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增強(qiáng)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(qiáng)型多陣元聚焦內(nèi)窺超聲探頭，通過(guò)至少三個(gè)單陣元平面換能器在空間不同位置上的組合，實(shí)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(guò)程中的不便，通過(guò)改變換能器之間的相對(duì)位置，即可實(shí)現(xiàn)不同曲率半徑凹面換能器的聚焦功能。所述至少三個(gè)單陣元平面換能器并聯(lián)使用，通過(guò)設(shè)計(jì)電路使所述至少三個(gè)單陣元平面換能器能夠用兩根傳輸信號(hào)線完成多個(gè)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(hào)，并且單一接收能夠保證成像準(zhǔn)確。
【專利說(shuō)明】增強(qiáng)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(jì)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(diǎn)的變化將給不同曲率半徑的凹面加工帶來(lái)不便。若采用多個(gè)單陣元平面換能器組合使 用，需解決信號(hào)線數(shù)目與換能器信號(hào)控制相矛盾的問(wèn)題。換能器信號(hào)線數(shù)目多，探頭套管的 直徑將會(huì)大大增加，三個(gè)單陣元平面換能器接收的回波通過(guò)不同的信號(hào)線傳輸，可任意的 選取不同信號(hào)線的回波；多個(gè)換能器如果用同兩根信號(hào)線，探頭套管的直徑不會(huì)改變，多個(gè) 換能器回波信號(hào)混在一起，信號(hào)選擇成為問(wèn)題。本發(fā)明使用傳統(tǒng)的平面矩形換能器通過(guò)在 空間上的排列組合產(chǎn)生聚焦效果，設(shè)計(jì)電路使多個(gè)單陣元平面換能器能夠?qū)崿F(xiàn)多個(gè)同時(shí)發(fā) 射，單個(gè)接收的功能，解決了探頭尺寸限制和回波信號(hào)選擇的問(wèn)題。通過(guò)對(duì)組合后換能器聲 場(chǎng)的仿真，證明本發(fā)明具有聚焦效果，回波明顯增強(qiáng)，并且制作方便，實(shí)用性強(qiáng)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的目的是設(shè)計(jì)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(shí)接收回波大的特點(diǎn)；與現(xiàn)有的凹面聚 焦換能器相比具有制作方便，加工簡(jiǎn)單，成本低廉等特點(diǎn)。本發(fā)明通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)。
[0004] 一種超聲探頭，包括： 至少三個(gè)換能器，其中包括位于中間位置的一個(gè)第一換能器，以及基本對(duì)稱地分布在 所述第一換能器周圍空間的多個(gè)第二換能器，所述多個(gè)第二換能器能夠根據(jù)被檢測(cè)目標(biāo)進(jìn) 行設(shè)置，以實(shí)現(xiàn)組合聚焦； 信號(hào)收發(fā)電路，其耦合到所述至少三個(gè)換能器，使得所述至少三個(gè)換能器能夠同時(shí)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(gè)換能器為順次連接的三個(gè)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(hào)收發(fā)電路包括將所述至少三個(gè)換能器并聯(lián)的回路，所述回路還 與信號(hào)發(fā)射裝置和信號(hào)接收裝置連接。
[0009] 優(yōu)選地，每個(gè)所述第二換能器分別與兩個(gè)穩(wěn)壓管串聯(lián)；當(dāng)激勵(lì)信號(hào)加載在所述并 聯(lián)的回路兩端時(shí)，所述至少三個(gè)換能器在激勵(lì)信號(hào)的作用下產(chǎn)生振動(dòng)，發(fā)射聲波；所述聲波 遇到障礙后反射回波，所述至少三個(gè)換能器同時(shí)接收回波，其中位于中間的所述第一換能 器的回波信號(hào)進(jìn)入所述回路，位于周圍的多個(gè)所述第二換能器的回波信號(hào)被穩(wěn)壓管阻隔不 能通過(guò)。
[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(gè)換能器，將一個(gè)第一換能器設(shè)置于中間位置，將多個(gè)第二換能器基本對(duì) 稱地分布在所述第一換能器周圍空間，并且根據(jù)被檢測(cè)目標(biāo)進(jìn)行設(shè)置，以實(shí)現(xiàn)組合聚焦； 將信號(hào)收發(fā)電路耦合到所述至少三個(gè)換能器； 使所述至少三個(gè)換能器能夠同時(shí)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(gè)換能器為順次連接的三個(gè)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(gè)平面矩形換能器組成，在制作時(shí)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(diǎn)在超聲系統(tǒng)的工作范圍內(nèi)。所述至少三個(gè)換 能器并聯(lián)使用在激勵(lì)信號(hào)的作用下同時(shí)發(fā)射聲波，在空間形成聲場(chǎng)，聲場(chǎng)中存在著能量最 大值點(diǎn)即聚焦點(diǎn)。通過(guò)電路設(shè)計(jì)使接收時(shí)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(shuō)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(chǎng)模擬軟件一張仿真圖(組合換能器接收信號(hào)隨時(shí)間變化曲線） 圖5為Field II聲場(chǎng)模擬軟件一張仿真圖（單陣元平面換能器接收信號(hào)隨時(shí)間變化 曲線） 圖6為Field II聲場(chǎng)模擬軟件另一張仿真圖(換能器聚焦點(diǎn)隨角度的變化曲線） 圖7為Field II聲場(chǎng)模擬軟件另一張仿真圖（空間角度為0. 205時(shí)z軸方向的聲場(chǎng)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(lì)信號(hào) 4為一條并聯(lián)回路兩端的信號(hào) 5為另一條并聯(lián)回路兩端的信號(hào) 6為另一條并聯(lián)回路兩端的信號(hào)

【具體實(shí)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(gè)單陣元平面換 能器1組成，整體對(duì)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(gè) 單陣元平面換能器1并聯(lián)工作，兩個(gè)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(lì)信號(hào)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(gè)單陣元平面換能 器1所在的回路激勵(lì)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(shí)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(shí)，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(lì)信號(hào)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(guò)激勵(lì)信號(hào)4、6,相比較激勵(lì)信號(hào)3幅值來(lái)說(shuō)少了穩(wěn)壓管的正向 導(dǎo)通壓降和負(fù)向?qū)▔航怠６虚g的單陣元平面換能器1能通過(guò)激勵(lì)信號(hào)5,激勵(lì)信號(hào)4、 6比激勵(lì)信號(hào)3幅值稍小。三個(gè)單陣元平面換能器1在激勵(lì)信號(hào)的作用下產(chǎn)生振動(dòng)，發(fā)射 聲波。遇到障礙后反射回波，三個(gè)單陣元平面換能器1同時(shí)接收到回波，接收到的回波信號(hào) 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(guò)擊穿電壓 才能通過(guò)，正向超過(guò)開(kāi)啟電壓才能通過(guò)，穩(wěn)壓管的正向開(kāi)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(hào)，所以在三個(gè)并聯(lián)支路中只要有穩(wěn)壓管2的存 在，則對(duì)于回波信號(hào)可視開(kāi)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(hào)， 通過(guò)導(dǎo)線傳輸給超聲探頭外部的變壓器。
[0018] 為了計(jì)算聲場(chǎng)，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(chǎng)模擬軟件 對(duì)本發(fā)明設(shè)計(jì)的換能器進(jìn)行仿真。通過(guò)設(shè)置工作頻率、換能器尺寸等利用Filed II的聲場(chǎng) 計(jì)算函數(shù)在Matlab中計(jì)算換能器在空間形成的聲場(chǎng)和換能器接收到的信號(hào)并進(jìn)行繪制得 到了如圖4為換能器接收信號(hào)的歸一化曲線、圖6為換能器聚焦點(diǎn)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(shí)z軸方向的聲場(chǎng)分布。
[0019] 對(duì)圖4、5進(jìn)行分析，讀取換能器接收信號(hào)的最大值Imax，圖4中組合換能器接收 信號(hào)的Imax為5. 79*10e-22,而圖5中單陣元平面換能器接收信號(hào)的Imax為6. 63*10e-24， 組合換能器接收到的回波信號(hào)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于單陣元平面換能器接收到的回波信號(hào)。證明本發(fā)明 對(duì)接收回波增大效果明顯。
[0020] 對(duì)圖6進(jìn)行分析當(dāng)換能器張角的弧度值在0左右時(shí)，即三個(gè)換能器在空間近似一 個(gè)平面內(nèi)，此時(shí)沒(méi)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(jìn)一步增加，聚焦點(diǎn)逐漸沿著Z軸負(fù)方向移動(dòng)，當(dāng)角度的弧度值過(guò)大時(shí)，即在1. 4 左右時(shí)，三個(gè)換能器在空間近似為矩形框的形狀，所以此時(shí)對(duì)換能器的聲場(chǎng)研究沒(méi)有意義， 能量最大值點(diǎn)也不是聚焦點(diǎn)。
[0021] 對(duì)圖6中任選一個(gè)點(diǎn)進(jìn)行分析，例如取a=0. 205時(shí)曲線上的點(diǎn)；利用Field II聲 場(chǎng)模擬軟件對(duì)a=0. 205的換能器在Z軸方向上的聲場(chǎng)進(jìn)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(chǎng)的強(qiáng)度有明顯的增強(qiáng)，且在z=10mm時(shí)，強(qiáng)度達(dá)到最大，意味 著換能器在該點(diǎn)實(shí)現(xiàn)聚焦。圖7中的強(qiáng)度最大值出現(xiàn)位置與圖6中讀取的當(dāng)a=0. 205時(shí)聚 焦點(diǎn)位置相同，且圖像的走勢(shì)符合實(shí)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(chǎng)模擬圖選取合適角度的換 能器，使聚焦點(diǎn)位于工作范圍的中心，這樣可使得聚焦點(diǎn)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(gè)換能器，其中包括位于中間位置的一個(gè)第一換能器，以及基本對(duì)稱地分布在 所述第一換能器周圍空間的多個(gè)第二換能器，所述多個(gè)第二換能器能夠根據(jù)被檢測(cè)目標(biāo)進(jìn) 行設(shè)置，以實(shí)現(xiàn)組合聚焦； 信號(hào)收發(fā)電路，其耦合到所述至少三個(gè)換能器，使得所述至少三個(gè)換能器能夠同時(shí)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(gè)換能器為順次連接的 三個(gè)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(xiàng)所述的超聲探頭，其特征在于，所述信號(hào)收發(fā)電路包括 將所述至少三個(gè)換能器并聯(lián)的回路，所述回路還與信號(hào)發(fā)射裝置和信號(hào)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(gè)所述第二換能器分別與兩個(gè)穩(wěn) 壓管串聯(lián)；當(dāng)激勵(lì)信號(hào)加載在所述并聯(lián)的回路兩端時(shí)，所述至少三個(gè)換能器在激勵(lì)信號(hào)的 作用下產(chǎn)生振動(dòng)，發(fā)射聲波；所述聲波遇到障礙后反射回波，所述至少三個(gè)換能器同時(shí)接收 回波，其中位于中間的所述第一換能器的回波信號(hào)進(jìn)入所述回路，位于周圍的多個(gè)所述第 二換能器的回波信號(hào)被穩(wěn)壓管阻隔不能通過(guò)。
7. -種超聲成像方法，包括： 設(shè)置至少三個(gè)換能器，將一個(gè)第一換能器設(shè)置于中間位置，將多個(gè)第二換能器基本對(duì) 稱地分布在所述第一換能器周圍空間，并且根據(jù)被檢測(cè)目標(biāo)進(jìn)行設(shè)置，以實(shí)現(xiàn)組合聚焦； 將信號(hào)收發(fā)電路耦合到所述至少三個(gè)換能器； 使所述至少三個(gè)換能器能夠同時(shí)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(gè)換能器為順次連 接的三個(gè)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(hào)】G01N29/24GK104101653SQ201410006629
【公開(kāi)日】2014年10月15日 申請(qǐng)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(qǐng)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