[发明专利]一种医疗超声换能器阻抗匹配方法

说明书

本发明涉及一种医疗超声换能器阻抗匹配方法，包括以下步骤：构建四分之一波长声阻抗匹配结构；构建声学干涉增强透射结构；将构建成的四分之一波长声阻抗匹配结构和声学干涉增强透射结构进行耦合，对压电层进行激发，激发出的超声波透过传导至硬质壳层包裹的生物软组织中；本发明利用四分之一波长阻抗匹配结构和声干涉增强透射结构进行耦合，使压电层激发的声波有效穿透硬质壳层进入生物组织中，实现了声能量向硬质壳层内的软物质透射；而且结构简单，易于实现。

技术领域

本发明涉及一种医疗超声换能器阻抗匹配方法，医疗超声和超声检测领域。

背景技术

在过去的几十年中，关于超声检测(NDT)和超声生物组织成像的研究经历了巨大的发展。在这些研究和应用中一个重要难题是超声如何通过硬质壳层对其包裹的软性物质进行有效的超声检测和成像。解决这一问题的关键是实现超声波在非均匀介质的声阻抗匹配。例如，常用的PZT压电层的声阻抗(约34.5MRayl)远大于生物组织的声阻抗(约1.5MRayl)。为了将声波能量从压电层导入生物组织，需要进行阻抗匹配。理论上，具有特定阻抗的四分之一波长匹配层可以实现压电层和生物组织的声阻抗匹配。然而，当生物组织被硬质壳体包裹时，利用经典的四分之一波长阻抗匹配方法难以奏效，同时具有合适阻抗的匹配层材料在现实生活中也难以实现。

发明内容

本发明提供一种医疗超声换能器阻抗匹配方法，利用四分之一波长阻抗匹配结构和声干涉增强透射结构进行耦合，使压电层激发的声波有效穿透硬质壳层进入生物组织中，实现了声能量向硬质壳层内的软物质透射；而且结构简单，易于实现。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种医疗超声换能器阻抗匹配方法，包括以下步骤：

第一步：构建四分之一波长声阻抗匹配结构；

第二步：构建声学干涉增强透射结构；

第三步：将构建成的四分之一波长声阻抗匹配结构和声学干涉增强透射结构进行耦合，对压电层进行激发，激发出的超声波透过传导至硬质壳层包裹的生物软组织中；

作为本发明的进一步优选，

阻抗匹配层、硬质壳层和生物软组织构建形成四分之一波长声阻抗匹配结构；

压电层、阻抗匹配层和硬质壳层构建形成声学干涉增强透射结构；

作为本发明的进一步优选，硬质壳层的厚度为四分之一波长的奇数倍，通过得出压电层的激发频率f，其中n＝1,2,3……,l_h为硬质壳层的厚度，v_h为硬质壳层的声速度；

再通过得出压电层的厚度，其中，v_p为压电层的声速度，l_p为压电层的厚度；

利用Chebyshev公式或者利用Souquet公式或者利用Desilets公式获得阻抗匹配层的声阻抗，其中Z_in为阻抗匹配层声阻抗，Z_h为硬质壳层声阻抗，Z_t为生物软组织声阻抗，由得出的阻抗匹配层声阻抗可以确定阻抗匹配层材料，由此可知阻抗匹配层的声速度；

设计压电层/阻抗匹配层的界面反射声波和阻抗匹配层/硬质壳层的界面反射声波在压电层中干涉相消，即两界面反射声波在压电层某处的相位相差为180度，此时，阻抗匹配层的厚度为二分之一波长的整倍数，通过得出阻抗匹配层的厚度，其中n＝1,2,3……,l_in为阻抗匹配层的厚度，v_in为阻抗匹配层的声速度；

作为本发明的进一步优选，压电层、阻抗匹配层和硬质壳层构建形成四分之一波长声阻抗匹配结构；

阻抗匹配层、硬质壳层和生物软组织构建形成声学干涉增强透射结构；