[发明专利]一种二维环型相控阵超声换能器结构

说明书

技术领域

    本发明公开一种医疗诊断超声系统，特别是一种用于三维超声成像的二维环型相控阵超声换能器结构。 

背景技术

随着超声波成像技术的不断发展，超声波成像系统在医疗诊断中的应用也越来越多，人们最常见的为B超。通常的超声成像系统包括一个超声换能器阵列，该换能器阵列用于发射超声波束，然后接收反射的超声波、进行波束合成、显示处理进而得到B超图像。 

目前广泛应用于临床的超声换能器大部分是一维线阵或一维相控阵超声换能器，各阵元延一个方向线性排列，通过电子或机械扫描方式获得二维超声图像。请参看附图1，如图1所示的一维线阵换能器，在短轴方向（Y方向）采用几何聚焦方式，长轴方向（X方向）采用电子聚焦方式，由于几何聚焦的焦距是固定的，在测量一定深度的组织时，短轴方向的侧向分辨率会比长轴方向的低很多，从而导致超声波束无法尽可能地收窄，这势必会影响成像的质量。而通过一维阵列探头仅能获得二维图像，必须经过后续三维重建，方可获得三维图像。 

二维面阵换能器是能够实现实时三维超声成像的基础，它能够提供声束的三维动态聚焦和偏转，从而能够实现三维数据的实时采集。该换能器是在一个平面或曲面上分布大量阵元，比如128 128阵元的二维面阵，二维面阵换能器的阵元多、密度大、制作难度很高，并且成本高，因而面阵换能器的研制挑战性很高。与一维线阵换能器类似，二维面阵换能器同样是采用脉冲回波相控阵电子扫描来完成声束的发射和接收，不同的是二维面阵换能器可以在仰角方向和方位角两个方向上进行相控电子扫描，请参看附图2，如图2所示，在一定激励角度范围内，二维面阵换能器可以形成金字塔形扫描区域，该区域在X和Y方向有相同的侧向分辨率，从而提高成像质量。 

但是就目前的探头制作工艺水平而言，二维面阵超声换能器的阵元面积小、阵元数量多，其制作工艺难度很高，成品率较低。在设计和制作过程中，主要面临以下几个难题： 

（1）阵元引线难：二维面阵超声换能器通常有上千个或者几千个阵元组成，每个阵元与系统的发射/接收通道的有效连接和屏蔽是二维面阵设计的难点。

（2）阵元数目与系统的发射/接收通道的电路匹配难，电路发热严重。例如，当前128个阵元的一维线阵能够获得较好的成像质量，而在实时三维成像系统中，如果要得相同质量的B超图像，二维面阵必须包括128128=16384个阵元，以及与这16384个阵元相匹配的独立的发射/接收通道。以现有技术来说，含有如此庞大数量的阵元的和通道数的换能器制造，困难大、成本高。 

（3）阵元信噪比低：由于二维面阵的阵元很小，具有很高的电阻抗，信噪比低。 

发明内容

针对上述提到的现有技术中的医疗诊断超声系统中二维面阵阵元引线难、阵元信噪比低，一维线阵几何聚焦固定等缺点，本发明提供一种新的二维环型相控阵超声换能器结构，其将环型相控阵按一定的角度沿径向分割，形成一种二维环型相控阵列，既保留了一维环型相控阵孔径可调、轴线方向上景深可调、聚焦区域侧向分辨率一致的特点，又克服了一维环型相控阵无法在非轴向方向聚焦，获得波束偏转的缺点，对比二维矩形面阵，二维环型相控阵超声换能器所需阵元数较少，阵元面积较大，而且阵元的间距不受的尺寸限制。 

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：一种二维环型相控阵超声换能器结构，换能器结构包括一个以上按照同心圆呈环形分布的阵元环，每个阵元环包括两个以上的阵元，各个阵元的面积相同。 

本发明解决其技术问题采用的技术方案进一步还包括： 

进一步的，所述的每个阵元环包括两个以上扇形或扇面形的阵元，最内层阵元环的阵元呈扇形，其他阵元环中的阵元呈扇面形。

进一步的，所述的阵元环包括5~8个。 

进一步的，所述的各独立阵元施加不同延时的激励信号，采用不同的延时时间的激励信号，根据实际聚焦范围来调整不同圆环上各阵元的电脉冲时延量，从而使各环先后发出的声脉冲，在声场中形成会聚的波阵面，使得换能器能够在空间中指定点处实现声束聚焦。 

进一步的，所述的换能器结构为通过分割线分割成的N等分同心圆环形成相控阵，N为大于2的整数。 

进一步的，所述的阵元采用压电材料，阵元之间的间隙采用具有声学特性的声学材料填充。 

进一步的，所述的具有声学特性的声学材料为环氧树脂。 

进一步的，所述的N等于8，分隔处为2°扇形角。