CN1826631A - 超声波换能器的可变多维变迹法控制 - Google Patents

Abstract

公开了用于超声波换能器阵列(202)的可变多维变迹法控制(200)。可变多维变迹法控制(200)既可应用于基于压电的换能器也可应用于基于MUT的换能器，并能够控制其元件在多于一个维度上排列的超声波换能器阵列(202)的变迹分布图。

Description

超声波换能器的可变多维变迹法控制

技术领域

本发明总体涉及到超声波换能器，更具体地说，其涉及到超声波换能器中的可变多维变迹法控制系统。

发明背景

存在超声波换能器已有相当一段时间，其对询查固体、液体和气体很有用。超声波换能器的一个具体应用是在医学成象领域。超声波换能器可以由压电元件构成或在半导体衬底上制造，在后一种情况下，换能器称之为微加工超声波换能器(MUT)。压电换能器的元件通常由如锆钛酸铅(简略为PET)材料制成，将多个元件进行排列形成换能器组件。使用各种不同的半导体衬底材料制造MUT，得到的电容性非线性超声波换能器大体上包括半导体衬底上由其边缘支持的挠性振动片。通过把接触材料加到振动片(或振动片的一部分)和半导体衬底上，然后再在接触部分上加上适当的电压信号，MUT就可以通电而产生出合适的超声波。同样地，通过加偏压，可以使用MUT的振动片通过吸收反射的超声波能量并将该能量转换为振动片的运动，产生接收超声波信号，然后再产生接收信号。无论是使用压电元件或MUT元件来构成换能器组件，其随后都组装进一外壳内，该外壳可能包括是电子电路板形式的控制电子线路，其组合构成一个超声波探头。这个超声波探头，其可能包括压电换能器元件或多个元件表面与探头本体之间的声学匹配层，可以用来穿过人体组织发送和接收超声波信号。

不管换能器是使用压电元件还是使用MUT元件构成，在使用中都能够依照正在进行成象的类型形成发送和接收信号。这是可能办到的。因为在新式的换能器中，换能器阵列中的每个元件通常都与控制电子线路相连接。在某些成象应用中，最好在任何时候都只使用元件总数的一部分。这称之为控制换能器阵列的孔径。换能器阵列的孔径是指在任意时刻换能器元件为有源元件时的配置。换能器内各元件的电子控制使将要形成的发送和接收信号能为正在进行的成象类型提供适当的信号。例如，通过控制提供给一些或全部元件的发送能量(通常称之为“发送波束形成”)，发送到研究对象的超声波询查脉冲可以形成能提供例如不同深度处的高分辨率。同样地，通过用电子学方法改变接收能量(称为“接收波束形成”)，可以使用接收的能量形成穿过各类不同组织在各种不同深度的优质图象。

通过改变发送能量和使用接收能量能够控制超声波换能器的各种不同成象参数。例如，通过进行发送和接收波束形成，能够改变超声波束的高度和深度来提供各种横向和高度转向角以及各种不同的询查深度。控制换能器元件的一种方法称之为“变迹法”。超声波换能器孔径的变迹是从孔径中心到孔径边缘逐渐减小发送幅度和/或接收增益，结果是波束侧波瓣水平下降。在发送波束中，在询查方向上有主能量波束，而在与主波束方向的可预测角度上有侧波瓣能量。这些侧波瓣使图象中的物体模糊不清，增加了散射干扰，降低了对比度。因此，通常希望使在要求方向上的发送能量最大，而将侧波瓣能量减小到侧波瓣能量不会干扰主能量波束的水平。变迹法以灵敏度和波束宽度来交换波束侧波瓣的水平。

电流超声波换能器被限制在可进行变迹法控制的数量上。通常，电流系统能够允许只在换能器的一个维度上进行变迹控制。在另一维度(假定是二维换能器)上的变迹控制或是没有进行或是该换能器第一维度的不变函数。其他系统通过使用所谓“稀疏阵列”而接近于二维变迹控制，在稀疏阵列中，少于阵列全部元件的元件与发送和接收电子线路相连接。通过从阵列中心向阵列边缘降低有源换能器元件的密度来实现稀疏阵列中的变迹。可惜，稀疏阵列受到制约使换能器阵列中的许多元件不能用于形成变迹图案，因为它们未与发送器和接收器相连接。此外，由于稀疏阵列中的许多元件未连接，故稀疏阵列的最大灵敏度将小于全采样阵列的灵敏度。

在具有固定或有限变迹控制的换能器装置中，对具体的成象应用来说在灵敏度，波束宽度以及波束侧波瓣水平之间的折衷不能实现最优化。此外，固定变迹只有对已知换能器的特定孔径大小才是最佳的。如果使用不同的孔径，那么变迹图案将呈错误的大小。固定的变迹也不能使不同的变迹分布图用于发送和接收孔径。固定的高度变迹把整个孔径变迹限制于可分离(即可分解)成两个函数乘积的函数，一个是只有高度维度的函数，而另一个是只有横向维度的函数。这在数学上称之为孔径两个维度的可分离函数。可分离变迹函数趋向于拥有使侧波瓣能量沿着两个维度集中，由此可分离所述函数，的波束图案。如果侧波瓣能量能够以在主波束周围的圆形对称方式重新分配，那将是有利的。这将会降低总的侧波瓣水平并且甚至摆脱有关邻近该主波束所有区域的侧波瓣能量的影响。建立圆形对称波束图案需要圆形对称孔径变迹，除了几种特殊情况外，使用可分离函数这是不可能的。因此，最好是有一个超声波换能器阵列，在该阵列中变迹函数可以是二维的不可分函数。

在使用稀疏阵列来提供只基于有源元件密度的孔径固定变迹时，它们有与具有固定高度变迹的换能器的大多数同样缺点。因而把这些缺点扩展到换能器的两个维度。另外，稀疏阵列中的幅度控制往往是粗略的，只取决于有源元件的密度。可以控制稀疏阵列中有源元件的发送和接收幅度，但是只有实际上与发送/接收电子线路相连接的那些元件可以使用，因而限制了可用来规定变迹图案的精度。此外，由于孔径的欠采样，虽然稀疏阵列有助于改善接近转向角处的阵列侧波瓣性能，但在较大转向角处的侧波瓣性能却大大地降低了。

因此，最好是有一个在其中能够进行可变多维变迹控制的超声波换能器阵列。

概述

超声波换能器阵列的可变多维变迹控制使超声波换能器阵列的所有维度都有可变变迹控制。可变多维变迹控制既可应用于基于压电的换能器也可应用于基于MUT的换能器，并能够控制其元件在多于一个维度上排列的超声波换能器阵列的变迹分布图。

本发明的其他系统，方法，特点，以及优点对本领域熟练的技术人员一经研究下述附图和详细说明就将会是或将变成显而易见的。意图在于使所有这些附加的系统，方法，特点和优点都包括在本说明之内并且都在本发明的范围之内，以及都受到所附权利要求的保护。

附图说明

如权利要求中所限定的那样，参照下述附图可以对本发明有更好的了解。附图中的部件相对于彼此不一定是按比例的，而重点是放在清楚地说明本发明的原理。

图1A是图解说明，其示出了超声波换能器阵列的波束曲线图，该阵列中在孔径内的所有换能器元件都用同一输入信号均匀地激励。

图1B是图解说明，其示出超声波换能器阵列的波束曲线图，阵列中已将变迹控制加到孔径上。

图2是示意图，其说明根据本发明实施方案之一种情况建立的变迹控制系统。

图3是图解说明，其示出改变图2中二维超声波换能器阵列的关于孔径深度的变迹控制的变化对超声波束的影响。

图4A是图解说明，其示出已加上可分离变迹函数之换能器的变迹分布图。

图4B是图解说明，其示出图4A可分离变迹函数的波束图案。

图5A是图解说明，其示出已加上不可分变迹函数之换能器的变迹分布图。

图5B是图解说明，其示出图5A不可分变迹函数所产生的波束图案。

图6是示意图，其说明图2中接收波束形成器的另一实施方案。

具体实施方式

以下将要说明的本发明可用于所有类型的超声波换能器元件。此外，为了使下述说明简化，只对超声波换能器的主要元件和有关的控制电路予以说明。

在讨论本发明之前，简要的讨论超声波换能器孔径和变迹控制将是有用的。因此，图1A和1B共同地说明了发送变迹孔径控制的作用。

图1A是图解说明100，其示出超声波换能器阵列的波束曲线图，阵列中在孔径内的所有换能器元件都用同一输入信号均匀地激励。波束曲线图说明了从超声波换能器发出的发送信号。波束曲线图包括位于近似0°波束转向角的主波瓣102。虽然大部分超声能量都引导在0°波束转向角的正或负几度之内而形成主波瓣102，但也有能量引导在-90°与+90°之间。这种远离0°的能量表现为波束曲线图中的侧波瓣104。如图1A所示，靠近主波瓣102的侧波瓣104的幅度比距主波瓣102更远的侧波瓣104的幅度要高。当超声波换能器阵列孔径内的每个元件都用如由换能器元件变迹曲线图108所示的同样幅度信号均匀激励时，就产生了波束曲线图100。曲线图108说明了换能器阵列中每个元件都用相同幅度激励信号激励时的情况。减少靠近主波瓣102的侧波瓣能量的一种方法是调节孔径的变迹。图1B中说明了具有这种变迹的一个孔径实例。

图1B是图解说明150，其示出超声波换能器阵列的波束曲线图，阵列中已将变迹控制加到孔径上。在图1B中，主波瓣152的幅度比图1A主波瓣102的幅度低，而且还显示出波束宽度156，其比图1A主波瓣102的波束宽度106要宽。主波瓣152具有比图1A主波瓣102更宽的波束宽度和更低的幅度，从而导致换能器灵敏度较低。但是，图1B所示配置的好处之一是侧波瓣154的水平大大低于图1A侧波瓣104的水平。出现这种情况是因为已经将变迹加到了孔径内的换能器元件上。

借助图1B所示的变迹分布图，朝向孔径中心的元件以全强度发送，而朝向孔径边缘的元件则以减低的强度发送，由此形成的超声波换能器孔径使侧波瓣能量大大减低。利用变迹曲线图158对这种变迹分布图进行了说明。虽然是使用发送函数进行的说明，但孔径的这种变迹控制对接收周期也是有效的。为了控制对接收周期的变迹，加在超声波换能器阵列内各元件上的各个增益要根据所要求的变迹分布图而改变。

图2是示意图，其说明根据本发明实施方案之一种情况而建立的变迹控制系统200。变迹控制系统200使用多维换能器阵列202。在图2所示的实施方案中，换能器阵列202被画成为包括多个超声波换能器元件的二维换能器阵列，其典型元件用参考数字208，212和214说明。

超声波换能器元件208，212和214排列在行和列内，其典型行列分别用参考数字204和206说明。这种配置有时称之为矩阵阵列。不过，也可能有其他的换能器元件配置。虽然是使用平面8×14阵列超声波换能器元件进行的说明，但本发明的思想适用于任何二维超声波换能器阵列配置，该二维超声波换能器阵列包括两个维度其中之一或两者是弯曲的配置。例如，可能有表面为圆柱形、球形、环形，或其他曲线形表面的二维换能器阵列，而且可以从本发明优选实施方案某些方面的思想得到益处。因为阵列的曲度将阵列弯曲成为第三维度，这样的换能器阵列也可以看成是三维的，而且其变迹控制也可以看成是三维的。

按照本发明优选实施方案的一种情况，多维换能器阵列200中元件208，212和214中的每一个都是单独可控的。特别是，换能器元件208，212和214中的每一个都能够起发送元件以及接收元件的作用，并且能接收单独的控制信号。例如，超声波换能器元件208通过连接线216接至发送/接收(T/R)开关218。T/R开关218受控制器272的信号(未示出)控制使换能器元件208能以发送方式和接收方式工作。

当超声波换能器元件208用在发送方式时，超声波换能器元件208经过连接线224，可变放大器222以及连接线226从发送波束形成器228接收发送脉冲。使用可变放大器222来限定加到超声波换能器元件208上发送脉冲的特性，而放大器则由幅度控制器220经连接线230进行控制。虽然为简化起见而予以省略，二维换能器阵列202中的每个元件都包括有类似的受控可变放大器。当超声波换能器元件208用在接收方式时，打到超声波换能器元件208表面上的超声波能量转换成为电信号。该电信号经连接线216通过T/R开关218(其现在使用控制器272的控制信号与连接线244相连接)进行传递，使接收信号加到可变增益放大器246上。可变增益放大器246将电接收信号放大并将信号通过连接线248传给延时元件284。

类似地，超声波换能器元件212经连接线236接收发送脉冲并将接收信号经过接线238传给可变增益放大器242。可变增益放大器242将该接收信号经连接线252传给延时元件282。类似地，超声波换能器元件214通过连接线258，开关256和连接线254接收发送信号，而接收信号则通过连接线254，开关256以及连接线262传给可变增益放大器264。可变增益放大器264将放大的接收信号经过连接线266传给延时元件278。这样，多维换能器阵列202中的每个元件都受到控制，由此对多维换能器阵列202中的各元件能进行全变迹控制。

可变增益放大器264，242和246，以及延时元件278，282和284都装在接收波束形成器276里而。虽然所示出的只有三个可变增益放大器和三个延时元件，但是接收波束形成器276对多维换能器阵列202中的每个超声波换能器元件都包括有足够的放大器和延时元件电路(以及其他处理电路)。此外，用接收波束形成器276能够完成多路传送，子波束形成，以及其他信号处理技术。不过，为易于说明，图2中的接收波束形成器只包括有三个延时元件。

接收波束形成器中的各放大器通过连接线280受发自控制器272的信号的控制。连接线280上的该信号决定了由各可变增益放大器264，242和246所施加的接收增益。各放大器所施加的增益可以改变。类似地，各延时元件278，282和284通过连接线274由发自控制器272的信号进行编程。这一控制信号决定了各延时元件278，282和284加到其各自接收信号上的延时量。这样，接收孔径的变迹能够以高精确度加以控制，因为二维换能器阵列202中的各超声波换能器元件208，212和214都与各自的可变增益放大器246，242和264相连接。另外，各可变增益放大器从控制器272接收信号，该信号确定加到各接收信号上的增益。

延时元件278，282和284的输出分别经连接线286，288和292传给求和元件294。求和元件294将这些输出组合起来并通过连接线296将波束形成信号传给另外的处理元件，如微处理机处理电路，显示电路，及其他控制电路(未示出)。在其他配置中，可变增益放大器264，242和246可分别置于延时元件278，282和284之后。另外，延时元件278，282和284的输出可以组合成子阵列，并且可变增益可以在该子阵列信号通过其各自延时之前或之后而被施加到每个子阵列，而该子阵列信号通过的各自延时是在求和元件294之前。

具有单独可控换能器元件208，212和214的多维换能器阵列202使变迹图案在多个维度上可以改变。特别是，多维换能器阵列202的变迹相对于阵列内的各元件位置能够单独地进行控制。有了对整个孔径的完全控制，变迹控制系统200使孔径的波束曲线图能以高精确度进行控制。

此外，图2中所示的排列能够使全采样、可控制、任意(不加限制规定的)多维的变迹分布图应用于多维换能器阵列202。术语“全采样”涉及到单独可控的各超声波换能器元件208，212和214。在这种排列中，不存在多维换能器阵列202之各别元件将不接收发自控制器272的某种控制信号的情况。多维换能器阵列孔径的变迹是该孔径两个维度的任意的、全采样、可控制函数。可以调整变迹来适应有源孔径的大小，并且可改变变迹数量来适合改变成象条件。

此外，变迹可以在发送与接收周期之间加以改变，或可在不同接收周期期间加以改变。而且，多维换能器阵列202可被部分采样，在这种情况下并非每个元件都是有源孔径的组成部分。再有，变迹可能是孔径两个维度的函数f(x，y)，该函数不能表示成为一个函数只是孔径一个维度的函数而另一个函数只是孔径另一个维度函数的两个简单函数的乘积g(x)×h(y)。这在数学上称之为两维度不可分函数。不可分变迹函数包括作为子集的大多数圆对称函数。圆对称变迹函数的优点在于波束侧波瓣能量分布在圆对称图案中，因而更均匀，而且一般比可分离变迹函数的水平要低。在下面关于图5A和5B将对此予以说明。

图3是图解说明300，其示出改变图2中多维超声波换能器阵列202的关于孔径深度的变迹控制变化对超声波束的影响。竖直轴代表孔径的仰角。水平轴代表成象深度。曲线304说明使用大孔径成象时的情况。如所示，宽域在由点C表示的一定深度会聚成一狭窄象域，然后再发散。这种配置对深成象是有用的。

另一方面，曲线302说明使用小孔径成象时的情况。如曲线302所示，在比曲线304深度浅、由点a表示的感兴趣深度出现了窄得多的波束。这种孔径对在较浅深度成象有用。此外，按照本发明优选实施方案的一种情况，可能希望使使用单个发送脉冲所能得到的感兴趣深度范围最大。通过利用孔径的大小和变迹来发送可以使感兴趣的深度范围最大，其波束特性介于曲线302和曲线304间的中间、例如曲线303。曲线303在点b处聚焦。因此，使用由曲线302代表的窄波束(即，小孔径)，然后使用与返回回声到达时间同步的曲线304再增加到所说明的较大孔径就能够开始接收周期。这种工作方式称之为动态接收变迹。如此，由孔径来接收发自每个感兴趣深度的接收信号，其对该深度的波束宽度变得最小，而使得到良好波束特性的深度范围变得最大。各深度处的净有效接收波束由接收孔径的变迹和用于接收由曲线302，303和304所说明深度的信号的波束形成延时来决定。这样，如斜阴影线所示的感兴趣深度范围就能够达到最大。

图4A是图解说明，其示出已经加上可分离变迹函数之换能器的变迹分布图。如图4A中所示，变迹分布图400为可分离函数，其可表示成两个简单函数的乘积g(x)×h(y)，其中一个只是孔径一个维度的函数，而另一个只是孔径另一维度的函数。但可惜的是，当被限制于可分离变迹函数时，便不可能建立圆形的变迹分布图。

图4B图解说明，其示出图4A可分离变迹函数的波束图案。如图4B所示，波束图案420包括由可分离变迹函数产生的不连接的侧波瓣424。

图5A是图解说明，其示出已经加上不可分离变迹函数之换能器的变迹分布图。如图5A所示，变迹分布图500为孔径两个维度之复合函数f(x，y)的函数。如图5A所示，在使用不可分离变迹函数时能够建立圆形孔径。

图5B是图解说明，其示出图5A不可分离变迹函数所产生的波束图案。波束图案520包括相对于波束图案520呈圆形排列的侧波瓣524。这样，可以使用不可分离变迹函数来产生圆形对称的波束图案。圆形对称变迹函数的优点在于，波束侧波瓣能量分布在圆对称图案上，因此更均匀，而且其水平通常也比可分离变迹函数时要低。

图6是示意图，其说明图2中接收波束形成器的另一实施方案。图6中的接收波束形成器600包括多个延时元件，其中的三个使用参考数字602，604和606表示。各延时元件经过连接线266，252和248从各自的换能器元件接收输入。输入266，252和248与分别从图2中可变接收放大器264，242和246接收的输入相同。但是，在接收波束形成器600中，线路612，614和616上各延时元件602，604和606的输出分别形成为子阵列。子阵列信号传给可变增益放大器622。虽然为简化起见在图6中省略掉了，但类似的子阵列信号还是传给了可变增益放大器624和626。还有，能够把许多另外的子阵列信号传给许多另外的可变增益放大器，其详细情况也在图6中省略了。

各可变增益放大器622，626和626的输出分别通过连接线628，630和632传给求和元件634。求和元件634将所有波束形成的子阵列信号相加并且将单一波束形成的输出传给连接线636。另外，在接收波束形成器600的其他可供选择的实施方案中，可变增益放大器可以设置在延时元件之前，并且可变增益放大器的输出在加到延时元件之前可以组合成子阵列信号。在这种实施方案中，由于另外的延时元件是在可变增益放大器降低了延时元件602，604和606的延时要求之后(或之前)，故可以用模拟电路经济地实现这些延时元件。在合理数量的子阵列形成时，将有数量更少的大延时加到各子阵列上。当然，在这种实施方案中，在最终延时和求和之前，子阵列信号可以转换成数字形式。

对本领域的熟练技术人员将会明显看到，如上所述，对本发明的优选实施方案可以进行许多修正和改动而又基本上不偏离本发明的原则。例如，可以利用本发明来提供具有微加工超声波换能器元件或压电元件的超声波换能器中的可变和可选择二维变迹控制。如下面权利要求中所规定的，所有这些修正和改动都包括在本发明的范围之内。

Claims (10)

1.提供超声波换能器中多维变迹控制的装置(200)，其包括：

-超声波换能器阵列(202)，它有分布在至少两个维度上的多个单独可控的超声波换能器元件(208，212，214)；及

-控制电路(272，242，246，264)，它与各单独可控超声波换能器元件(208，212，214)相关联，其被配置成能允许选择超声波换能器阵列(202)孔径的所有维度上的变。

2.权利要求1的装置(200)，其中超声波换能器阵列(202)还包括微加工超声波换能器(MUT)元件。

3.权利要求2的装置(200)，其中MUT元件排列在矩阵阵列(202)中。

4.权利要求1的装置(200)，其中与各单独可控超声波换能器元件(208，212，214)相关联的控制电路(272，242，246，264)能提供超声波换能器阵列(202)孔径所有维度上部分采样的任意变迹。

5.权利要求1的装置(200)，其中与各单独可控超声波换能器元件(208，212，214)相关联的控制电路(272，242，246，264)能提供超声波换能器阵列(202)孔径所有维度上全采样的任意变迹。

6.权利要求1的装置(200)，其中超声波换能器阵列(202)孔径所有维度上的选择变迹在发送周期和接收周期之间变化。

7.权利要求1的装置(200)，其中超声波换能器阵列(202)孔径所有维度上的选择变迹为超声波换能器阵列(202)多维度的不可分离函数。

8.权利要求1的装置(200)，其中超声波换能器阵列(202)孔径所有维度上的选择变迹形成了稀疏采样孔径，该孔径具有任意大小，形状和采样。

9.权利要求1的装置(200)，其中超声波换能器阵列(202)至少一个维度是弯曲的。

10.超声波换能器中变迹的控制方法，其包括：

-提供超声波换能器阵列(202)，它具有多个至少分布在两个维度上的单独可控超声波换能器元件(208，212，214)；及

-控制多个单独可控超声波换能器元件(208，212，214)中的每个元件来提供超声波换能器阵列(202)孔径所有维度上的选择变迹。

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