增強型多陣元聚焦內(nèi)窺超聲探頭的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種增強型多陣元聚焦內(nèi)窺超聲探頭，通過至少三個單陣元平面換能器在空間不同位置上的組合，實現(xiàn)聚焦的效果，代替了凹面聚焦換能器，解決了凹面換能器在制作過程中的不便，通過改變換能器之間的相對位置，即可實現(xiàn)不同曲率半徑凹面換能器的聚焦功能。所述至少三個單陣元平面換能器并聯(lián)使用，通過設(shè)計電路使所述至少三個單陣元平面換能器能夠用兩根傳輸信號線完成多個發(fā)射單一接收功能，在保證探頭空間尺寸的基礎(chǔ)上增大回波信號，并且單一接收能夠保證成像準(zhǔn)確。
【專利說明】增強型多陣元聚焦內(nèi)窺超聲探頭

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)計一種超聲換能器，尤其是一種內(nèi)窺超聲換能器。

【背景技術(shù)】
[0002] 內(nèi)窺超聲換能器的選取需要考慮到尺寸和功率兩方面的要求。凹面聚焦換能器可 以很好的滿足內(nèi)窺超聲系統(tǒng)的要求，但是凹面聚焦換能器在制作上較為復(fù)雜，成本較高，聚 焦點的變化將給不同曲率半徑的凹面加工帶來不便。若采用多個單陣元平面換能器組合使 用，需解決信號線數(shù)目與換能器信號控制相矛盾的問題。換能器信號線數(shù)目多，探頭套管的 直徑將會大大增加，三個單陣元平面換能器接收的回波通過不同的信號線傳輸，可任意的 選取不同信號線的回波；多個換能器如果用同兩根信號線，探頭套管的直徑不會改變，多個 換能器回波信號混在一起，信號選擇成為問題。本發(fā)明使用傳統(tǒng)的平面矩形換能器通過在 空間上的排列組合產(chǎn)生聚焦效果，設(shè)計電路使多個單陣元平面換能器能夠?qū)崿F(xiàn)多個同時發(fā) 射，單個接收的功能，解決了探頭尺寸限制和回波信號選擇的問題。通過對組合后換能器聲 場的仿真，證明本發(fā)明具有聚焦效果，回波明顯增強，并且制作方便，實用性強。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 針對現(xiàn)有技術(shù)中的上述技術(shù)問題，本發(fā)明的目的是設(shè)計一種內(nèi)窺超聲換能器，使 其有聚焦效果，相比單一換能器具有發(fā)射功率相同時接收回波大的特點；與現(xiàn)有的凹面聚 焦換能器相比具有制作方便，加工簡單，成本低廉等特點。本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)。
[0004] 一種超聲探頭，包括： 至少三個換能器，其中包括位于中間位置的一個第一換能器，以及基本對稱地分布在 所述第一換能器周圍空間的多個第二換能器，所述多個第二換能器能夠根據(jù)被檢測目標(biāo)進 行設(shè)置，以實現(xiàn)組合聚焦； 信號收發(fā)電路，其耦合到所述至少三個換能器，使得所述至少三個換能器能夠同時發(fā) 射聲波，并且只有位于中間的所述第一換能器接收到的回波能夠返回。
[0005] 優(yōu)選地，所述至少三個換能器為順次連接的三個平面矩形換能器，所述第一換能 器與其一側(cè)的所述第二換能器之間形成有第一夾角，所述第一換能器與其另一側(cè)的所述第 二換能器之間形成有第二夾角。
[0006] 優(yōu)選地，所述第一夾角與所述第二夾角基本相同。
[0007] 優(yōu)選地，所述第一夾角與所述第二夾角為銳角。
[0008] 優(yōu)選地，所述信號收發(fā)電路包括將所述至少三個換能器并聯(lián)的回路，所述回路還 與信號發(fā)射裝置和信號接收裝置連接。
[0009] 優(yōu)選地，每個所述第二換能器分別與兩個穩(wěn)壓管串聯(lián)；當(dāng)激勵信號加載在所述并 聯(lián)的回路兩端時，所述至少三個換能器在激勵信號的作用下產(chǎn)生振動，發(fā)射聲波；所述聲波 遇到障礙后反射回波，所述至少三個換能器同時接收回波，其中位于中間的所述第一換能 器的回波信號進入所述回路，位于周圍的多個所述第二換能器的回波信號被穩(wěn)壓管阻隔不 能通過。
[0010] 本發(fā)明還提供了一種超聲成像方法，包括： 設(shè)置至少三個換能器，將一個第一換能器設(shè)置于中間位置，將多個第二換能器基本對 稱地分布在所述第一換能器周圍空間，并且根據(jù)被檢測目標(biāo)進行設(shè)置，以實現(xiàn)組合聚焦； 將信號收發(fā)電路耦合到所述至少三個換能器； 使所述至少三個換能器能夠同時發(fā)射聲波；以及 只返回位于中間的所述第一換能器接收到的回波。
[0011] 優(yōu)選地，所述至少三個換能器為順次連接的三個平面矩形換能器，所述第一換能 器與其一側(cè)的所述第二換能器之間形成有第一夾角，所述第一換能器與其另一側(cè)的所述第 二換能器之間形成有第二夾角。
[0012] 優(yōu)選地，所述第一夾角與所述第二夾角基本相同。
[0013] 優(yōu)選地，所述第一夾角與所述第二夾角設(shè)置為銳角。
[0014] 本發(fā)明由至少三個平面矩形換能器組成，在制作時可根據(jù)超聲系統(tǒng)的預(yù)期工作范 圍調(diào)整換能器之間的角度，使換能器的聚焦點在超聲系統(tǒng)的工作范圍內(nèi)。所述至少三個換 能器并聯(lián)使用在激勵信號的作用下同時發(fā)射聲波，在空間形成聲場，聲場中存在著能量最 大值點即聚焦點。通過電路設(shè)計使接收時僅由中間換能器接收，接收到的回波中既包含著 中間換能器發(fā)射能量的回波，又包含著周圍換能器發(fā)射能量的回波分量，使回波增大效果 明顯、圖像準(zhǔn)確，提高了系統(tǒng)的性能，換能器整體結(jié)構(gòu)微小，可在內(nèi)窺超聲系統(tǒng)中使用。
[0015]

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016] 圖1為本發(fā)明內(nèi)窺超聲換能器結(jié)構(gòu)圖 圖2為以本換能器為中心直角坐標(biāo)系圖 圖3為內(nèi)窺超聲換能器工作電路圖 圖4為Field II聲場模擬軟件一張仿真圖(組合換能器接收信號隨時間變化曲線） 圖5為Field II聲場模擬軟件一張仿真圖（單陣元平面換能器接收信號隨時間變化 曲線） 圖6為Field II聲場模擬軟件另一張仿真圖(換能器聚焦點隨角度的變化曲線） 圖7為Field II聲場模擬軟件另一張仿真圖（空間角度為0. 205時z軸方向的聲場分 布） 圖8為穩(wěn)壓管的U-I特性曲線 其中各附圖標(biāo)記含義如下： 1為單陣元平面換能器 2為穩(wěn)壓管 3為激勵信號 4為一條并聯(lián)回路兩端的信號 5為另一條并聯(lián)回路兩端的信號 6為另一條并聯(lián)回路兩端的信號

【具體實施方式】
[0017] 本發(fā)明的超聲內(nèi)窺換能器空間結(jié)構(gòu)如圖1所示，其基本結(jié)構(gòu)由三個單陣元平面換 能器1組成，整體對稱，以本換能器為中心建立直角坐標(biāo)系如圖2所示，兩側(cè)的單陣元發(fā)射 面與中間單陣元發(fā)射面所成的銳角記為a。本發(fā)明具體工作電路圖如圖3所示，圖中三個 單陣元平面換能器1并聯(lián)工作，兩個穩(wěn)壓管2分別與兩側(cè)的單陣元平面換能器1串聯(lián)，激 勵信號3加載在并聯(lián)電路兩端，形狀為正負(fù)矩形脈沖，根據(jù)并聯(lián)性質(zhì)，三個單陣元平面換能 器1所在的回路激勵相同，但根據(jù)穩(wěn)壓管2的伏安特性，在穩(wěn)壓管兩端加正向電壓時相當(dāng)于 具有0. 3~0. 7v壓降的二極管；在穩(wěn)壓管兩端加逆向電壓時，如果加載的電壓高于穩(wěn)壓管擊 穿電壓，則穩(wěn)壓管導(dǎo)通，反之截止。由于激勵信號3通常為幾百伏，所以兩側(cè)的單陣元平面 換能器1所在的支路能通過激勵信號4、6,相比較激勵信號3幅值來說少了穩(wěn)壓管的正向 導(dǎo)通壓降和負(fù)向?qū)▔航?。而中間的單陣元平面換能器1能通過激勵信號5,激勵信號4、 6比激勵信號3幅值稍小。三個單陣元平面換能器1在激勵信號的作用下產(chǎn)生振動，發(fā)射 聲波。遇到障礙后反射回波，三個單陣元平面換能器1同時接收到回波，接收到的回波信號 峰值在幾百毫伏到lv左右，根據(jù)穩(wěn)壓管的U-I特性曲線如圖8,逆向電壓需超過擊穿電壓 才能通過，正向超過開啟電壓才能通過，穩(wěn)壓管的正向開啟電壓與逆向擊穿電壓之和要遠(yuǎn) 大于單陣元平面換能器1接收到的回波信號，所以在三個并聯(lián)支路中只要有穩(wěn)壓管2的存 在，則對于回波信號可視開路，這樣就只有中間的單陣元平面換能器1能接收到回波信號， 通過導(dǎo)線傳輸給超聲探頭外部的變壓器。
[0018] 為了計算聲場，建立以換能器為中心的直角坐標(biāo)系如圖2所示，以中間單陣元平 面換能器發(fā)射面的幾何中心為坐標(biāo)系中心建立直角坐標(biāo)系，兩側(cè)的單陣元平面換能器發(fā)射 面與中間的單陣元平面換能器發(fā)射面所成的銳角記為a，然后利用Filed II聲場模擬軟件 對本發(fā)明設(shè)計的換能器進行仿真。通過設(shè)置工作頻率、換能器尺寸等利用Filed II的聲場 計算函數(shù)在Matlab中計算換能器在空間形成的聲場和換能器接收到的信號并進行繪制得 到了如圖4為換能器接收信號的歸一化曲線、圖6為換能器聚焦點隨空間角度的變化曲線、 圖7為換能器在空間角度為0. 205時z軸方向的聲場分布。
[0019] 對圖4、5進行分析，讀取換能器接收信號的最大值Imax，圖4中組合換能器接收 信號的Imax為5. 79*10e-22,而圖5中單陣元平面換能器接收信號的Imax為6. 63*10e-24， 組合換能器接收到的回波信號遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于單陣元平面換能器接收到的回波信號。證明本發(fā)明 對接收回波增大效果明顯。
[0020] 對圖6進行分析當(dāng)換能器張角的弧度值在0左右時，即三個換能器在空間近似一 個平面內(nèi)，此時沒有聚焦效果；隨著角度的增加，首先在Z軸上44_的位置出現(xiàn)聚焦，之后 隨著角度進一步增加，聚焦點逐漸沿著Z軸負(fù)方向移動，當(dāng)角度的弧度值過大時，即在1. 4 左右時，三個換能器在空間近似為矩形框的形狀，所以此時對換能器的聲場研究沒有意義， 能量最大值點也不是聚焦點。
[0021] 對圖6中任選一個點進行分析，例如取a=0. 205時曲線上的點；利用Field II聲 場模擬軟件對a=0. 205的換能器在Z軸方向上的聲場進行模擬，如圖7所示。分析圖7,在 Z軸方向上5~15mm的范圍內(nèi)聲場的強度有明顯的增強，且在z=10mm時，強度達(dá)到最大，意味 著換能器在該點實現(xiàn)聚焦。圖7中的強度最大值出現(xiàn)位置與圖6中讀取的當(dāng)a=0. 205時聚 焦點位置相同，且圖像的走勢符合實際，均證明仿真結(jié)果正確。
[0022] 確定超聲系統(tǒng)的工作范圍，根據(jù)如圖6的Field II聲場模擬圖選取合適角度的換 能器，使聚焦點位于工作范圍的中心，這樣可使得聚焦點前后范圍內(nèi)的工作效果最佳。
【權(quán)利要求】
1. 一種超聲探頭，包括： 至少三個換能器，其中包括位于中間位置的一個第一換能器，以及基本對稱地分布在 所述第一換能器周圍空間的多個第二換能器，所述多個第二換能器能夠根據(jù)被檢測目標(biāo)進 行設(shè)置，以實現(xiàn)組合聚焦； 信號收發(fā)電路，其耦合到所述至少三個換能器，使得所述至少三個換能器能夠同時發(fā) 射聲波，并且只有位于中間的所述第一換能器接收到的回波能夠返回。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲探頭，其特征在于，所述至少三個換能器為順次連接的 三個平面矩形換能器，所述第一換能器與其一側(cè)的所述第二換能器之間形成有第一夾角， 所述第一換能器與其另一側(cè)的所述第二換能器之間形成有第二夾角。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的超聲探頭，其特征在于，所述第一夾角與所述第二夾角基本 相同。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的超聲探頭，其特征在于，所述第一夾角與所述第二夾角為 銳角。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項所述的超聲探頭，其特征在于，所述信號收發(fā)電路包括 將所述至少三個換能器并聯(lián)的回路，所述回路還與信號發(fā)射裝置和信號接收裝置連接。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的超聲探頭，其特征在于，每個所述第二換能器分別與兩個穩(wěn) 壓管串聯(lián)；當(dāng)激勵信號加載在所述并聯(lián)的回路兩端時，所述至少三個換能器在激勵信號的 作用下產(chǎn)生振動，發(fā)射聲波；所述聲波遇到障礙后反射回波，所述至少三個換能器同時接收 回波，其中位于中間的所述第一換能器的回波信號進入所述回路，位于周圍的多個所述第 二換能器的回波信號被穩(wěn)壓管阻隔不能通過。
7. -種超聲成像方法，包括： 設(shè)置至少三個換能器，將一個第一換能器設(shè)置于中間位置，將多個第二換能器基本對 稱地分布在所述第一換能器周圍空間，并且根據(jù)被檢測目標(biāo)進行設(shè)置，以實現(xiàn)組合聚焦； 將信號收發(fā)電路耦合到所述至少三個換能器； 使所述至少三個換能器能夠同時發(fā)射聲波；以及 只返回位于中間的所述第一換能器接收到的回波。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的超聲成像方法，其特征在于，所述至少三個換能器為順次連 接的三個平面矩形換能器，所述第一換能器與其一側(cè)的所述第二換能器之間形成有第一夾 角，所述第一換能器與其另一側(cè)的所述第二換能器之間形成有第二夾角。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的超聲探頭，其特征在于，所述第一夾角與所述第二夾角基本 相同。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的超聲探頭，其特征在于，所述第一夾角與所述第二夾角 設(shè)置為銳角。
【文檔編號】G01N29/24GK104101653SQ201410006629
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2014年1月7日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月7日
【發(fā)明者】周智峰, 白寶平, 鄒慧玲 申請人:北京華科創(chuàng)智健康科技股份有限公司, 北京新松佳和電子系統(tǒng)股份有限公司