一種聲場性能改善的超聲換能器及其改善方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及超聲換能器，特別涉及一種聲場性能改善的超聲換能器及其改善方法。
【背景技術(shù)】
[0002]血管內(nèi)超聲(Intravascular Ultrasound，IVUS)是無創(chuàng)性的超聲技術(shù)和微創(chuàng)性的導管技術(shù)相結(jié)合的一種新的診斷方法。血管內(nèi)超聲是利用導管技術(shù)將一個高頻微型超聲換能器導入冠狀動脈血管腔內(nèi)進行探測，得到血管壁各層橫斷面成像，以輔助臨床醫(yī)生對血管內(nèi)病變進行診斷。
[0003]血管內(nèi)超聲成像系統(tǒng)包括三個主要部件:裝有超聲探頭的血管內(nèi)超聲導管，回撤裝置以及超聲主機。血管內(nèi)超聲導管直接在血管內(nèi)工作，是整個成像系統(tǒng)的核心部件，安裝在超聲導管遠端的超聲換能器的性能將直接影響成像質(zhì)量，進而影響超聲診斷儀的診斷效果O
[0004]目前臨床上使用的血管內(nèi)超聲導管產(chǎn)品的設(shè)計主要有兩類:機械旋轉(zhuǎn)式和陣列式。機械旋轉(zhuǎn)式設(shè)計通過導管內(nèi)柔韌的驅(qū)動轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動導管遠端的單陣元超聲換能器，以獲取二維橫斷面圖像。陣列式是由多個陣元(目前為止最多為64個)呈環(huán)型排列在導管頂端外周，通過電子開關(guān)的逐次連續(xù)激勵，而獲得血管橫斷面圖像。
[0005]目前，無論是機械旋轉(zhuǎn)式的單陣元換能器還是陣列式的換能器聲場性能都比較差，其產(chǎn)生的聲輻射能量在空間中的分布一般如圖1所示，大部分的能量集中在偏離換能器前方較小的區(qū)域內(nèi)，稱之為聲場的主瓣。由于聲波衍射的行為，在主瓣之外，偏離換能器前方較大的角度上，仍有部分能量聚集，稱之為旁瓣。旁瓣的產(chǎn)生與換能器輻射面邊緣的振動有關(guān)，邊緣振動越強，旁瓣中聚集的能量越多，而旁瓣會在超聲圖像中造成偽跡。在血管內(nèi)超聲導管中，其換能器的輻射面邊緣產(chǎn)生的振動會導致聲波聲場產(chǎn)生較強的旁瓣，該旁瓣會造成圖像產(chǎn)生偽跡。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明針對上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，提出一種聲場性能改善的超聲換能器及其改善方法，減小了換能器的輻射邊緣位置在發(fā)射和接收時的相對振動幅度，從而減小旁瓣的大小，減小偽跡。
[0007]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明是通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)的:
[0008]本發(fā)明提供一種聲場性能改善的超聲換能器，其包括:依次連接的背襯層、壓電層和匹配層，其中，
[0009]沿所述超聲換能器的輻射面的水平方向，超聲波經(jīng)過所述背襯層和/或所述壓電層和/或所述匹配層產(chǎn)生的振動幅度分布不均勻，呈中心大、邊緣小的分布。
[0010]目前血管內(nèi)超聲所使用的單陣元換能器或陣列換能器的每個陣元，輻射面為平面，匹配層和背襯層一般使用均一厚度、均勻分布的材料構(gòu)成。換能器輻射面邊緣的振動幅度與中心的振動幅度保持相同水平，從而造成其發(fā)射和接收的聲場產(chǎn)生較嚴重的旁瓣，如圖1所示。旁瓣會導致圖像中所觀察的組織產(chǎn)生錯誤信號，導致偽跡的產(chǎn)生。例如在IVUS成像過程中觀察裝有金屬支架的血管壁，若金屬支架恰巧處于旁瓣的位置并且產(chǎn)生較強的超聲回波信號，而此時主瓣的位置在回波信號較弱的軟組織處，旁瓣產(chǎn)生的信號就會疊加在主瓣上使主瓣信號錯誤的增強。此時，由于主瓣所觀察的軟組織信號被錯誤的加強，從而產(chǎn)生錯誤的圖像對比度，這就是旁瓣所造成的偽跡。本發(fā)明通過改變換能器的疊層結(jié)構(gòu)，背襯層、壓電層和匹配層中的一層或多層的結(jié)構(gòu)，減小換能器邊緣位置在發(fā)射和接收時的相對振動幅度，減小了旁瓣的大小，從而減小了偽跡。
[0011]較佳地，所述匹配層的衰減率和/或聲阻抗和/或所述背襯層的衰減率和/或聲阻抗分布不均勻，呈中心小、邊緣大的分布；進一步地，
[0012]所述衰減率和/或聲阻抗由中心到邊緣逐漸增大。
[0013]較佳地，所述匹配層的遠離所述壓電層的一面設(shè)置有棱鏡，所述棱鏡的厚度分布不均勻，呈中心薄、邊緣厚的分布；進一步地，
[0014]所述棱鏡的厚度由中心到邊緣逐漸增大。
[0015]較佳地，所述匹配層和/或所述背襯層的材料為各向異性的導電材料，僅在與所述壓電層的輻射面垂直的方向上導電，且所述匹配層和/或所述背襯層的電阻分布不均勻，呈中心小、邊緣大的分布；使得換能器上表面和/或下表面的電場呈中心大、邊緣小的分布；進一步地，
[0016]所述電阻由中心到邊緣逐漸增大。
[0017]較佳地，所述壓電層的極化程度分布不均勻，呈中心強、邊緣弱的分布；進一步地，
[0018]所述壓電層的極化程度由中心到邊緣逐漸減弱。
[0019]較佳地，所述壓電層包括多個壓電子單元，所述壓電子單元之間填充有非壓電材料。
[0020]較佳地，所述壓電子單元的密度分布不均勻，呈中心密、邊緣疏的分布；進一步地，[0021 ] 所述壓電子單元的密度由中心到邊緣逐漸變疏。
[0022]較佳地，所述匹配層的數(shù)量為一層或多層或不含；所述背襯層的數(shù)量為一層或多層。
[0023]本發(fā)明還提供一種超聲換能器的聲場性能的改善方法，其包括以下步驟:
[0024]Sll:減小超聲換能器輻射面的邊緣位置的相對振動幅度，使所述超聲換能器輻射面的振動幅度呈中心大、邊緣小的分布；
[0025]S12:使所述超聲換能器在發(fā)射和/或接收超聲時的聲場的旁瓣減小。
[0026]較佳地，所述步驟Sll進一步為:沿所述超聲換能器輻射面的水平方向，減小超聲波經(jīng)過所述超聲換能器的匹配層和/或背襯層的邊緣位置的相對振動幅度，使所述超聲換能器輻射面的振動呈中心大、邊緣小的分布。
[0027]較佳地，所述步驟Sll進一步為:沿所述超聲換能器輻射面的水平方向，使所述匹配層和/或所述背襯層的衰減率和/或聲阻抗呈中心大、邊緣小的分布。
[0028]較佳地，所述步驟Sll進一步為:在所述匹配層的遠離所述超聲換能器的壓電層的一側(cè)和/或在所述背襯層的遠離所述壓電層的一側(cè)設(shè)置棱鏡，所述棱鏡的厚度呈中心薄、邊緣厚的分布。
[0029]較佳地，所述步驟SI I進一步為:使用各向異性的導電材料制作所述匹配層和/或所述背襯層，使其僅在于所述超聲換能器輻射面垂直的方向上導電，且使其電阻呈中心小、邊緣大的分布。
[0030]較佳地，其特征在于，所述步驟Sll進一步為:沿所述超聲換能器輻射面的水平方向，減小超聲波經(jīng)過所述超聲換能器的壓電層的邊緣位置的相對振動幅度，使所述超聲換能器輻射面的振動呈中心大、邊緣小的分布。
[0031]較佳地，所述步驟Sll進一步為:沿所述超聲換能器輻射面的水平方向，使所述壓電層的極化程度呈中心強、邊緣弱的分布。
[0032]較佳地，所述步驟Sll進一步為:沿所述超聲換能器輻射面的水平方向，使所述壓電層的密度呈中心密、邊緣疏的分布。
[0033]相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下優(yōu)點:
[0034](I)本發(fā)明提供的聲場性能改善的超聲換能器及其改善方法，減小超聲換能器福射面的邊緣位置的相對振動幅度，使超聲換能器輻射面的振動幅度呈中心大、邊緣小的分布，從而改善了換能器的聲場性能，增加了其均勻性，減小了聲束的旁瓣，進一步減小了由旁瓣引起的偽跡；
[0035](2)本發(fā)明了提供了多種減小超聲換能器輻射面的邊緣位置的相對振動幅度的方法，可以通過改變超聲波經(jīng)過匹配層、背襯層、壓電層三者中的任意一種或多種的振動幅度，相互結(jié)合使用，達到更好的效果，減小了偽跡的產(chǎn)生，提高診斷的準確性。
[0036]當然，實施本發(fā)明的任一產(chǎn)品并不一定需要同時達到以上所述的所有優(yōu)點。
【附圖說明】
[0037]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施方式作進一步說明:
[0038]圖1為現(xiàn)有的超聲換能器的聲場分布；
[0039]圖2為本發(fā)明的超聲換能器的聲場分布；
[0040]圖3為本發(fā)明的實施例1的超聲換能器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0041]圖4本發(fā)明的實施例2的超聲換能器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0042]圖5為本發(fā)明的實施例3的超聲換能器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0043]圖6為本發(fā)明的實施例4的超聲換能器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0044]圖7為本發(fā)明的實施例5的超聲換能器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0045]圖8為本發(fā)明的超聲換能器的聲場改善方法的流程圖。
[0046]標號說明:1_背襯層，2-壓電層，3-匹配層，4-棱鏡
【具體實施方式】
[0047]下面對本發(fā)明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。
[0048]本發(fā)明的聲場性能改善的超聲換能器，通過改進換能器的設(shè)計和制作工藝，使得換能器輻射面的邊緣的相對振動幅度減小，減小了聲束的旁瓣，增強了聲場的均勻性，如圖2所示為其聲場分布示意圖。本發(fā)明的換能器包括:依次連接的背襯層、壓電層和匹配層，與現(xiàn)有的換能器不同的為:沿所述超聲換能器的輻射面的水平方向，超聲波經(jīng)過所述背襯層和/或所述壓電層和/或所述匹配層產(chǎn)生的振動幅度分布不均勻，呈中心大、邊緣小的分布，其既可以通過改變超聲波經(jīng)過匹配層時的相對振動來實現(xiàn)，也可以通過改變超聲波經(jīng)過背襯層時的相對振動來實現(xiàn)，還可以通過改變超聲波經(jīng)過壓電層時的相對振動來實現(xiàn)，或者通過上述三種方式中的任意兩種或三種的組合來實現(xiàn)。具體的，通過改變超聲波經(jīng)過匹配層或背襯層時的相對振動幅度可以有多種方式來實現(xiàn)，下面結(jié)合具體的實施例來對其進行描述。
[0049]實施例1:
[0050]本實施例以改變匹配層3為例，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，包括:依次連接的背襯層1、壓電層2以及匹配層3，匹配層3的衰減率和/或聲阻抗分布