[发明专利]包括具有空间分段表面的背衬的超声换能器

说明书

提供用于抑制具有背衬的超声换能器内混响的方法和装置，由此背衬可仅通过声吸收和散射不充分地使声能衰减。背衬表面的至少一部分被分段成由表面区段限定的多个水平面。水平面可在空间上偏移以使得来自分段表面的声反射在时间上延展，从而减少内反射波在其与压电层相互作用时的净振幅。邻近(相邻)水平面可在空间上偏移纵向距离，以使得从邻近水平面反射的声波发生破坏性干涉，其中该纵向距离近似等于换能器的四分之一操作波长的奇数倍。描述了分段表面的各种示例性配置，并且提供用于选择分段表面的轮廓的方法。

相关申请的交叉引用

本专利申请要求于2013年11月22日提交的且标题为“包括具有空间分段表面的背衬的超声换能器”的第61/907,765号美国临时申请的优先权，该申请的全部内容以引用方式并入本文。

背景技术

本公开涉及超声换能器。更具体地，本公开涉及超声成像和治疗装置。

超声换能器在多种应用和行业中采用，并且通常在治疗装置和成像装置中采用。

通常，超声换能器包括附接到背衬的有源压电元件，其中背衬由阻止杂散声反射到达有源元件并且干扰其性能的材料制成。超声换能器的背衬通常被设计成足够厚以便将杂散声反射减少到低于系统的电噪声基底的水平，或至少减少到允许超声图像中的可接受的灰度级动态范围的水平，以区分组织结构并且允许具有类似声阻抗的组织结构之间的充分对比。在许多情况下，例如手持式超声探头，对换能器堆叠的总厚度几乎不加以限制，从而允许换能器堆叠的背衬层是厚的，以使残余声能衰减并且维持装置的短脉冲响应。

然而，如果超声换能器包含薄背衬层，以使得进入背衬的声能不被完全吸收或衰减，那么从背衬的底部表面反射的声能将返回压电层，声能具有足以干扰装置性能的充分大的振幅。此时间延迟的能量由此在换能器堆叠内产生次级信号或混响信号。在发送模式中，次级脉冲表示在传播到成像介质中的主脉冲后面的尾随脉冲。在接收模式中，次级脉冲产生横跨有源层的电极的电势差，该电势差也将被接收电子装置检测到并且将为任何重建图像中的伪像。

例如，这种伪像对于需要使用超声换能器的高轴向分辨率超声生物成像装置可能是有问题的，该超声换能器通过会减少超声图像的声动态范围的最小次级脉冲或堆叠混响来展示短时间响应。具体地，高频临床超声(通常被认为包含大于近似5MHz以及特别地大于10MHz的频率)已经发现微创成像中的显著用途，诸如心内应用和血管内应用。对于这些应用，超声换能器被结合到导管或可插入体内的管腔或空腔中的其他装置中。这限制了可能包括在换能器设计中的换能器堆叠的尺寸和背衬材料的体积。

增加换能器堆叠内的超声衰减以避免次级信号和混响的常见实践是将散射体引入背衬中。散射体通过诱导传播声波的空间变化和局部部分反射，帮助部分地中断背衬介质内的声能的空间相干性。散射体在中断相干性中的影响程度将取决于散射体相对于传播波波长的尺寸。例如，在一些导管应用中，取决于所期望的成像频率和导管的尺寸约束，散射不是必须足以抑制混响的。

在换能器相对于保持换能器堆叠的外壳是静止的某些导管应用中，在背衬中或在外壳中可采用倾斜表面或成角表面，以帮助以不同方向反射声能，使得在背衬中的声能的路径长度有效增加或使得能量不返回压电有源层、或使得在背衬中的声能的路径长度有效增加且能量不返回压电有源层。然而，在换能器可相对于其周围环境移动的其他导管应用中，背衬层可能是可用于减少换能器堆叠内的次级脉冲和混响的唯一层。

一种减轻杂散反射影响的方法是使用具有不同声阻抗的多层材料的堆叠，实际上产生了例如在纤维光学和电信中广泛使用的、类似于光栅的一维声光栅结构。此光栅结构在换能器堆叠的有源区域下具有均匀截面。实现比换能器堆叠自身的带宽更宽的声光栅频率带宽需要具有若干声阻抗的若干层。这使得光栅结构的加工复杂，并且增加在实现所期望的层厚度中所需的精度。此方法还会首先需要超过堆叠的空间约束的厚度。换句话说，由于光栅的功能带宽可能变得比换能器自身的功能带宽更窄，所以足够小的以满足基于导管的成像换能器的尺寸约束的光栅可能导致主信号/脉冲的带宽大幅减少。

发明内容