一种声场性能改善的超声换能器及其改善方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及超声换能器，特别涉及一种声场性能改善的超声换能器及其改善方法。
【背景技术】
[0002]血管内超声(Intravascular Ultrasound，IVUS)是无创性的超声技术和微创性的导管技术相结合的一种新的诊断方法。血管内超声是利用导管技术将一个高频微型超声换能器导入冠状动脉血管腔内进行探测，得到血管壁各层横断面成像，以辅助临床医生对血管内病变进行诊断。
[0003]血管内超声成像系统包括三个主要部件:装有超声探头的血管内超声导管，回撤装置以及超声主机。血管内超声导管直接在血管内工作，是整个成像系统的核心部件，安装在超声导管远端的超声换能器的性能将直接影响成像质量，进而影响超声诊断仪的诊断效果O
[0004]目前临床上使用的血管内超声导管产品的设计主要有两类:机械旋转式和阵列式。机械旋转式设计通过导管内柔韧的驱动转轴旋转，驱动导管远端的单阵元超声换能器，以获取二维横断面图像。阵列式是由多个阵元(目前为止最多为64个)呈环型排列在导管顶端外周，通过电子开关的逐次连续激励，而获得血管横断面图像。
[0005]目前，无论是机械旋转式的单阵元换能器还是阵列式的换能器声场性能都比较差，其产生的声辐射能量在空间中的分布一般如图1所示，大部分的能量集中在偏离换能器前方较小的区域内，称之为声场的主瓣。由于声波衍射的行为，在主瓣之外，偏离换能器前方较大的角度上，仍有部分能量聚集，称之为旁瓣。旁瓣的产生与换能器辐射面边缘的振动有关，边缘振动越强，旁瓣中聚集的能量越多，而旁瓣会在超声图像中造成伪迹。在血管内超声导管中，其换能器的辐射面边缘产生的振动会导致声波声场产生较强的旁瓣，该旁瓣会造成图像产生伪迹。
【发明内容】
[0006]本发明针对上述现有技术中存在的问题，提出一种声场性能改善的超声换能器及其改善方法，减小了换能器的辐射边缘位置在发射和接收时的相对振动幅度，从而减小旁瓣的大小，减小伪迹。
[0007]为解决上述技术问题，本发明是通过如下技术方案实现的:
[0008]本发明提供一种声场性能改善的超声换能器，其包括:依次连接的背衬层、压电层和匹配层，其中，
[0009]沿所述超声换能器的辐射面的水平方向，超声波经过所述背衬层和/或所述压电层和/或所述匹配层产生的振动幅度分布不均匀，呈中心大、边缘小的分布。
[0010]目前血管内超声所使用的单阵元换能器或阵列换能器的每个阵元，辐射面为平面，匹配层和背衬层一般使用均一厚度、均匀分布的材料构成。换能器辐射面边缘的振动幅度与中心的振动幅度保持相同水平，从而造成其发射和接收的声场产生较严重的旁瓣，如图1所示。旁瓣会导致图像中所观察的组织产生错误信号，导致伪迹的产生。例如在IVUS成像过程中观察装有金属支架的血管壁，若金属支架恰巧处于旁瓣的位置并且产生较强的超声回波信号，而此时主瓣的位置在回波信号较弱的软组织处，旁瓣产生的信号就会叠加在主瓣上使主瓣信号错误的增强。此时，由于主瓣所观察的软组织信号被错误的加强，从而产生错误的图像对比度，这就是旁瓣所造成的伪迹。本发明通过改变换能器的叠层结构，背衬层、压电层和匹配层中的一层或多层的结构，减小换能器边缘位置在发射和接收时的相对振动幅度，减小了旁瓣的大小，从而减小了伪迹。
[0011]较佳地，所述匹配层的衰减率和/或声阻抗和/或所述背衬层的衰减率和/或声阻抗分布不均匀，呈中心小、边缘大的分布；进一步地，
[0012]所述衰减率和/或声阻抗由中心到边缘逐渐增大。
[0013]较佳地，所述匹配层的远离所述压电层的一面设置有棱镜，所述棱镜的厚度分布不均匀，呈中心薄、边缘厚的分布；进一步地，
[0014]所述棱镜的厚度由中心到边缘逐渐增大。
[0015]较佳地，所述匹配层和/或所述背衬层的材料为各向异性的导电材料，仅在与所述压电层的辐射面垂直的方向上导电，且所述匹配层和/或所述背衬层的电阻分布不均匀，呈中心小、边缘大的分布；使得换能器上表面和/或下表面的电场呈中心大、边缘小的分布；进一步地，
[0016]所述电阻由中心到边缘逐渐增大。
[0017]较佳地，所述压电层的极化程度分布不均匀，呈中心强、边缘弱的分布；进一步地，
[0018]所述压电层的极化程度由中心到边缘逐渐减弱。
[0019]较佳地，所述压电层包括多个压电子单元，所述压电子单元之间填充有非压电材料。
[0020]较佳地，所述压电子单元的密度分布不均匀，呈中心密、边缘疏的分布；进一步地，[0021 ] 所述压电子单元的密度由中心到边缘逐渐变疏。
[0022]较佳地，所述匹配层的数量为一层或多层或不含；所述背衬层的数量为一层或多层。
[0023]本发明还提供一种超声换能器的声场性能的改善方法，其包括以下步骤:
[0024]Sll:减小超声换能器辐射面的边缘位置的相对振动幅度，使所述超声换能器辐射面的振动幅度呈中心大、边缘小的分布；
[0025]S12:使所述超声换能器在发射和/或接收超声时的声场的旁瓣减小。
[0026]较佳地，所述步骤Sll进一步为:沿所述超声换能器辐射面的水平方向，减小超声波经过所述超声换能器的匹配层和/或背衬层的边缘位置的相对振动幅度，使所述超声换能器辐射面的振动呈中心大、边缘小的分布。
[0027]较佳地，所述步骤Sll进一步为:沿所述超声换能器辐射面的水平方向，使所述匹配层和/或所述背衬层的衰减率和/或声阻抗呈中心大、边缘小的分布。
[0028]较佳地，所述步骤Sll进一步为:在所述匹配层的远离所述超声换能器的压电层的一侧和/或在所述背衬层的远离所述压电层的一侧设置棱镜，所述棱镜的厚度呈中心薄、边缘厚的分布。
[0029]较佳地，所述步骤SI I进一步为:使用各向异性的导电材料制作所述匹配层和/或所述背衬层，使其仅在于所述超声换能器辐射面垂直的方向上导电，且使其电阻呈中心小、边缘大的分布。
[0030]较佳地，其特征在于，所述步骤Sll进一步为:沿所述超声换能器辐射面的水平方向，减小超声波经过所述超声换能器的压电层的边缘位置的相对振动幅度，使所述超声换能器辐射面的振动呈中心大、边缘小的分布。
[0031]较佳地，所述步骤Sll进一步为:沿所述超声换能器辐射面的水平方向，使所述压电层的极化程度呈中心强、边缘弱的分布。
[0032]较佳地，所述步骤Sll进一步为:沿所述超声换能器辐射面的水平方向，使所述压电层的密度呈中心密、边缘疏的分布。
[0033]相较于现有技术，本发明具有以下优点:
[0034](I)本发明提供的声场性能改善的超声换能器及其改善方法，减小超声换能器福射面的边缘位置的相对振动幅度，使超声换能器辐射面的振动幅度呈中心大、边缘小的分布，从而改善了换能器的声场性能，增加了其均匀性，减小了声束的旁瓣，进一步减小了由旁瓣引起的伪迹；
[0035](2)本发明了提供了多种减小超声换能器辐射面的边缘位置的相对振动幅度的方法，可以通过改变超声波经过匹配层、背衬层、压电层三者中的任意一种或多种的振动幅度，相互结合使用，达到更好的效果，减小了伪迹的产生，提高诊断的准确性。
[0036]当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
【附图说明】
[0037]下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明:
[0038]图1为现有的超声换能器的声场分布；
[0039]图2为本发明的超声换能器的声场分布；
[0040]图3为本发明的实施例1的超声换能器的结构示意图；
[0041]图4本发明的实施例2的超声换能器的结构示意图；
[0042]图5为本发明的实施例3的超声换能器的结构示意图；
[0043]图6为本发明的实施例4的超声换能器的结构示意图；
[0044]图7为本发明的实施例5的超声换能器的结构示意图；
[0045]图8为本发明的超声换能器的声场改善方法的流程图。
[0046]标号说明:1_背衬层，2-压电层，3-匹配层，4-棱镜
【具体实施方式】
[0047]下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0048]本发明的声场性能改善的超声换能器，通过改进换能器的设计和制作工艺，使得换能器辐射面的边缘的相对振动幅度减小，减小了声束的旁瓣，增强了声场的均匀性，如图2所示为其声场分布示意图。本发明的换能器包括:依次连接的背衬层、压电层和匹配层，与现有的换能器不同的为:沿所述超声换能器的辐射面的水平方向，超声波经过所述背衬层和/或所述压电层和/或所述匹配层产生的振动幅度分布不均匀，呈中心大、边缘小的分布，其既可以通过改变超声波经过匹配层时的相对振动来实现，也可以通过改变超声波经过背衬层时的相对振动来实现，还可以通过改变超声波经过压电层时的相对振动来实现，或者通过上述三种方式中的任意两种或三种的组合来实现。具体的，通过改变超声波经过匹配层或背衬层时的相对振动幅度可以有多种方式来实现，下面结合具体的实施例来对其进行描述。
[0049]实施例1:
[0050]本实施例以改变匹配层3为例，其结构示意图如图3所示，包括:依次连接的背衬层1、压电层2以及匹配层3，匹配层3的衰减率和/或声阻抗分布