TWI662540B - 具有超音波透鏡與整合中央匹配層的高頻超音波轉換器 - Google Patents

具有超音波透鏡與整合中央匹配層的高頻超音波轉換器 Download PDF

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TWI662540B
TWI662540B TW104107859A TW104107859A TWI662540B TW I662540 B TWI662540 B TW I662540B TW 104107859 A TW104107859 A TW 104107859A TW 104107859 A TW104107859 A TW 104107859A TW I662540 B TWI662540 B TW I662540B
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Abstract

在此公開被配置為用於與高頻超音波診斷成像系統一起使用的高頻超音波轉換器。在一實施方式中，超音波轉換器包括具有在中央部分處具有平均厚度的凹透鏡，該平均厚度基本上等於超音波轉換器的中央頻率的1/4波長的奇數倍。

Description

具有超音波透鏡與整合中央匹配層的高頻超音波轉換器
專利和專利申請通過引用併入
以下專利也通過引用的方式整體併入：2003年12月15日提交的美國專利號7052460，標題為“SYSTEM FOR PRODUCING AN ULTRASOUND IMAGE USING LINE-BASED IMAGE RECONSTRUCTION”；2003年10月10日提交的美國專利號7255648，標題為“HIGH FREQUENCY,HIGH FRAME-RATE ULTRASOUND IMAGING SYSTEM”；2005年4月20日提交的美國專利號7230368，標題為“ARRAYED ULTRASOUND TRANSDUCER”；2006年3月2日提交的美國專利號7808156，標題為“ULTRASONIC MATCHING LAYER AND TRANSDUCER”；2006年11月2日提交的美國專利號7901358，標題為“HIGH FREQUENCY ARRAY ULTRASOUND SYSTEM”；以及2009年9月18日提交的美國專利號8316518，標題為“METHODS FOR MANUFACTURING ULTRASOUND TRANSDUCERS AND OTHER COMPONENTS”。
本公開的技術通常涉及超音波轉換器和醫學診斷成像的領域。更具體地，本公開的技術涉及高頻超音波轉換器和被配置為與其一起使用的聲透鏡。
超音波轉換器提供用於將電能轉換成聲能，以及反之亦然的方法。當電能是射頻(RF)信號的形式時，轉換器可以產生具有與驅動電RF信號相同的頻率特性的超音波信號。常規的臨床超音波轉換器典型地在頻率範圍從小於1兆赫茲(MHz)至約10MHz的中央頻率上工作。在1-10MHz的頻譜內的超音波一般提供對生物組織成像的方法，其具有的解析度範圍是從數毫米到一般大於150微米，並且深度從幾毫米至大於10釐米。
與此相反，高頻超音波(HFUS)轉換器通常是具有中央頻率高於15MHz並且範圍超過60MHz(例如，15MHz，20MHz，25MHz，30MHz，40MHz，50MHz，60MHz)的超音波轉換器。HFUS轉換器相較於在較低頻率(例如，小於15MHz)工作的轉換器提供更高的解析度，儘管其限制了穿透的最大深度。其結果是，HFUS轉換器可以在範圍從，例如，零點幾毫米(例如，0.25mm，0.5mm，0.75mm)至3cm或更大(例如，4釐米)的深度對生物組織成像，並具有解析度，例如，從約20微米至約200微米。
例如，對於在小於10MHz的頻率工作的轉換器，各種透鏡材料都是可用的，以產生凸透鏡，它們基本上與將被成像的介質(例如，主體中的組織)是聲學阻抗匹配的。這些轉換器接收的聲能通常是通過透鏡材料幾乎完全被傳送以由轉換器接收，而幾乎沒有能量反射回介質，並且因此沒有創建多路徑偽像。此外，本領域技術人員將理解，具有非常匹配的透鏡材料的精心設計 的轉換器將不會在透鏡本身內表現出多重反射。然而，在HFUS轉換器的情況下，由於顯著地較高的聲衰減，很少有材料適合於構造聲透鏡。如本領域普通技術人員將理解的，在聚合物中的聲衰減趨向於與頻率呈指數增加。因此，在聚合物內在20MHz的超音波能量的聲衰減可以是比在相同的聚合物內在10MHz以及更低的超音波能量的聲衰減高出一個數量級(例如，10倍以上，20倍以上，100倍以上)。
可以有與製造HFUS轉換器相關聯的很多挑戰，這些挑戰當與在低於約10MHz的頻率工作的傳統的臨床超音波轉換器一起工作時還沒出現。那些本領域普通技術人員將理解，與超音波轉換器相關聯的結構(例如，轉換器層，匹配層，透鏡)通常是以與轉換器的工作頻率成反比的方式縮放。例如，50MHz的轉換器將具有比5MHz的轉換器小10倍的結構。在許多情況下，具有較低頻率的轉換器(例如，小於約10MHz)中使用的材料或技術不能被縮小到適合於在HFUS轉換器中使用的尺寸和/或形狀。因此，可能需要在HFUS轉換器的製造中開發或調整新技術。在其他情況下，當處理與HFUS轉換器相關聯的更高的射頻電子和聲頻信號時存在完全嶄新的要求。
本發明的一實施例提供了一種超音波轉換器疊層，包括：轉換器層，其被配置成以中央頻率傳送超音波能量；以及透鏡層，其具有在該轉換器層下面的上表面，其中該透鏡層的至少一部分在垂直於該轉換器的軸線方向的方向上具有凹面彎曲，並且其中該透鏡層的中央部分具有平均厚度，其基本上等於該轉換器層的該中央頻率的1/4波長的奇數倍。
本發明的另一實施例提供了一種超音波系統，包括：超音波成像系統；以及超音波轉換器探頭，其被耦接到該成像系統並被配置為朝向主體傳送超音波並從該主體接收超音波能量，其中該超音波轉換器探頭包括：一個或多個轉換器元件，其被配置為在中央工作頻率工作；以及透鏡層，其中該透鏡層的至少一部分在垂直於該轉換器的軸線方向的方向上具有凹面彎曲，並且其中該凹面彎曲的中央部分具有平均厚度，其基本上等於該一個或多個轉換器元件的該中央工作頻率的1/4波長的奇數倍。
本發明的又一實施例提供了一種構造超音波轉換器的方法，包括：製造聲透鏡層，其具有中央曲部和兩個平坦側部，其中製造該曲部包括製造中央部分，其具有中點和兩個端點，使得該中央部分在該中點處具有第一厚度以及在該兩個端點的每一個處具有第二厚度，並且其中該第一厚度和該第二厚度的平均數基本上等於該超音波轉換器的該中央頻率的1/4波長的奇數倍；以及將該透鏡層粘合到匹配層，該匹配層可操作地耦接到轉換器層。
本發明的再一實施例提供了一種超音波轉換器疊層，包括：轉換器層，其包括一個或多個超音波轉換器元件，其被配置成在15MHz或更高的中央頻率上工作；匹配層，其可操作地耦接到該轉換器層；以及聲透鏡，其具有前表面和後表面，其中該透鏡的該後表面被附接到該匹配層，其中該前表面包括兩個平坦側部以及中央曲部，其相對於該轉換器疊層在高度方向上於其間延伸，其中該中央曲部相對於該轉換器疊層在軸線方向上的第一厚度小於該中央頻率的1/4-波長的奇數倍，其中該中央曲部的該厚度在高度方向上向外增加第一距離到端點，其在該軸線方向上具有大於該中央頻率的1/4-波長的奇數倍的第二厚度，並且其中該中點和該端點之間的該中央曲部的該軸線方向上的該平均厚度基本上是所述中央頻率的 1/4波長的奇數倍。
100‧‧‧超音波系統
102‧‧‧成像處理系統
104‧‧‧超音波探頭
106‧‧‧鏈路
110‧‧‧轉換器
210‧‧‧超音波轉換器疊層
220‧‧‧透鏡
221‧‧‧中央線
222‧‧‧曲部
224a‧‧‧第一側部
224b‧‧‧第二側部
226‧‧‧中央部分
227‧‧‧外表面
228‧‧‧後表面
229a‧‧‧第一外表面
229b‧‧‧第二外表面
232‧‧‧中點
234a‧‧‧第一端點
234b‧‧‧第二端點
236a‧‧‧中間點
236b‧‧‧中間點
240‧‧‧第一匹配層
250‧‧‧第二匹配層
255‧‧‧第三匹配層
260‧‧‧轉換器層
380‧‧‧轉換器
382‧‧‧轉換器層
384‧‧‧匹配層
386‧‧‧聲透鏡
388‧‧‧下表面
390‧‧‧主體
392‧‧‧皮膚線
422‧‧‧曲部
426‧‧‧中央部分
480‧‧‧轉換器
參照以下附圖將更完整地理解本發明，其被併入且構成此說明書的一部分，並與說明一起用於說明該公開的技術。
圖1是根據公開的技術的一個或多個實施方式被配置的超音波成像系統的示意圖。
圖2A是根據公開的技術的一個或多個實施方式被配置的轉換器疊層的橫截面示意圖。
圖2B是圖2A的P部分的放大視圖。
圖3是現有技術的轉換器的示意性側視圖。
圖4是根據公開的技術的一個或多個實施方式被配置的轉換器的示意性側視圖。
常規的HFUS轉換器典型地包括硬塑膠聲透鏡，其被成形和/或形成為凹透鏡以聚焦轉換器的高度維度。合適的HFUS透鏡材料可以包括，例如，聚甲基戊烯(例如，TPX®)，交聯的聚苯乙烯(例如，Rexolite®)，以及聚苯並咪唑(例如，Celazole®)，所有這些都在頻率大於約15MHz時具有相對低的衰減。然而由適合HFUS使用的材料製成的聲透鏡，也可以具有與將被成像的主體的聲阻抗基本上不同或者顯著不同(例如，10%不同，25%不同，50%不同)的聲阻抗。當超音波能量從轉換器被傳送並在轉換器處接收以形成超音波圖像時，在透鏡和主體之間產生的聲阻抗失配(例如，0.1兆瑞利，0.3兆瑞利，0.5 兆瑞利，1兆瑞利，2兆瑞利的差)會導致多路徑成像偽像。在透鏡前面相對於耦合介質或物件的聲阻抗失配也可能導致內透鏡反射和/或透鏡反射偽像，其可以降低超音波轉換器的軸向解析度。
多路徑或多次反彈偽像可能會導致明亮的鏡面反射器的重像，其出現在鏡面反射的真實圖像的下方相等的深度。例如，主體的皮膚線可以在圖像中深度為4mm處成像，並導致在8mm深度處的多路徑偽像。那些本領域普通技術人員將理解，當從轉換器發射的超音波能量撞擊大致垂直於超音波波的路徑的強鏡面反射器(例如，主體的皮膚線)時，這種偽像可以被產生。被發射的超音波能量的一部分(例如，5%，10%)可以從鏡面反射器被反射朝向轉換器透鏡，因此，如果透鏡不與傳輸介質(如凝膠，水)基本上聲學匹配，則第二反射可能會發生。然後第二反射可以第二次傳播回鏡面反射器，其中再次地發生鏡面反射並且由轉換器再次地接收聲能量。這種反射的層疊可導致一系列多路徑偽像出現在超音波圖像中。這種部分反射可以反復發生直到沒有顯著的能量保持在反射中。一種減輕成像偽像的方法可以包括在聲透鏡的外表面放置聲匹配層。但是，在其外表面上具有匹配層的透鏡可能非常難以製造，而且在許多情況下，與在較高頻率(例如，大於約15MHz)工作的超音波轉換器一起使用是不實際的。
例如，由內透鏡多重反射引起的透鏡反射偽像可以是類似於上面描述的多路徑偽像。但是，內透鏡反射完全是發生在透鏡材料內的，並且可以由透鏡的外表面和聲學耦合介質或被成像的物體之間的聲學不匹配引起。當聲脈衝離開轉換器並進入主體時，部分回波在透鏡的前面被產生。然後這個回波在轉換器的聲學疊層中的任何內部聲學不匹配之間迴響，諸如透鏡的背面。如本領域普通技術人員將理解的，將盡力作出使該透鏡的背表面與轉換器的聲學疊層聲學匹配，通常通過使用某種形式的聲匹配層。然而，由於HFUS透鏡材料 的低衰減，即使是來自背表面/疊層介面的很小的反射也能引起透鏡反射偽像。透鏡反射偽像的效果是有效地延長轉換器的脈衝，因為每個反射回波成為主轉換器脈衝的一部分，從而由轉換器接收到任何回波。
圖3是現有技術的轉換器380的示意圖，其示出了上述內透鏡反射和反射偽像的一示例。轉換器380包括轉換器層382，匹配層384和具有下表面388和厚度T的聲透鏡386。轉換器380通過主體390(例如，人類患者、動物)的皮膚線392傳送和接收超音波能量(例如，15MHz或更高的高頻超音波)。轉換器層382被配置成傳送主超音波信號S進入到主體390，並且接收超音波回波S'，其用於形成超音波圖像。
第一、第二和第三反射R1，R1'和R1"示出上述的多路徑偽像的一示例。皮膚線392反射信號S一部分(例如，5%，10%，20%)，從而形成第一反射R1。該第一反射R1返回朝向轉換器層382傳播，它將第一反射R1的一部分(例如，5%，10%，20%)返回朝向主體反射，從而形成第二反射R1'。皮膚線392將第二反射R1'的一部分返回朝向轉換器層382反射，從而形成所述第三反射R1"。該轉換器層382接收回波S'，連同第一反射R1和第三反射R1"的部分，所有這些都由成像處理器(未示出)組合以形成超音波圖像。如本領域普通技術人員將理解的，反射R1和R1"會導致在超音波圖像中不希望的偽像。
第一、第二和第三反射R2，R2'和R2"示出了上述內透鏡反射偽像的一示例。透鏡386的下表面388反射信號S的一部分(例如，5%，10%，20%)，從而形成第一反射R2。第一反射R2返回朝向轉換器層382傳播，其將第一反射R2的一部分(例如，5%，10%，20%)返回朝向主體反射，由此形成第二反射R2'。透鏡386的下表面388將第二反射R2'的一部分返回朝向轉換器層382反射，從而形成所述第三反射R2"。轉換器層382接收回波S'連同第一反射R2和第三反射R2"的部分的組合來形成超音波圖像。反射R2和R2"可導致在超音波圖像中的 不希望的偽像。在許多情況下，反射類似於R1，R1"，R2和R2"可以在同一超音波圖像中引起偽像，從而可顯著降低圖像品質。
圖4是根據公開的技術的一個或多個實施方式被配置的轉換器480的示意性側視圖。轉換器480包括透鏡486，具有曲面422和中央部分426。該中央部分426具有的平均厚度約等於轉換器480的中央頻率的四分之一波長的奇數倍(例如，1/4波長，3/4波長，5/4波長，7/4波長)。信號S2被傳送入主體390內。皮膚線392反射信號S2的一部分，以形成第一反射R3，且曲部422反射信號S2的一部分，以形成第二反射R4。與以上討論的反射R1和R2相反，第一反射R3和第二反R4不是鏡面反射，因而不會傳送回轉換器382。因此，透鏡486可以顯著減少在HFUS圖像中的偽像，如以上參考圖3討論的內透鏡和多路徑反射。
所公開的技術可以提供如上所述的在HFUS轉換器內的多路徑偽像(例如，內透鏡反射偽像、外部多次反射偽像)的減少。本公開的一個方面中，超音波轉換器包括聲透鏡，其中透鏡的中央部分(例如，透鏡的兩個端部之間的透鏡的凹面形狀的最薄的部分)的厚度為大約是轉換器中央頻率的波長的分數部分。例如，在一些實施方案中，透鏡中央部分可具有的平均厚度大約等於轉換器的中央頻率(例如，15MHz，20MHz，25MHz，30MHz)的四分之一波長的奇數倍(例如，1/4-波長，1/4-波長，5/4-波長，7/4波長)。將上述的透鏡併入到超音波轉換器上使得透鏡的中央部分有效地將額外的匹配層(例如，四分之一波長匹配層)添加到轉換器的前面。因此所公開的技術提供了具有相對於垂直入射的平面波的減少的聲反射率的透鏡，從而減輕在圖像中的多路徑聲偽像，且也減少內透鏡反射偽像。在一些實施方式中，例如，所公開的技術可以將HFUS轉換器透鏡的透射係數從85%增加至約95%。換句話說，所公開的技術可以降低HFUS轉換器透鏡的反射係數，從15%降低到小於5%和10% 之間或以下，從而顯著提高HFUS轉換器的靈敏度(例如，在1dB和2.5dB之間的增加)。
在所公開的技術的另一個方面，超音波轉換器疊層包括轉換器層和透鏡層。轉換器層被配置以在中央頻率(例如，15MHz或更高)傳送超音波能量。透鏡層具有在轉換器層下面的上表面。透鏡層的至少一部分在垂直於轉換器的軸線方向的方向上具有凹面彎曲。透鏡層的中央部分具有的平均厚度基本上等於轉換器層的中央頻率的1/4波長的奇數倍(例如，1，3，5)。在一些實施方式中，匹配層被佈置在透鏡層和轉換器層之間。例如，在一實施方式中，該匹配層通過另一包括氰基丙烯酸酯的匹配層被附接到透鏡層。在一些實施方式中，透鏡層具有與水的聲阻抗顯著不同(例如，10%不同，25%不同，50%不同)的聲阻抗。
在所公開的技術的另一個方面中，超音波系統包括耦合到超音波轉換器探頭的超音波成像系統。該超音波轉換器探頭被配置為朝向主體發送超音波並從主體接收超音波能量。該轉換器探頭包括透鏡層和一個或多個被配置成在中央頻率(例如，大約15MHz至大約60MHz之間)工作的轉換器元件。透鏡層的一部分在垂直於轉換器的軸線方向的方向上具有凹面彎曲。凹面彎曲的中央部分具有的平均厚度基本上等於(例如，在約1%以內，在約2%以內，約5%以內)一個或多個轉換器元件的中央頻率的1/4波長的奇數倍(例如，1，3，5，7，9)。在一些實施方式中，透鏡層的反射係數小於約5%。在一些實施方式中，反射係數，例如，在約1%至15%之間。
仍在所公開的技術的另一個方面中，構造超音波轉換器的方法包括：製造聲透鏡層和附接或粘合透鏡層至與轉換器層可操作地耦接的第一匹配層。透鏡層被製造成具有中央曲部和兩個平坦側部。製造曲部包括製造具有中點和兩個端點的中央部分，使得該中央部分在中點處具有第一厚度，並在兩個 端點的每一個處具有第二厚度。第一厚度和第二厚度的平均值基本上等於(例如，在約1%以內，在約2%以內，約5%以內)超音波轉換器的中央頻率(例如，在大約15MHz至大約60MHz之間)的1/4波長的奇數倍(例如，1/4波長，3/4波長，5/4波長)。在一些實施方式中，該方法還包括粘合或附接第二匹配層到具有第一匹配層的透鏡層，使得該第二匹配層被放置在第一匹配層和轉換器層之間。在一些實施方式中，透鏡層具有與在水中的聲音的速率顯著不同(例如，100%不同，200%不同)的聲音的速率。
在所公開的技術的另一個方面中，超音波轉換器疊層包括轉換器層，其包括一個或多個超音波轉換器元件，其被配置為在15MHz或更高(例如，大約15MHz至大約60MHz之間)的中央頻率工作。該轉換器疊層進一步包括具有後表面的聲透鏡，該後表面被附接到可操作地被耦接到轉換器層的匹配層。聲透鏡的前表面包括兩個平坦側部以及中央曲部，其在相對於該轉換器疊層的高度方向上於其間延伸。在相對於轉換器疊層的軸線方向上的中央曲部的第一厚度小於中央頻率的1/4-波長的奇數倍。中央曲部的厚度在高度方向上向外增加第一距離到端點，該端點在軸線方向上具有大於中央頻率的1/4-波長的奇數倍的第二厚度，使得中點和端點之間的中央曲部的軸線方向上的平均厚度基本上是中央頻率的1/4波長的奇數倍。在一些實施方式中，中央曲部的長度是兩倍的第一距離。在一些實施方式中，中央曲部的長度是轉換器疊層在高度方向上的總長度的約10%或以下。在一些實施方式中，第一厚度是介於中央頻率的1/4波長的奇數倍的約95%和99.5%之間，且第二厚度是介於中央頻率的1/4波長的奇數倍的約100.5%和105%之間。
合適的系統
圖1是根據公開的技術的實施方式被配置的超音波成像系統100的示意圖。超音波系統100包括超音波探頭104，其通過鏈路106(如，有線，無 線連接)被耦接到成像處理系統102。該探頭104包括轉換器110(例如，HFUS疊層)。該轉換器110可以傳送超音波能量(例如，HFUS能量)至主體內並從主體接收被反射的超音波能量的至少一部分。所接收的超音波能量可被轉換成相應的電信號，並電傳送到影像處理系統102，其可基於所接收到的超音波能量形成一個或多個超音波圖像。
圖2A是根據公開的技術的一個或多個實施方式被配置的超音波轉換器疊層210(例如，圖1的轉換器110)的橫截面示意圖。該轉換器疊層210包括聲透鏡220，第一匹配層240，第二匹配層250，第三匹配層255和轉換器層260(例如，壓電轉換器層，PMUT層，CMUT層)。在一些實施方式中，第一匹配層240可包括粘合材料(例如，氰基丙烯酸酯，聚合物，環氧樹脂)，其具有1/4波長的厚度並可被配置成粘合或以其它方式將第二匹配層250的前表面附接到透鏡220的後表面228。匹配層250的後表面被粘合或以其它方式被附接到第三匹配層255的前表面。第三匹配層255的後表面被附接到轉換器層260的前表面。中央線221沿轉換器疊層210的軸線方向(即，沿圖2A中所示的y軸)延伸。在所示的實施方式中，轉換器疊層210包括三個匹配層，第一匹配層240、第二匹配層250和第三匹配層255。然而，在一些實施方式中，轉換器疊層210可以包括，例如，在美國專利7,808,156中所公開的一個或多個額外的匹配層，該美國專利通過引用被併入。轉換器疊層210的其它實施方式可以不包括一個或多個的第一匹配層240、第二匹配層250和第三匹配層255。
透鏡220包括曲部222，其具有在轉換器疊層210的高度方向上(即，沿圖2中所示的x軸)的凹面彎曲(例如，圓柱形，抛物線或雙曲線的彎曲)。曲部222受側部224(分別被視為第一側部224a和第二側部224b)約束。曲部222具有彎曲的外表面227以及平坦的側部224具有外表面229(分別被視為第一外表面229a和第二外表面229b)。曲部222包括在中央線221的中央部分 226。如參照圖2A所討論的更多細節，中央部分226具有在中點處的第一厚度T1和在兩個端點處的第二厚度T2。中央部分226具有在轉換器的高度方向上的長度L(例如，小於0.5mm，0.5mm，0.7mm，1mm，大於1mm)。在一些實施方式中，長度L可介於在轉換器的高度方向上的長度的約1%和10%之間延伸。在一些實施方式中，長度L與中央部分226的曲率半徑可以通過透鏡的焦點數(例如，F2，F5，F8，F10)和轉換器的焦點深度來確定。如本領域普通技術人員將會理解的，透鏡的焦點數正比於轉換器的焦點深度和透鏡的曲部222的長度之比。
透鏡220可包括，例如，聚甲基戊烯，交聯的聚苯乙烯和/或聚苯並咪唑。然而，在其他實施方式中，透鏡220可以包括任何合適的材料(例如，金屬，如鋁或不銹鋼，或陶瓷材料，例如PZT或氧化鋁)，其具有聲音的速度高於被成像的介質(例如，在主體中的水、組織)的聲音的速度。此外，在一些實施方式中，中央部分226的第一厚度T1可以比轉換器層260的中央頻率(例如，15MHz或更高)的1/4波長的奇數倍略少(例如，介於1/4波長厚度的奇數倍的大約95%和99.5%之間)。相應地，第二厚度T2可以比中央頻率的1/4波長的奇數倍略多(例如，介於1/4波長厚度的奇數倍的大約100.5%和105%之間)。因此，曲部222的中央部分226具有大約1/4波長的奇數倍的基本上平均的厚度(1/4波長的奇數倍的+/- 5%以內)。製造中央部分226使其具有基本上等於轉換器層260的中央頻率的分數波長的平均厚度可以向被成像的主體提供改進的聲學匹配，且因此相較於具有任意厚度的聲透鏡，可以顯著地降低多路徑反射。
圖2B是圖2A的P部分的放大圖，更詳細地示出了中央部分226。中央部分226具有中點232並且在第一端點234a和第二端點234b之間在高度方向上延伸。中點232與第一和第二中點234a和234b的每個在高度方向上間隔距離D(即，二分之一的長度L)。在軸線方向上中央部分226的厚度從在中點232處的T1向外增加到在第一和第二中點234a和234b的每一個處的厚度T2。中央部分226 的平均厚度基本上等於轉換器層260(圖2A)的中央頻率的1/4波長的奇數倍(例如，1，3，5，7)。另外地，在中間點236a和236b處，中央部分226具有厚度T3，其大致對應於在中點232和第一和第二中點234a和234b的每一個之間的中央部分226的平均厚度。
然而，在一些實施方式中，該中央部分226可被配置成具有平均¾-波長厚度，以提供足夠的介電強度，以滿足所需的醫療電氣安全標準。在其他實施方式中，中央部分226可具有小於3/4波長的平均厚度。例如，在一些實施方式中，中央部分226可以被製造成具有轉換器層260的可操作的中央頻率(例如，20MHz,25MHz,30MHz)的波長的1/4的平均厚度。在一些實施方式中，中央部分226的平均厚度可以是轉換器260(圖2A)的可操作的中央頻率的波長的1/4的任何奇數倍(例如，1，3，5，7，9)。然而，在其他實施方式中，平均厚度可以是轉換器層260(圖2A)的可操作的中央頻率的波長的任何合適的分數。本領域普通技術人員將理解，例如，對於寬頻超音波轉換器，1/4波長透鏡厚度將通常比3/4波長透鏡厚度執行地更好，並且增加1/4波長的奇數倍一般執行逐步更差。與此相反，窄帶轉換器(例如，CW多普勒轉換器)可以具有聲透鏡，其增加四分之一波長的奇數倍而沒有在性能上的顯著降低。
製造中央部分226使其具有通常對應於波長的分數部分(例如，1/4，3/4)的平均厚度可以，除了減少多路徑偽像以外，聲學地增強轉換器層260(圖2A)的高度維度(即，沿圖2A的x軸)的中央部分，從而提供理想的增量到垂直波束的法向分量。這可以被看作是通過增強波束相對於邊緣的中央部分，而不是相對於束的中央衰減邊緣以實現仰角波束的輕度變跡的等效。仰角波束的變跡可導致在仰角波束中的旁瓣的降低。
從前述內容可以理解，出於說明目的，本發明的具體實施方式已經在此被描述，但可以不脫離本發明的範圍做出各種修改。因此，本發明除通過所附的權利要求外不被限制。

Claims (13)

  1. 一種超音波轉換器疊層，包括：轉換器層，其被配置成以中央頻率傳送超音波能量；透鏡層，其被固定至該轉換器層，其中該透鏡層的至少一部分具有長度為L的凹面凹處，該長度L在該轉換器疊層的垂直方向上被測得，並且其中該凹面凹處的中央部分具有小於該長度L的長度，該長度在該凹面凹處的中心點以及在該垂直方向上從其向外指向地點之間被限定，以使得該中心點具有在該轉換器疊層的軸線方向上測得的平均厚度，其等於在該透鏡材料中的處於聲速的該轉換器層的該中央頻率的1/4波長的1倍、3倍、5倍或7倍中的一個；第一匹配層，其被置於該轉換器層和該透鏡層之間；以及第二匹配層，設置在該透鏡層和該第一匹配層之間，其中該第二匹配層包括氰基丙烯酸酯，該第一匹配層和該第二匹配層的每個都具有是來自該透鏡材料的處於聲速的該轉換器層的該超音波能量的中央頻率的1/4波長的厚度。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的超音波轉換器疊層，其中該轉換器層被配置為以大於15MHz的該中央頻率傳送超音波能量，並且其中該透鏡層在大於15MHz的頻率上是聲學可穿透的。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的超音波轉換器疊層，其中該透鏡層的該中央部分的該平均厚度是來自該透鏡材料中的處於聲速的該轉換器層的該超音波能量的該中央頻率的該波長的1/4。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的超音波轉換器疊層，其中該透鏡層的該中央部分的該平均厚度是來自該透鏡材料中的處於聲速的該轉換器層的該超音波能量的該中央頻率的該波長的3/4。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的超音波轉換器疊層，其中該透鏡層的聲阻抗不同於水的聲阻抗。
  6. 一種超音波系統，包括：超音波成像系統；以及超音波轉換器探頭，其被耦接到該成像系統並被配置為朝向主體以中央工作頻率傳送超音波能量並從該主體接收超音波能量，其中該超音波轉換器探頭包括：一個或多個轉換器元件，其被配置為以該中央工作頻率生成超音波能量；以及透鏡層，其中該透鏡層的至少一部分具有在該轉換器探頭的垂直方向上被測得的長度L的凹面凹處和在該垂直方向上被測得的小於L的中央地區，其中在該轉換器探頭的軸線方向上測得的該中央地區中的該透鏡的平均厚度等於在該透鏡層中以聲速生成的該超音波能量的該中央頻率的1/4波長的1倍、3倍、5倍或7倍中的一個。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的系統，其中傳送的該超音波能量的該中央工作頻率大於15MHz，並且其中該透鏡層在大於15MHz的頻率上是聲學可穿透的。
  8. 如申請專利範圍第7項所述的系統，其中該透鏡層的反射係數小於10%。
  9. 如申請專利範圍第6項所述的系統，其中該透鏡層的該中央地區的該平均厚度是傳送的該超音波能量的該中央頻率的該波長的1/4。
  10. 如申請專利範圍第6項所述的系統，其中該透鏡層的該中央地區的該平均厚度是傳送的該超音波能量的該中央頻率的該波長的3/4。
  11. 一種超音波轉換器疊層，包括：轉換器層，其包括一個或多個超音波轉換器元件，其被配置成以15MHz或更高的中央頻率生成超音波能量；匹配層，在該超音波轉換器疊層的軸向上與該轉換器層相隔開；以及聲透鏡，其具有前表面和後表面，其中該透鏡的該後表面被附接到該匹配層，其中該前表面包括兩個平坦側部以及中央曲部，其相對於該轉換器疊層在高度方向上於其間延伸，其中該中央曲部包括中心區域，該中心區域小於在該垂直方向上測得的該中央曲部的長度，在該疊層的該軸線方向上的該透鏡的中央具有第一厚度，該第一厚度小於在該聲透鏡中以聲速生成的該超音波能量的該中央頻率的1/4波長的1倍、3倍、5倍或7倍中的一個，其中該中心區域的該厚度在垂直的方向上向外逐漸增加直到兩點處，在該兩點處該透鏡在該軸線方向上具有第二厚度，該第二厚度大於在該透鏡中以聲速生成的該超音波能量的該中央頻率的1/4波長的1倍、3倍、5倍或7倍中的一個，以使得在該軸線方向上的該透鏡的該中心區域的該平均厚度等于在該透鏡中由该轉換器層以聲速生成的該超音波能量的該中央頻率的1/4波長的1倍、3倍、5倍或7倍。
  12. 如申請專利範圍第11項所述的超音波轉換器疊層，其中該第一厚度是介於該中央頻率的該1/4波長的該1倍、3倍、5倍或7倍中的一個的95%和99.5%之間，以及該第二厚度是介於生成的該超音波能量的該中央頻率的該1/4波長的該1倍、3倍、5倍或7倍中的一個的100.5%和105%之間。
  13. 一種超音波轉換器疊層，包括：轉換器層，其被配置成以中央頻率生成超音波能量；以及透鏡層，其被耦合至該轉換器層，其中該透鏡層在垂直于該轉換器的軸線方向的方向上具有凹面凹處，該凹面凹處具有在該轉換器的垂直方向上被測得的長度L，並且小於L的該透鏡層的中央部分具有中心點，該中心點處的在該轉換器的軸線方向上測得的厚度介於在該透鏡層中以聲速生成的該超音波能量的該中央頻率的該1/4波長的該1倍、3倍、5倍或7倍中的一個的95%和99.5%之間，並向外地延伸至該透鏡層的該厚度介於在該透鏡層中以聲速生成的該超音波能量的該中央頻率的該1/4波長的該1倍、3倍、5倍或7倍中的一個的100.5%和105%之間的點處，以使得在該透鏡的該中央部分中的該透鏡層的平均厚度等於由该轉換器生成的該超音波能量的該中央頻率的1/4波長的1倍、3倍、5倍或7倍中的一個。
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