專利名稱：包括以螺旋線設(shè)置的設(shè)計(jì)成產(chǎn)生高強(qiáng)度聚焦波束的發(fā)射器三維網(wǎng)絡(luò)的聲穿透裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大致涉及聲穿透裝置領(lǐng)域，該聲穿透裝置設(shè)計(jì)用來尤其在超聲頻域中產(chǎn)生 聚焦波束。
背景技術(shù)：
通常被稱為探頭的這種聲穿透裝置被用來執(zhí)行環(huán)境或介質(zhì)的成像，或者事實(shí)上用 來修改該環(huán)境的屬性。例如，根據(jù)本發(fā)明的聲穿透裝置可被用來升高對(duì)應(yīng)于聚焦區(qū)域的十 分精確區(qū)域的溫度，希望在聚焦區(qū)域中聚焦超聲波束。這些裝置尤其不僅可用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域， 還可用于水下成像和通信領(lǐng)域、陸相地下成像或者還用于非破壞性測(cè)試材料的領(lǐng)域。為了實(shí)現(xiàn)聚焦，技術(shù)人員熟悉使用N個(gè)超聲源，該N個(gè)超聲源由電子機(jī)構(gòu)獨(dú)立地控 制相位和幅值，從而超聲源的總能量在預(yù)定聚焦區(qū)域中達(dá)到局部最大值。傳感器相對(duì)于環(huán)境以及相對(duì)于聚焦區(qū)域的定位是重要的，因?yàn)閭鞲衅鞔_保借由聲 穿透裝置執(zhí)行成像或修改環(huán)境屬性的動(dòng)作的有效性和安全性。當(dāng)然，由所有傳感器衍射的 場(chǎng)可根據(jù)傳感器的定位及其幾何尺寸來明顯修改。因此，當(dāng)傳感器的布局具有對(duì)稱性時(shí)，這會(huì)導(dǎo)致存在明顯的旁瓣。這降低了聚焦的 質(zhì)量。具體地，然后，位于聚焦區(qū)域之外的點(diǎn)可接收顯著數(shù)量的能量，而事實(shí)上這些區(qū)域根 本不應(yīng)當(dāng)經(jīng)受由聲穿透裝置發(fā)射的能量。因此，由 Goss 等人于 1996 年 11 月在 IEEE Transactions onUltrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, Vol. 43, No. 6 上發(fā)表的名為"Sparse Random Ultrasound Phased Array for Focal Surgery”的文獻(xiàn)提議在三維凹面區(qū)域上以豎直隨機(jī) 的方式產(chǎn)生傳感器網(wǎng)絡(luò)，唯一條件是保持在不同傳感器之間的最小距離。三維凹面區(qū)域被用來在附加電子聚焦之前進(jìn)行預(yù)聚焦，附加電子聚焦接著將通過 向每個(gè)傳感器單獨(dú)地施加計(jì)算好的相位延遲來執(zhí)行。相位延遲通常用在超聲領(lǐng)域中。這些 控制是通過限定數(shù)量的獨(dú)立電子通道來實(shí)現(xiàn)的，這也限制可用在由本發(fā)明所采用的聲穿透 裝置中的傳感器的數(shù)量。然而，如前述文獻(xiàn)中所述的傳感器的隨機(jī)分布具有這樣的缺點(diǎn)提出所有傳感器 在三維凹面區(qū)域中的非均質(zhì)布局。當(dāng)然，一些傳感器可布置得十分接近而其它傳感器可十 分遠(yuǎn)離。這導(dǎo)致在所有發(fā)射區(qū)域上所發(fā)射能量的局部不均質(zhì)密度。壓力場(chǎng)的這種不均質(zhì)性通常導(dǎo)致出現(xiàn)聲能最大值，也稱為“熱點(diǎn)”。這些最大值在 超聲束進(jìn)入環(huán)境中的入口處可能是大的，且可能導(dǎo)致對(duì)環(huán)境或?qū)ζ浔砻娴牟豢赡婧筒黄谕?的損壞。最大值還可是在環(huán)境成像期間由環(huán)境返回的寄生波(parasitic wave)源。只要不是無限小的傳感器以大于波長(zhǎng)一部分的距離分隔時(shí)就會(huì)出現(xiàn)旁瓣。傳感器 控制通道的限定數(shù)量以及對(duì)形成足夠大尺寸的探頭的需要，都必要地導(dǎo)致出現(xiàn)不希望的熱 點(diǎn)o三維凹面區(qū)域的形狀使得這個(gè)問題加劇，該三維凹面區(qū)域已經(jīng)被精確地設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)聚焦。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的是通過構(gòu)想出一種用于聲穿透環(huán)境的裝置來克服已知聲穿透 裝置的缺點(diǎn)，所構(gòu)想出的裝置被設(shè)計(jì)成在所謂的聚焦區(qū)域中的點(diǎn)周圍產(chǎn)生聚焦波束，該波 束用于成像環(huán)境或改變環(huán)境的屬性，其中聲穿透裝置包括內(nèi)置或外置支撐結(jié)構(gòu)，在所述支 撐結(jié)構(gòu)上安裝至少十個(gè)超聲傳感器的網(wǎng)絡(luò)，所述傳感器被設(shè)計(jì)成獨(dú)立地受控以產(chǎn)生聚焦波 束，其特征在于，用于產(chǎn)生聚焦波束的活性傳感器是具有大于一個(gè)波長(zhǎng)的尺寸的大傳感器， 該傳感器沿著在三維凹面區(qū)域上的至少兩條纏繞同心螺旋線布置，螺旋線的纏繞和傳感器 在螺旋線上的位置被選擇成使得傳感器在三維表面上的空間分布是均質(zhì)的，三維表面的形 狀和尺寸也被選擇成允許束以預(yù)定焦距最佳地聚焦，其中三維表面的凹面?zhèn)榷ㄏ虺沙蚓?焦區(qū)域。在這種聲穿透裝置中，傳感器在螺旋線中的分布具有不產(chǎn)生對(duì)稱性的優(yōu)勢(shì)，同時(shí) 仍提供大致規(guī)則分布，其中容易地控制傳感器之間的距離。在將傳感器分布在三維表面上的文中，使用螺旋線來分布傳感器會(huì)允許實(shí)現(xiàn)在近 場(chǎng)無不希望的熱點(diǎn)的聲穿透，同時(shí)還使得能夠?qū)崿F(xiàn)束以預(yù)定焦距最優(yōu)化聚焦，因?yàn)槁菪€ 由裝置本身的三維特征來支撐。使用幾何預(yù)聚焦使得能夠得到大天線增益且優(yōu)化在焦點(diǎn)處超聲束的強(qiáng)度。該幾何 預(yù)聚焦是通過將傳感器布置在三維表面上來執(zhí)行的，且尤其是將傳感器布置在球面(球面 的中心與焦點(diǎn)重合)的一部分上，或者布置在回轉(zhuǎn)的橢球面的一部分上。傳感器的空間分布的均質(zhì)性是重要的，以便確保有效性以及保證根據(jù)本發(fā)明的聲 穿透裝置的操作安全，這意味著當(dāng)然必須實(shí)現(xiàn)在三維凹面區(qū)域上平均能量的空間均質(zhì)分 布。傳感器空間分布的均質(zhì)性是通過幾個(gè)參數(shù)來保證的，參數(shù)即螺旋線的節(jié)距、在給 定螺旋線上兩個(gè)連續(xù)傳感器之間以及兩條螺旋線之間的距離、要分布的傳感器的數(shù)量、聲 穿透裝置的尺寸以及如果裝置由平坦螺旋線來設(shè)計(jì)的話那么所執(zhí)行投影的性質(zhì)。連同將傳感器沿著螺旋線放置(這避免了存在熱點(diǎn))，傳感器的空間均質(zhì)分布因 此確保平均能量在三維凹面區(qū)域上的空間均質(zhì)分布。傳感器的“空間均質(zhì)分布”意味著傳 感器的空間密度在三維表面上是均質(zhì)的。在還包括在能量分布方面具有均質(zhì)性的程度上，平均下來的均質(zhì)性可意味著在規(guī) 模上大于單個(gè)傳感器的均質(zhì)性的均質(zhì)性。使用對(duì)稱地纏繞在相同三維凹面區(qū)域上且用來分布超聲傳感器的兩個(gè)同心螺旋 線導(dǎo)致在所選焦點(diǎn)處由聲穿透裝置發(fā)射的能量的集中。發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，這還導(dǎo)致在近場(chǎng) 中觀測(cè)到的旁瓣中的能量顯著減少。當(dāng)然使用單條螺旋線之后，所發(fā)射的能量大部分在焦 點(diǎn)的方向上沿著螺旋線纏繞而分布。使用兩條同心螺旋線允許能量分布在兩條螺旋線上， 且因此以更為均質(zhì)的方式，其中強(qiáng)度局部更弱。該初始特征對(duì)于本發(fā)明來說尤其重要，因?yàn)?該特征使得能夠適配針對(duì)根據(jù)本發(fā)明的聲穿透裝置的安全要求。根據(jù)本發(fā)明的具體屬性，三維表面是球面的一部分，該球面的半徑等于期望的焦距。
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這個(gè)屬性正是所需要的，以便實(shí)現(xiàn)在三維凹面區(qū)域中的聚焦，這是尤其簡(jiǎn)單和有 效的，因?yàn)橄鄬?duì)于裝置的幾何尺寸為天然的聚焦區(qū)域然后是球面的中心。根據(jù)一個(gè)有利屬性，傳感器分布在其上的螺旋線的數(shù)量在兩條與二十條之間，優(yōu) 選地在七條與十三條之間。所使用的同心螺旋線的數(shù)量增加同時(shí)仍保持傳感器沿著螺旋線的空間均質(zhì)分布 允許能量分布在大多數(shù)螺旋線上，從而組成更為均質(zhì)的樣式。該能量接著以更為均質(zhì)的方 式分布，其中強(qiáng)度局部更弱。螺旋線數(shù)量的增加會(huì)增強(qiáng)這種效果。根據(jù)本發(fā)明的具體屬性，螺旋線是平坦的，且設(shè)置在平面內(nèi)并投影到三維凹面區(qū) 域上。平坦的螺旋線可選自阿基米德螺旋線、指數(shù)螺旋線或功率角類型螺旋線等。還可 以使用不同類型的投影。當(dāng)采用一條或多條阿基米德螺旋線且當(dāng)三維凹面區(qū)域具有顯著凹 面?zhèn)葧r(shí)，于是投影優(yōu)選地是立體的。只要凹面?zhèn)炔皇诛@著，正交投影可以是有利的。這在三維凹面區(qū)域的中心部分與外圍部分之間實(shí)現(xiàn)了螺旋線的均質(zhì)分布，尤其在 該表面是球面的一部分時(shí)。根據(jù)一個(gè)具體屬性，螺旋線可以是球形的形式，該球形正好被確定在球面上。例 如，可使用克萊麗亞螺旋線并且由直角坐標(biāo)系或極坐標(biāo)系如下描述的三維曲線，其中9是 角度變量且R是球面的半徑x = Rcosm 9 cos 9 ;y = Rcosm 9 sin 9 ;z = Rsinm 9。在三維表面使用球面的一部分的情形中，該屬性意味著螺旋線在投影到三維表面 上期間不變形。通常，本發(fā)明借由外置支撐結(jié)構(gòu)來實(shí)施。于是，該結(jié)構(gòu)包括根據(jù)本發(fā)明屬性的三維 凹面區(qū)域，傳感器通過插入到為此目的而提供的小孔中來放置在該結(jié)構(gòu)上。然后，傳感器可 獨(dú)立地且單個(gè)地受控。在這種情形中，小孔形成為通過外置支撐結(jié)構(gòu)，跟隨一條或多條螺旋 線的軌跡，如本發(fā)明所說明的那樣。然而，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)具體屬性，支撐結(jié)構(gòu)是內(nèi)置的且包括壓電或半導(dǎo)體材料， 該材料的表面是三維的凹面，其中壓電或半導(dǎo)體材料被切分成多個(gè)獨(dú)立的傳感器元件，僅 一些沿著纏繞到壓電或半導(dǎo)體材料的三維凹面區(qū)域上的至少兩條螺旋線布置的傳感器被 激活，以便形成聚焦束。具有這種結(jié)構(gòu)之后，可能從標(biāo)準(zhǔn)或半導(dǎo)體壓電材料(例如，電容微加工超聲傳感 器(CMUT)裝置)直接形成根據(jù)本發(fā)明的聲穿透裝置，CMUT裝置形成在三維凹面區(qū)域上，該 三維凹面區(qū)域特定設(shè)計(jì)用于最佳地聚焦以期望焦距的波束。然后，本發(fā)明包括激活僅一定 數(shù)量區(qū)域中的傳感器，傳感器包括例如壓電或半導(dǎo)體物質(zhì)的材料，以便構(gòu)造基本傳感器，其 中壓電材料的這些區(qū)域沿著根據(jù)本發(fā)明原理的兩條或多條螺旋線布置。任何兩個(gè)傳感器之間的最小距離有利地處于由裝置發(fā)射的輻射波長(zhǎng)的量級(jí)。根據(jù)本發(fā)明的另一屬性，三維凹面區(qū)域的尺寸根據(jù)焦點(diǎn)周圍所期望的聚焦軌跡的 最小尺寸來確定。關(guān)于所采用的給定尺寸傳感器的給定數(shù)量，通常限制在可用于獨(dú)立控制傳感器的 電子通道的數(shù)量，傳感器的密度將與在傳感器所分布的三維凹面區(qū)域的尺寸成反比。因此， 三維凹面區(qū)域的尺寸與焦點(diǎn)周圍期望的焦軌跡的最小尺寸正相關(guān)。因此，根據(jù)期望的焦軌跡尺寸來選擇聲穿透裝置的尺寸是需要保護(hù)的屬性，且在本文中尤其重要，其中可傳送限 定數(shù)量的獨(dú)立指令。根據(jù)本發(fā)明的特定有利屬性，在傳感器沿著螺旋線的分布已經(jīng)被確定后，傳感器 相對(duì)于由螺旋線形成的幾何曲線的中心或側(cè)向位置針對(duì)幾何曲線任一側(cè)上的每個(gè)傳感器 被隨機(jī)和獨(dú)立地確定，該傳感器位于垂直于螺旋線曲線的幾何線段限定的位置處且該幾何 線段的長(zhǎng)度小于或等于波長(zhǎng)。具有這種屬性后，將傳感器布置在用來分布傳感器的假想螺旋線的線性結(jié)構(gòu)周圍 的通路中以及布置傳感器的隨機(jī)特征被用來引入對(duì)稱的附加特定有利破壞。當(dāng)聚焦通過探頭軸之外(也就是說，在Ox和0y軸上)的電子束轉(zhuǎn)向來完成時(shí)，該 對(duì)稱破壞的影響是特別可觀測(cè)的。當(dāng)然在相位法被應(yīng)用到傳感器以便移動(dòng)焦點(diǎn)的情形中， 通?？捎^測(cè)到焦軌跡相對(duì)于由其幾何尺寸確定的傳感器焦軸的對(duì)稱瓣，且該瓣通過引入在 將傳感器布置在螺旋線的線性結(jié)構(gòu)任一側(cè)上的隨機(jī)特征而被精確地減少至顯著程度。


在閱讀下述說明并參考附圖之后將能更清楚地理解本發(fā)明的其它特征和優(yōu)勢(shì)，該 下述說明以描述性而非限制性的方式提供，在附圖中圖1示出了聲穿透裝置的示意性透視圖，其中描述了本發(fā)明的原理但是采用與本 發(fā)明不對(duì)應(yīng)的示例性附圖；圖2是圖1中的平面0XZ中的聲穿透裝置的截面圖，其中針對(duì)具有特定設(shè)計(jì)幾何 尺寸的聲穿透裝置解釋了聚焦原理；圖3給出了平坦螺旋線的示例；圖4是在平面表面上的傳感器分布的示例，且示出了圖1中的聲穿透裝置的正視 圖，該聲穿透裝置具有沿投影到聲穿透裝置的三維體積中的平坦螺旋線布置的超聲傳感器 網(wǎng)絡(luò)；圖5示出了當(dāng)平坦螺旋線被投影到三維表面上時(shí)傳感器的密度差異；圖6示出了可用于形成根據(jù)本發(fā)明的聲穿透裝置的球面螺旋線；圖7示出了特別設(shè)計(jì)用于正交投影到三維凹面區(qū)域中的功率角方程的平坦螺旋 線.
一入 ，圖8是根據(jù)本發(fā)明的聲穿透裝置的正視圖，該聲穿透裝置具有沿著投影到聲穿透 裝置的三維表面上的兩個(gè)同心螺旋線布置的傳感器網(wǎng)絡(luò)；圖9示出了針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的聲穿透裝置、具有僅一條螺旋線的聲穿透裝置以及根 據(jù)本發(fā)明聲穿透裝置的一個(gè)實(shí)施例的相對(duì)于在焦點(diǎn)處的能量圍繞焦軸以分貝表示的接收 到近場(chǎng)的環(huán)境中的能量作為至焦點(diǎn)的距離的函數(shù)；圖10示出了根據(jù)角度距離在焦平面中次瓣的最大功率與在焦點(diǎn)處的功率的比 率，角度距離例如在0y軸上以mm表示；圖lla、llb、llc和lid描述了用于改善上述聲穿透裝置的各種原理。附圖分別示 出了四條同心阿基米德螺旋線、四條同心功率角螺旋線、四條同心球形螺旋線以及傳感器 沿著在圖11c中所示出的四條螺旋線的最終分布；圖12a和12b示意性地示出了針對(duì)具有不同開度和尺寸的兩個(gè)三維凹面表面在十一條同心螺旋線上的給定數(shù)量傳感器的兩種分布；圖13示出了針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的聲穿透裝置以及針對(duì)根據(jù)本發(fā)明聲穿透裝置的四個(gè) 實(shí)施例的相對(duì)于在焦點(diǎn)處的能量圍繞焦軸以分貝表示的接收到近場(chǎng)的環(huán)境中的能量作為 至焦點(diǎn)的距離的函數(shù)；圖14示出了將隨機(jī)特征引入到傳感器在由螺旋線形成的線性結(jié)構(gòu)任一側(cè)上的定 位的原理。
具體實(shí)施例方式圖1示出了聲穿透裝置1的第一實(shí)施例，圖1描繪了本發(fā)明的原理但是具有與本 發(fā)明不對(duì)應(yīng)的簡(jiǎn)易附圖。聲穿透裝置1包括以具有中心0的球面一部分的形式的三維凹面 區(qū)域10，螺旋線11纏繞在該凹面區(qū)域上，沿著螺旋線11以規(guī)則間隔放置N個(gè)傳感器12。要注意的是，在該附圖中所表示的螺旋線11實(shí)際上僅是假想的元素，由傳感器12 的分布來體現(xiàn)。三維凹面區(qū)域10的凹面?zhèn)榷ㄏ虺沙蚵暣┩秆b置1的所謂的天然聚焦區(qū)域，在此 處與所有傳感器12是等距的區(qū)域，意思是圍繞支撐三維凹面區(qū)域10的中心0的區(qū)域。在圖2中描述了聚焦原理以及天然聚焦區(qū)域的位置，示出了在0YZ平面內(nèi)圖1中 的聲穿透裝置1的部分。在該附圖中，每個(gè)傳感器12產(chǎn)生差不多是錐形的壓力場(chǎng)。當(dāng)每個(gè)傳感器12放置在球面形狀三維凹面區(qū)域10上時(shí)，傳感器都定向成朝向該 球面的中心0并因此在該點(diǎn)0附近產(chǎn)生最大的壓力場(chǎng)。因此，在該焦點(diǎn)0周圍產(chǎn)生聚焦區(qū) 域20。因此，聲穿透裝置1的幾何尺寸尤其適合于該聚焦區(qū)域20的聲穿透。預(yù)先選擇該聚焦區(qū)域20相對(duì)于聲穿透裝置1所處的距離，并且然后在聲穿透裝置 1的設(shè)計(jì)期間根據(jù)希望的焦距來選擇三維凹面區(qū)域10的曲率或此處的半徑R。接下來，將單獨(dú)計(jì)算的相位延遲引入到由每個(gè)傳感器12發(fā)出的信號(hào)中的已知技 術(shù)可用來移動(dòng)在天然聚焦區(qū)域20附近的最大壓力區(qū)域，如圖2中所示。于是，由聲穿透裝 置1提供一定的緯度，以便在Z軸上和/或X和Y軸上移動(dòng)最大壓力區(qū)域。最大壓力區(qū)域 沿著OX、0Y和0Z軸的移動(dòng)對(duì)應(yīng)于產(chǎn)生聚焦波束的電子轉(zhuǎn)向。如圖1示意性地所示，為了獨(dú)立地控制傳感器12的發(fā)射，聲穿透裝置1連接到控 制模塊13。該控制模塊13包括N個(gè)電子通道，每個(gè)通道設(shè)計(jì)成獨(dú)立地控制在圖1中所示聲 穿透裝置1的N個(gè)傳感器12中的一個(gè)。由于每個(gè)傳感器12在相位9和幅值A(chǔ)方面通?？煽?，因此，控制模塊13被設(shè)計(jì)成 發(fā)射N個(gè)信號(hào)，即S1 (A, cp)至SN (A，cp)。在遞交該專利申請(qǐng)時(shí)可用的獨(dú)立電子通道的數(shù)量N大致是512。然而，本發(fā)明的原 理對(duì)于可能的任何數(shù)量N都保持有效，甚至在將來N增加時(shí)也是如此，只要兩個(gè)傳感器之間 的距離不小于一個(gè)波長(zhǎng)。人們也知道傳感器之間的距離通常大于一個(gè)波長(zhǎng)，因?yàn)楸仨毷褂檬謱挼膫鞲?器，以便在焦點(diǎn)處通過限定數(shù)量的傳感器來產(chǎn)生足夠高超聲能量。于是，這種傳感器具有大于中心發(fā)射頻率的數(shù)個(gè)波長(zhǎng)的尺寸，且傳感器的中心因 此至少由其尺寸分離，該尺寸大于中心發(fā)射頻率的波長(zhǎng)。具體地，本發(fā)明所涉及的傳感器具有大于在中心發(fā)射頻率處的兩個(gè)波長(zhǎng)的特征尺寸。例如，可使用具有6mm直徑的傳感器，當(dāng) 傳感器在水或軟組織中以1MHz的頻率操作時(shí)該傳感器已經(jīng)對(duì)應(yīng)于四倍的波長(zhǎng)。圖3提出了恒定節(jié)距的平坦螺旋線30的示例。這種螺旋線已知為阿基米德螺旋 線或阿基米德螺旋。在這種螺旋線中，通過用螺旋線30與軸(0X)或(0Y)相交來確定的兩 個(gè)連續(xù)點(diǎn)之間的距離d總是恒定的。螺旋線的方程是P =30+13，其中0是極半徑，e是涉及的角度，且a是螺旋線 的節(jié)距。b的值對(duì)應(yīng)于螺旋線30的起點(diǎn)。當(dāng)b = 0時(shí)該起點(diǎn)是螺旋線的中心，這是圖3中 所示的情形。根據(jù)本發(fā)明，N個(gè)傳感器12接著沿著該螺旋線30分布。如前所述，傳感器12的 數(shù)量N從由控制模塊13提供的獨(dú)立電子通道的數(shù)量來大致確定。螺旋線上兩個(gè)連續(xù)傳感器12之間的距離被選擇成服從兩個(gè)傳感器12之間的最小 物理距離以及傳感器12在三維表面10上的均質(zhì)分布。該均質(zhì)分布考慮到螺旋線30的節(jié) 距a，該螺旋線30的節(jié)距a確定在兩個(gè)傳感器12之間觀測(cè)到的最小距離，該兩個(gè)傳感器12 由經(jīng)過螺旋線30的中心的給定直線上的螺旋線30的連續(xù)兩圈來支撐。因此，根據(jù)聲穿透裝置1的總尺寸和可被獨(dú)立控制的傳感器的數(shù)量N來確定螺旋 線30的節(jié)距以及傳感器12沿著該螺旋線30的分布。當(dāng)然，為了服從傳感器12的均質(zhì)分 布，傳感器12按照在整個(gè)三維表面上恒定且相同的距離來有利地彼此分離。這意味著螺旋 線的節(jié)距大致等于將由螺旋線30支撐的兩個(gè)連續(xù)傳感器12分離的距離。這在圖4中示出，其中N = 512個(gè)傳感器被放置在平坦螺旋線30上。傳感器12 的這種分布被投影到聲穿透裝置1的三維凹面區(qū)域10上。圖5示出了正交投影到以球冠體的形式的三維凹面區(qū)域10上的原理?？梢钥闯?， 球冠體的中心區(qū)域ZC以及外圍區(qū)域ZP必要地具有不同集中度的傳感器12。球冠體的中心部分ZC具有高集中度的傳感器12，而外圍部分ZP具有離得更遠(yuǎn)的 傳感器12，因?yàn)槁菪€30的圈數(shù)在投影期間彼此遠(yuǎn)離。因此，傳感器12在外圍的集中度較 低。傳感器12的這種不均質(zhì)分布導(dǎo)致在球冠體的中心區(qū)域ZC發(fā)射的能量的集中度。在中心區(qū)域ZC處積聚的能量可導(dǎo)致對(duì)環(huán)境或環(huán)境表面的損壞。當(dāng)然，可能觀測(cè)到 接收能量的強(qiáng)度引起在位于裝置1的近場(chǎng)處的環(huán)境表面上加熱的區(qū)域。圖3的螺旋線30還可根據(jù)在三維凹面區(qū)域10上的逆向立體投影進(jìn)行投影。投影 參考點(diǎn)接著有利地選擇成位于球面上，該球面包括三維凹面區(qū)域10。立體投影引起傳感器12在三維凹面區(qū)域10的中心部分ZC與外圍部分ZP之間的 更佳分布。在實(shí)施方式的第二原理中，在圖6中示出的球面螺旋線60正好被用來將傳感器12 放置在以聲穿透裝置1的球面的一部分的三維凹面區(qū)域10上。圖6示出了克萊麗亞(Clelia)螺旋線60。螺旋線60的方程對(duì)應(yīng)于點(diǎn)M以恒定速 度在球面的表面上圍繞球面的極軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。在直角坐標(biāo)系中，下述方程描述了這種運(yùn)動(dòng)并因此描述了螺旋線60 x = Rcosm 9 cos 9 ;y = Rcosm 9 sin 9 ；z = Rsinm 9在該方程中，x、y和z是點(diǎn)M的直角坐標(biāo)，R是球面的半徑，0是點(diǎn)M在X0Y平面 內(nèi)的角度，且m是用來確定所獲得的總體積外形的參數(shù)。在圖6的情形中，參數(shù)m被選擇成
8能夠產(chǎn)生球形螺旋線。接著，按照與前述類似的方式，對(duì)應(yīng)于圖1中球面一部分的該球形螺旋線60的一 部分被用來放置N個(gè)傳感器12。于是得到的傳感器12的表面分布在球面部分的中心部分 ZC與外圍部分ZP之間十分均勻。從而，螺旋線的兩個(gè)連續(xù)圈之間的距離在一個(gè)圈跟隨經(jīng)過 螺旋線60的中心的球面的外圍時(shí)有效地是恒定的，而在平坦螺旋線30投影到三維表面10 上的情形中時(shí)該距離增加。在第三實(shí)施方式中，如圖7所示，假定使用正交投影能夠影響放置在平坦阿基米 德螺旋線上的傳感器12網(wǎng)絡(luò)的外圍的變松，那么可使用平坦螺旋線的功率角方程以便得 到平坦螺旋線70，該螺旋線70在中心處變松而在外圍處變得緊密。這種螺旋線的方程如下 當(dāng)這種螺旋線70正交投影時(shí)，得到的球形螺旋線的節(jié)距可大致恒定，且因此導(dǎo)致 在三維凹面區(qū)域10上的均質(zhì)分布。參數(shù)a和b的選擇使得能夠?qū)⒙菪€70的形狀與三維 凹面區(qū)域10的曲率精確地匹配。通常，根據(jù)本發(fā)明原理的傳感器12沿著三維螺旋線的分布具有優(yōu)于產(chǎn)生不對(duì)稱 性的分布的優(yōu)點(diǎn)，且還允許傳感器的規(guī)則和均質(zhì)分布。在該分布中，可能的是，以螺旋線的 節(jié)距控制傳感器12之間的距離和控制螺旋線上任何兩個(gè)連續(xù)傳感器12之間的距離。圖8示出了本發(fā)明的實(shí)施例。根據(jù)本實(shí)施例，兩條同心螺旋線被用來確定N個(gè)傳 感器12的分布。數(shù)量(N = 512)與圖4中的相同。兩條螺旋線相對(duì)于豎直軸線是對(duì)稱的， 且因此關(guān)于彼此以180°開始其纏繞。使用根據(jù)本發(fā)明的這兩條螺旋線，針對(duì)給定數(shù)量的傳 感器將由圖4中的聲穿透裝置發(fā)射的總能量的重力中心再對(duì)中。在本發(fā)明的該實(shí)施例中，作為傳感器的分布基礎(chǔ)，可能使用前述提及的每種類型 的螺旋線，即從各種方程和投影得到的平坦螺旋線或者球形螺旋線。螺旋線的起始角以及 節(jié)距被設(shè)計(jì)使得它們不重疊且以便得到傳感器的均質(zhì)分布，其中在給定螺旋線上的兩個(gè)連 續(xù)傳感器12之間的距離差不多等于兩條螺旋線的鄰近圈之間的距離。圖9示出了傳感器12在根據(jù)本發(fā)明的單條螺旋線1S中、在半隨機(jī)分布QR中以及 在雙螺旋線2S中的三種類型的分布的近場(chǎng)屬性。曲線表示觀測(cè)為至焦點(diǎn)DF的距離的函數(shù)能量E。可以看出針對(duì)具有單條螺旋線 1S的聲穿透裝置以及針對(duì)具有傳感器12的半隨機(jī)分布QR的聲穿透裝置的大致類似旁瓣 LS的存在性。在另一方面，可以看出，使用根據(jù)本發(fā)明的雙螺旋線2S明顯減少或甚至消除旁瓣 LS。圖10示出了以分貝表示的在焦平面中觀測(cè)到的瓣的最大相對(duì)功率ra與根據(jù)在例 如0y軸上以mm表示的角度A在焦點(diǎn)處壓力的幅值之間的關(guān)系。該相對(duì)功率冊(cè)對(duì)應(yīng)于三 個(gè)實(shí)施方式，其中兩個(gè)實(shí)施方式根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)而一個(gè)實(shí)施方式對(duì)應(yīng)于在圖1中示出的簡(jiǎn)易 實(shí)施方式。第一個(gè)對(duì)應(yīng)于支撐設(shè)置成環(huán)形方式AN的傳感器的裝置的情形，且第二個(gè)對(duì)應(yīng)于 傳感器設(shè)置在單條螺旋線1S上情形，且第三個(gè)對(duì)應(yīng)于傳感器以半隨機(jī)方式設(shè)置的情形?？梢钥闯?，傳感器在一條(或多條)螺旋線中的設(shè)置導(dǎo)致類似于傳感器的已知設(shè) 置所觀測(cè)到行為的角度行為。
考慮到旁瓣的絕對(duì)功率而不是角度的情形，同心螺旋線數(shù)量的增加導(dǎo)致能量旁瓣 以大多數(shù)不期望的方式降低。因此，在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，同心螺旋線的數(shù)量增加。傳感器在其上分布的螺 旋線的數(shù)量增加將導(dǎo)致能量的空間更均質(zhì)分布。這對(duì)旁瓣的幅值具有不期望的、顯著且明 顯的影響。圖11a和lib分別示出了四條阿基米德螺旋線和四條功率角螺旋線，該螺旋線彼 此同心且等距。為了形成根據(jù)本發(fā)明的聲穿透裝置，于是這些螺旋線被投影到三維凹面區(qū) 域10上且傳感器沿著這些螺旋線布置。圖11c和lid分別正確地表示四條同心球形克萊麗亞螺旋線，該螺旋線在其間具 有相同的距離且N個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)在該四條螺旋線上分布。圖12a和12b分別正確地表示兩個(gè)不同尺寸的探頭，N = 512個(gè)傳感器沿著十一 條同心螺旋線放置在該探頭上。在此，十一條同心螺旋線通過將十一條阿基米德螺旋線正 交投影到三維凹面區(qū)域來實(shí)現(xiàn)。圖12a的聲穿透裝置具有180mm的總直徑，而圖12b的聲穿透裝置具有300mm的 總直徑。曲率的半徑都是一樣的。由于在每種情形中傳感器的數(shù)量相同，且因?yàn)橥队瓣P(guān)系 和表面的增加，所以傳感器彼此間隔的距離在圖12b中比圖12a中總體上更遠(yuǎn)?？梢郧宄乜闯霾捎脤⑹粭l平坦螺旋線正交投影到三維凹面區(qū)域上而得到的 傳感器的這種分布，探頭的總直徑越大則三維凹面區(qū)域10的中心區(qū)域ZC與其外圍區(qū)域ZP 之間的傳感器距離差異的問題就越為重要。當(dāng)然，在圖12b的探頭的外圍上，可以看出傳感 器12在由兩條不同螺旋線支撐的傳感器之間與由相同螺旋線支撐的連續(xù)傳感器之間相比 進(jìn)一步分離。在本文中可以看出，使用球形螺旋線或平坦螺旋線的立體投影或者在角度功率中 螺旋線的再次正交投影將是最有用的。圖13示出了針對(duì)具有單個(gè)螺旋線1S的聲穿透裝置在近場(chǎng)的能量分布，且該聲穿 透裝置具有傳感器12的半隨機(jī)分布QR、七條螺旋線7S、十一條螺旋線11S以及十六條螺旋 線16S中的傳感器分布?？梢钥闯雠园甑臏p少對(duì)于具有在十一條螺旋線11S或十六條螺旋 線16S上的傳感器分布的聲穿透裝置來說更有意義。還可以看出，在后兩種情形中能量實(shí) 際上會(huì)更好地分布。為了減少出現(xiàn)旁瓣，本發(fā)明發(fā)現(xiàn)了把隨機(jī)元素引入到將傳感器布置在由螺旋線形 成的線性結(jié)構(gòu)任一側(cè)上是有效的。圖14示出了這種屬性。該附圖示出了螺旋線30的圈的兩個(gè)部分。當(dāng)傳感器12i、 12i+l、12j的理論位置被確定在螺旋線的軌跡上以便形成傳感器的空間均質(zhì)分布且用十字 線表示時(shí)，傳感器的實(shí)際位置被隨機(jī)地確定在由盤(121、(121+1、(12」形成的表面上，該盤 的中心由傳感器的理論放置來確定。盤的半徑處于在聚焦環(huán)境中由傳感器發(fā)射的波長(zhǎng)的量 級(jí)。有利地，傳感器在螺旋線任一側(cè)上的隨機(jī)布置緯度被限定為在螺旋線的線性結(jié)構(gòu) 任一側(cè)上的一個(gè)波長(zhǎng)。這種屬性引入了對(duì)稱的附加破裂，從由聲穿透裝置發(fā)射的能量的空間分布來看， 這是有利的。這證明了在束的角度增加時(shí)該對(duì)稱破裂產(chǎn)生更為有利的結(jié)果。當(dāng)然，相對(duì)于聲穿透裝置的天然焦軸，近場(chǎng)中束的對(duì)稱瓣受到限制。 最后可以看出，在本發(fā)明原理的范圍內(nèi)，許多不同的實(shí)施方式都是可能的。
權(quán)利要求
一種用于聲穿透介質(zhì)的裝置(1)，所述裝置被設(shè)計(jì)成在所謂的聚焦區(qū)域(20)中的點(diǎn)周圍產(chǎn)生聚焦波束，所述聚焦波束用來成像介質(zhì)或改變介質(zhì)的屬性，其中所述聲穿透裝置包括內(nèi)置或外置支撐結(jié)構(gòu)，在所述支撐結(jié)構(gòu)上安裝預(yù)定數(shù)量的超聲傳感器(12)的網(wǎng)絡(luò)，所述傳感器被設(shè)計(jì)成獨(dú)立地受控以產(chǎn)生聚焦波束，其特征在于，用于產(chǎn)生聚焦波束的傳感器(12)是尺寸大于一個(gè)波長(zhǎng)的寬傳感器，所述傳感器沿著纏繞到三維凹面區(qū)域(10)上的至少兩條同心螺旋線(11)布置，其中螺旋線的纏繞和傳感器在螺旋線上的位置被選擇成使得傳感器在三維表面上的空間分布是均質(zhì)的，其中三維表面的形狀和尺寸也被選擇成允許束在預(yù)定焦距下最佳地聚焦，且三維表面的凹面?zhèn)榷ㄏ虺蚓劢箙^(qū)域(20)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述三維表面(10)是球面的一部分，所述 球面的半徑(R)等于期望焦距。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述螺旋線的數(shù)量在兩條與二十條之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，所述螺旋線的數(shù)量在七條與十三條之間。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，所述螺旋線是設(shè)置在平面內(nèi) 的平坦螺旋線，且所述螺旋線投影到三維凹面區(qū)域(10)上。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，所述螺旋線(11)選自阿基米德螺旋線、指 數(shù)螺旋線和功率角螺旋線。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，所述螺旋線(11)是限定在球 面上的球形螺旋線。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于，所述螺旋線(11)選自克萊麗(Clelia)螺 旋線，這種三維曲線由極坐標(biāo)系限定，其中e是角度變量且R是球面的半徑x = Rcosm 9 cos 9 ;y = Rcosm 9 sin 9 ;z = Rsinm 9。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，所述結(jié)構(gòu)是內(nèi)置結(jié)構(gòu)，且包括 壓電或半導(dǎo)體材料，所述壓電或半導(dǎo)體材料的表面(10)是三維的凹面，其中壓電或半導(dǎo)體 材料被切分成多個(gè)獨(dú)立的傳感器元件，其中僅沿著纏繞在壓電或半導(dǎo)體材料三維凹面區(qū)域(10)上的至少兩條同心螺旋線(11)布置的一些傳感器(12)被激活，以便形成聚焦束。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，所述三維凹面區(qū)域(10)的 尺寸和形狀根據(jù)焦點(diǎn)(0)周圍期望的焦軌跡(20)的最小尺寸和形狀來確定。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，在傳感器(12)沿著螺旋線(11)的分布已經(jīng)確定之后，傳感器(12i)的中心位置在由盤(C12i)形成的表面上被隨機(jī)調(diào) 節(jié)，盤(C12i)的中心是先前確定的傳感器(12i)的中心的初始位置，且半徑小于或等于聚 焦介質(zhì)中的波長(zhǎng)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于聲穿透環(huán)境或介質(zhì)的裝置(1)，其被設(shè)計(jì)成在所謂的聚焦區(qū)域(20)中的點(diǎn)周圍產(chǎn)生聚焦波束，所述聚焦波束用來成像介質(zhì)或改變介質(zhì)的屬性，其中所述聲穿透裝置(1)包括內(nèi)置或外置支撐結(jié)構(gòu)，在所述支撐結(jié)構(gòu)上安裝預(yù)定數(shù)量的超聲傳感器(12)的網(wǎng)絡(luò)，所述傳感器被設(shè)計(jì)成獨(dú)立受控以產(chǎn)生聚焦波束。根據(jù)本發(fā)明，用于產(chǎn)生聚焦波束的傳感器(12)沿著纏繞到三維凹面區(qū)域(10)上的至少兩條同心螺旋線(11)空間均質(zhì)布置，其中三維表面區(qū)域的形狀和尺寸被選擇成允許束在預(yù)定焦距下最佳地聚焦，且三維表面區(qū)域的凹面?zhèn)榷ㄏ虺沙蚓劢箙^(qū)域(20)。
文檔編號(hào)G01S15/89GK101855572SQ200880115761
公開日2010年10月6日 申請(qǐng)日期2008年11月12日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月12日
發(fā)明者F·瓦雷, M·佩爾諾, Y·馬丁 申請(qǐng)人:超聲成像公司