扇形超声换能器阵列结构及全环超声波检测阵列结构

1.本实用新型涉及一种扇形超声换能器阵列结构以及基于该扇形超声换能器阵列结构实现的全环超声波检测阵列结构。


背景技术：

2.光声成像有着独特的优点，因其在信号形态上结合了光学高对比度和超声高空间分辨率的优点。基于光声效应的光声成像是一种非侵入性的生物医学成像技术，小至细胞大到对器官的成像在医学成像中均有应用。光声成像系统的工作原理是将一束瞬间脉冲平行光均匀地打在成像物体上，由于目标物体对光能量的吸收导致热膨胀从而产生光声信号(以下简称pa信号，由光声效应产生的超声信号)。在成像特点上，一方面，生理组织对超声信号的散射比光散射低2至3个数量级，因此超声信号用于在光声成像中图像的重建，可以在深层组织成像时提供更高的空间分辨率。另一方面，与超声成像相比，光声成像结合了光学高对比度特性，还能提供多种功能信息。
3.在光声断层成像系统(以下简称pat成像系统)中，由超声阵列探头检测到的光声信号用于光声图像重建，超声阵列探头能接收到的光声信号区域大小决定了pat成像系统成像视野的大小。然而在目前通用的pat成像系统中，超声换能器阵列的尺寸和形状是固定的，无法适应不同大小的成像目标，严重限制了pat 成像系统的成像应用范围。
4.在pat成像系统设置中，多采用环形分布的超声波检测阵列(以下简称ut 阵列)，ut阵列的直径是固定。但是，对于不同大小的成像目标，这种ut阵列不能调整环的半径，限制了临床应用时pat成像系统的灵活性。例如，乳腺癌筛查要求pat成像系统与女性乳房完美匹配，而女性乳房的大小差异很大。


技术实现要素：

5.本实用新型要解决的技术问题是：在目前通用的pat成像系统中，超声换能器阵列的尺寸和形状是固定的，无法适应不同大小的成像目标。
6.为了解决上述技术问题，本实用新型的一个技术方案是提供了一种扇形超声换能器阵列结构，用于接收的光声信号，n≥2，其特征在于，包括本体，本体的侧面形成有一个弧形的接收面，本体上与接收面左、右两侧边缘相接的面为结合面；接收面的圆弧半径设置为允许利用所述扇形超声换能器阵列结构成像时的成像场中心与接收面之间的距离小于所述圆弧半径；m个超声波接收单元均匀分布在接收面上，m≥2。
7.优选地，所述本体采用不锈钢材质制成。
8.本实用新型的另一个技术方案是提供了一种全环超声波检测阵列结构，其特征在于，由n个上述的扇形超声换能器阵列结构组成，利用所述全环超声波检测阵列结构成像时的成像场中心与各所述扇形超声换能器阵列结构的所述接收面之间的距离相等，从而使得n个所述接收面组成一个全环接收面；
9.相邻两个所述扇形超声换能器阵列结构的结合面之间的距离可在相互接触至间
隔一定距离之间变化，从而使得所述成像场中心与所述接收面之间的距离小于、等于或者大于所述接收面的圆弧半径。
10.针对不同大小的成像目标，本实用新型提供的全环超声波检测阵列结构能适应性地调节全环接收面的大小，从而大幅增加了pat成像系统的灵活性。
附图说明
11.图1为实施例中的扇形超声换能器阵列结构的示意图；
12.图2至图4为三种不同情况的全环超声波检测阵列结构；
13.图5为半径为6mm的扇形超声换能器阵列结构的分布模拟；
14.图6为半径为的扇形超声换能器阵列结构的分布模拟；
15.图7为基于四个扇形超声换能器阵列结构的大小可调pat系统设置，图中： suta为扇形超声换能器阵列，wt为水箱，amp为放大器，daq为数据采集， pc为个人电脑，fg为函数发生器，cnl为凸透镜，grdg为毛玻璃，syn-trig为同步触发信号。
具体实施方式
16.下面结合具体实施例，进一步阐述本实用新型。应理解，这些实施例仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围。此外应理解，在阅读了本实用新型讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本实用新型作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本技术所附权利要求书所限定的范围。
17.用于pa信号检测的换能器是pat成像系统的重要组成部分。对于pat成像系统设置，采用全包围360
°
角度的pa信号检测是最理想的情况，如用环形超声阵列接收pa信号进行图像重建。基于此，本实用新型设计了如图1所示的扇形超声换能器阵列结构，包括本体1，本体1的侧面形成有一个弧形的接收面1-1，本体1上与接收面1-1左、右两侧边缘相接的面为结合面1-2。32个超声波接收单元2均匀分布在接收面1-1上，从而形成扇形分布。本实施例中，相邻两个超声波接收单元2 之间间距0.2mm。每个超声波接收单元2的宽度为2.317mm、高为10mm。本实施例中，接收面1-1的圆弧半径r设计为60mm。本体1的长l＝90mm、宽w＝90mm、高h＝20mm。本实施例子中，接收面1-1的扇形弧为70.8度，是光声信号接收部分的四分之一。32个超声波接收单元2均匀分布在接收面1-1上。
18.本实用新型公开的一种扇形超声换能器阵列结构有32个超声接收单元2排列成扇形超声换能器阵列用于超声检测。每个扇形超声换能器阵列排列在70.8度扇形内。pat成像系统使用4个本实用新型提出的扇形超声换能器阵列结构，4个扇形超声换能器阵列结构对应的4个扇形超声换能器阵列以90度间隔围绕成像目标分布。4个扇形超声换能器阵列的中心频率分别为1mhz、2.5mhz、5mhz和7.5 mhz，可构成多频率的pa信号接收，覆盖了pat成像系统中pa信号的大部分频率带宽。4个扇形超声换能器阵列的分布半径可灵活地进行改变，使得成像目标范围可从50mm到90mm不等，可覆盖乳房筛查等大部分应用场景。
19.对于大多数的pat成像系统设置，pa信号可以被视为一个从1mhz到10mhz的宽带信号。本实用新型设计了中心频率为1mhz、2.5mhz、5mhz和7.5mhz的四种扇形超声换能器阵列结构(本领域技术人员也可以根据系统需求设计其他中心频率的超声换能器，从而实现其他中心频率的扇形超声换能器阵列结构)，可以实现pa信号频谱的全覆盖。每个扇形超声换
能器阵列结构的带宽超过60％。扇形超声换能器阵列结构采用不锈钢外壳封装以方便pa信号耦合和防水。
20.本实用新型提出的尺寸可调pat成像系统是基于扇形超声换能器阵列结构不同分布的调整。根据成像中心到扇形超声换能器阵列结构中接收面1-1的距离，4 个扇形超声换能器阵列结构分布基本有三种情况：
21.如图2所示，成像中心到扇形超声换能器阵列结构3的接收面1-1的距离小于接收面1-1的圆弧半径，构成半径为50mm的小成像范围。适用于成像场半径为50 毫米的小成像目标。而且，在此情况下，相邻两个扇形超声换能器阵列结构3的结合面1-2相接触，使得成像目标周围的四个扇形超声换能器阵列结构3没有空隙，构成的全环超声波检测阵列结构可以全角度接收pa信号。如图3所示，成像中心到扇形超声换能器阵列结构3的接收面1-1的距离等于接收面1-1的圆弧半径，构成半径为60mm的成像范围。此时，4个扇形超声换能器阵列结构3的接收面1-1 的圆弧中心与成像场中心完全重合。成像场中心与接收面1-1之间的距离就是接收面1-1的圆弧半径。为了获得更大的成像视野，如图4所示，成像中心到扇形超声换能器阵列结构3的接收面1-1的距离大于接收面1-1的圆弧半径，构成半径大于60mm的大成像范围。本实用新型可实现大到90mm的成像区域，大大扩展了成像视野。
22.为了验证所提出的尺寸可调pat成像系统，利用matlab k-wave工具箱对不同的成像场进行了仿真。32个超声换能器单元的超声阵列的中心频率为1mhz、 2.5mhz、5mhz、7.5mhz，带宽为60％，以不同半径分布检测pa信号。传感器半径设定为6mm，成像区域的半径分别为6mm和模拟不同的pat成像区域，如图5和6所示。4个扇形超声换能器阵列结构的扇形超声换能器阵列朝向成像区域中心。利用k-wave工具箱仿真二值图像的血管模型为成像目标以生成光声信号。为了更好地模拟真实的光声信号，设定了40db信噪比和100mhz的信号采样率。
23.将模拟的128通道数据插值到164通道，以补偿扇形超声换能器阵列结构的检测视角限制。仿真结果显示，本实用新型能够清晰地识别血管模型轮廓，伪影可以忽略不计。在图6所示的设置中，四个接收光声信号的扇形超声换能器阵列结构在校准前不能直接用于图像重建。此外，pa信号还需要通过插值对有限的视角进行补偿。重建图像中血管模型的轮廓可以区分，但存在一些伪影。此外，数据移位的信号处理也会产生一些误差，造成一些背景伪影。
24.本实用新型提出的尺寸可调pat成像系统设置如图7所示。激光脉冲重复频率为10hz，波长为755nm。pa信号采样采用采样率为40mhz的128通道数据采集 (daq)模块。函数发生器由计算机控制，输出触发信号，实现激光与数据采集的同步。通过光学元件进行调整，使得激光均匀地照射在成像模体上。成像目标被四个扇形超声换能器阵列结构环绕包围，确保pa信号能被很好地检测到。扇形超声换能器阵列结构的中心频率分别为1mhz、2.5mhz、5mhz和7.5mhz。四个扇形超声换能器阵列结构可以组成半径为50～90mm的环形阵列，用于pa信号检测。
25.仿体是一个直径0.5mm的3d打印血管模型，嵌入琼脂块，仿体成像结果中血管模型轮廓清晰，背景伪影明显。采用先进的图像处理算法可以进一步提高成像质量。成像结果很好地证明了所提出的尺寸可调pat成像系统的可行性。