用于超声换能器阵列的层切换的制作方法

专利名称：用于超声换能器阵列的层切换的制作方法
技术领域：
该本实施例涉及超声换能器(ultrasound transducer)。尤其， 提供了在换能器中层的切换使用。
背景技术：
双层换能器提供了传统的换能器中不可获得的各种操作模 式。通过同相地(in phase)驱动元件的两个层然后不同相地对两个层的所 接收的信号求和来提供谐波模式(harmonic mode)。所发射的声场 (acoustic field)具有低的二次谐波含量，并且接收的能量包括在采用 基频抑制的二次谐波处的信息。美国专利号5,957,851公开了使用分层的声学元件发射和接 收信号的方法。然而，该方法不将声学元件的两个层用于发射和接收二 者。当换能器元件的两个层被使用时，可以获得更佳的谐波模式性能。以双通道计数(count)为代价来实现双层元件的增加的灵活 性。每个元件均具有两层换能器材料，并且每个层与不同的系统通道连 接。发射/接收通道专用于每个双层元件的每个层。对于每个层来说可以 独立地优化发射机波形和接收机信号处理以便实现双层换能器的全电 势。额外的通道连接可以由该主机系统处理，但是这需要具有每个元件 两个通道的主机系统。 一种替代是将信号处理电子装置构建到换能器里 以便将发射脉冲引导到元件的一个层或两个层。该信号处理电子装置定 相(phase)并且组合来自层的所接收的信号。该换能器中的有源部件可能 需要额外的信号线用于控制，可能需要额外功率，并且可能产生不希望 的热。在该主机超声系统中，发射/接收(T/R )开关将每个通道分 离成接收和发射通道。该T/R开关是无源开关，例如在美国专利号 6,269,052中所/>开的。例如高压CMOS冲莫拟开关的有源开关元件，不 能非常快地调整(settle)。这使得难以在扫描行期间切换它们，例如在 用于对行进行扫瞄的发射与接收事件之间。操作有源开关元件还需要源 自该超声系统的周密定时的控制信号
发明内容
作为介绍，以下描述的优选实施例包括用于多层换能器元件 的方法和系统。多层换能器利用每个元件仅一个系统通道来操作。无源
发射以并联的方式连接层而对于接收以串联的方式连接层。可以使用任 何无源切换，例如限流和限压电路。作为对层的无源切换的替换或附加方案，调谐可以被无源切在第 一方面，i供了 二种超声换l器元件、;统。°至少一个超 声换能器元件至少具有第一和第二层换能器材料。发射波束生成器通道 与该元件连接以便第一和第二层二者响应于相同的发射波形。接收波束 生成器通道与该元件连接以便由第一和第二层二者产生的信号被提供 给接收波束生成器通道。在第二方面，提供了一种超声换能器元件系统。至少一个超 声换能器元件至少具有第一和第二层换能器材料。无源限流电路连接在 第 一及第二层中的至少 一个和系统通道之间。在笫三方面，提供一种用于在超声和电能之间转换的方法。 将较高电压发射波形应用到元件。利用该元件产生较低电压接收波形。 根据电压电平无源切换该元件中的换能器材料的第 一和第二层的并联 和串联连接。在第四方面，提供一种用于调谐超声元件的方法。将发射波 形应用于元件。响应于该应用利用该元件产生接收波形。才艮据该应用和 产生无源切换调谐。本发明由以下权利要求限定，本部分不应当被视为对那些权 利要求的限制。本发明进一步的方面和优点在以下结合优选实施例一起 被论述并且可能随后被独立地或组合地要求保护。


所述部件和图不一定按比例，而是强调说明本发明的原理。 此外，在所述图中，同样的附图标记贯穿不同的视图指定相应的部分。
图1是多层元件换能器系统的第一实施例的电路图；
图2是依据两个实施例的无源开关元件的图形电路图；
图3是针对一个操作模式无源切换的图1的电路图4是针对另一操作模式无源切换的图1的电路图；
图5是多层元件换能器系统的第二实施例的电路图；
图6是多层元件换能器系统的第三实施例的电路图；
图7无源切换的调谐电路的一个实施例的电路图；
图8无源切换的调谐电路的另一个实施例的电路图；以及
图9是多层元件换能器系统的第四实施例的电路图；
具体实施例方式需要每个两层或多层元件仅一个系统通道，但可以使用多于 一个的系统通道。无源切换(passive switching)在没有外部电源或者外 部控制信号的情况下控制元件中的层的使用。无源限流和限压电路为调 谐和/或多层操作引导发射机和接收机电流。无源切换允许谐波成像(例 如，以基频发射，和以该基频的谐波频率接收)。有源开关可以启用交 替的基本成像模式(例如，以基频发射与接收)。图1示出了超声换能器元件系统10。该系统10包括换能器 元件12、系统通道24和一个或多个无源切换电路26、 28和30。附加 地，可以提供不同的或者较少的部件。示出了无源切换电路26、 28、 30 的一种可能布置。其它布置可以使用附加的、较少的或者不同的以任何 方式连接的无源切换电路。该换能器元件12具有压电材料的顶层14和底层16。层14、 16二者者卩可以在垫层(backing layer)和匹配层(matching layer )之间。 可以提供附加层14、 16,例如三个或更多的层。沿传播的范围尺度(range dimension)或者方向堆叠层14、 16。每个层14、 16具有相同的或者不 同的仰角(elevation)和方位角(azimuth)广度及形状。层14和16为相同的或者不同的压电材料，例如压电单晶、 压电陶资或者压电聚合材料，或者它们的具有环氧树脂(epoxy)或其 它填充材料的复合物。在可替换的实施例中，层14、 16中的一个或多 个是静电微机械装置，例如静电移动膜装置。然而在其它实施例中，层 14、 16中的一个或多个是诸如PMN-PT的电致伸缩材料。层14、 16中 的每一个具有相同的或不同的几何形状和/或材料。例如，相同厚度被用
于每个层,例如l/2mm厚度。可以使用其它厚度，包括在一个或多个维 上变化的不同厚度。在一个实施例中，顶层和底层14、 16具有不同的换能器材料。例如，底层16是固体压电材料，例如固体陶瓷或静电衬底。该固体压
电材料无(free of)环氧树脂或没有(free from)用于每个换能器元件 的切口 ( kerf)。该顶层14是压电复合材料(piezo-composite material), 例如压电陶资与环氧树脂或聚合物的组合。压电复合材料包括由充有环 氧树脂的切口在一维上分离的压电材料梁(beam)或由充有环氧树脂的 切口在二维上分离的压电材料柱(post),但可以使用其它压电复合物。 在一实例实施例中，顶层14是具有14-19 Mrayl声阻抗的压电复合物， 而底层16是具有约30Mrayl声阻抗的固体压电材料。层14、 16的换能器材料被极化(pole)。在一个实施例中， 不同的层具有基本上相反的极化方向。沿着或基本上平行于传播方向进 行极化。在其它实施例中，在相同方向上极化两个或更多的层14、 16。电极18、 20、 22是金属，但可以使用其它导体。具有或者不 具有柔性电路材料(例如，聚酯薄膜)的薄片形成电极18、 20、 22。可 替换地，电极18、 20、 22是沉积材料。电才及18、 20、 22例如利用烧结 法形成为堆的一部分，或者是诸如利用粗糙接触的单独层。在一实施例 中，该中心电极20通过烧结或粗糙接触形成于堆中，而外部的电才及18、 22采用粗糙接触和接合形成于堆中。每个层14、 16均与两个电极18、 20、 22相关联。该顶层14 在相对的侧具有电极18、 20。该底层16在相对的侧具有电极20、 22。 该中心电极20是由层14、 16二者共享的单个电极。可替换地，该中心 电极20由相互接触的两个电极组成。电极18、 20、 22与导线、迹线或其它导体连接以便将信号路 由到电极18、 20、 22或从电极18、 20、 22路由信号。在一实施例中， 电极18、 20、 22中的一个或多个具有固定的或非切换的连接。例如， 顶层14的顶部或外侧电极18具有到本地地(local ground)的固定连接。 该顶部电极18在使用期间最接近于患者。可替换地，切换电极18、 20、 22的一个、多个或者全部连接例如采用无源的和/或有源切换来切换。 可以使用到地面的切换连接。系统通道24是导体、同轴电缆、迹线、波束生成器 (beamformer)通道、发射通道、接收通道、信号通路或其组合。在一 实施例中，该系统通道24是单个同轴电缆。为每个元件12提供单独的 或多路复用的系统通道24。
系统通道24的系统端与发射/接收(T/R )开关和/或发射与 接收波束生成器通道连接。该T/R开关是无源切换电路、有源切换电路 或无源和有源切换电路二者。可以使用任何现在已知的或以后开发的T /R开关电路，例如在美国专利号6,269,052中所公开的，其公开通过引 用结合到本文中。该T/R开关电路将系统通道24与发射波束生成器以 及接收波束生成器连接。当对接收波束生成器通道进行保护或断路时， T/R开关将低电压信号路由到接收波束生成器通道并且将较高的电压 信号从发射波束生成器通道路由系统通道24。该系统通道24将发射波束生成器通道与元件12连接。该发 射波束生成器通道是模拟的或数字的发射波束生成器通道。例如，使用 在美国专利号5,675,554、 5,608,690、 6,005,827或6,104,670中公开的发 射波束生成器，这些专利的公开通过引用结合到本文中。可以使用其它 波形源，例如波形发生器、脉冲发生器、开关、波形存储器、混频器或
发射波束生成器通道的波形。、' '''' "该系统通道24将接收波束生成器通道与元件12连接。该接 收波束生成器通道是模拟的或数字的接收波束生成器通道。例如，使用 在美国专利号5,685，308中公开的接收波束生成器，该专利的公开通过 引用结合到本文中。接收波束生成器通道包括延迟、相位旋转器、加法 器和/或滤波器，用于相对地延迟并变迹(apodize)源自不同的通道的 信号然后对信号求和。
束生成器分离。该滤波器提供高通、带通、低通或谱白化(spectral whitening)响应。滤波器通过与所期望的频带相关联的信息，例如基本 发射频带、基频带的谐波或任何其它所期望的频带。如在本文中所使用 的，谐波包括高次谐波(例如，二次、三次、…)、分数谐波(3/2、 5/3、...)、
或分谐波(1/2、 1/3.....)。滤波器可以包括用于不同的所期望频带的不
同滤波器或可编程滤波器。例如，该滤波器将信号解调到基带。响应于 基本中心频率或诸如二次谐波中心频率的另一频率来可编程地选择解
作为另'一实例，滤:器提供带通滤波:土"、、"''、作为一种附加的或替代的选项，提供了存储器、相位旋转放大器(例如乘法器)和/或加法器。通过响应于具有相对定相和/或加 权的不同发射事件来组合所接收的信号，可以相对于其它频率隔离或增 强作为所期望频率的信息。系统通道24将元件12的顶层和底层14、 16二者与发射和接 收波束生成器通道连接。当提供谐波成像性能时，在系统通道24的元 件12端上，无源非线性切换能够使得使用每个元件12仅一个系统通道 来操作多层元件12。无源切换基于信号的振幅引导电能通过一个通路或 另一通路。非线性电路元件将发射和接收信号引导到交替的通路。限流 和限压非线性无源切换电路26、 28和30将系统通道24和/或所述地切 换到不同的电极18、 20、 22。作为限流电路的无源切换电路26包括在图2中示出的两个晶 体管42。晶体管42分别具有栅极端子，经由电流感测阻抗(例如，电 阻器)反馈到源极端子。晶体管42是N沟道耗尽型MOSFET,但可以 使用其它晶体管。可以使用其它无源限流电路，例如在美国专利号 6,269,052中公开的。其它无源限流电路可以具有较少的或更多的晶体 管，其连接有不同的反馈、相同的反馈或没有反馈。图2还示出了限流电路的电压与电流的关系。对于足够的电 压振幅来说，将电流振幅对称地或不对称地限制为约零值。该电流-电压 特性示出了小电压的低增量电阻。当接近门限电流时，增量电阻迅速增 加，电流被限制。使用如上所述的MOSFET，无源限流电路26具有小 信号增量电阻约10至20Q并且将电流限制到约± 10mA至土50mA.可 以^使用其它电阻和/或电流限制。再次参考图1 ,无源切换电路26是在层14、 16中的一个或 多个和系统通道26之间连接的无源限流电路。例如，无源限流电路连 接在系统通道24和底层16的外侧电极22或外部端子之间。该无源限 流电路是无源开关26,可操作来在发射操作期间将系统通道24与电极 22断开，而对于接收操作将系统通道24连接到电极22。与发射操作相 关联的高电压受限于低电流，基本上在系统通道24和电极22之间产生 断路。与接收操作相关联的低电压处在电流限制之内，从而有效地产生 了通过(pass through)或短路。参见图2 ,无源开关电路28、 30是诸如反并联二极管40的 无源限压电路。例如，使用双pn结二极管对。可以使用其它二极管40，例如肖特基二极管(Schottky diode )。可以4吏用具有4支少的、附加的或 没有二极管40的无源限压电路。无源限压电路28、 30可以具有相同或 不同的配置、电路布置、部件类型或其它特性。图2还示出了无源限压电路的电压与电流的关系。该电流电 压特性示出了小电压的高增量电阻。当接近门限电压时，增量电阻迅速 降低，电压被限制。采用硅二极管40,无源限压电路28、 30将电压摆 动钳制(clamp)为约土0,6V。再次参见图1 , 一个无源限压电^各(无源开关电路28)连接 在该元件12和系统通道24之间。例如，该无源限压电路连接在该系统 通道24和共享的电极20或中心端子之间。另 一无源限压电路(无源开 关电路30)连接在地和底层16的外侧电极22之间。无源限压电路是无 源切换电路28、 30。例如与发射操作相关联的高电压通过无源限压电路 允许电流流过或有效地短路。例如与接收操作相关联的较低的电压被有 效地阻止通过，例如基本上断路。无源开关26、 28、 30处在换能器探头内。例如，无源开关 26、 28、 30集成在接近该元件12的相同的或不同的半导体衬底上。无 源开关26、 28、 30中的一个或多个可以位于换能器连接器或超声成像 系统中。为远程无源切换提供额外的导体或同轴电缆。通过将无源开关 26、28、30远离该探头定位可以限制或减少该换能器探头中的功率耗散。在图1中示出的实施例中，无源切换电路26、 28、 30将系统 通道24连接至该元件12使得顶层和底层14、 16 二者响应于相同的发 射波形。中心端子或电极20与该系统通道24和相关联的发射波束生成 器通道连接。图3示出了作为断路起作用的无源限流电路(无源开关26) 和作为闭合电路起作用的无源限压电路(无源开关28、 30)。源自发射 波束生成器的高压信号导致了图3的该配置。当相对于接触顶部和底部 端子(电极18、 22) 二者的公共返回通路(common return path)驱动 或感测该中心端子(电极20)时，该元件的两个层14、 16由于相反的 极化而同相地动作。该元件12以基本发射频率fo或以具有在第二谐波无源切换电路26、 28、 30将该系统通道24连接至该元件12 使得由顶层和底层14、 16 二者产生的信号被提供给接收波束生成器通 道。该接收波束生成器通道跨层14、 16二者来连接。底层16的外侧电极22与该系统通道24和相关联的接收波束生成器通道连接。图4示出 了作为闭合电路起作用的无源限流电路(无源开关26 )和作为断路起作 用的无源限压电路(无源开关28、 40)。响应于所发射的声能由层14、 16产生的低电压接收信号导致了图4的该配置。当直接跨整个厚度(即， 两层)驱动或感测该元件12时，两个堆叠的层14、 16的相反极化导致 了对信号的不同相求和。该元件12以二次谐波频率2fo或基频的频带或 具有在基频fo或频带处的抑制响应的频带进行强响应。无源切换在发射与接收操作期间提供自动切换。对于谐波操 作，该系统10以基本fo才莫式自动驱动该元件12并且响应地以谐波2fo 模式感测该元件12。其它布置也是可能的，比如具有更多的层和/或不 同的极化。发射操作可以处于基频，而接收操作处于分数谐波，例如1/2 谐波。可以使用无源切换电路26、 28、 30的其它布置，例如连接至 不同的电极18、 20、 22,连接至多于一个的电极18、 20、 22,并联和/ 或串联连接，或接地。使用了一个无源限流电路，但可以不使用或使用 更多的无源限流电路。使用了两个无源限压电路，但可以不使用、使用 更少或使用更多的无源限压电路。图5示出了采用三个无源限压电路(无源开关28、 30和52) 的另一实施例。变压器50连接在无源开关26和电极22之间。该变压 器50具有1:1绕线比。接收通路的有效阻抗可以通过在任一方向远离 1:1改变该绕线比而4支改变。该变压器50的次级绕组的一端与电极22 连接而另一端与电极18连接。该附加的无源限压电路(无源开关52) 将该电才及18和该变压器50与本地地连接。图1的系统10在图4中示出的谐波操作期间为该元件12的 层14、 16提供了部分不对称的地。无源限压电路(无源开关30)导致 采用比上层14小约0.6V的电压来驱动下层16。图5提供一种更平衡的 布置。层14、 16均遭受由无源限压电路(无源开关30、 52)引起的与 地的相同电压偏移。可以提供发射信号中的改善的二次谐波抑制(second harmonic rejection)。图1和5的实施例都免于有源切换。在可替换的实施例中， 无源开关中的一个或多个被替换为有源开关。在其它实施例中，提供有 源开关。
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图6示出了采用有源切换和无源切换的实施例。有源开关60、 62是FET开关，但可以使用其它晶体管。开关60是单刀单掷开关。开 关62是双刀开关，例如两个单刀单掷开关的布置。有源开关60、 62对信号通路再分配并且提供谐波和基本成像 模式二者。当开关60、 62处于位置A时，元件12以谐波模式操作(例 如，以fo发射和以2fo接收)。当开关60、 62处于位置B时，该元件 12对于发射和接收二者以基本才莫式(fundamental mode )操作。开关60、 62可以慢慢调整。因为开关60、 62在设置成像模式之后是静止的，开 关调整可能不改变元件12的性能。对于多模式情况来说，例如在与谐 波模式成像交叉的基本模式中的多普勒成像，可以使用快速模式改变。 调整时间和功率耗散可以改变性能或者足够的有源开关可以被识别。在其它实施例中，基本上在相同方向上对两个层极化。无源
联电连接以便接收。在实现基本模式和谐波模式操作中存在极化方向对 电连接的二重性(duality)。图9示出了使用单独的发射和接收通道的实施例，用于采用 多层元件来操作。该超声系统具有a) MN个独立通道(其中M是层 数而N是元件数)，b )相互独立的用于发射的MN/2个通道和用于接 收的MN/2个通道(M是偶数)，或c)可以在接收和发射事件之间快 速从一半的MN输入切换到另一半的多路复用器。每个元件有大于两个 的层的换能器可以使用仅具有2N个系统通道的该配置。可以通过具有更多数目的通道来提供更少的无源切换装置。 可选的有源开关处在位置A用于谐波模式操作或处在位置B用于基本模 式操作。基于无源开关Zl来自动设置至双层元件的两个层的发射和接收 信号的相位。在基本模式中，上面的系统通道用于发射和接收二者。在 另一个实施例中，在相同方向上对层14、 16^L化，并且发射(TX)通 道与顶层14的顶部电极18或底层16的底部电极22连接。图7示出了使用无源切换的系统10'的另一实施例。无源开关 26、 28、 30操作来控制如以上对图1所论述的基本响应和谐波响应，而 且根据发射与接收操作调谐元件12。在其它实施例中，无源切换在没有 基本响应和谐波响应改变的情况下提供调谐。该系统10'具有调谐电路70、 72。调谐电路70、 72是电阻器，电容器、电感器，或其组合。如所示，调谐电路70、 72分别具有由单 个电感器提供的不同的阻抗。可以提供不止一种类型的调谐部件，例如 多个电感器、电容器和/或电阻器的并联或串联连接。可以使用任何现在 已知的或者后来开发的调谐电路70、 72。该调谐提供阻抗匹配。无源开关26、 28、 30中的一个或多个与调谐电^各70、 72中 的一个或多个连接。如图7所示， 一调谐电^各70连^妻在元件12和一无 源开关28之间。该无源开关28在操作期间基于操作的发射模式或者接 收模式添加或去除调谐电路70。无源开关26的限压电路将调谐电路70 切换进或出正被使用的通路。可以使用其它限压电路和调谐电路70的 相关联位置。可替换地，可以采用无源开关28或不同类型无源切换的 组合的限流电路来切换调谐电路70。另一调谐电路72与系统通道24连接，以便在发射和接收操 作二者期间调谐。该另 一调谐电路72处在换能器连接器或成像系统中。 可替换地，该调谐电路72处在换能器探头中。采用无源切换来分别地优化该元件12的发射和接收响应。针 对发射和接收操作的不同调谐将波束生成器通道与不同的元件12阻抗 响应相匹配。对发射和接收响应的优化采用不同的调谐电感器值。采用 在图7中示出的无源切换，该元件12对于发射操作考虑12nH头部 (head)或换能器调谐，对于接收操作考虑OyH头部或换能器调谐。图8示出了对于针对发射操作与针对接收操作来说不同调谐 的无源切换的另 一实施例。虽然采用谐波模式成像的无源切换来示出， 但可以使用不具有无源切换和/或具有单层换能器材料的元件。诸如无源 限流电路的无源开关80与调谐电路84 (例如，电感器)串联。另一调 谐电路82 (例如，另一电感器)与该串联调谐电路84和无源开关80并 联。调谐电路82、 84位于换能器连接器和/或成像系统中。可替 换地，调谐电路82、 84中的一个或两个处于换能器探头中。无源开关80在发射操作期间断开或实际上是断路。发射通路 仅具有调谐电路82 (例如，12yH的电感器)。在接收操作期间采用小 电流，该无源开关80实际上闭合或接通，以便接收通路基于并联的调 谐电路82、 84来考虑调谐(例如，并联的12juH和10.5juH相对于该 元件12产生5.6juH)。可以提供其它电感器值、无源开关、无源开关的网络、调谐电路、调谐电路的组合、串联连接和/或并联连接。可以与 任何换能器(不仅仅是双层装置)一起使用本调谐实施例和方法。用于在超声和电能之间转换的方法采用无源切换。图1或4-8的实施例之一或无源开关的不同系统实现该方法。诸如无源电流和/ 或电压限制电路的无源开关根据信号的电压提供不同的发射和接收配 置。对多层元件的换能器层的电气访问在并联和串联连接之间无源地切 换。该换能器可以在没有发射与接收之间的有源开关控制的情况下以基 本(f0)模式发射并且以谐波(例如，2f0)模式接收。在一特定实例中，将发射波形应用于元件。该发射波形是具 有任何周期数的单极、双极、正弦、方波或其它波形。由发射波束生成 器在系统通道上或通过发射/接收开关输出波形来应用该波形。系统通道 将该电波形传导到元件的一个或多个电极，例如将该波形传导到在两层 换能器材料之间的中心元件。可以跨比全部层要少的层来应用该发射波 形，应用于并联的层，或应用于串联的层。发射波形具有相对高的电压振幅，例如正和/或负10伏特或 更多的伏特(例如，100 -200伏特)。可以使用更小的或更大的电压。该发射波形具有所期望的频率或频带。例如，2MHz的中心 频率配备有任何大小的频带，例如l或2MHz的频带。该中心频率和相 应的带宽为基本发射频率和频带。响应于发射波形，换能器材料产生声能。不同层的换能器材 料有助于声能的产生。在给定的发射事件期间一个或多个元件产生声 能。在元件之间采用相对定相和/或切处(apodization)，形成了一束或 多束声能。诸如组织或流体的结构将 一 些声能反射回换能器元件。对于 谐波成像来说，非线性传播和/或反射产生谐波信息。谐波信息被用于组 织成像或造影剂成像之一。在组织成像中，在成像期(imaging session ) 期间不将附加的造影剂增加给目标。对于创建超声图象，仅仅依靠组织 (包括血液或其它流体)的特性。典型地在离散成像期中为给定主体在 给定时间传导医学超声成像。例如，成像期可能限于在1/4到1小时时 期内对感兴趣的特定组织的超声患者检查，但是其它持续时间也是可能 的。在这种情况下，在成像期期间的任何时间都不将造影剂引入该组织。 组织谐波图像可以根据以谐波频率从组织产生的回波来提供尤其高的空间分辨率。特别地，在近场中往往可以存在较小的杂乱回波(clutter)。 此外，与采用以第二谐波直接发射的信号形成的发射波束相比，因为采 用基本频率产生发射波束，该发射波束的分布图可以较小地因特定水平 的与组织相关的相位差而失真。成像可以受助于造影剂的引入。在造影剂谐波成像中，多个 公知的超声造影剂中的任何一个(例如微球体)被增加给目标或患者以 便增强组织或流体的非线性响应。造影剂以处于基本频率的声穿透能量 的谐波辐射超声能。可替换地，对基本频率处的信息感兴趣。由换能器元件将所反射的声能转换成电能。响应于应用发射 波形和产生声音发射能量，由该元件来产生电接收波形。换能器材料层 分别有助于接收波形的产生，或者单独的波形被电组合。例如，跨全部 或部分串联的层产生接收波形。层的外侧电极与系统通道连接以便传导 接收波形。在给定层的相反极化的情况下，串联连接以基本频带的谐波 频带产生信息。还可以或可替换地以基本频带产生信息。与发射波形相比，接收波形具有相对低的电压。例如，接收 波形具有正和/或负10伏特或更小伏特的振幅。可以使用更高的或更低 的电压。更高电压发射波形和更低电压接收波形沿相同的通道传送。 发射和接收操作共享导体，例如共享同轴电缆。为发射和接收操作不同 地使用该元件的层。为了在共享通道时提供对层的不同的使用，而使用无源切换。 无源开关在该元件中的换能器材料层的并联和串联连接之间进行改变。 切换的发生与电压电平有关。对于高的电压来说限压电路无源地充当闭 合电路，而对于较低的电压来说充当断路。对于高的电压来说限流电路 无源地充当断路，而对于较低电压来说充当闭合电路。例如，较高电压发射波形穿过闭合开关到 一个或多个电极(例 如层间的中心电极)，但被阻止穿过一个或多个开放的开关到一个或多 个其它电极。较低电压接收波形从一个或多个不同的电极(例如一层的 外部电极)穿过不同的闭合开关，但被阻止从其它电极穿过一个或多个 不同的开关。采用二极管或其它电路执行限压，采用无源晶体管或其它 电路执行限流。无源开关(例如限流电路和/或限压电路)的布置在用于 发射波形的层并联连接和用于接收波形的层串联连接之间切换。在图1的实例实施例中，从通道到层之间的中心电极提供限压，从通道到在层 之一上与中心电极相对的电极提供限流，从在另 一层上与中心电极相对 的另 一 电极到地提供限压。无源切换可以提供对层的不对称的或对称的(即，平衡的) 接地。对于平衡接地来说，例如采用图5，变压器在发射波形的应用期 间隔离了接地。提供对每个层至地的相同或类似的无源切换。还可以执行有源切换。在区域扫描期间重复地执行与电压电 平有关的无源切换。发射与接收操作之间的每次转变产生了无源切换。 诸如在交叉扫描之间或对于不同的总的成像模式(例如，B模式、造影 剂模式、组织谐波模式、多普勒模式或其它成像模式)采用相同或不同 的频率来执行有源切换。有源开关重新布置或旁路(bypass)无源开关的配置。通过 有源切换，可以控制无源开关的切换，在一模式中，无源切换或缺少无 源切换规定以基本频率发射和接收。在由有源开关设置的另 一模式中， 无源切换规定以不同的频率发射和接收。可以在不同的无源切换配置之 间选择有源切换，以便提供部件的不同组合或层的串联对并联连接。无源切换可以可替换地或另外提供用于调谐超声元件的方 法。通过根据应用发射波形和产生接收波形来进行无源切换，提供了不 同的调谐。提供不同的调谐电路或调谐电路组合。在一个实施例中，无 源切换断开一个或多个调谐电路。在其它实施例中，无源切换连接一个 或多个调谐电路。可以为发射和接收操作二者连接一个或多个调谐电 路。通过调谐电路的任何不同组合来提供不同的调谐。例如，将调谐电 路切换进和切换出没有其他调谐电路或者具有其他调谐电路的连接。作 为另一实例，为不同的模式提供不同的调谐电路或电路组合。模式与发 射和接收操作相对应，其中无源切换与信号电压电平相关。尽管参考各种实施例描述了本发明，应该理解的是在不脱离 本发明范围的情况下可以进行许多改变和修改。因此，意在将以上详述 的说明认为是例示性的而不是限制性的，并且应当理解，以下权利要求 及其等效物意在限定本发明的精神和范围。
权利要求
1.一种超声换能器元件(12)系统(10)，该系统(10)包括至少一个超声换能器元件(12)，其至少包括第一和第二层(14，16)换能器材料；发射波束生成器通道(24)，其与元件(12)连接以便第一和第二层(14，16)二者响应于相同的发射波形；以及接收波束生成器通道(24)，其与元件(12)连接以便由第一和第二层(14，16)二者产生的信号被提供给所述接收波束生成器通道(24)。
2. 如权利要求1所述的系统(10)，进一步包括将第一和第二层 (14, 16 )二者与发射和波束生成器通道(24 )连接的单个同轴电缆(24 )。
3. 如权利要求1所述的系统(10)，进一步包括 无源切换电路(26),可操作来在将第一和第二层(14, 16)之间的中心端子(20)与发射波束生成器通道(24)连接和跨第一和第二层 (14, 16) 二者连接接收波束生成器通道(24)之间进行切换。
4. 如权利要求3所述的系统(10),其中以与第二层(16)基本上 相反的方向来对第一层(14)进行极化。
5. 如权利要求3所述的系统(10),其中所述无源切换电路(26) 包括与笫一层(14)的外部端子(22)连接的无源限流开关(26)和第 一无源限压开关(30)、和与该中心端子(20)连接的第二无源限压开 关(28 ),其中所述外部端子(22 )处在第 一层(14 )的与中心端子(20 ) 相对的侧上。
6. 如权利要求1所述的系统(10),其中以与第二层(16)基本上 相同的方向来对第一层(14)极化。
7. 如权利要求1所述的系统(10),进一步包括 调谐电^各(70， 72， 82, 84);以及与所述调谐电路(70, 72， 82, 84)连接的无源开关(26),所述 无源开关(26)可操作来对于第一模式将所述调谐电路(70, 72, 82, 84)与该元件(12)连接并且对于第二^t式将所述调谐电路(70, 72, 82, 84 )与该元件(12)断开。
8.一种超声换能器元件(12)系统(io),该系统(10)包括至少一个超声换能器元件(12)，其至少包括第一和第二层(14, 16)换能器材料；系统通道(24);以及无源限流电路(26),其连接在第一及第二层(14, 16)中的至少 一个和所述系统通道(24 )之间。
9. 如权利要求8所述的系统(10),其中所述无源限流电路(26) 可操作来在发射操作期间将所述系统通道(24)与第一和第二层(14, 16)之一的电极(22)断开和对于接收操作将说说系统通道(24)连接 到该电极(22)。
10. 如权利要求8所述的系统(10)，其中所述无源限流电路(26) 包括分别具有第一和第二栅极端子的第一和第二晶体管(42),所述第 一和第二栅极端子经由反馈阻抗分别反馈回到第 一和第二源极端子。
11. 如权利要求8所述的系统(10),其中所述系统通道(24)包括 同轴电缆。
12. 如权利要求8所述的系统(10),进一步包括 无源限压电路(28),其连接在该元件(12)和所述系统通道(24)之间。
13. 如权利要求12所述的系统(10),其中所述无源限压电路(28) 包括反并联的二极管电路(40)。
14. 如权利要求12所述的系统(10),进一步包括'.至少第一、第二和第三电极(18、 20、 22),第一和第二电极(18, 20)在第一层(14)的相对侧上，第二和第三电极(20, 22 )在第二层 (16)的相对侧上，第二电极(20)在第一和第二层(14， 16)之间；其中所述无源限压电路(28)连接在系统通道(24)和第二电极(20) 之间；以及其中所述无源限流电路(26)连接在该系统通道(24)和第三电极 (22)之间。
15. 如权利要求14所述的系统(10),其中第一电极(18)可与地 连接；进一步包括在地和第三电极(22 )之间连接的另 一限压电路(30)。
16. 如权利要求12所述的系统(10),其中无源限流和限压电路(26， 28)中的至少 一 个可操作来对于不同的操作模式接通或断开调谐电路(70, 72, 82, 84)。
17. 用于在超声和电能之间转换的方法，该方法包括将较高电压发射波形应用到元件(12); 采用该元件(12)产生较低电压接收波形；根据电压电平在该元件(12)中的换能器材料的第一和第二层(14， 16)的并联和串联连接之间进行无源切换。
18. 如权利要求17所述的方法，其中无源切换包括将发射波形传送 到第一电极(20),防止来自第二电极(22)的发射波形，传送源自第 二电极(22)的接收波形，并且防止源自第一电极(20)的接收波形。
19. 如权利要求17所述的方法，其中无源切换包括在用于发射波形 的并联连接和用于接收波形的串联连接之间切换，应用包括将发射波形 应用到在第一和第二层(14, 16)之间的第一电极(20),产生包括从 在第一层(14)的与第一电极(20)相对的侧上的第二电极(22)产生 接收波形。
20. 如权利要求19所述的方法，其中与第二层(16)相反地对第一 层(14)极化。
21. 如权利要求17所述的方法，其中应用包括在并联连接中以基频 频带采用层(14, 16)来应用，并且其中产生包括在串联连接中以基频 频带的整数谐波频带来产生。
22. 如权利要求17所述的方法，进一步包括 沿相同的通道(24)传送发射波形和接收波形； 其中无源切换包括从该通道(24)到第一和第二层(14， 16)之间的第一电极(20)限压，从该通道(24)到与第一层(14)上的第一电 极(20)相对的第二电极(22)限流，并且从第二电极(22)到地限压。
23. 如权利要求17所述的方法进一步包括在采用无源切换的操作和不采用无源切换的操作之间进行有源切换。
24. 如权利要求17所述的方法，进一步包括在应用发射波形期间采用变压器(50)对第一和第二层(14, 16) 平tt接地。
25. 如权利要求17所述的方法，其中无源切换进一步包括根据电压 电平在不同的调谐电^各(70， 72， 82, 84)之间无源切换。
26. 如权利要求17所述的方法，其中无源切换包括釆用二极管电路 (40)来限压和采用无源晶体管电路(42)来限流。
27. —种用于调谐超声元件(12)的方法，该方法包括 将发射波形应用于元件(12);响应于该应用利用该元件(12)产生接收波形；以及 根据该应用和产生在调谐之间无源切换。
28. 如权利要求27所述的方法，其中无源切换包括根据电压电平无 源地接通和断开调谐电路(70, 72, 82， 84),发射和接收波形对应于 不同的电压电平。
29. 如权利要求27所述的方法，其中无源切换进一步包括 在该元件(12)中的换能器材料的第一和第二层(14, 16)的并联和串联连接之间无源切换。
30. 如权利要求1所述的系统(10),其中发射和接收波束生成器通 道(24)分开地连接至该元件(12),进一步包括无源切换电路(Z1),可操作来将发射波束生成器通道(TX)、接收波 束生成器通道(RX)或二者连接到该元件(12)。
全文摘要
多层换能器采用每个元件(12)仅一个系统通道(24)来操作。无源切换对于发射操作与对于接收操作以不同的方式连接层，例如对于发射并联连接两个层(14，16)而对于接收串联连接两个层(14，16)。可以使用任何无源切换，例如限流和限压电路(26，28，30)。调谐可以被无源切换。在发射与接收操作之间根据电压电平无源地切换不同的调谐电路(70，72，82，84)。
文档编号B06B1/06GK101528364SQ200780038566
公开日2009年9月9日 申请日期2007年8月13日 优先权日2006年8月16日
发明者J·D·马沙尔, K·F·乌斯特纳, 莫建华 申请人:美国西门子医疗解决公司