[发明专利]双频带超声换能器阵列

说明书

技术领域

本发明涉及用于同时在至少两个频带运行的高效声学(声波的和超声波的)体波换能器的技术和设计。换能器的应用是例如但不限于：医学超声成像、无损检测、工业和生物检验、地质应用和SONAR应用。

背景技术

在医学超声成像中利用组织和超声造影剂微泡的非线性弹性提供具有更少噪声的改善的图像。更广阔的应用是在所谓的谐波成像领域，其中发射的频带的第二谐波分量用于成像。在美国专利6,461,303中也提出将第三和第四谐波分量用于成像。

在Br Heart J.1984Jan；51(1)：61-9中双带发射脉冲用于M-模式(M-mode)和多普勒测量。在美国专利5,410,516中示出了更多的实例，其中在非线性散射中从检测的造影剂微泡中产生发射带的合带和差带。在美国专利6,312,383和美国专利申请10/864,992中这种双带发射有了更进一步的发展。

美国专利申请10/189,350和10/204,350深入描述了双带发射的超声波和声波脉冲的合成脉冲的不同应用以及显著加强对超声波和声波成像的使用的定量目标参数，所述合成脉冲提供噪声减少的图像、非线性散射图像。该方法适用于透射成像和背散射成像。如图1中的实例所示，对于这些应用应当发射双带脉冲合成脉冲，其中在图1a中高频(HF)脉冲101重叠在低频(LF)脉冲102的峰压上。图1b示出另一种情况，其中HF脉冲103重叠在LF脉冲102的最大梯度上。LF和HF脉冲的中心频率比一般在1∶5-1∶20的范围内，在图像的限定深度的整个范围的LF脉冲的限定间隔内必须同时出现HF脉冲。这些需要对换能器阵列的设计提出以下两个挑战：

1.为了在图像的整个深度范围的LF脉冲的间隔范围内传播HF脉冲，HF和LF辐射表面必须具有大的公共区域(common area)。根据应用，一般希望HF和LF脉冲中的脉压(pulse pressure)在MPa的量级。这需要高的电到声的转化效率，对于现有的换能器技术，高的电到声的转化效率是通过换能的共振操作获得的，其反过来给出了现有的超声换能器阵列的受限的操作频带，该频带不能覆盖所述的应用所需的频带(一般是1∶5-1∶15)。由于需要大部分的HF和LF辐射表面是公共的，这种宽的带对阵列的结构的震动设计提出特殊挑战。

2.HF和LF脉冲之间的大的频率间隔意味着LF脉冲的波长远远大于HF脉冲的波长，一般大因子5-15，这因为着LF脉冲束比HF脉冲束具有更高的衍射束散度。为了对LF束进行重复的校准以便在大的深度内维持高LF脉压，因此在特定的应用中需要使用比HF孔径更宽的LF孔径。这产生相对于LF脉冲的HF脉冲的位置随传播距离的偏移，这对双频辐射表面的设计提出了特殊的要求。

在另一个应用中需要由相同的探针发射用于处理(组织的高热或空蚀损伤)的低频(例如，0.5-2MHz)波，同时能够提供在更高频率(例如，5-10MHz)下由相同的探针表面的超声成像。在另一个应用中只是需要在深度范围的大的变化范围下具有由相同探针成像可用的更高的频带。

本发明对换能器设计的这些挑战提出了多种解决方案，所述换能器设计可以以低和高频率之间的大间隔，以及随着深度的发射的HF和LF脉冲之间的有限的位置/相位偏移(sliding)来发射/接收双带超声脉冲合成脉冲。在这个发明中，主要涉及以仅接收HF带来发射LF/HF脉冲合成脉冲的情况，但是应当清楚由于互易性，探针还可以用于接收LF带。

发明内容

本发明提供对超声探针的一般要求的解决方案，该超声探针通过至少部分地公共的辐射表面发射/接收超声脉冲，该超声脉冲具有较宽地间隔开的低频(LF)和高频(HF)带中的频率，以使得LF和HF束脉冲以限定的相位关系在探针前面交迭。

在根据本发明的一个实施例中，LF和HF脉冲由彼此叠置的不同的压电层产生，其中HF压电层在前面，而HF压电层和LF压电层之间为绝缘部分，所述绝缘部分由至少两个声学层组成。绝缘层的背层(backlayer)优选是重材料，例如Cu、Ag、Au、Pd、Pt、W或这种材料的合金，或这种材料的粉末的混合物或者烧结在一起的或在溶剂(例如聚合物)中胶合的它们的合金。本发明还提供一种解决方案，其中绝缘部分的背侧层是陶瓷，是LF压电层的部分。该陶瓷背侧层易于与重材料的薄层(λ/20的量级)结合，所述重材料如Cu、Ag、Au、Pd、Pt、W或这种材料的粉末与聚合物的混合物。