽或所述螺旋凸起的宽度由其中心向外逐渐增大。

本发明中，当超声换能器发出的涡旋超声波通过带有螺旋凹槽或螺旋凸起的声人工结构时，由于螺旋凹槽或螺旋凸起各处宽度不同，会使得涡旋超声波在螺旋凹槽里或螺旋凸起内发生特殊衍射且透射声波之间也会发生相互干涉，从而使得涡旋超声波穿过声人工结构后可以会聚于该声人工结构前方的某一点处，进而能够加强涡旋超声波沿传播方向上的聚焦效果，该点位声波能量高，可以进行相应的应用，如超声成像、超声手术或超声刺激等。本发明的超声探头通过一个简单的声人工结构能够给对超声换能器发射的涡旋超声波进行调制，从而产生一个沿超声波传播方向的长聚焦焦斑，能够提高超声波的聚焦能力，相较于现有技术中而言，本申请的超声探头结构较为简单，易于加工，造价低廉，使用灵活。

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，下面将对实施例或现有技术描述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的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明超声探头一实施例的结构示意图；

图2为本发明声人工结构一实施例的俯视图；

图3为图2中声人工结构的侧视图；

图4为本发明超声换能器一实施例的结构示意图。

附图标号说明：

标号	名称	标号	名称
				100	超声探头	2	声人工结构
1	超声换能器	21	结构板
				11	背衬层	22a	螺旋凹槽
12	压电层	22b	螺旋凸起
				13	匹配层	3	支架

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

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的一部分实施例，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作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。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

医学影像作为检查人体健康状况的一种手段，可以将人体组织器官形态展现出来，有效探测人体组织器官是否存在疾病。目前已有多种医学成像技术来检测人体组织器官健康状况。医学超声成像技术的无创、无辐射、仪器适用方便、价格低廉和对软组织鉴别力高等优点，已成为医学诊断疾病的首选方法，成为现代医学成像中不可替代的诊断技术。

当前医学超声成像主要用利用超声探头上的超声换能器发射和接收超声波，通过对超声换能器发射的超声波进行相位和强度调制实现超声波的聚焦。由于声波遇到物体(人工结构)会发生一系列波动效应，例如反射、折射、干涉等多种相互作用，因此可以根据声波的相互作用特性以及声波与不同声学特性的物体发生相互作用产生不同的声波效果的特点，制作特定的声学人工结构以实现声波的调控，最终使超声波在特定区域汇聚。

鉴于此，请参阅图1至图4，本发明公开一种超声探头100，旨在通过一个简单的声人工结构2对超声换能器1发射的涡旋超声波进行调制从而产生一个沿超声波传播方向的长聚焦焦斑，提高超声波的聚焦能力。

本发明提供一种超声探头100，包括声换能器和声人工结构2，超声换能器1用于产生涡旋超声波，声人工结构2设于超声换能器1的一侧，且位于涡旋超声波的传播路径上，声人工结构2包括结构板21，结构板21远离超声换能器1的一侧的表面开设有螺旋凹槽22a或螺旋凸起22b，螺旋凹槽22a或螺旋凸起22b的宽度由其中心向外逐渐增大。

本发明中，当超声换能器1发出的涡旋超声波通过带有螺旋凹槽22a或螺旋凸起22b的声人工结构2时，由于螺旋凹槽22a或螺旋凸起22b各处宽度不同，会使得涡旋超声波在螺旋凹槽22a里或螺旋凸起22b内发生特殊衍射且透射声波之间也会发生相互干涉，从而使得涡旋超声波穿过声人工结构2后可以会聚于该声人工结构2前方的某一点处，进而能够加强涡旋超声波沿传播方向上的聚焦效果，该点位声波能量高，可以进行相应的应用，如超声成像、超声手术或超声刺激等。本发明的超声探头100通过一个简单的声人工结构2能够给对超声换能器1发射的涡旋超声波进行调制，从而产生一个沿超声波传播方向的长聚焦焦斑，能够提高超声波的聚焦能力，相较于现有技术中而言，本申请的超声探头100结构较为简单，易于加工，造价低廉，使用灵活。

需要说明的是，在本发明中，螺旋凹槽22a和螺旋凸起22b其形状均为螺旋结构，只不过螺旋凹槽22a是由结构板21的一侧表面部分下凹形成，螺旋凸起22b是由结构板21的一侧表面部分凸出形成，因此可以理解的是，螺旋凹槽22a的第一螺线和第二螺线与螺旋凸起22b的第一螺线和第二螺线是相对应的，那么，结合图2可以知道的是，上文的“螺旋凹槽22a或螺旋凸起22b的宽度由其中心向外逐渐增大”通俗来说指的就是第一螺线和第二螺线之间的间距大小是从中心向外逐渐增大的。

进一步地，在本申请一实施例中，螺旋凹槽22a的第一螺线r₁和第二螺线r₂或螺旋凸起22b的第一螺线r₁和第二螺线r₂均符合r₁＝r₀e^b(θ+π)和r₂＝(r₀+w)e^b(θ+π)；其中，r₀为第一螺线r₁的初始半径，w为第一螺线r₁和第二螺线r₂之间的最小宽度，b为第一螺线r₁和第二螺线r₂的旋转变化量系数，θ为第一螺线r₁和第二螺线r₂的角度变化量系数。

第一螺线r₁的初始半径r₀符合其中，f为超声换能器1的工作频率，c₀为涡旋超声波在水中的传播速度；和/或，最小宽度w符合/>其中，f为超声换能器1的工作频率，c₀为涡旋超声波在水中的传播速度。

通过上述方法计算得到的螺旋凹槽22a或螺旋凸起22b的宽度，使得声人工结构2可以实现具有精确焦距的聚焦声束，还可以在较大频率范围(该较大频率范围大于超声换能器1自身的工作频率范围)内调节频率，从而相应的调整焦距。当超声换能器1发射的工作频率改变时，声人工结构2的所能聚焦的焦距范围也就随之改变了。

考虑到固定材料对超声波声场的影响，在本申请一实施例中，结构板21的厚度D₁符合螺旋凹槽22a的深度d₁符合/>其中，f为超声换能器1的工作频率，c₀为涡旋超声波在水中的传播速度；或螺旋凸起22b的高度d₂符合/>结构板21的厚度D₂符合/>其中，f为超声换能器1的工作频率，c₀为涡旋超声波在水中的传播速度。也就是说，配合不同工作频率的超声换能器1，螺旋凹槽22a的深度和螺旋凸起22b的高度不同，通过该结构，可以减少固体材料共振对超声波声场的影响，降低焦点周围出现旁瓣现象的概率。

通常情况下，在本申请一实施例中，超声换能器1包括依次层叠连接的背衬层11、压电层12以及匹配层13；超声探头100还包括支架3，支架3的一侧与匹配层13连接，支架3的另一侧连接有结构板21，另外，为使超声换能器1能够将接收到的超声信号用于成像，在背衬层11远离压电层12的一侧还连接有起到信号传输的功能的连接线，连接线连接成像系统。当然，为使超声换能器1能够产生涡旋超声波，超声换能器1可以由几个圆弧形换能器阵元组成，发射和接收声波，进行成像。支架3一般为圆环形，主要是用于固定声人工结构2，保持声人工结构2与超声换能器1之间存在一定的距离，这样可以避免声人工结构2直接接触到超声换能器1，不仅减少能量传递的损失和相互干扰，还可以确保声人工结构2在超声波传播过程中的稳定性。

进一步地，在本申请一实施例中，压电层12的材料为压电陶瓷、压电单晶或压电复合材料其中的一种。压电陶瓷是一种常见的压电材料，具有良好的压电性能和稳定性。常见的压电陶瓷材料包括PZT(铅锆钛酸铁)、PMN-PT(铅镁酸铌钛)等，它们在压电效应方面表现出色，可产生较大的压电效应和电力输出。压电单晶材料也是一种常见的压电材料，具有优异的压电性能和机械强度，常见的压电单晶材料包括PZT-5H(铅锆钛酸铁单晶)、LiNbO3(锂铌酸锂)等，它们在压电效应方面具有优异的性能，能够产生较高的压电效应和电力输出。压电复合材料是由压电晶体和其他材料(如聚合物)组成的复合材料，它们结合了压电材料和其他材料的优点，具有较高的压电性能和机械强度，常见的压电复合材料包括PZT/epoxy(铅锆钛酸铁/环氧树脂)、PVDF(聚偏氟乙烯)等，它们在压电效应方面表现出良好的性能和适应性。在设计和制造压电层12时需要综合考虑材料的压电效应、稳定性、机械性能等因素。

考虑到固定材料对超声波声场的影响，在本申请一实施例中，压电层12的厚度d3符合其中，c1为涡旋超声波在压电层12的传播速度。在本申请另一实施例中，匹配层13的厚度d4符合/>其中，c2为涡旋超声波在匹配层13的传播速度。配合不同工作频率的超声换能器1，压电层12的厚度和匹配层13的厚度不同，通过该结构，可以减少固体材料共振对超声波声场的影响，降低焦点周围出现旁瓣现象的概率。

当然，为保障涡旋超声波的传播路径和传播效果，在本申请一实施例中，超声换能器1包括多个匹配层13，多个匹配层13依次层叠连接，位于两端的匹配层13分别与压电层12和支架3连接，匹配层13在超声换能器1中起到了重要的作用，一般被设计成具有特定的厚度和声学阻抗以实现声能的传递和匹配，匹配层13的材料通常是具有较高声阻抗的材料，如聚酰亚胺或其他高聚合物材料。其中，每一匹配层13的厚度可以根据上述公式进行计算。

本申请还提供一种超声装置，包括超声探头100，其中超声探头100的具体结构请参照上述实施例，由于超声装置采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。带有探头的超声装置一般是一种用于进行超声检测和成像的设备，超声探头100能够产生声波并将其发送到被检测物体中，当声波经过被检测物体后，超声探头100会接收到经过物体反射或散射的声波信号，并将其转换为电信号，然后通过设备进行处理和显示，以生成超声图像或进行其他分析，超声装置广泛应用于医学、工程和材料科学等领域，用于检测和诊断疾病、评估结构完整性、探测缺陷等。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种超声探头，其特征在于，包括：

超声换能器，所述超声换能器用于产生涡旋超声波；和

声人工结构，所述声人工结构设于所述超声换能器的一侧，且位于所述涡旋超声波的传播路径上，所述声人工结构包括结构板，所述结构板远离所述超声换能器的一侧的表面开设有螺旋凹槽或螺旋凸起，所述螺旋凹槽或所述螺旋凸起的宽度由其中心向外逐渐增大。

2.如权利要求1所述的一种超声探头，其特征在于，所述螺旋凹槽的第一螺线r₁和第二螺线r₂或所述螺旋凸起的第一螺线r₁和第二螺线r₂均符合r₁＝r₀e^b(θ+π)和r₂＝(r₀+w)e^b(θ+π)；

其中，r₀为所述第一螺线r₁的初始半径，w为所述第一螺线r₁和所述第二螺线r₂之间的最小宽度，b为所述第一螺线r₁和所述第二螺线r₂的旋转变化量系数，θ为所述第一螺线r₁和所述第二螺线r₂的角度变化量系数。

3.如权利要求2所述的一种超声探头，其特征在于，所述第一螺线r₁的初始半径r₀符合其中，f为超声换能器的工作频率，c₀为所述涡旋超声波在水中的传播速度；和/或

所述最小宽度w符合其中，f为超声换能器的工作频率，c₀为所述涡旋超声波在水中的传播速度。

4.如权利要求1至3任一项所述的超声探头，其特征在于，所述结构板的厚度D₁符合所述螺旋凹槽的深度d₁符合/>其中，f为超声换能器的工作频率，c₀为所述涡旋超声波在水中的传播速度；或

所述螺旋凸起的高度d₂符合所述结构板的厚度D₂符合/>其中，f为超声换能器的工作频率，c₀为所述涡旋超声波在水中的传播速度。

5.如权利要求1至3任一项所述的超声探头，其特征在于，所述超声换能器包括依次层叠连接的背衬层、压电层以及匹配层；

所述超声探头还包括支架，所述支架的一侧与所述匹配层连接，所述支架的另一侧连接有所述结构板。

6.如权利要求5所述的超声探头，其特征在于，所述压电层的厚度d₃符合其中，c₁为所述涡旋超声波在所述压电层的传播速度。

7.如权利要求5所述的超声探头，其特征在于，所述压电层的材料为压电陶瓷、压电单晶或压电复合材料其中的一种。

8.如权利要求5所述的超声探头，其特征在于，所述匹配层的厚度d₄符合其中，c₂为所述涡旋超声波在所述匹配层的传播速度；和/或

所述超声换能器包括多个所述匹配层，多个所述匹配层依次层叠连接，位于两端的所述匹配层分别与所述压电层和所述支架连接。

9.如权利要求1至3任一项所述的超声探头，其特征在于，所述结构板的材料为树脂材料、亚克力材料、橡胶材料或光刻胶材料的其中一种。

10.一种超声装置，其特征在于，包括如权利要求1至9中任一项所述的超声探头。