专利名称：用于超声成像的声学设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于超声成像的声学设备。本发明还涉及具有声学设备的导管 (catheter)，以及具有根据本发明的声学设备的成像系统。
背景技术：
超声成像是医疗技术中最重要的诊断工具之一。通常，外部应用(例如从身体的外部对器官进行成像)中使用的换能器(transducer)是基于相控阵列配置，然而对于身体内的内部使用(例如导管应用)，换能器的尺寸非常有限。对于导管应用的方案之一是液体透镜超声配置，其中通过倾斜位于换能器前面的折射超声的液/液界面来执行超声扫描，从而允许在导管前面的边界明确的扇区内成像，所谓的B扫描成像。可以在WO 2008/023287中找到这样的超声成像设备的一个示例。通过液/液界面成像的基本问题之一是超声从该界面向后反射至换能器，这在超声图像中生成不期望的信号或者回响(reverberation)。对于超声法线入射到液/液界面，通过以下给出反射功率密度
7-7
酬“材2其中τ、是液体的声学阻抗，Zi = P ,Vi ； P是密度并且ν是该液体中的声速。因此，显然，在两个液体的阻抗Z几乎相等时，获得最小反射R。然而，由于声学上的斯奈尔法则涉及在计算透射角度时的声速，因此仅仅那些具有大声速失配(mismatch)的液体才有益于折射超声。这自然意味着，两个液体的密度失配应该基本上与液体中的声速ν的比率成反比。为了获得超声的合适折射，例如能够用于大致50度总角度的扇区的B扫描成像，液体中声速的比率应该优选为大致2，这意味着为了超声从液/液界面相对较小的反射，密度P的比率应该为大约0.5。附加的限定标准在于两种液体的声学阻抗Z应该接近于进行医学应用的组织和血液的声学阻抗。由于血液的大部分由水构成，这意味着，水适合选择作为一种液体。一旦选择了适合的液体对，例如待用于B扫描成像的有效视角本质上由以下事实限定液/液界面中的反射R在与法线入射不同的角度处相对较快地增加。这能够通过倾斜由液/液界面形成的声学透镜进行补偿，但是由于该倾斜反过来受到狭窄的导管应用中机械约束的限制，因此这不利地限制了成像设备的有效视角。因而，在法线和非法线入射处的反射，以及成像设备的有效视角在一定程度上限制或者阻碍了该领域的进一步改善。因而，一种改善的用于超声成像的声学设备将是有利的，并且特别是更加有效和/ 或可靠的声学设备将是有利的。
发明内容
因此，本发明优选地寻求单独或者以任意组合的方式减轻、减缓或者消除上述缺点中的一个或者多个。具体地说，可以看出，本发明的目的在于提供一种解决在超声成像中视角有限情况下现有技术的上述问题的声学设备。在本发明的第一方面中，通过提供一种用于对对象进行超声成像的声学设备来实现这一目的和若干其它目的，所述设备包括能够接收和/或发射声脉冲的声学换能器，以及设置为可变地折射所述声脉冲至所述声学换能器和/或折射来自所述声学换能器的所述声脉冲的声学透镜，所述声学透镜包括由声学界面分隔开的第一流体和第二流体，所述声学界面的法线与所述声脉冲形成相对入射角，其中选择所述声学透镜的所述第一流体和第二流体，以使得所述声学界面具有作为在非零的角度处的所述相对入射角的函数的反射最小值。与目前为止看到的利用具有两个或者更多流体作为有源声学折射体的声学透镜的超声成像相比较，本发明特别但不排它地有利于获得适于在较宽的入射角度间隔中具有较小反射的超声成像的改善的声学设备。本发明进一步证明尽管随着入射角增加，大多数先前应用的流体组合具有从所述声学界面的超声的增加反射R，但是实际上存在这样的配置，即，通过增加入射角，反射降低，优选降低到实质上为零，在该入射角之上而再次增加时，即在界面处与法线入射不同的反射中存在局部最小值。这一效应的利用对于通过流体透镜，即电润湿液体透镜，而具有减小反射的超声成像非常有利。本发明尤其适于对对象进行超声成像，所述成像可以具体包括由多普勒超声波扫描进行的流测量，例如对于血管分析或者类似的医疗流的医学流测量。进一步仔细考虑，也可以结合声学治疗，例如有害组织的超声治疗来应用本发明，在该声学治疗中正确的剂量 (所传输的能量和位置)对于获得有害组织的期望治疗效果来说是非常重要的。这可以例如结合为了治疗目的而施加组织的局部加热的聚焦超声刀治疗(FUS)进行应用。在本发明的上下文中，可以将术语“换能器(transducer) ”理解为表示设置为用作发射器的实体，其能够将第一形式的能量转换为第二形式的能量并且发射该第二种类的能量，例如将在线路中传输到换能器的电能转换为从该换能器发射的声能。可选地或者此外， 可以将术语“换能器”理解为表示设置为用作传感器的实体，其能够将第一形式的能量转换为第二形式的能量并且以指示由所述换能器检测的第一种类的能量的信号形式将所述第二种类的能量从所述换能器传递出或者离开的。因而，所述换能器能够接收声信号或者脉冲，并且将其转换为指示所接收的声信号或者脉冲的电信号。换能器的示例可以包括但不限于压电换能器、电磁声学换能器(EMAT)、声光换能器、PVdF换能器、电容性微制造超声换能器(CMUT)、压电微加工超声换能器(PMUT)等等。在最普遍的方面，本发明利用两个(或者更多)流体以在换能器和待成像的对象之间提供声脉冲的声学折射。流体可以包括但不限于液体(包括其混合物)、气体(包括其混合物)、凝胶、等离子体等。在本发明的上下文中，应理解，由于在实际实施中声脉冲将几乎总是具有特定的空间宽度并且由于声学界面典型地具有特定曲率以便具有非零聚集能力，因此声脉冲通常以多于一个的相对入射角入射在声学界面上。因此，也应理解，对于入射角的间隔，或者可选地对于声脉冲的中心或者平均部分，可以可操作地限定声学界面的法线。还应理解，可以通过移位(横向/旋转)和/或弯液面形式的改变二者，来执行所述声脉冲的可变折射，以根据对对象成像的需要来提供聚集和离轴改变。
在本发明的上下文中，还应理解，声脉冲具有适合于超声成像的合适的频率，或者最普遍的是合适范围的频率。因而，严格来说，仅对于单个频率或者相对窄带的频率获得反射的最小值。然而，对于实际应用而言，由于声学属性，例如声度和吸收系数，作为频率的函数相对适中地变化，因此通常是在相当宽的频率范围上获得界面中的反射最小值。对于超声成像而言，频率范围典型地在从1-50MHZ的范围，或者在从2-lSMHz的范围中，优选为 3-lOMHz，但是在本发明的教导下可以利用限定为高于大致20kHz (人类听觉极限)的频率的任何超声频率。在优选实施例中，所述声学透镜可以是包括第一流体和第二流体的电润湿流体透在一个实施例中，在声脉冲的中心频率下，所述第一流体的密度P工、所述第二流体的密度P 2、所述第一流体的声速V1以及所述第二流体的声速V2可以满足条件
权利要求
1.一种声学设备，用于对对象(21)进行超声成像，所述设备包括-能够接收和/或发射声脉冲(5)的声学换能器(10)；以及-声学透镜(20)，设置为可变地折射所述声脉冲至所述声学换能器和/或折射来自所述声学换能器的所述声脉冲，所述声学透镜包括由声学界面(7)分隔开的第一流体(Li)和第二流体(L2)，所述声学界面的法线与所述声脉冲形成相对入射角(Al)，其中，选择所述声学透镜(20)的所述第一流体和第二流体，以使得所述声学界面(7) 具有作为在非零的角度处的所述相对入射角(Al)的函数的反射最小值。
2.根据权利要求1所述的声学设备，其中所述声学透镜(20)是包括第一流体和第二流体(L1，L2)的电润湿流体透镜。
3.根据权利要求1所述的声学设备，其中在所述声脉冲的中心频率下，所述第一流体的密度P1、所述第二流体的密度P2、所述第一流体的声速V1以及所述第二流体的声速V2 满足条件PlVl(PlVl -p2vi)(pivi +PlVl)、Λ ~ ~ >U。Piv2 -PivI
4.根据权利要求1所述的声学设备，其中在所述声脉冲的中心频率下，所述第二流体 (L2)的密度大致为所述第一流体(Li)的密度的两倍，并且所述第二流体的声速大致为所述第一流体的声速的一半。
5.根据权利要求1所述的声学设备，其中所述第一流体(Li)为水并且所述第二流体为全氟全氢菲(C14F24)。
6.根据权利要求1所述的声学设备，其中所述反射最小值处的反射(R)基本为零。
7.根据权利要求1所述的声学设备，其中所述声学界面(7)处的反射(R)相对于所述相对入射角(Al)的一阶导数在紧高于零相对入射角时为负。
8.根据权利要求1所述的声学设备，其中所述声学界面(7)处的反射(R)相对于所述相对入射角(Al)的一阶导数在所述反射最小值处改变符号。
9.根据权利要求1所述的声学设备，其中所述反射最小值处的所述相对入射角(Al)位于所述声学设备中可能的最大相对入射角的值的大致一半处。
10.根据权利要求1所述的声学设备，其中所述反射最小值处的所述相对入射角(Al) 在从2-40度的间隔中，优选为10-30度的间隔中，或者最优选为15-25度的间隔中。
11.一种导管，包括根据前述权利要求中的任一项所述的声学设备。
12.—种针，具有根据前述权利要求中的任一项所述的声学设备。
13.—种超声成像系统，所述系统包括-能够接收和/或发射声脉冲(5)的声学换能器(10)；-声学透镜(20)，设置为可变地折射所述声脉冲(5)至所述声学换能器(10)和/或折射来自所述声学换能器(10)的所述声脉冲(5)，所述声学透镜包括由声学界面分隔开的第一流体和第二流体，所述声学界面的法线与所述声脉冲形成相对入射角，其中，选择所述声学透镜的所述第一流体和第二流体，以使得所述声学界面具有作为在非零的角度处的所述相对入射角的函数的反射最小值，-控制单元，所述控制单元可操作地连接到所述声学透镜并用于控制所述声学透镜的所述声学界面(7)，所述控制单元还可操作地连接到所述声学换能器，所述控制单元适于从所述换能器接收指示所接收的声脉冲的第一信号，和/或所述控制单元适于向所述换能器发送指示待发射的声脉冲的信号；以及-成像单元，所述成像单元可操作地连接到所述控制单元，所述控制单元能够向所述成像单元发送指示所接收的声脉冲(5)的第二信号，所述成像单元适于根据所述第二信号形成图像。
14. 一种用于提供声学设备的方法，所述方法包括 -提供能够接收和/或发射声脉冲(5)的声学换能器(10)；以及 -提供声学透镜(20)，所述声学透镜00)设置为可变地折射所述声脉冲( 至所述声学换能器和/或折射来自所述声学换能器的所述声脉冲( ，所述声学透镜包括由声学界面(7)分隔开的第一流体和第二流体(Li，L2)，所述声学界面的法线与所述声脉冲形成相对入射角，其中，选择所述声学透镜00)的所述第一流体和第二流体，以使得所述声学界面(7) 具有作为在非零的角度处的所述相对入射角的函数的反射最小值。
全文摘要
本发明涉及一种用于对对象(21)进行超声成像的声学设备。所述设备包括声学换能器(10)和设置为可变地折射所述声脉冲至所述声学换能器和/或从所述声学换能器折射所述声脉冲的声学透镜(20)。所述声学透镜包括由声学界面(7)分隔开的第一流体(L1)和第二流体(L2)，所述声学界面的法线与所述声脉冲形成相对入射角(AI)，该声学透镜例如是电润湿透镜。特别选择所述声学透镜(20)的所述第一流体和第二流体，以使得所述声学界面(7)在非零的相对入射角(AI)处具有反射最小值。与目前为止看到的利用具有两个或者更多流体作为有源声学折射体的声学透镜的超声成像相比较，本发明有利于获得在较宽的入射角间隔中具有实质上较小反射的改善的声学设备。
文档编号G10K11/30GK102301418SQ201080005832
公开日2011年12月28日 申请日期2010年1月25日 优先权日2009年1月30日
发明者D·马雷斯卡, J·F·苏伊吉维尔, S·德拉迪 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司