柔性超声探头自适应校准方法、激励装置和超声探测设备

本技术属于医疗设备，更具体地，涉及一种柔性超声探头自适应校准方法、激励装置和超声探测设备。

背景技术：

1、超声检测可应用于医学、工业探伤等领域。例如，在医学中，超声检测是发现心血管疾病等慢性病的有效手段。在进行超声检测时，需要通过超声检测设备的超声探测设备来发射和接收超声波。

2、为能够与受检体表面紧密贴合同时减少超声波的能量损失，超声探测设备一般采用柔性超声探头。柔性超声探头的功能单元为相控阵列，并采用柔性软材料包裹功能单元。相控阵列具有排布成阵列形式的压电单元(阵元)，控制每个压电单元发射超声波，使不同压电单元超声波在待测点聚焦，以实现特定位置的超声探测。

3、为实现超声波在待测点的聚焦，需提前根据待测点的位置计算各压电单元超声波达到待测点的时长，然后通过控制不同压电单元的激励信号时序，可以实现不同压电单元超声波在待测点聚焦。

4、如图1所示，假设待测点为p，相控阵列的中心为a，在传统技术中，通过以下公式计算各压电单元超声波到达待测点的时长t：

5、

6、式中，xap为待测点p到相控阵列几何中心点a的距离，d为每个压电单元到几何中心点a的距离，c为超声波在介质中的传播速度。

7、上述计算方法是假定探头不发生形变，然而，大部分柔性超声探头在贴合受检体表面时，会因自身运动或外界压力导致探头出现拉伸、弯曲等形变，导致相控阵列的压电单元到待测点的距离发改变。因此，采用上述方法计算时长并控制各压电单元发射超声波，很可能无法实现各压电单元在待测点的聚焦，导致检测结果并不准确。

技术实现思路

1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本技术提供了一种柔性超声探头自适应校准方法、激励装置和超声探测设备，其目的在于考虑柔性超声探头的形变影响，准确控制各压电单元发射超声波，以使各压电单元的超声波在待测点聚焦，从而提高检测结果的可靠性。

2、一种柔性超声探头自适应校准方法，所述柔性超声探头具有应变传感器以及相控阵列，所述相控阵列包括排布成阵列形式的压电单元，所述压电单元在激励信号的激励下发射超声波，所述方法包括：

3、获取柔性超声探头贴合受检体表面后因形变产生的应变ε；

4、基于所述应变ε计算每个压电单元的延时，每个压电单元的延时为形变后所发射的超声波到达待测点的时长t2与形变前所发射的超声波到达待测点的时长t1之间的差值；

5、基于每个压电单元的延时调节施加于对应压电单元上的激励信号，以使各压电单元所发射的超声波在待测点聚焦；

6、其中，当所述柔性超声探头因延平行于表面的轴向拉伸而产生形变时，时长t2的计算为：

7、

8、式中，v为所述应变传感器的泊松比，l为形变前对应压电单元到所述柔性超声探头用于贴合受检体的柔性粘接层表面的距离，xp为所述柔性粘接层表面到待测点的距离，d为形变前对应压电单元到所述相控阵列几何中心的距离，c为超声波传播速度；

9、当所述柔性超声探头因弯曲而产生形变时，时长t2的计算为：

10、

11、式中，θ为对应压电单元到曲率中心的连线与所述柔性超声探头经过曲率中心的对称轴的夹角，夹角ρ为所述柔性超声探头弯曲形成的曲率半径，曲率半径h为所述相控阵列几何中心点到待测点的距离，距离h＝l+xp。

12、在其中一个实施例中，所述应变传感器包括四分之一桥i型或ii型应变计，应变ε的计算公式为：

13、

14、式中，vr为在所述柔性超声探头形变前后的应变传感器输出电压的差值，gf为应变传感器灵敏度。

15、在其中一个实施例中，所述应变传感器包括二分之一桥i型或ii型应变计，

16、使用二分之一桥i型应变计的应变ε的计算公式为：

17、

18、使用二分之一桥ii型应变计的应变ε的计算公式为：

19、

20、式中，vr为在所述柔性超声探头形变前后的应变传感器输出电压的差值，gf为应变传感器灵敏度。

21、在其中一个实施例中，所述应变传感器包括全桥i型或ii型或iii型应变计；

22、使用全桥i型应变计的应变ε的计算公式为：

23、

24、使用全桥ii型应变计的应变ε的计算公式为：

25、

26、使用全桥iii型应变计的应变ε的计算公式为：

27、

28、式中，vr为在所述柔性超声探头形变前后的应变传感器输出电压的差值，gf为应变传感器灵敏度。

29、一种柔性超声探头的激励装置，包括激励信号发射单元和激励信号控制单元，

30、所述激励信号发射单元用于在所述激励信号控制单元的控制下向柔性超声探头中的各压电单元发送激励信号；

31、所述激励信号控制单元用于执行如上述的方法的步骤，通过控制所述激励信号发射单元调节施加于各压电单元上的激励信号，以使各压电单元所发射的超声波在待测点聚焦。

32、一种超声探测设备，包括用于贴合受检体表面的柔性超声探头、激励装置和应变测量模块，其中，

33、所述柔性超声探头包括应变传感器以及相控阵列，所述相控阵列包括排布成阵列形式的压电单元，所述压电单元在激励信号的激励下发射超声波；

34、所述应变测量模块与所述柔性超声探头中的应变传感器连接，用于基于所述应变传感器所采集的数据计算所述柔性超声探头的应变ε；

35、所述激励装置为上述的装置，用于自适应调整施加于各压电单元上的激励信号，以使各压电单元所发射的超声波在待测点聚焦。

36、在其中一个实施例中，所述柔性超声探头还包括第一连接组件、第二连接组件、第三连接组件、柔性封装体和柔性粘接层；

37、所述柔性封装体包覆所述相控阵列，所述柔性粘接层位于所述柔性封装体在其厚度方向上的至少一侧且包覆所述应变传感器；

38、所述相控阵列还包括与所述压电单元对应的第一接触电极和第二接触电极；所述压电单元包括在其厚度方向上相对的第一表面和第二表面，所述第一接触电极固定连接在对应的所述压电单元的所述第一表面以形成电连接，所述第二接触电极固定连接在对应的所述压电单元的所述第二表面以形成电连接；

39、所述第一连接组件包括第一弯折导线和第一外接结构，所述第一弯折导线的一端与所述第一接触电极相连、另一端与所述第一外接结构相连，使得所述第一接触电极通过所述第一弯折导线与所述第一外接结构电连接，所述第一弯折导线的至少部分被所述柔性封装体包覆，所述第一外接结构至少部分露出所述柔性封装体；

40、所述第二连接组件包括第二弯折导线和第二外接结构，所述第二弯折导线的一端与所述第二接触电极相连、另一端与所述第二外接结构相连，使得所述第二接触电极通过所述第二弯折导线与所述第二外接结构电连接，所述第二弯折导线的至少部分被所述柔性封装体包覆，所述第二外接结构至少部分露出所述柔性封装体；

41、所述第三连接组件包括第三弯折导线和第三外接结构，所述第三弯折导线的一端与所述应变传感器相连、另一端与第三外接结构相连，使得所述应变传感器通过所述第三弯折导线与所述第三外接结构电连接，所述第三弯折导线的至少部分被所述柔性粘接层包覆，所述第三外接结构至少部分露出所述柔性粘接层。

42、在其中一个实施例中，所述相控阵列还包括与所述压电单元对应的第一电连接单元和第二电连接单元；

43、所述第一电连接单元和所述第一接触电极依次叠置在对应的所述压电单元的所述第一表面，所述压电单元的所述第一表面通过对应的所述第一电连接单元与对应的所述第一接触电极接合固定，使得所述压电单元的所述第一表面通过对应的所述第一电连接单元与对应的所述第一接触电极电连接；

44、所述第二电连接单元和所述第二接触电极依次叠置在对应的所述压电单元的所述第二表面，所述压电单元的所述第二表面通过对应的所述第二电连接单元与对应的所述第二接触电极接合固定，使得所述压电单元的所述第二表面通过对应的所述第二电连接单元与对应的所述第二接触电极电连接。

45、在其中一个实施例中，所述柔性粘接层的声阻抗小于所述柔性封装体的声阻抗。

46、在其中一个实施例中，所述应变传感器位于所述相控阵列背离贴合受检体一侧的柔性粘接层内。

47、总体而言，通过本技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

48、(1)本技术提出的柔性超声探头自适应校准方法，其采用的柔性超声探头内部增加有应变传感器，当柔性超声探头发生形变时，通过应变传感器所采集的信号可以计算出柔性超声探头的应变ε，然后在计算各压电单元超声波到达待测点的时长时，考虑应变ε的影响，分析发生不同形变时应变ε对各压电单元与待测点距离的影响，得出各压电单元至待测点的距离d与应变ε的关系式，当柔性超声探头轴向拉伸而产生形变时，调整时长计算公式为当柔性超声探头弯曲而产生形变时，调整时长计算公式为基于所得的形变后超声波到达待测点的时长，可以计算出因形变导致的超声波到达待测点的延时，然后基于该延时反馈调节各压电单元的激励信号，以使各压电单元所发射的超声波能够在待测点聚焦。总之，以上方法考虑了柔性超声探头的应变对超声波传输时长的影响，因此，能够更为准确地控制超声波在待测点进行聚焦，使得超声探测结果更为可靠。同时，在探测期间，当柔性超声探头的形变发生改变时，也能够基于以上方法快速调整激励信号，从而快速实现探测设备的自适应校准。

49、(2)本技术提出的超声探测设备，采用了柔性超声探头和激励装置，柔性超声探头具有应变传感器以及相控阵列，应变传感器能够用于确定柔性超声探头的应变，激励装置则可以执行本技术提出的柔性超声探头自适应校准方法，因此，该超声探测设备能够根据柔性超声探头的形变自适应调整每个压电单元的激励信号，以使每个压电单元的超声波能够在待测点聚焦，使得超声探测结果更为可靠。

50、(3)在一些实施例中，应变传感器、相控阵列、第一连接组件、第二连接组件和第三连接组件均可由柔性体承载，无需再设置其他用于承载结构，柔性体在其法向上的弯曲性能较好，第一弯折导线、第二弯折导线和第三弯折导线可以拉伸和弯曲，超声探头中不可弯曲的部件较少、不可弯曲的区域较小，可使超声探头具有较好的柔性，使得超声探头可以长时间的贴附在较为复杂的曲面上，利于拓宽超声探头的应用场景。

51、(4)在一些实施例中，将应变传感器设置于相控阵列背离贴合受检体的柔性粘接层的一侧，可以避免应变传感器对超声波传输的影响，减小探测干扰。

52、(5)在一些实施例中，应变传感器采用四分之一桥应变计、二分之一桥应变计或全桥应变计中的任一种，采用上述应变计，可以快速准确地测量出柔性超声探头的应变。

53、(6)在一些实施例中，柔性粘接层的声阻抗小于所述柔性封装体的声阻抗，柔性粘接层与柔性封装体之间的界面对压电单元产生的超声波被反射回来的回波传输的影响较小，利于压电单元接收回波。