[发明专利]包括以螺旋线设置的设计成产生高强度聚焦波束的发射器三维网络的声穿透装置

说明书

技术领域

本发明大致涉及声穿透装置领域，该声穿透装置设计用来尤其在超声频域中产生聚焦波束。

背景技术

通常被称为探头的这种声穿透装置被用来执行环境或介质的成像，或者事实上用来修改该环境的属性。例如，根据本发明的声穿透装置可被用来升高对应于聚焦区域的十分精确区域的温度，希望在聚焦区域中聚焦超声波束。这些装置尤其不仅可用于医学领域，还可用于水下成像和通信领域、陆相地下成像或者还用于非破坏性测试材料的领域。

为了实现聚焦，技术人员熟悉使用N个超声源，该N个超声源由电子机构独立地控制相位和幅值，从而超声源的总能量在预定聚焦区域中达到局部最大值。

传感器相对于环境以及相对于聚焦区域的定位是重要的，因为传感器确保借由声穿透装置执行成像或修改环境属性的动作的有效性和安全性。当然，由所有传感器衍射的场可根据传感器的定位及其几何尺寸来明显修改。

因此，当传感器的布局具有对称性时，这会导致存在明显的旁瓣。这降低了聚焦的质量。具体地，然后，位于聚焦区域之外的点可接收显著数量的能量，而事实上这些区域根本不应当经受由声穿透装置发射的能量。

因此，由Goss等人于1996年11月在IEEE Transactions onUltrasonics，Ferroelectrics，and Frequency Control，Vol.43，No.6上发表的名为“Sparse Random Ultrasound Phased Array for Focal Surgery”的文献提议在三维凹面区域上以竖直随机的方式产生传感器网络，唯一条件是保持在不同传感器之间的最小距离。

三维凹面区域被用来在附加电子聚焦之前进行预聚焦，附加电子聚焦接着将通过向每个传感器单独地施加计算好的相位延迟来执行。相位延迟通常用在超声领域中。这些控制是通过限定数量的独立电子通道来实现的，这也限制可用在由本发明所采用的声穿透装置中的传感器的数量。

然而，如前述文献中所述的传感器的随机分布具有这样的缺点：提出所有传感器在三维凹面区域中的非均质布局。当然，一些传感器可布置得十分接近而其它传感器可十分远离。这导致在所有发射区域上所发射能量的局部不均质密度。

压力场的这种不均质性通常导致出现声能最大值，也称为“热点”。这些最大值在超声束进入环境中的入口处可能是大的，且可能导致对环境或对其表面的不可逆和不期望的损坏。最大值还可是在环境成像期间由环境返回的寄生波(parasitic wave)源。

只要不是无限小的传感器以大于波长一部分的距离分隔时就会出现旁瓣。传感器控制通道的限定数量以及对形成足够大尺寸的探头的需要，都必要地导致出现不希望的热点。

三维凹面区域的形状使得这个问题加剧，该三维凹面区域已经被精确地设计以实现聚焦。

发明内容

本发明的主要目的是通过构想出一种用于声穿透环境的装置来克服已知声穿透装置的缺点，所构想出的装置被设计成在所谓的聚焦区域中的点周围产生聚焦波束，该波束用于成像环境或改变环境的属性，其中声穿透装置包括内置或外置支撑结构，在所述支撑结构上安装至少十个超声传感器的网络，所述传感器被设计成独立地受控以产生聚焦波束，其特征在于，用于产生聚焦波束的活性传感器是具有大于一个波长的尺寸的大传感器，该传感器沿着在三维凹面区域上的至少两条缠绕同心螺旋线布置，螺旋线的缠绕和传感器在螺旋线上的位置被选择成使得传感器在三维表面上的空间分布是均质的，三维表面的形状和尺寸也被选择成允许束以预定焦距最佳地聚焦，其中三维表面的凹面侧定向成朝向聚焦区域。

在这种声穿透装置中，传感器在螺旋线中的分布具有不产生对称性的优势，同时仍提供大致规则分布，其中容易地控制传感器之间的距离。

在将传感器分布在三维表面上的文中，使用螺旋线来分布传感器会允许实现在近场无不希望的热点的声穿透，同时还使得能够实现束以预定焦距最优化聚焦，因为螺旋线由装置本身的三维特征来支撑。

使用几何预聚焦使得能够得到大天线增益且优化在焦点处超声束的强度。该几何预聚焦是通过将传感器布置在三维表面上来执行的，且尤其是将传感器布置在球面(球面的中心与焦点重合)的一部分上，或者布置在回转的椭球面的一部分上。

传感器的空间分布的均质性是重要的，以便确保有效性以及保证根据本发明的声穿透装置的操作安全，这意味着当然必须实现在三维凹面区域上平均能量的空间均质分布。