CN1224840A - 一种超声探头的制作方法,该超声探头及一种超声成像设备 - Google Patents

Abstract

为了降低超声换能器阵列的阻抗,提供一种超声探头,其中在压电材料片32的厚度延伸方向打有许多孔洞34并在这些孔洞的内壁上镀上电极36,这样相邻孔洞间的压电材料壁就产生基于机电耦合系数k₃₁的超声振动。同时还提供了一种使用这种超声探头的超声成像设备。

Description

一种超声探头的制作方法，该超 声探头及一种超声成像设备

本发明涉及一种超声探头的制作方法，该超声探头及一种超声成像设备。更具体地说，本发明涉及一种基于机电耦合系数k₃₁产生超声振动的超声探头的制作方法，该超声探头及使用它的超声成像设备。

当用超声扫描一个对象并根据接收到的回波信号可将物体的内部成像时，超声探头用于发射超声波并接收回波。超声探头有一个超声换能器阵列。这些超声换能器通常用压电陶瓷制作。

单独的超声换能器是在压电陶瓷的前后表面上镀电极，产生超声振动，其中电信号的方向和机械振动的方向相同，即基于机电耦合系数k₃₃产生的超声振动。

为了提高成像的分辨率，将压电陶瓷制成微小单元。所以每一超声换能器单元都是一长条形，其高度多于底边的10倍，并在长条的高端和低端镀上电极。

然而，这种结构的超声换能器其电极之间的阻抗很高，使得很难当发射部件和接收部件用电缆互连时在它们之间获得阻抗匹配。

本发明的目的就是提供一种制作具有低阻抗的超声探头的方法，该超声探头以及使用它的超声成像设备。

根据第一个方面，本发明提供一种制作超声探头的方法，包括如下步骤：首先设置大量的互相平行排列的并沿压电材料片厚度方向延伸的孔洞；沿厚度方向对压电材料片进行极化；在压电材料片的众多孔洞的内壁上分别提供电极。

根据第二个方面，本发明提供一种超声探头，其包括：一压电材料片，沿厚度方向极化并沿厚度方向打很多互相平行的孔洞；在压电材料片上的众多孔洞的内壁上分别设有电极。

根据第三个方面，本发明提供考虑第二方面的所述超声探头还包括两类信号线，它们分别连接到所述多个孔洞中相邻的孔洞上，其中一根是共地信号线。

根据第四个方面，本发明提供一种超声成像设备，其包括：一种超声探头，用于发射超声波透入对象并接收回波；驱动装置，用于提供传输给超声探头的驱动信号；接收装置，用于接收来自超声探头的接收信号；以及图像产生装置，用于产生基于接收装置上的接收信号的图像，其中的超声探头包括：一压电材料片，沿厚度方向极化并在其厚度方向上设很多孔洞；压电材料园片上的这些孔洞的内壁上分别设有电极；分别连接到所述众多孔洞中的相邻孔洞上的两类信号线，其一是共地信号线。

考虑第二至第四方面的所述发明中，优选方案是以二维方式排列孔洞以便很容易地形成二维阵列。(效果)

本发明基于机电耦合系数k₃₁产生超声振动，其中电信号的方向与压电材料片上孔洞之间的壁厚方向一致，同时机械振动的方向与压电材料片的厚度方向一致。因此，极性相反的电极之间的距离就是壁的厚度，这样相对大面积的电极在相对小的距离上极性相反，导致电极间的低阻抗。

从以下描述的本发明的优选实施例中明显可以看出本发明进一步的目的和优势，优选实施例同时在附图中加以描述。

附图简述

图1是根据本发明的一个实施例的超声换能器阵列的结构示意图。

图2是根据本发明的另外一个实施例的超声换能器阵列的结构示意图。

图3是一个图表，描述了根据本发明的一个实施例的超声换能器阵列的制作过程。

图4是根据本发明的一个实施例的设备框图。

图5是根据本发明的一个实施例的设备中的收发器部件的框图。

图6是根据本发明的一个实施例的设备产生的扫描声线的概念图。

图7是根据本发明的一个实施例的设备中的B模式处理部件的框图。

图8是根据本发明的一个实施例的设备中的多普勒处理部件的框图。

图9是根据本发明的一个实施例的设备中的图像处理部件的框图。

发明详述

现参阅附图对本发明的几个实施进一步加以详细叙述。

图1表示一种超声换能器阵列的典型结构。图1(a)是平面视图，图1(b)是沿A-A线的剖视图。

如图所示，使用压电材料园片32形成阵列。园片32由例如PZT类压电陶瓷即锆钛酸铅(Pb(Zr,Ti)O₃)或者PT类压电陶瓷即钛酸铅(PbTiO₃)制成。压电材料园片32沿它的厚度方向极化。

压电材料园片32上有许多互相平行规则排列的沿其厚度方向延伸的孔洞34，且间距均匀。所有这些孔洞34的内壁表面都镀有电极36。为图示方便，孔洞和电极的标识数字都只在一处标出。

在众多的孔洞34中，电极36连接到共地信号线366或者激励信号线368，并因此使电极36具有共地电极362和激励电极364在垂直和如图1(a)的横向方向同时交替排列的形式。

为图示方便，共地电极，激励电极和连接它们的导线的标识数字都只在一处标出。

共地电极和激励电极的这种排列方式使得激励电极364和共地电极362在相邻孔洞间彼此相对，并由压电陶瓷壁分隔开。

这样，在激励电极364上施加一个激励电压就能够在压电材料园片32的厚度方向产生基于机电耦合系数k31的振动。同时，压电材料园片32厚度方向的外加振动能够在激励电极364上产生基于机电耦合系数k31的电压。这即是使用激励电极364和共地电极362间的压电材料壁作为超声换能器。

通过在园片表面上选择位置给激励电极364施加激励电压，可以使压电材料园片32内所需的换能器产生振动。同样，为响应施加于压电材料园片32上一些换能器上的振动，在相应的激励电极364上产生电压。

因此，图1中所示的超声换能器阵列可以看作是一个二维超声换能器阵列。这种二维超声换能器阵列可以通过在压电材料园片32上打许多孔洞34并在这些孔洞的内壁上镀上电极36轻松得到。这种技术极其简便。

在这种超声换能器阵列中，激励电极364和共地电极362极性互相相反，由相邻孔洞间的厚壁分隔开。电极的尺寸相对大于壁厚。或者说，相对小的距离上对置有面积相对大的电极。

因此，电极间的静电容很大，阻抗很小。这使得连接在激励电极364和共地电极362之间的通过电缆连接的换能器驱动部件和接收部件很容易实现阻抗匹配。

尽管图1所示的孔洞是四边形，但是这些孔洞的形状并不仅限定为四边形，它可以是任何适当的形状比如三角形，六边形，圆形或其它任意形状。另外，孔洞34并不限定为如图所示的贯穿性孔洞，它可以是一端封闭的孔洞。还有，更优的作法是在孔洞中填充一些导电材料，因为通过使用导电材料能够使得从激励电极和共地电极上引出信号线非常容易。

另外，超声换能器阵列并不限定为二维阵列，它可以作成一维阵列。如图2所示，一长条形压电材料片上有许多孔洞34，孔洞沿长度方向均匀排列，其内壁表面上镀有电极36。电极36为交替排列的共地电极362和激励电极364。孔洞的内部可以填充导电材料。

现在描述如何制作这种超声换能器阵列。图3是一超声换能器阵列的制作过程示例。该过程是本发明的一个实施例。

如图所示，步骤502首先在压电材料片上打孔。打孔加工使压电材料片32具有贯穿性孔洞34，加工过程使用精细加工技术中公知的适当处理技术，比如基于X射线石版印刷术的LIGA(平版印刷检流计)技术，使用模具的模压技术，或者机械打孔工艺。例如，使用模压技术在一预烧结的压电材料上打孔时，可以先模压打孔，然后进行烧结。

接着，在步骤504中极化压电材料片。极化操作使用压电材料领域中很熟悉的极化设备并在压电材料片32的厚度方向施加极化电压，将压电材料园片32沿其厚度方向极化。

在步骤506中，在孔洞上镀上电极。镀电极是利用已知的技术如蒸汽沉积，溅射或电镀的方法在孔洞34的内表面上镀上一层导电材料如铜或者铝。

在步骤508中，将导线连接到电极上。该步骤利用已知的设备比如导线粘接设备将共地信号线366和激励信号线368分别连接到共地电极362和激励电极364上。

图4表示超声成像设备的框图。该设备是本发明的一个实施例。

现在描述这种设备的结构。如图4所示，该设备具有超声探头2。超声探头2的换能器阵列结构如图1或图2所示。超声换能器阵列形成在例如前向弯的弧形上。也就是说，超声探头2是一个凸形探头。超声探头2由操作者紧挨着对象4使用。

超声探头2连接到收发器部件6。

收发器部件6给超声探头2提供驱动信号以发射超声波透入对象4。收发器部件6还接收来自对象4入射到超声探头2上的回波信号。既然超声换能器阵列中的超声换能器阻抗低，那么与收发器间的阻抗匹配就很容易。

图5表示收发器部件的框图。图中，发射时序发生器线路602周期性地产生发射时钟信号并给发射波束形成器604提供信号。

发射波束形成器604产生一发射波束形成信号，其包括用于驱动超声换能器阵列中的多个超声换能器阵元的多个驱动信号，这些驱动信号具有基于发射时序信号的特定时间延迟，同时发射波束形成器还要为发射/接收门电路606提供信号。

发射/接收门电路606为选择器608提供多个驱动信号。选择器608从超声换能器阵列中选取一些形成发射孔径的超声换能器阵元，并为选取的换能器阵元分别提供驱动信号。

这多个超声换能器阵元根据多个驱动信号中各自的时间延迟产生多个不同相位的超声波。通过对超声波的进行波前合成产生超声波束。超声波束的发射方向由选择器608选择的发射孔径决定。

超声波束的发射在由发射时序发生器602产生的发射时序信号决定的持续时间间隔内重复进行。超声波束的发射方向由选择器608开关发射孔径而连续发生变化。因此，超声波束形成的声线可以扫描对象4的内部。也就是说，对象4的内部由声线以连续方式进行扫描。

选择器608还从超声换能器阵列中选择一些形成接收孔径的换能器阵元，并为发射/接收门电路606提供由选择的换能器阵元接收的多个回波信号。

发射/接收门电路606为接收波束形成器610提供多个回波信号。接收波束形成器610为这些回波信号引入时间延迟以校准它们的相位，然后将这些信号叠加合成接收波束，也就是在接收声线上形成接收回波信号。接收声线通过选择器608进行与发射方式类似的扫描。

超声探头2和收发器部件6扫描的方式例如按图6所示。当从发射点200发射的声线202沿弧线204移动时，在θ方向扫描出一个二维的扇形区域206，形成所谓的凸形扫描。当声线202沿与超声波发射方向(z方向)相反的方向延伸时，所有的声线在点208处相交。点208是它们的发散点。

如果超声换能器是一个如图1所示的二维阵列，通过在垂直于区域206的方向连续改变二维区域206的位置可以进行三维区域扫描。对如图2中所示的一维阵列，通过在垂直于二维区域206的方向上逐渐移动超声探头2进行三维扫描。

收发器部件6连接到B模式处理部件10和多普勒处理部件12。将收发器部件6输出的用于形成各声线的接收回波信号提供给B模式处理部件10和多普勒处理部件12。

B模式处理部件10产生B模式图像数据。如图7所示，B模式处理部件10包括一对数放大线路102和一包络检测线路104。部件10在对数放大器102处将接收的回波信号进行对数放大并在包络检测线路104处检测信号的包络线，以获得代表声线上每一反射点处回波强度的信号，即一个A型信号，它的当前幅度用来作为产生B模式图像数据的亮度值。

多普勒处理部件12产生多普勒图像数据。如图8所示，多普勒处理部件12包括积分检测线路120,MTI(移动目标指示)滤波器122，自相关线路124，平均流速计算线路126，变量计算线路128和功率计算线路130。

多普勒处理部件12在积分检测线路120处对接收的回波信号进行积分检测，在MTI滤波器122处对信号进行MTI处理，在自相关线路124出进行自相关计算，由自相关的计算结果在平均流速计算线路126处计算平均流速，在变量计算线路128处计算流速计算值的变化以及在功率计算线路130处计算多普勒信号的功率。

这样就能够获得每一根声线上的分别表示对象4内部血流的平均流速，流速变化和多普勒信号功率的数据，或者表示其它多普勒信号源(以后称为“血流类”)的数据，即多普勒图像数据。获得的流速是沿声线方向的流速分量。流速的方向能够区分出是靠近还是远离声源的方向。

B模式处理部件10和多普勒处理部件12连接到图像处理部件14。B模式处理部件10，多普勒处理部件12和图像处理部件14是本发明的一个实施例。图像处理部件14基于来自B模式处理部件10和多普勒处理部件12的数据分别建立B模式图像和多普勒图像。

如图9所示，图像处理部件14包括声线数据存储器142，数字扫描转换器144，图像存储器146和图像处理器148，所有这些都由总线140连接在一起。

由B模式处理部件10和多普勒处理部件12提供的每一声线的B模式图像数据和多普勒图像数据分别存储在声线数据存储器142中。

数字扫描转换器144将声线数据空间的数据通过扫描转换转换成物理空间的数据。经数字扫描转换器144转换的图像数据存储在图像存储器146中。也就是说，图像存储器146存储物理空间上的图像数据。图像处理器148对存储在声线数据存储器142和图像存储器146中的数据进行各自规定好的数据处理。

显示部件16连接到图像处理部件14。显示部件16由图像处理部件14提供图像信号并基于这些图像信号显示图像。显示部件具有彩色显示的能力。

以上描述的收发器部件6,B模式处理部件10，多普勒处理部件12，图像处理部件14和显示部件16都连接到控制部件18。控制部件18为它们提供控制信号以控制其操作。来自各个被控制部件的几个状态信号也同时提供给控制部件18。进行B模式操作和多普勒模式操作由控制部件18控制。

操纵部件20连接到控制部件18。操作者操作操纵部件20为控制部件18提供所需要的命令和信息。操纵部件20包括操作面板，比如含有键盘以及其它的操作装置。

现在描述该设备的操作。操作者将超声探头2抵在对象4要检查的部位，并操作操纵部件20进行例如B模式或多普勒模式的成像。

成像过程在控制部件18的控制下通过分时B模式操作和多普勒模式操作进行。例如，通过执行每一次B模式扫描就执行数次多普勒模式扫描来进行联合扫描。

对B模式，收发器部件6通过超声探头2以连续的声线方式扫描对象4的内部并接收回波。B模式处理部件10在对数放大线路102处对来自收发器部件6的接收回波信号进行对数放大，同时在包络检测线路104处检测信号的包络以获得A型信号并基于A型信号产生每一声线的B模式图像数据。

图像处理部件14将来自B模式处理部件10的每一声线的B模式图像数据存储到声线数据存储器142中。这样就在声线数据存储器142中形成用于B模式图像数据的声线数据空间。

对多普勒模式，收发器部件6通过超声探头2以连续的声线方式扫描对象4的内部并接收回波。在此操作中，对每一声线进行多次超声波的发射和接收。

多普勒处理部件12在积分检测线路120处对接收的回波信号进行积分检测，在MTI滤波器122处对信号进行MTI处理，在自相关线路124处计算自相关性，并由自相关的结果在平均流速计算线路126处计算平均流速，在变量计算线路128处计算变量以及在功率计算线路130处计算功率。

这些计算出的值形成多普勒图像数据，它分别表示每一声线上的血流等的平均流速，流速的变化以及多普勒信号的功率。通过使用在每一声线上多次接收回波而得到的接收回波信号，在MTI滤波器122处进行MTI处理。

图像处理部件14为每一声线将多普勒处理部件12提供的多普勒图像数据存储在声线数据存储器142中。这样，在声线数据存储器142中形成多普勒模式数据的声线数据空间。

图像处理器148在数字扫描转换器144处将声线数据存储器中的B模式图像数据和多普勒图像数据分别进行扫描转换，并将转换后的图像数据写到图像存储器146中。这里存储的多普勒图像数据是CFM(彩色血流构图)图像的图像数据和功率多普勒图像的图像数据，CFM图像中的变量与流速相联系。

图像处理器148将B模式图像，CFM图像和功率多普勒图像写到图像存储器146中的不同区域。B模式图像显示扫描平面内的内部组织的断层图像。CFM图像显示扫描平面内血流类的变化率在二维空间的分布。功率多普勒图像显示扫描平面内血流类的位置。

操作者操作操纵部件20在显示部件16上显示比如包含B模式图像和CMF图像的双重图像。这样，血流类的CMF图像彩色显示在内部组织断层图像的B模式图像的背景上。

可以设计许许多多不同的本发明实施例，而不会偏离本发明的精神和范围。所以应当明白，除了后附权利要求书中的定义之外，本发明并仅不限定于说明书中描述的特定实施例。

Claims (5)

1．一种制作超声探头的方法，包括的步骤有：配置许多互相平行排列且沿压电材料片厚度方向延伸的孔洞；沿压电材料片的厚度方向极化压电材料片；以及在压电材料片上众多孔洞的内壁上分别设置电极。

2．一种超声探头，其包括：

一压电材料片，沿厚度方向极化并在其上配有许多互相平行排列且沿厚度方向延伸的孔洞；以及在压电材料上这许多的孔洞内壁上分别设有电极。

3．权利要求2中所述的超声探头，还包括各自连接到这许多孔洞中的相邻孔洞上的两类信号线，其一是共地信号线。

4．权利要求2中的超声探头，其中的孔洞以二维方式分布。

5．一种超声成像设备，其包括：

一种用于发射超声波透入对象并接收其回波的超声探头；

用于给超声探头提供待发射驱动信号的驱动装置；

用于接收来自超声探头的接收信号的接收装置；以及

用于产生图像的图像产生装置，该图像基于接收装置上的接收信号，

其中超声探头包括：

一压电材料片，沿厚度方向极化并在其上配置有许多互相平行排列且沿厚度方向延伸的孔洞；

压电材料片上众多孔洞的内壁上分别配有电极；以及

分别连接到这些孔洞中的相邻孔洞上两类信号线，其一是共地信号线。

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