[发明专利]一种多频超声换能器及具有其的超声成像系统、方法

说明书

本发明提出了一种多频超声换能器及具有其的超声成像系统、方法，多频换能器包括第一换能器组件和第二换能器组件，第二换能器组件的频率低于第一换能器组件的频率，每个第一换能器组件、每个第二换能器组件均包括层叠设置的背衬层、压电层和匹配层，第二换能器组件排列在第一换能器组件的两侧或周围；还包括一体式声透镜，一体式声透镜同时层叠在第一换能器组件的匹配层前侧和第二换能器组件的匹配层前侧；还包括柔性电路板，柔性电路板电性连接压电层；压电层包括地电极面和信号电极面，地电极面和信号电极面分别具有电极，且信号电极面的电极割开使压电层形成多个压电阵元。

技术领域

本发明涉及超声换能器技术领域，尤其涉及一种多频超声换能器及具有其的超声成像系统、方法。

背景技术

超声成像广泛应用于医疗诊断和工业检测等领域，具有无损、无辐射、便捷以及成本低等优势。超声换能器是能将电激励信号转换成超声信号又能将反射回来的超声信号转换成电信号的器件，是超声成像设备的关键部件。超声换能器的性能直接决定了超声成像的质量。超声换能器主要分为单阵元超声换能器和阵列超声换能器。由于成像的方便性，目前医疗和工业领域的超声成像设备主要使用的是阵列超声换能器。

在常规的超声成像中，超音波声学信号被引向探测区域，并且相应的反射回波信号被检测到。分析回波信号的特征，例如振幅，相移，多普勒频移，功率等，并将其量化为像素数据，这些像素数据用于创建流的图像或表示流。利用常规的单换能器超声成像，所接收的超声回波信号与所发送的超声信号在相同的频率范围内。

执行超声成像的另一种方法是将超声信号以一个频率施加到感兴趣的区域，并以另一频率(例如所发射超声信号的一个或多个谐波)捕获和分析接收到的回波信号。通常，谐波的频率是发射信号的3-5倍。谐波成像的一种特定用途是使用造影剂对组织成像。造影剂通常是液体或脂质包裹的微泡，其大小可在特定的透射超声波频率下产生共振。在微气泡的共振频率下暴露于体内的超声波会导致气泡破裂，并产生频率比所施加的超声波高得多的非线性超声波回波。例如，可以将非线性微气泡设计为在1-6MHz处谐振，但会产生10-30MHz范围内的回波信号。高频回波信号允许产生和研究组织结构的详细图像，例如在临床或临床前环境中围绕肿瘤的微脉管系统。

执行双频成像的最常规方式是使用具有共焦低频和高频换能器元件的机械扫描单元件换能器。尽管此类换能器工作良好，但可以使用可以电子控制的换能器阵列执行更快的扫描。这样的换能器通常具有彼此对准的低频换能器阵列和高频换能器阵列。双频换能器的一个问题是对齐低频和高频阵列。在30MHz高频相控阵中，元件尺寸(例如1/2λ或更小)约为25微米。在50MHz时，元件尺寸约为15微米。对齐阵列所需的过程通常需要对高频和低频换能器在潮湿工作台上的位置进行微调整，然后在找到最佳匹配时将它们粘合在一起。这既费时又昂贵。本文讨论的技术涉及一种更容易制造和制造成本更低的改进的双频换能器。

现有多频超声换能器的制作方法大多数是将低频换能器放置在高频换能器的后方形成叠加式结构,此种方法由于高频换能器的遮挡,使得后方的低频换能器所发射的声波信号被极大的干扰,影响声学信号的输出。对于前端的高频换能器,由于无法在后端添加背衬层,多余的声信号无法被很好的吸收,压电层的单次震荡时间也无法及时被缩短,将导致带宽的严重下降,从而影响成像的分辨率以及带宽。而并排式多频超声换能器或是拥有复杂的机械结构导致加工难度的提升和设备的可靠性下降,又或是多个换能器只拥有固定的角度,导致焦点的变动需靠手动移动换能器的位置,操作复杂,精确度低。

综上所述，现有的多频超声换能器大多都是共焦点固定的双频共聚焦换能器，其仅能够通过手动移动换能器的位置来实现共焦点的变化操作复杂，精准度低，并且将高频换能器叠放在低频换能器的前面时，由于高频换能器的遮挡，会对低频换能器发出声波的传播造成影响，降低低频换能器的性能。而在实际应用中，往往需要能够精确控制超声换能器的焦点才能满足使用需求，如肿瘤消融和超声给药等治疗过程中，需要精确控制共焦点，以免健康的组织细胞被破坏造成内出血或其他负面症状。因此，现有的超声换能器在实际应用中的局限性极大。

发明内容