用于声波的竖直焦点控制的方法和设备的制作方法

专利名称：用于声波的竖直焦点控制的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及声成像方法、声成像设备，更具体而言涉及采用可调节流
体透镜进行声波的竖直焦点控制(elevation focus control)的方法和设 备。
背景技术：
声波(具体而言包括超声波)在很多科学或技术领域中都是有用的， 例如医疗诊断、机械部件的无损控制和水下成像等。声波能够进行作为光 学观察的补充的诊断和控制，这是因为声波可以在对电磁波不透明的介质 中传播。
声成像设备包括采用传统一维("ID")声换能器阵列的设备和采用完 全采样的二维("2D")声换能器阵列的设备，后一种声换能器阵列采用了 微束形成技术。
在采用1D声换能器阵列的设备中，常常通过设置声换能器元件来优化 在单个平面内的聚焦情况。这允许在轴向(即传播方向)和横向维度(即 沿着1D阵列的方向)对所发送和接收的声压波进行聚焦。面外(竖直)聚 焦通常是由声换能器的几何结构固定的，即，声换能器元件的竖直高度控 制着阵列在竖直维度中的自然焦点。对于大部分医疗应用而言，只能通过 在声换能器阵列前方增加固定透镜以将大部分声能聚焦在标称焦深或通过 改变元件在竖直高度中的几何结构来改变面外(竖直)焦点。令人遗憾的 是，这种折中的做法常常会导致不同深度处的竖直聚焦不太理想。而且， 这样就不能实时地调节竖直方向上的焦点，这又导致了作为深度函数的不 同研究体积。结果得到的是被"面外"信息或"混杂信号"污染的图像。
针对该问题已经提出了几种技术方案，包括增加元件数量(1. 5D阵列、 2D阵列)或者可调节的透镜材料(流变延迟结构)，但每种方案都不能被普 遍接受。增加元件数量仅能在每个元件是可单独寻址的情况下成功，这极大地增加了相关电子线路的成本。诸如流变材料之类的可调节延迟也不是 最佳解决方案，这是因为额外需要在每个元件上独立调节延迟，而且还增 大了复杂性。

发明内容
因此，希望提供一种声成像装置，其允许实时调节竖直焦点，以便能 以期望的竖直聚焦在不同深度传输最大能量。还希望提供这样一种装置，
其允许用普通的1D声换能器阵列并增加额外的"面外"聚焦来容易地切换。
在本发明的一个方面中， 一种声成像设备包括声探针，其包括具 有设置成一维阵列的多个声换能器元件的声换能器，以及耦合到所述声换 能器的可变折射声透镜，所述可变折射声透镜具有至少一对电极，所述至 少一对电极适于响应于施加在电极上的选定电压来调节所述可变折射声透 镜的至少一个特征；耦合到所述声换能器的声信号处理器；适于向所述一 对电极施加选定电压的可变电压源；以及控制器，其适于控制所述可变电 压源，以向所述一对电极施加选定电压。
在本发明的另一方面中， 一种声探针包括声换能器，其包括设置成 一维阵列的多个声换能器元件；以及耦合到所述声换能器的可变折射声透 镜，所述可变折射声透镜具有至少一对电极，所述至少一对电极适于响应 于施加在电极上的选定电压来调节所述可变折射声透镜的至少一个特征。
在本发明的另一方面中， 一种利用声波进行测量的方法包括(1)向 患者施加声探针；(2)控制所述声探针的可变折射声透镜以聚焦在期望的 竖直焦点处；(3)在声换能器处从所述可变折射声透镜接收来自对应于所 述期望竖直焦点的目标区域的返回声波；以及(4)从所述声换能器输出对 应于所接收的声波的电信号。


图1A-B示出了声探针的一个实施例，其包括耦合到声换能器的可变折 射声透镜；
图2示出了控制图2的声成像设备的竖直焦点的方法的一个实施例的 流程图；以及
8图3示出了另一声成像设备的实施例的方框图。
具体实施例方式
现在将参考示出了本发明优选实施例的附图在下文中更充分地描述本 发明。然而，本发明可以实现为不同形式，并且不应将本发明理解为仅限 于本文所述的实施例。相反，这些实施例是作为本发明的教导范例提供的。
可变焦流体透镜技术最初是为了让光能够通过填充有流体的具有特定 折射率的空腔的物理边界的变化而被聚焦所发明的方案(参见专利合作条 约(PCT)公开文本W0 2003/069380，在此通过引用将其全文并入，如同本 文完整阐述一般)。被称为电润湿的工艺实现了流体表面的运动，在该工艺 中，通过在导电电极上施加电压来移动空腔内的流体。表面拓扑的这种变 化允许光以特定方式折射从而改变传播路线，由此使光聚焦。
同时，超声波在流体介质中传播。实际上，常常将人体称为不能支持 除压縮波之外的高频声波的流体。在这种意义上，波不仅对由体组织中传 播声速的差异造成的失真敏感，而且还对界面处声速的突变造成的失真敏 感。在PCT公开文本W0 2005/122139中利用了这种性质，在此通过引用将 其全文并入，如同本文完整阐述一般。PCT公开文本WO 2005/122139公开 了如下方法使用可变焦流体透镜来聚焦射向和来自声换能器的超声波， 其中可变焦流体透镜与接触该透镜的体组织相比，声音在二者中的声速不 同。然而，PCT公开文本WO 2005/122139未披露或教导将可变焦流体透镜 技术应用于1D声换能器阵列来进行声波的竖直焦点控制。
下文公开的是声学装置的一个或多个实施例，该声学装置包括产生 声波的声发生器；声界面，其能够以可变方式折射声波；以及用于将声波 从声发生器引导到声界面的装置。有利地，声界面包括位于两个独立的流 体介质之间的边界以及用于直接向流体介质之一的至少一部分施加力的装 置，其中，声波在这两种流体介质中具有不同的声速，施加力是为了有选 择地诱发边界的至少一部分发生位移。
图1A-B示出了声探针100的一个实施例，其包括耦合到声换能器20 的可变折射声透镜IO。有利地，如下文更详细所述，可变折射声透镜10具 有沿着传播轴("焦点")并垂直于该平面("屈折")改变声波的竖直焦点的能力。可变折射声透镜10包括外壳110、耦合元件120、第一和第二流 体介质141和142、第一电极150和至少一个第二电极160a。外壳110例 如可以是圆柱形的。有利地，外壳110的顶端和底端基本对声波是透明的， 而声波不能穿透外壳110的侧壁。有利地，通过一个或多个声匹配层130 将声换能器20耦合到外壳110的底部。
在一个实施例中，声探针100适于工作在透射模式和接收模式下。在 这种情况下，在透射模式下，声换能器20将输入到其中的电信号转换成输 出的声波。在接收模式下，声换能器20将接收的声波转换成输出的电信号。 声换能器20是声波现有技术中公知的类型。有利地，声换能器20包括1D 阵列的声换能器元件。
在备选实施例中，声探针100可以被改为工作在只接收模式下。在这 种情况下，单独提供发射换能器。
有利地，在外壳110的一个端部上设置耦合元件120。将耦合元件120 设计成在被压到诸如人体等主体上时形成接触区。有利地，耦合元件120 包括填充有耦合固态物质(如聚酯薄膜)的柔性密封袋(即声窗)或与主 体的声阻抗基本相等的塑料膜。
外壳110包围了一个体积为V的密封空腔，在该空腔中提供了第一和 第二流体介质141和142。在一个实施例中，例如，外壳110内的空腔体积 V的直径大约是0.8cm，高度(即沿着外壳110的轴)大约是lcm。
有利地，声音在第一和第二流体介质141和142中的速度是互不相同 的(即，声波在流体介质141中传播的速度与在流体介质142中传播的速 度不同)。而且，第一和第二流体介质141和142彼此不易混溶。这样，在 空腔中它们始终保持独立的流体相。第一和第二流体介质141和142之间 的分开处是没有任何固体部分的接触表面或弯月面，其界定了第一和第二 流体介质141和142之间的边界。同样有利地，两种流体介质141、 142之 一是导电的，而另一种流体介质基本不导电或者是电绝缘的。
在一个实施例中，第一流体介质141主要由水构成。例如，它可以是 盐溶液，其离子含量高到足以具有电极性或导电。在这种情况下，第一流 体介质141可以含有钾离子和氯离子，两者的浓度例如都是lmol. r'。或者， 它可以是水和乙醇的混合物，由于存在诸如纳或钾等离子(例如浓度为0. lmol.r1)，因此基本具有导电性。第二流体介质142例如可以包括对电 场不敏感的硅酮油。有利地，声音在第一流体介质141中的速度可以是 1480m/s，而声音在第二流体介质142中的速度可以是1050m/s。
有利地，在外壳110中设置第一电极150，使其与两种流体介质141、 142中的导电的一种接触。在图1A-B的范例中，假设流体介质141是导电 的流体介质，而流体介质142是基本不导电的流体介质。然而，应当理解， 流体介质141可以是基本不导电的流体介质，而流体介质142可以是导电 的流体介质。在这种情况下，第一电极150将被设置成与流体介质142接 触。同样在这种情况下，图1A-B中所示的接触弯月面的凹状将会反过来。
同时，沿着外壳110的横向(侧)壁设置第二电极160a。任选地，沿 着外壳110的横向(侧)壁(或多个壁)设置两个或更多个第二电极160a、 160b等。电极150和160a连接到可变电压源(图1A-B中未示出)的两个 输出端。
如下所述，在操作方面，可变折射声透镜10与声换能器20协作工作。 在图1A的示范性实施例中，当可变电压源在电极150和160之间施加的电 压为零时，第一和第二流体介质141和142之间的接触表面为弯月面Ml。 外壳110的侧壁内侧的表面性质以公知方式决定了弯月面的形状。于是， 它的形状大致为球的一部分，尤其是在第一和第二流体介质141和142的 密度基本相等的情况下。因为声波W在第一和第二流体介质141和142中 具有不同的传播速度，因此填充有第一和第二流体介质141和142的体积V 充当着声波W的会聚透镜。这样，在穿过第一和第二流体介质141和142 之间的接触表面后，进入探针100的声波W的发散性得到减弱。可变折射 声透镜10的焦距是声换能器20到声波发源点的距离，使得在声波入射到 声换能器20之前被透镜可变折射声透镜20变成平面形。
在将可变电压源施加到电极150和160之间的电压设置为正值或负值 时，由于电极150与160之间的电场作用，改变了弯月面的形状。具体而 言，在第一流体介质141的与第一和第二流体介质141和142间的接触表 面相邻的部分上施加了力。由于第一流体介质141的极性，因此它往往会 移动得较靠近电极160，使得第一和第二流体介质141和142之间的接触表 面平坦化，如图1B的示范性实施例所示。在图1B中，M2表示在将电压设置成非零值时接触表面的形状。将接触表面形状的这种电控制变化称为电
润湿。在第一流体介质141导电的情况下，当施加电压时，第一和第二流 体介质141和142之间的接触表面形状的变化与前述相同。由于接触表面 平坦化了，因此在电压非零时增大了可变折射声透镜10的焦距。
有利地，在图1A-B的范例中，在流体介质141主要由水构成的情况下， 那么至少外壳110的底壁涂有亲水涂层170。当然，在流体介质142主要由 水构成的不同范例中，那么作为代替的是外壳110的顶壁涂有亲水涂层 170。
同时，PCT公开文本W0 2004051323详细描述了如何使可变折射流体透 镜的弯月面倾斜，在此通过引用将其全文并入，如同本文完整阐述一般。
有利地，如下文更详细介绍的，耦合到声换能器20的可变折射声透镜 IO的组合能够取代传统的ID换能器阵列，额外的优点是实时调节竖直焦点， 以便能够以期望的竖直聚焦在不同深度处传输最大的能量。
图2是声成像设备200的实施例的方框图，该声成像设备200使用了 包括耦合到声换能器的可变折射声透镜的声探针，以提供实时竖直焦点控 制。声成像设备200包括处理器/控制器210、发射信号源220、发射/接收 开关230、声探针240、滤波器250、增益/衰减器级260、声信号处理级270、 竖直焦点控制器280和可变电压源290。同时，声探针240包括耦合到声换 能器244的可变折射声透镜242。
如上文参考图1所述，可以将声探针240实现为声探针100。在这种情 况下，有利地，可变折射声透镜242的两种流体141、 142具有匹配的阻抗， 但声速不同。这会允许声波最快地向前传播，同时允许对波束方向加以控 制。有利地，选择流体141、 142的声速，使声波聚焦和折射的灵活性最大 化。
有利地，声换能器元件244包括1D阵列的声换能器元件。
在操作方面，声成像设备200按照下述进行工作。
竖直焦点控制器280对由可变电压源290施加到可变折射声透镜242 的电极的电压进行控制。如上所述，这又控制了可变折射声透镜242的"焦 距"。
当可变折射声透镜242中的两种流体界定的弯月面的表面达到正确拓
12扑时，处理器/控制器210控制发射信号源220来产生要被施加到声换能器 244的期望电信号，从而产生期望的声波。在一种情况下，可以控制发射信 号源220来产生工作在M模式下的短时间(宽带)信号，可能是短声脉冲 群，以实现进行其他成像技术的脉冲波多普勒或其他相关信号。典型的应 用可以是在固定竖直焦点被调节到临床感兴趣区域时对平面进行成像。另 一种应用可以是利用多个焦距对平面成像，调节竖直焦点以使传输到轴焦 点区域的能量最大化。声信号可以是时域分辨信号，例如普通回波、M模式 或PW多普勒，甚至是非时域分辨信号，例如CW多普勒。
在图2的实施例中，声探针240适于工作在透射模式和接收模式下。 如上所述，在备选实施例中，声探针240可以适于工作在只接收模式下。 在这种情况下，独立提供发射换能器，并可以省略发射/接收开关230。
图3示出了控制图2的声成像设备200的竖直焦点的方法300的一个 实施例的流程图。
在第一步骤305中，将声探针240耦合到患者。
然后，在步骤310中，竖直焦点控制器280对由可变电压源290施加 到可变折射声透镜242的电极的电压进行控制，以在目标高度处聚焦。
接下来，在步骤315中，处理器/控制器210控制发射信号源220和发 射/接收开关230，以向声换能器244施加期望的电信号。可变折射声透镜 242与声换能器244协同工作以产生声波并将声波聚焦在患者的目标区域， 包括目标高度。
随后，在步骤320中，可变折射声透镜242与声换能器244协同工作 以接收从患者的目标区域返回的声波。此时，处理器/控制器210控制发射 /接收开关230，以将声换能器244连接到滤波器250，从而从声换能器244 向滤波器350输出电信号。
接下来，在步骤330中，滤波器250、增益/衰减器级260和声信号处 理级270 —起工作以调节来自声换能器244的电信号并产生从其接收的声 数据。
然后，在步骤340中，将所接收的声数据存储在声成像设备200的声 信号处理级270的存储器(未示出)中。
接下来，在步骤345中，处理器/控制器210判断其是否在另一竖直平面中聚焦。如果是，那么在步骤350中，选择新的竖直平面并在步骤310 重复该过程。如果不是，则在步骤355中，声信号处理级270处理所接收 的声数据(可能与处理器/控制器210协作)以产生并输出图像。
最后，在步骤360中，声成像设备200输出图像。
通常，该方法300可以适于在声波为时域分辨信号(例如普通回波、M 模式或PW多普勒)或甚至非时域分辨信号(例如CW多普勒)的情况下进 行测量。
尽管本文公开了优选实施例，但很多变化都是可能的，并且这些变化 仍然在本发明的原理和保护范围之内。在阅读了本文的说明书、附图和权 利要求书之后，这些变化对本领域普通技术人员而言将会变得显而易见。 因此，除了在所附权利要求的精神和保护范围内以外，本发明不受限制。
权利要求
1、一种声成像设备(200)，包括声探针(240，100)，包括声换能器(244，20)，其具有设置成一维阵列的多个声换能器元件，以及耦合到所述声换能器(244，20)的可变折射声透镜(242，10)，所述可变折射声透镜(242，10)具有至少一对电极(150，160)，所述至少一对电极(150，160)适于响应于施加在所述电极(150，160)上的选定电压来调节所述可变折射声透镜(242，10)的至少一个特征；耦合到所述声换能器(244)的声信号处理器(270)；适于向所述一对电极(150，160)施加选定电压的可变电压源(290)；以及控制器(210)，其适于控制所述可变电压源(290)，以向所述一对电极(150，160)施加所述选定电压。
2、 根据权利要求1所述的声成像设备(200)，还包括 发射信号源(220);以及适于选择性地将所述声换能器(244)耦合到所述发射信号源(220) 和所述声信号处理器(270)的发射/接收开关(230)。
3、 根据权利要求1所述的声成像设备(200)，其中所述可变折射声透 镜(242)包括空腔；设置于所述空腔内的第一和第二流体介质(141， 142);以及 所述第一和第二电极(150， 160)，其中声波在所述第一流体介质(141)中的声速与所述声波在所述第二 流体介质(142)中的对应声速不同，其中所述第一和第二流体介质(141， 142)相互不混溶，并且 其中所述第一流体介质(141)与所述第二流体介质(142)具有基本不同的电导率。
4、 根据权利要求3所述的声成像设备(200)，其中所述第一和第二流 体介质具有基本相等的密度。
5、 根据权利要求3所述的声成像设备(200)，其中所述可变折射声透 镜包括外壳(110)，该外壳(110)界定了所述空腔，并且其中所述一对电 极中的第一个电极设置于所述外壳(110)的底部或顶部，而所述一对电极 中的第二个电极设置于所述外壳(110)的横向侧壁。
6、 根据权利要求3所述的声成像设备(200)，其中将所述一对电极中 的第一个电极(150)设置成与所述第一和第二流体介质(141， 142)中具 有较大电导率的那种流体介质相接触，并且所述一对电极中的第二个电极(160)与所述第一和第二流体介质(141， 142)中具有较大电导率的那种流体介质隔离。
7、 根据权利要求1所述的声成像设备(200)，其中所述可变折射声透 镜(242， 20)通过至少一个声匹配层(130)耦合到所述声换能器(244， 10)。
8、 根据权利要求1所述的声成像设备(200)，其中响应于施加于所述 电极(150， 160)上的所述选定电压而被调节的所述可变折射声透镜(242， 10)的所述至少一个特征包括所述可变折射声透镜(242， 10)的焦点和高 度。
9、 一种声探针(100)，包括声换能器(20)，其包括设置成一维阵列的多个声换能器元件；以及 耦合到所述声换能器的可变折射声透镜(10)，所述可变折射声透镜 (10)具有至少一对电极(150， 160)，所述至少一对电极适于响应于施加 在所述电极(150， 160)上的选定电压来调节所述可变折射声透镜(10)的至少一个特征。
10、 根据权利要求9所述的声探针(100)，其中所述可变折射声透镜(10)包括空腔；设置于所述空腔内的第一和第二流体介质(141， 142);以及 所述一对电极(150， 160)，其中声波在所述第一流体介质(141)中的声速与所述声波在所述第二流体介质(142)中的对应声速不同，其中所述第一和第二流体介质(141， 142)相互不混溶，并且 其中所述第一流体介质(141)与所述第二流体介质(142)具有基本不同的电导率。
11、 根据权利要求10所述的声探针(100)，其中所述第一和第二流体 介质(141， 142)具有基本相等的密度。
12、 根据权利要求10所述的声探针(100)，其中所述可变折射声透镜 (10)包括外壳(110)，该外壳(110)界定了所述空腔，并且其中所述一对电极中的第一个电极(150)设置于所述外壳(110)的底部或顶部，而 所述一对电极中的第二个电极(160)设置于所述外壳(110)的横向侧壁。
13、 根据权利要求10所述的声探针(100)，其中将所述一对电极中的 第一个电极(150)设置成与所述第一和第二流体介质(141， 142)中具有 较大电导率的那种流体介质相接触，并且所述一对电极中的第二个电极(160)与所述第一和第二流体介质(141， 142)中具有较大电导率的那种 流体介质隔离。
14、 根据权利要求9所述的声探针(100)，其中所述可变折射声透镜 (242， 10)通过至少一个声匹配层(130)耦合到所述声换能器元件(244，20)。
15、根据权利要求9所述的声探针(100)，其中响应于施加于所述电 极(150， 160)上的所述选定电压而被调节的所述可变折射声透镜(242， 10)的所述至少一个特征包括所述可变折射声透镜(242， 10)的焦点和高 度。
16、 一种利用声波进行测量的方法(300)，所述方法包括(1) 向患者施加声探针(305);(2) 控制所述声探针的可变折射声透镜以聚焦在期望的竖直焦点处 (310);(3) 在声换能器处从所述可变折射声透镜接收来自对应于所述期望的 竖直焦点的目标区域的返回声波(320);以及(4) 从所述声换能器输出对应于所接收的声波的电信号(330)。
17、 根据权利要求16所述的方法(300)，还包括(5) 利用所述换能器(330)输出的所述电信号生成所接收的声数据。
18、 根据权利要求17所述的方法(300)，还包括(6) 将所接收的声数据存储到存储器中(340);(7) 确定是否聚焦在另一竖直焦点处(345);(8) 在选择了另一竖直焦点时，针对新的竖直焦点重复步骤(1)到(7) (350);以及(9) 在未选择更多竖直焦点时，处理所存储的声数据并利用所处理的 声数据输出图像(355)。
19、 根据权利要求16所述的方法(300)，在步骤(3)之前还包括 向耦合到所述可变折射声透镜的所述声换能器施加电信号，以产生聚焦在 所述期望竖直焦点处的声波(315)。
20、 根据权利要求16所述的方法(300)，其中控制所述可变折射声透镜以聚焦在目标区域中的步骤(310)包括向所述可变折射声透镜(242， 10)的电极(150， 160)施加电压，以便使设置于所述可变折射声透镜(242， 10)的外壳(110)中的两种流体(141， 142)相对于彼此发生位移，其中 所述两种流体(141， 142)具有彼此不同的声波传播速度。
全文摘要
一种声探针(100)，包括声换能器(20)，其包括设置成一维阵列的多个声换能器元件；以及耦合到所述声换能器的可变折射声透镜(10)。该可变折射声透镜具有至少一对电极(150，160)，该至少一对电极适于响应于在电极上施加的选定电压来调节可变折射声透镜的焦点。在一个实施例中，该可变折射声透镜包括空腔、设置于空腔内的第一和第二流体介质(141，142)以及一对电极。声波在第一流体介质中的声速与声波在第二流体介质中的声速不同。第一和第二流体介质彼此不相混溶，并且第一流体介质具有与第二流体介质基本不同的电导率。
文档编号G10K11/30GK101632116SQ200780015672
公开日2010年1月20日 申请日期2007年4月27日 优先权日2006年5月2日
发明者B·H·W·亨德里克斯, C·S·霍尔, C·T·钱, F·苏伊吉维尔, S·凯珀 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司