[发明专利]一种非球面聚焦的深景超声探测器及方法

说明书

本发明公开了一种非球面聚焦的深景超声探测器及方法。一种非球面聚焦的深景超声探测器包括外壳、绝声层、背衬材料层、超声压电阵元、信号线及长焦深非球面聚焦结构；所述的长焦深非球面聚焦结构通过特定的长焦深非球面声场聚焦方法与系统确定其曲面结构。本发明采用长焦深非球面聚焦结构即可获得具有均匀长焦深特性的声束，形成中心范围能量分布极高，边缘分布极低聚焦声束段，其高功率密度范围声斑极小，焦深极长，焦深段内声斑峰值功率密度相近，同时实现了小焦斑和长焦深特性。本发明属于非球面聚焦的深景超声探测器及方法，能够实现高分辨率、长焦深聚焦的超声/光声显微成像，属于超声/光声成像、无损检测技术领域。

技术领域

本发明属于超声/光声显微成像、无损检测技术领域，涉及一种非球面聚焦的深景超声探测器及方法，还涉及用于超声探测器的声学聚焦技术的部分。

背景技术

随着高分辨率、大视场、快速光声成像技术的不断发展，高分辨光声显微术结合临床人体浅表血管学的特征成为光声成像技术临床推广应用的一个重要的方向。根据光学和声学配置的不同，目前光声显微术主要分为光分辨率和声分辨率成像模式。光学分辨率光声显微系统虽然能够实现对人体皮肤内的黑色素细胞及真皮微血管网络的高分辨率可视化，但其受光子散射影响，人体皮肤组织内光的聚焦一般局限于深度不超过1mm范围内，难以满足人体浅表深层组织微血管的无损高分辨显像要求。而声学分辨率光声显微系统利用高频超声波的低散射和深聚焦的优势，最大成像深度可达几个厘米，其在无创高分辨率血管成像中表现出较高的临床应用价值。

高数值孔径的超声探测器具有更大的角度覆盖，可结合合成孔径聚焦技术，以提高声学分辨率光声显微系统离焦区域的横向分辨率。然而，由于超声探测器的焦区深度(焦深)随着数值孔径的增大而迅速缩短，致使声学分辨率光声显微系统只能在较短的焦深内获得高分辨率成像，而离焦区域的分辨率会发生明显恶化。因此，使用大数值孔径超声换能器会牺牲焦区内的成像范围，同时大数值孔径超声换能器的工作距离较短，甚至可能对人体浅表血管成像造成物理障碍。

申请号201710038098.3的专利公开了基于环形超声换能器阵列的大景深光声-声速双模成像法。该发明利用环形超声换能器阵列的动态聚焦得到较长深度范围内的光声图像。然而，这类的阵列传感器制造过程和算法非常复杂。申请号201610850278.7的专利公开了一种多尺度光声显微成像装置及其方法。该发明利用光学电控调焦透镜与多焦点高频超声换能器共焦调节，实现在同一位置不同深度上的多焦点光声共焦成像。然而，多焦点超声换能器的多焦点区域能量离散不均，易造成轴向局部区域成像分辨率和对比度差。申请号201610307366.2的专利公开了双频中空聚焦超声探测器。该发明利用双环带超声换能器与声学透镜，实现了双频聚焦特性，但由于其中空结构会致使能量损失严重，并且采用几何聚焦结构，声学焦区深度较短。

由于受到高斯声场本身性质的限制，焦深的拉长必然导致焦斑的增大，难以同时实现小焦斑和长焦深。然而，具有长焦深特征的小孔径声束在超声成像、光声成像、无损探测等领域存在重大的应用需求。因此，如何提供一种具有均匀长焦深特性的非球面聚焦结构，并将其应用于超声聚焦领域，是本领域亟需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的提供一种非球面聚焦的深景超声探测器及方法，以解决现有的聚焦超声探测器难以同时实现小焦斑和长焦深的问题。本发明中的非球面聚焦的深景超声探测器及方法具有焦斑小、焦深长、灵敏度高、实用性强等特点，可以适配各种超声/光声显微成像系统，更重要的是完全可适配于临床检测的超声/声分辨率光声显微成像系统及仪器设备。

本发明公开了一种长焦深非球面声场聚焦曲面结构的确定方法，所述方法包括：

获取声波截面声强分布和声能量守恒方程的。

根据所述声波截面声强分布和声能量守恒方程确定声场焦深区域轴向距离与超声压电阵元直径的对应关系。

根据所述声场焦深区域轴向距离与超声压电阵元直径的对应关系确定声波波前函数。