[发明专利]一种基于堆栈排列的双频长焦深超声换能器

说明书

本发明公开了一种基于堆栈排列的双频长焦深超声换能器。一种基于堆栈排列的双频长焦深超声换能器包括外壳、绝声层、背衬材料层、低频带超声压电阵元、高频带超声压电阵元、信号线及非球面声学匹配层；所述的低频带超声压电阵元与高频带超声压电阵元采用一维堆栈排列结构。所述非球面声学匹配层的曲面结构由等声程原理和波前函数反推出来，且所述非球面声学匹配层设置于所述低频带超声压电阵元与所述高频带超声压电阵元之间。本发明采用双层超声压电阵元一维堆栈排列和非球面聚焦结构相结合的方案，可获得大景深与宽频带超声激发及接收的声学特性。本发明属于非球面聚焦的长焦深双频超声探测器，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，涉及一种基于堆栈排列的双频长焦深超声换能器，还涉及用于超声换能器的声学检测及聚焦技术的部分。

背景技术

光声显微成像技术是在光声成像的基础上发展起来的一种高分辨率光声成像方法。根据不同的聚焦模式，光声显微成像技术进一步可分为光学分辨率光声显微成像和声学分辨率光声显微成像。光学分辨率的光声显微成像技术主要依赖准弹道光子来提供光学定义的横向分辨率，其穿透深度仍然限制在～1.5mm内，难以满足人体浅表深层组织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。

双频超声换能器的压电阵元往往会以环形或者平行相邻排列的方式，这会导致双频超声换能器的中心能量缺失或双阵元声场难以实现同轴发射及检测。同时，高数值孔径超声换能器的焦深随着数值孔径的增大而迅速缩短，致使光声显微系统只能在较短的焦深内获取高分辨率成像，而离焦区域的分辨率会恶化明显。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，而且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。另外，高频超声换能器往往不具备宽频带声学特性，严重影响了光声/超声显微成像的空间分辨率。

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。

由于超声换能器的压电材料性能限制，会导致制作出的单材料超声换能器的声学频带难以达到最佳的状态；同时又因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，如何提供一种基于堆栈排列的双频长焦深超声换能器，并将其应用于超声聚焦与检测领域，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基于堆栈排列的双频长焦深超声换能器，以解决现有的聚焦超声探测器带宽窄且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。

本发明公开了一种基于堆栈排列的双频长焦深超声换能器。在其中一个实施例中，所述超声换能器包括外壳、绝声层、背衬材料层、低频带超声压电阵元、高频带超声压电阵元、信号线及非球面声学匹配层。

在其中一个实施例中，所述低频带超声压电阵元与所述高频带超声压电阵元采用一维堆栈排列结构，且所述低频带超声压电阵元设置于所述高频带超声压电阵元的上部.