使用单晶换能器的超声多波束发射的制作方法

专利名称：使用单晶换能器的超声多波束发射的制作方法
技术领域：
本发明涉及超声波诊断成像，特别是能够发射多个同时波束的超声成像系统。
背景技术：
超声诊断成像系统通常被优选用于器官(例如心脏)的医学诊断，因为它们能够完成实时成像。例如，这一实时能力使超声波能够捕捉到跳动的心脏及其瓣膜的运动。采用超声波也可实时观察血液的流动。为了捕捉快速运动器官(例如儿童心脏)的运动，具有能够对运动进行平稳成像的高帧频是理想的。但是，阻碍高帧频的一个限制是所发射的超声波行进至体内的要求深度且合成回波返回到换能器所要求的时间。由于这样的发射一接收环在扫描每个用于产生图像的行时都是必须的，因此一个图像帧所要求的行数量以及收集每行回波所需的时间(通常是期望图像深度的函数)可能对显示帧频强加限制。多种发射和接收技术都已被改进，试图克服这个限制。在接收侧，来自单个发射波束的多个行的接收将增加帧频，但会引入与每个接收波束同发射波束中心之间的关系有关的人工迹象并表现出空间分辨率的丢失。通过在实际所接收的行之间内插显示行能够人工产生显示行。在发射侧，已经做出同时发射多个波束的努力。同时波束发射带来的一个困难是来自多个发射波束的回波将被换能器同时接收，并且必须在接收后被清楚地分段或被分离。处理多个波束间串音问题的工作在B.B.Lee和E.S.Furgason的论文“Golay Codes For Simultaneous Multi-modeOperation In Phased Arrays”中被阐述，该论文发表在Proceedings ofthe 1982 Ultrasonics Symposium中第821页及其后面的页码上以及美国专利5276654和6221022中。这些出版物为每个波束提出了不同的编码方案或孔径构造，并建议在不同焦点区域发射同时波束。尽管这些方法改善了所述问题，但来自每条波束的回波的分离程度仍然不能令人满意。因此，需要对这些方法增加或补充解决回波分离问题的其它方法。

发明内容
根据本发明的原理，可使用宽带宽换能器的不同频带来同时发射多个波束。在一个优选实施例中，宽带宽换能器为单晶换能器。使用不同频带所发射的波束可以被编码，使得不同的编码在接收时能够被区分开。不同频带的使用可导致编码方案更接近正交，并因此根据频率划分能够更充分地区分来自多个波束的不同回波。通过同时发射多个波束，只需要更少的发射接收环来扫描一个给定体积或区域，并且能够提高显示的帧频。


图中图1展示说明了传统换能器的不同频带。
图2展示说明通过传统换能器获得不同频带的另一种方法。
图3展示说明根据本发明原理所构造的换能器的不同频带。
图4以框图形式展示说明根据本分明原理所构造的超声成像系统。
图5更详细地展示说明了图4中的滤波器。
图6展示说明使用匹配滤波器对编码回波信号的接收。
图7a和7b展示说明匹配滤波器系统的带宽和相位特征。
图8a和8b展示说明失配滤波器系统的带宽和相位特征。
图9展示说明编码回波的接收和编码回波的后续压缩。
图10a-10c展示说明在多脉冲系统中使用不同G0lay码所实现的好处。
具体实施例方式
首先参考图1，传统PZT压电超声换能器的通频带60被示出。这一示例中，通频带被示为从2MHz延伸到5MHz。一台例如这类传统设计的换能器要同时发射两条波束时，需要针对不同波束使用不同的频带来对它们进行频率编码，由此可通过合成回波的不同接收频率将它们区分开。但是，同样需要每个波束的发射带宽要足够宽，以便合成的接收波束表现出良好的轴向分辨率。因此，为两个不同的波束使用了两个不同的通频带62和64。尽管每个通频带都具有理想宽度来提供良好的轴向分辨率，但仍可看到每个通频带的频带A和B都相当程度地彼此重叠。通频带的这种重叠可导致所接收的回波表现出一定的串音，其中从一个发射方向上的一条波束所接收的回波将包括在其它方向上同时发射的其它发射波束的分量。
改善串音问题的一种方法是使用图2所示的通频带66和68，其中可以看到频带A和B仅仅在换能器通频带60的中心处轻微重叠。尽管这降低了串音问题，但其结果导致每个发射波束的频带变窄。这不合需要地降低了所接收的回波信号的轴向分辨率。
图3中示出了根据本发明的解决上述两个问题的方法。这就是使用一台具有宽通频带70的换能器。这一示例中，通频带70被示为从1.5MHz延伸到6.5MHz。这一宽通频带70可被分离的发射波束通频带72和74使用，72和74都以良好的轴向分辨率表现出相对宽的带宽。两个频带A和B的中心重叠区域相对较小。
对于多个波束宽通频带换能器将要使用的一种优选换能器是由单晶制造工艺生产的。单晶换能器例如为那些包括PMN-PT和/或PZN-PT的换能器。为了本发明的目的，术语“单晶”用来表示其中晶体包括非常少的晶粒(全部排列在相同方向上)的定向多晶体以及其中晶体仅包括单个晶粒物质的单晶粒晶体。为了制造这些元件，化学级PbO、MgO、ZnO、Nb205以及TiO2被用来形成PMN-PT和PZN-PT组合物。一旦形成这些组合物，则 PMN-PT和PZN-PT单晶可以使用Bridgman和通量技术来生长，并通过Laue背面反射方法被定向。之后，采用一种维间(inter-dimensional(ID))切片机以平行于(001)、(011)和(111)平面的方向将晶体切割约1mm厚的片。
从表I能够认识到多个不同厚度/宽度切割方向可被有利地应用于制造宽带换能器。基于从具有<001>和<011>厚度方向的单晶片所获得的尤其理想的特征，这些晶片代表可被用来构造换能器的晶体的优选方向。一旦被切片，晶片将被研磨和抛光。金涂层可被涂覆到晶片的两个表面，以形成电极。随后，单晶片将在划片机上被切割成具有不同宽度方向截面的薄片。然后，这些片可在室温下被极化并被测量。
完成换能器材料制造之后，可估算不同单晶分片的机电性能。表I列出了不同切片的压电和介电性能。如表中所示，根据上述说明所构造的切片可获得非常有效的耦合常数(k33′-84％到90％)。
表I

对于一维(1D)换能器应用，单晶元件可被切割为一维或准一维切片形状，其中长度>高度>宽度。厚度方向和宽度方向都影响切片的机电性能。如表I中所展示说明的，有效耦合常数(切片的k33′)取代了纵向耦合常数(条带的k33)，这是由于切片长度方向的钳位效应。通过有效选择厚度和宽度方向，能够为切片样品获得非常高的k33’(从0.70到0.90)，它非常接近条带样品的k33值。
利用可由此类PMN-PT和PZN-PT单晶获得的高耦合常数k33，结合附加改进，例如多个匹配层、偏压以及多层设计，单晶换能器可被设计为具有相当宽的带宽。特别地，通过使用单晶换能器得到的附加带宽提供了一个总带宽，所述总带宽可被分成用于被多重发射的发射波束的不同通频带。正如具有本领域的技术人员所理解的那样，这一附加带宽引发了多种应用可能性，所述应用可能性要么不能利用传统换能器实现，要么由于这种换能器的限制几乎不作为有用的。
在超声换能器的生产中使用PMN-PT和PZN-PT单晶的一个缺点涉及与声学匹配相关联的难点。但是，通过使用匹配层可以克服声学匹配的问题。特别地，多个匹配层的使用可将来自换能器的声能量高效地耦合到主体(body)当中，因此大大提高了带宽。
在这一点上，包括这些材质的单晶元切片的超声换能器还可包括多个匹配层。一种典型的单晶换能器可包括一个底座和一个声透镜。例如，放入单晶切片和声透镜之间的是3个匹配层。3个此类匹配层结合单晶切片的使用在宽带超声换能器性能方面提供了极好的结果。
表II举例说明具有不同匹配层数的PMN-PT单晶换能器(<001>t/<010>w或<011>t/<110>w50-75度截面)的模拟带宽数据。如表II所示，-6dB带宽的约105％可通过使用3个匹配层被确定为可能。
表II

一种典型的宽带相控阵换能器被构造为具有80个有源元件，它们之间的元件间距为254μm。PMN-PT单晶(<001>t/<010>w或<011>t/<110>w50-75度截断)的单一层被用作结合3个匹配层的压电层，用以改善声阻抗匹配。一种室温硫化(RTV)声透镜被附加到匹配层前面，用以获得声焦点。通过串联电感器和一根6英尺长的电缆，换能器被结合到下述的超声成像系统中。
具有<001>t/<010>w切片方向的PMN-31％PT被用来构造换能器。切片的有效耦合常数(k33′)为0.88且钳位介电常数K为1200。PMN-PT单晶片(<001>方向)和匹配层通过环氧树脂被结合到一起并被切割成一维阵列。切片厚度对宽度的纵横比(t/w)约为0.5。99％以上的元件在构造换能器之后依然存在。试验中，中心频率为2.7MHz，其具有-6dB频带边缘，在低频侧(低转角频率)为1.15MHz且在高频侧(高转角频率)为4.1MHz。因此，换能器的总-6dB带宽可由下式计算
%BW=100*(UpperCornerf-LowerCornerfCenterf)]]>％BW＝100*((4/1-1/15)/2.7)＝109％对这一换能器而言，-20dB带宽为130％。上述数据说明，在具有优化电气设计和声设计的单晶换能器中可以获得一个非常宽的带宽(大于-6dB带宽的100％)。从多个匹配层单晶换能器获得的额外带宽能够提供一个宽范围，用以分割为多个同时发射波束的通频带。单晶换能器制造方法的进一步详细说明可参见美国专利6425869，其内容在此作为参考结合进来。
参考图4，以框图形式示出根据本发明原理操作多波束换能器探头10的超声系统。探头10包括一个按上述说明所制造的单晶阵列换能器12。探头被操纵来同时发射两个沿不同方向θ1和θ2的波束来询问目标T1和T2。此处使用的术语“同时(simultaneous)”是指一条波束在来自先前或同时发射的波束的回波接收完成之前被发射。可使用不同编码的发射脉冲发射这两条波束，所述脉冲已利用诸如FM线性调频脉冲编码技术、Golay码或Barker码的编码方案被编码。发射波束在一台发射波束生成器26的控制下被发送并且在适当的时刻被发送到阵列换能器12的元件上，该波束生成器26提供具有理想脉冲性质的发射脉冲。系统操作员通过用户接口42可选择发射波束的某些特征。用户选定的这些特征被输入到发射波形生成器28。发射波形生成器28可计算并形成所需要的发射脉冲，或可从一个脉冲波形库中选择它们，或可向发射波束生成器发送控制参数，例如波束的频带和带宽(BW)、波束所沿的方向角(θ)以及任何所用的脉冲编码(Coding)，波束生成器26将使用这些参数来产生必要的脉冲波形。响应于所发射的波束，回波沿着各个波束方向被同时接收。每个换能器元件的A/D换能器14将接收的回波信号转换成数字采样，并将其连接到多线波束形成器16的各个信道中。除了在不同波束方向上的多条线A和B之外，如果需要的话，每个发射波束都能声穿透多条紧密隔开的接收线。因此，例如具有4x多线(multiline)时，两个波束的发射可从单一发射间隔得到8(2*4＝8)条多线，由此进一步提高了帧频。这一示例中，波束形成器16产生2个接收波束A’和B’。这些接收波束被匹配滤波器20滤波以便压缩被编码的回波，由此产生理想的接收波束A和B(以及每个波束对应的多线，如果由波束形成器产生)。接收的波束在信号处理器30中经受信号处理并在图像处理器40中经受图像处理，用以产生在显示器50上显示的一维或二维图像。
滤波器20的细节在图5中被示出。如果发射的信号完全占据了换能器通频带内和显示信号动态范围内的单独频带，则来自未编码发射脉冲的回波可通过带通滤波简单地分离，此时滤波器20包括带通滤波器A(22)和带通滤波器B(24)。也就是说由于回波处于完全分离的通频带A和B中，因此不需要编码的发射脉冲。但在许多应用中，设计者将要求尽可能宽的带宽来最大化轴向分辨率，并且不同波束的通频带将重叠。这种情况下，在频率上同另一个发射波束相重叠的第一发射波束的信号分量将增加从第二发射波束形成的接收线中的串音。串音自身表现为接收线中的重影人工迹象或杂乱回波。这种情况下，其中单单带通滤波不足以分离每个发射波束的频率分量，优选编码的发射脉冲并且使用匹配滤波器22和24将波束形成器16的输出信号分离出来。如图5所示，单单带通滤波将产生具有来自波束B的某种串音“b”的波束A，同样将产生具有来自波束A的某种串音“a”的波束B。因而，接收的回波信号被匹配滤波器A(22)和匹配滤波器B(24)处理，用以从每个A和B信号移除大部分串音。
此处使用的术语“匹配滤波器”指这样一种滤波器对于一个给定信号X，其具有信号X时间反转的脉冲响应。图6中示出了匹配滤波器92的一个示例。这一示例中，被编码的接收信号具有由波形90所表示的时域波形。用于这一信号的匹配滤波器具有一种脉冲响应，该脉冲响应是这一信号的时间反转，如框92中的波形所示。当波形90被具有这一特征的滤波器处理时，产生一个压缩的、未编码的脉冲94。
图7a和图7b中示出了匹配滤波器系统的典型的幅值和相位特征。图7a中的第一响应特征80是一个编码接收信号的幅值响应特征。匹配滤波器将具有匹配幅值响应82。因此，滤波器输出信号将表现出幅值响应特征84。由于滤波器是同信号相匹配的，因此所有的特征都具有一个从a延展至b的带宽。
信号还将表现出图7b中示出的相位响应102。匹配滤波器将表现出互补相位响应104。因此，匹配滤波器输出信号将表现出线性相位响应106。
某些情况下，可能需要通过将信噪比与改进的带宽进行折中来增强滤波输出信号的轴向分辨率。这种情况下，使用失配滤波器，如图8a和8b的响应特征所示出的。如图8a所示，接收的信号再次具有幅值响应特征80，其从频率a延展至频率b。失配滤波器将具有一种更宽的响应特征86，其从频率a’延展至频率b’。因此，失配滤波器输出信号的幅值响应将延展在频率a’和b’之间。如图8b所示，被编码的接收信号将表现出一个相位响应102。失配滤波器将表现出一种紧密互补的相位响应特征108。结果，滤波器输出信号在失配滤波器带宽内将表现出一种基本上线性的相位响应110。由于失配滤波器的扩展带宽，接收信号将具有一个更宽的带宽，其提供改善的轴向分辨率但需付出降低信噪比的代价。如果需要，匹配和失配滤波器的通频带可以是时变的，用以跟随在回波接收期间从更大深度接收的回波信号的下降的频率。
一种提高回波主瓣对旁瓣比率的编码方案是Barker码。图9展示说明来自一个编码发射脉冲(例如Barker编码脉冲)的一个接收回波120。匹配滤波之后，压缩的回波122将表现出主瓣对旁瓣的增强的比率，如箭头124所指出的。但是，Barker编码脉冲对滤波输出信号122中126处所示的残余距离旁瓣仍很敏感。如果这些人工迹象是个问题，则可通过使用Golay码发射脉冲减少这些人工迹象。Golay代码被选择为成对的互补伪随机码，它们表现出这样的特性当加入两个相关代码的自相关函数时，便取消距离旁瓣(MJE Golay，“ComplementarySeries”，IRE Trans.on Info.Theory，IT-7卷，第4期，82-87页，1961年4月)。例如，图10a展示说明被第一Golay代码#1编码的第一发射脉冲130。编码脉冲被发射，且一个回波被接收，所述回波在解码后表现出一个主瓣132和一个旁瓣133。与第一脉冲形式相同的第二发射脉冲130被第二Golay代码#2编码并发射。滤波之后，接收的回波将表现出一个主瓣134和一个旁瓣135。由于互补编码，距离旁瓣133和135互补，即二者组合时相互抵消，因此从上述两个编码发射中得到一个最终接收信号136。将这一最终接收信号看作摆脱了抵消的人工迹象的影响。但是，Golay代码所表现的主瓣对旁瓣比率通常不如Barker代码优良，因此设计者需考虑所需的最理想的属性来对编码方案做出选择。
在本发明的一个示意性实施例中，可期望宽带宽换能器所提供的频率分离在同时接收的波束内提供10-15dB的串音降低。对发射的脉冲使用编码方案能够提供另外10-12dB的串音降低。可期望沿空间分离的发射和接收波束方向的波束形成提供另外10-15dB的串音降低。因此，通过使用所有的三种串音降低技术，从一个波束到另一个波束的重影人工迹象可被降低高达30-42dB，同时在同时发射和接收的波束中仍提供良好的轴向分辨率。
可以理解，虽然同时发射的波束在二维成像中并不是优选的，但三维成像应用可以从同时发射的波束中获益，因为此类发射方案可降低体积采集时间并由此提高显示体积的帧频。
权利要求
1.一种超声成像系统，其包括探头，所述探头包括具有换能器频带的单晶换能器阵列；发射波束形成器，所述发射波束形成器被耦合到换能器阵列的元件上，并被控制以使探头在相同的发射间隔内在不同的波束方向上发射两个或更多的波束，其中每个波束占据所述换能器频带的一个基本上不同的带宽；接收波束形成器，所述接收波束形成器被耦合用于在相同接收间隔内响应于所发射的波束来处理两个或更多的接收波束，所述接收波束具有与所发射波束一致的操纵方向；被耦合到波束形成器的滤波器，所述滤波器起到对接收波束进行滤波的作用；被耦合到滤波器的信号处理器；被耦合到信号处理器的图像处理器；以及被耦合到图像处理器的显示器，所述显示器显示从接收波束分量形成的图像。
2.如权利要求1所述的超声成像系统，其中发射波束形成器还包括脉冲编码器，它起到使探头在不同波束方向上发射不同编码的发射脉冲的作用。
3.如权利要求2所述的超声成像系统，其中脉冲编码器包括线性调频脉冲编码器、Barker码编码器或者Golay码编码器之一。
4.如权利要求1所述的超声成像系统，其中滤波器包括带通滤波器，所述带通滤波器具有对应于不同带宽的通频带。
5.如权利要求1所述的超声成像系统，其中滤波器包括同发射波束的特征相匹配的两个或更多的匹配滤波器。
6.如权利要求2所述的超声成像系统，其中滤波器包括同编码发射脉冲的特征相匹配的两个或更多的匹配滤波器。
7.如权利要求5所述的超声成像系统，其中匹配滤波器具有分别同预期接收信号的带宽相匹配的通频带，并具有以下相位响应特征，所述特征是预期接收信号相位特征的各自的互补。
8.如权利要求1所述的超声成像系统，其中滤波器包括两个或更多的失配滤波器，所述失配滤波器具有在考虑预期接收信号特征时所选择的特征。
9.如权利要求1所述的超声成像系统，其中波束的带宽在频率上基本不重叠。
10.如权利要求9所述的超声成像系统，其中滤波器包括带通滤波器。
11.如权利要求1所述的超声成像系统，其中波束的带宽在频率上部分重叠。
12.如权利要求11所述的超声成像系统，其中发射波束形成器使用不同编码的脉冲来发射所述波束，且其中滤波器包括同波束编码相匹配的匹配滤波器。
13.如权利要求1所述的超声成像系统，其中波束形成器包括多线波束形成器。
14.如权利要求13所述的超声成像系统，其中多线波束形成器起到以下作用产生与每个发射波束的操纵方向基本对准的两个或更多的波束。
全文摘要
一种超声成像系统使用宽带宽换能器来发射多个同时波束。这些波束占据换能器带宽的不同频带，并且被操纵为在不同的波束方向上。被调谐到不同频带的带通滤波器分离所接收的波束。如果所述不同频带相重叠，则可通过为发射波束使用编码脉冲并使用匹配滤波器分离所接收的所述同时波束的回波信号来降低两个波束之间的串音。一种单晶换能器被用作宽带宽换能器。
文档编号G10K11/34GK1875293SQ200480032434
公开日2006年12月6日 申请日期2004年11月1日 优先权日2003年11月3日
发明者G·吴 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司