超声成像装置以及超声成像系统

技术领域

本发明涉及超声诊疗器械领域，特别涉及一种超声成像装置以及具有该超声成像装置的超声成像系统。

背景技术

冠心病严重威胁人类的健康。每年有大量人死于冠心病，且发病趋势逐渐由中老年人群向中青年人群发展。冠心病的主要病因是冠状动脉粥样硬化，大部分急性冠心病和血管内血栓的主要原因是附着在血管壁上的易损斑块的破裂。目前，检验冠心病的主要手段是冠脉造影(CAG)，但冠脉造影仅能对血管内血流情况进行成像，通过观察血流轨迹的变化分析血管血栓程度，而无法对斑块的易损性进行判断，并且对于血管堵塞程度也无法准确判断，进而可能误导病情诊断。

血管内超声(Intravascular ultrasound tomography,IVUS)成像是诊断冠心病新的“金标准”。血管内超声的工作原理通常是将超声换能器置于导管前端，并通过导丝引导至病变区域；在回撤过程中，由超声换能器向血管壁发射超声波，并且接收超声波，进而利用接收到的超声波通过成像系统进行数据处理分析，从而得到血管壁的形貌。利用血管内超声成像可以准确获得血管的狭窄程度，同时还能观察易损斑块的形貌，从而为冠心病的诊断和治疗提供临床依据。

对于血管内超声成像来说，高分辨是临床需求的发展趋势。现有的血管内超声(IVUS)成像装置(例如，超声成像探头)主要使用由压电陶瓷形成的传统换能器，其轴向分辨率在100-200μm、径向分辨率在250μm左右，直径在1-3mm。然而，血管中易损斑块的尺寸一般在70μm以下，因此，难以对其实现很好的观察。

对于压电陶瓷超声换能器而言，其分辨率随工作频率的增加而增加，提高分辨率需提高工作频率，因此，若要提高工作频率，需要降低压电陶瓷的厚度。然而，压电陶瓷的厚度为工作频率波长的一半，目前的压电陶瓷减薄、切割工艺不能稳定实现理想厚度薄片的制备，因此，受陶瓷减薄工艺的影响，压电陶瓷的厚度有下限值，从而导致压电陶瓷换能器的工作频率存在上限(一般在20-40兆赫兹，若要实现60兆赫兹以上，不但会大幅增加制造成本，而且换能器的良率也较低)，不能进一步提高以增加图像分辨率，难以满足临床上对于分辨率日益增加的需求。

此外，现有超声换能器的声波发射方向固定，焦点和焦平面位置固定，无法实现多点多景深聚焦，对于形状复杂的易损斑块观察难度较大。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种超声成像装置以及具有该超声成像装置的超声成像系统，该超声成像装置和超声成像系统可以实现更高工作频率，进而可获得更高的成像分辨率，并且能够在特定位置实现聚焦，并能根据成像需求实时调整聚焦位置，从而更精确地观察。

根据本发明的一个方面提供一种超声成像装置，所述超声成像装置包括：主体部，具有第一端和第二端；和换能器，设置于所述主体部的所述第一端，所述换能器包括：衬底；第一电极和第二电极；以及多个阵元，设置于所述衬底上，每个所述阵元包括：被动层，设置于所述衬底上；第一电极层，设置于所述被动层的远离所述衬底的一侧，所述第一电极层与所述第一电极电连接；第二电极层，设置于所述第一电极层远离所述衬底的一侧，所述第二电极层与所述第二电极电连接；第一压电层，设置于所述第一电极层和所述第二电极层之间。

可选地，所述换能器还包括钳制区，所述钳制区设置于所述衬底上、位于所述多个阵元之间，所述钳制区至少包括第二压电层。

可选地，所述换能器包括多个第一电极和多个第二电极，其中，同一行的所述阵元的第一电极层连接至一个所述第一电极，并且同一列的所述阵元的第二电极层连接至一个所述第二电极。

可选地，所述第一压电层与所述第二压电层同层设置。

可选地，所述第一压电层和所述第二压电层为压电薄膜，所述压电薄膜的厚度为0.1～10μm，且由锆钛酸铅、氧化锌、氮化铝以及铌酸钾钠材料中的任一种或多种形成。

可选地，所述换能器还包括多个空腔，所述空腔设置于所述被动层与所述衬底之间，其中，每个所述空腔与每个所述阵元的位置一一对应。

可选地，每个所述阵元还包括波导层或背衬层，所述波导层或背衬层填充于所述空腔中。

可选地，所述换能器的谐振频率大于等于60兆赫兹。

根据本发明的另一个方面，还提供一种超声成像系统，所述超声成像系统包括：上述的超声成像装置，其中，所述换能器的多个阵元被配置为收脉冲激励后发射超声波的发射阵元以及发射超声波后接收返回信号的接收阵元；延迟电路，电连接至与所述发射阵元电连接的所述第一电极和第二电极；控制单元，电连接所述延迟电路，用于计算所述延迟电路各通路的时间延迟量，并触发所述延迟电路进行电信号激励；信号采集单元，电连接至与所述接收阵元电连接的所述第一电极和第二电极；信号处理单元，电连接所述信号采集单元，用于对所述信号采集单元采集到的信号进行处理，以进行成像。

可选地，所述延迟电路和所述信号采集单元形成于一个专用集成电路上。

可选地，所述超声成像系统还包括以成像单元，电连接所述信号处理单元，用于对所述信号处理单元处理后的信号进行成像。

相比于现有技术，本发明实施例提供的超声成像装置和超声成像系统中，由于超声成像装置的换能器包括多个可以使用的压电薄膜的阵元，因此，相比现有的换能器至少具有以下优点：

1、相比传统的压电陶瓷换能器而言，本发明的超声成像装置所使用的换能器的频率与厚度、直径等均有关系，设计灵活性增加。此外，压电薄膜本身对于厚度和直径的尺寸控制更为精确，有利于频率的设计。有利于在成像过程中获得更高的分辨率。

2、相比传统的压电陶瓷换能器厚度和形状固定导致焦平面位置固定、从而无法根据成像过程中的实时变化而调整焦平面的位置而言，本发明的超声成像装置所使用的换能器在成像过程中，对于不同位置的阵元发射的超声波之间可以相互作用，发生相消或相长，使得在特定位置实现聚焦，并能根据成像需求实时调整聚焦位置，以更精确观察具有复杂形貌特征的易损斑块等。

3、本发明的超声成像装置所使用的换能器还包括钳制区，钳制区位于多个阵元之间，可用于钳制各个阵元，提高压电薄膜的表现刚度，获得更好的机电耦合性，从而提升换能器的灵敏度。

4、相比传统的压电陶瓷换能器上下电极直接沉积在压电陶瓷表面全覆盖，并随后在其上沉积匹配层或背衬层的结构而言，本发明的超声成像装置所使用的换能器同一行的阵元的第一电极层连接至一个第一电极，并且同一列的阵元的第二电极层连接至一个第二电极，因此，可以大大减少电极引线的数量，有利于换能器实现集成化和微型化。

5、本发明的超声成像装置的换能器的制备可以采用目前较为成熟的MEMS(微机电系统)工艺，生产效率高、成本低，符合复合微型化、集成化、低功耗的发展趋势。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的一个实施例的超声成像装置的结构示意图；

图2为本发明的一个实施例的超声成像装置的换能器的平面示意图；

图3为图2中A-A处的截面结构示意图；

图4为图2中B-B处的截面结构示意图；

图5为图3所示换能器的单个阵元处的截面结构示意图；

图6为本发明的另一个实施例的超声成像装置的换能器的单个阵元处的截面结构示意图；

图7为本发明的另一个实施例的超声成像装置的换能器的单个阵元处的截面结构示意图；

图8为本发明的又一个实施例的超声成像装置的换能器的单个阵元处的截面结构示意图；以及

图9为本发明的一个实施例的超声成像系统的结构示意图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略对它们的重复描述。

所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员应意识到，没有特定细节中的一个或更多，或者采用其它的方法、组元、材料等，也可以实践本发明的技术方案。在某些情况下，不详细示出或描述公知结构、材料或者操作以避免模糊本发明。

针对现有换能器存在的问题，发明人进行了相关研究后，提供了基于压电薄膜的换能器。具体来说，压电薄膜是除压电陶瓷外，应用最多的压电材料。基于压电薄膜的换能器(一般指PMUT，即压电式微加工超声换能器)工作频率不仅与厚度有关，还与直径有关，设计灵活性更大，可实现更高的工作频率，进而形成更大频率范围的换能器。此外，本发明的换能器主要由多个阵元构成，可以通过对不同阵元使用基于脉冲时延的电信号激励，以此改变整体波束形状和焦点位置，实现多点多景深聚焦成像，获得更高质量的图像。

下面结合附图和实施例对本发明的技术内容进行进一步地说明。

请参见图1，其示出了本发明的一个实施例的超声成像装置的结构示意图。需要说明的是，图1中以超声成像探头为例进行说明，但本发明的超声成像装置并不以图1所示的超声成像探头的结构为限。具体来说，所述超声成像装置主要包括主体部1和换能器2。主体部1大致为中空管状、其具有第一端和第二端。其中，主体部1的第一端用于插入血管中并且在所述血管内产生和收集相关的超声信号，主体部1的第二端可以与控制单元、信号处理单元等连接。如图1所示，图1示出了主体部1的第一端，在图1所示的实施例中，超声成像装置还包括柔性轴3，柔性轴3位于主体部1内且可以沿径向360度旋转。换能器2设置于主体部1内，位于上述主体部1的第一端。如图1所示，柔性轴3具有一凹部31，换能器2设置于凹部31内，进而，换能器1可以在柔性轴3的带动下，随柔性轴3同步旋转。

进一步地，请一并参见图2至图5，其分别示出了本发明的一个实施例的超声成像装置的换能器的平面示意图以及截面结构示意图。其中，图3和图4分别是图2中A-A处以及B-B处的截面结构示意图；图5为图3所示的换能器的单个阵元处的截面结构示意图。图2至图4所示的实施例中以呈五行五列阵列排布的多个阵元为例进行说明，但并不以此为限，可以理解的是，在本发明的其他实施例中，多个阵元组成排布方式可以根据实际的需求进行调整，例如五行六列、六行五列等，在此不予赘述。

具体来说，如图2所示，换能器2包括衬底25、多个第一电极21、多个第二电极22以及多个阵元23。其中，衬底25用于支撑保护其上的各元件，优选地，衬底25可以是硅衬底。多个第一电极21和多个第二电极22设置于衬底25上，用于对多个阵元23施加电压以使阵元23进行激励或信号采集。

如图5所示，每个阵元23包括被动层235、第一电极层231、第二电极层232以及第一压电层233。被动层235设置于衬底25上，用于调控换能器2的谐振频率。在图3和图4所示的所示中，被动层235为形成于衬底25上的连续层。第一电极层231设置于被动层235的远离衬底25的一侧(即，图5所示实施例中为被动层235的上侧)，与第一电极21电连接。在图2所示的实施例中，第一电极层231与第一电极21之间通过电极引线26电连接。第二电极层232设置于第一电极层231远离衬底25的一侧(即，图5所示实施例中为第一电极层231的上侧)，与第二电极22电连接。在图2所示的实施例中，第二电极层232与第二电极22之间通过电极引线27电连接。需要说明的是，在图2和图3所示实施例中，第一电极层231与电极引线26同层设置，即二者实质上是通过使用相同的导电材料经图案化(例如沉积、光刻、刻蚀等工艺)后形成；类似地，第二电极层232与电极引线27也为同层设置。第一压电层233设置于第一电极层231和第二电极层232之间。其中，第一压电层233为压电薄膜，该压电薄膜的厚度为0.1～10μm，并且压电薄膜可以由锆钛酸铅、氧化锌、氮化铝以及铌酸钾钠等材料中的任一种或多种形成，此外，压电薄膜也可以在上述材料的基础上进行适当的元素掺杂后形成。。

进一步地，在图2所示的实施例中，换能器2还包括钳制区24。钳制区24位于多个阵元23之间。钳制区24用于钳制各个阵元，提高压电薄膜的表现刚度，获得更好的机电耦合性，从而提升换能器的灵敏度。具体来说，钳制区24至少包括第二压电层241。第二压电层241为压电薄膜，该压电薄膜的厚度为0.1～10μm，并且压电薄膜可以由锆钛酸铅、氧化锌、氮化铝以及铌酸钾钠等材料中的任一种或多种形成，此外，压电薄膜也可以在上述材料的基础上进行适当的元素掺杂后形成。在图3和图4所示的优选实施例中，第一压电层233与所述第二压电层241同层设置。

在发明的优选实施例中，换能器2的谐振频率大于等于60兆赫兹，并且可以实现最高达120兆赫兹，从而有利于换能器在成像过程中获得更高的分辨率。由于换能器的频率与厚度、直径等参数均有关系，而基于上述图2至图5所示的实施例可知，本发明中的压电层为压电薄膜，即换能器2为压电薄膜换能器，压电薄膜本身对于厚度和直径的尺寸控制可以更为精确，因此，更有利于频率的设计。进而，为了确保换能器2具有高频率，在设计换能器2时，会根据频率的需求、选取上述衬底、被动层、第一电极层、第一压电层以及第二电极层的材料、厚度以及直径等，并对设计的压电薄膜换能器的工作频率进行模拟(例如，可以结合comsol、PZFlex等模拟仿真软件)，根据模拟的结果优化和调整相应的参数。

更进一步地，本发明中的换能器2可以采用声程控制方式进行声束聚焦。具体来说，根据图2至图5所示的换能器2结构可知，在成像过程中，两个不同的阵元从其表面到聚焦位置处的声波路程都是不同的，即存在一定的声程差。因此，在本发明的实施例中，可以根据声程差和声速，计算各个阵元之间的时延差，并根据计算得到的时延差对不同阵元进行脉冲激励，使得在聚焦位置处聚焦，获得最大的声强，从而有利于获得高分辨率图像。需要说明的是，本发明并不限于该声程控制的方式，也可以使用相位角控制、振幅控制等，在此不予赘述。

在本发明的可选实施例中，同一行的阵元的第一电极层连接至一个第一电极，并且同一列的阵元的第二电极层连接至一个第二电极。具体来说，在图2所示的实施例中，沿阵列的行方向上包括五个第一电极21，沿阵列的列方向上包括五个第二电极22。其中，在以呈五行五列阵列排布的多个阵元23中，同一行的五个阵元23的第二电极层232通过电极引线27电连接至一个第二电极22；同一列的五个阵元23的第一电极层231通过电极引线26电连接至一个第一电极21。上述电极与阵元的连接方式相比每个阵元分别需要两跟电极引线与两个不同的上下电极连接的结构而言可以大大减少电极引线的数量，有利于换能器实现集成化和微型化。需要说明的是，虽然图2示出了本发明中优选的电极与阵元的连接方式，但并不以此为限。在本发明的其他实施例中同样可以根据实际需求(例如尺寸或频率等需求)而使用其他的电极与阵元排布方式，例如，每个阵元单独电连接至两个不同的电极等，在此不予赘述。

进一步地，换能器2还包括多个空腔28。多个空腔28设置于被动层235与衬底25之间。其中，每个空腔28与每个阵元23的位置一一对应。在图3至图5所示的实施例中，空腔28设置于衬底25上，且沿图3至图5中的竖直方向贯穿衬底25。其中，每个空腔28均对应位于一个阵元23的下方，并且其尺寸大于等于阵元23的尺寸(即每个阵元23在衬底25上的投影均在一个空腔28内)。在该实施例中，由于空腔28处的声阻抗极小，与器件之间有严重的阻抗不匹配，因此，声波无法穿透，从而保证声波反向传输，即不通过空腔28。

进一步地，请参见图6，其示出了本发明的另一个实施例的超声成像装置的换能器的单个阵元处的截面结构示意图。图6为上述图5所示实施例的一个变化例。具体来说，与上述图5所示实施例不同的是，每个阵元23还包括波导层或背衬层29。波导层或背衬层29填充于空腔28中。其中，波导层选用声阻抗较低且损耗较小的材料，例如聚二甲基硅氧烷(PDMS)等；背衬层选用声阻抗较低且损耗较大的材料，例如E-solder 3022等。进而，当空腔28处填充波导层时，由于波导层的声阻抗较低且损耗较小，因此，可以将声波导向波导层，即声波通过波导层传输。而当空腔28处填充背衬层时，一方面背衬层可以起到机械支撑的作用，以增加器件的强度，另一方面，由于背衬层使用了声阻抗较低损耗较大的材料，因此，传输到背衬层的声波将会损耗殆尽，从而可以降低声波的混响。

进一步地，请参见图7，其示出了本发明的另一个实施例的超声成像装置的换能器的单个阵元处的截面结构示意图。图7为上述图5所示实施例的一个变化例。具体来说，与上述图5所示实施例不同的是，空腔28并不贯穿衬底25，而是由其表面凹入衬底25。该空腔的设置方式是为了适应不同的需求，且可以实现与上述图5所示实施例类似的效果。此外，在图7所示的实施例中同样可以类似地在空腔28处填充波导层或背衬层，以实现类似的效果，在此不予赘述。

进一步地，请参见图8，其示出了本发明的又一个实施例的超声成像装置的换能器的单个阵元处的截面结构示意图。图8为上述图5所示实施例的又一个变化例。具体来说，与上述图5和图7所示实施例不同的是，空腔28设置于被动层235。如图8所示，空腔28由被动层235的下表面凹入被动层235。该空腔的设置方式是为了适应不同的需求，且可以实现与上述图5和图7所示实施例类似的效果。此外，在图8所示的实施例中同样可以类似地在空腔28处填充波导层或背衬层，以实现类似的效果，在此不予赘述。

此外，本发明还提供一种超声成像系统。请参见图9，其示出了本发明的一个实施例的超声成像系统的结构示意图。具体来说，在图9所示的实施例中，所述超声成像系统包括上述图1所示的超声成像装置、延迟电路5、控制单元6、信号采集单元7以及信号处理单元8。

具体来说，在实际成像过程中，换能器2的多个阵元23可以被配置为收脉冲激励后发射超声波的发射阵元以及发射超声波后接收返回信号的接收阵元。其中，接收阵元优选地还可以将接收到的返回信号转换为电信号。更具体来说，以图2为例，图2所示实施例中第一行、第三行和第五行的阵元可以被配置为发射阵元，而第二行和第四行的阵元被配置为接收阵元。

延迟电路5电连接至与发射阵元电连接的第一电极和第二电极。延迟电路5用于将符合脉冲幅值、功率、延迟精度等指标要求的脉冲输出至各个发射阵元。

控制单元6电连接延迟电路5，用于计算延迟电路的各个通路的时间延迟量，并触发延迟电路进行电信号激励。其中，控制单元6根据聚焦点的特征与位置来计算时间延迟量，并以脉冲的形式触发延迟电路5进行电信号激励。

信号采集单元7电连接至与接收阵元电连接的第一电极和第二电极。信号采集单元7收集接收阵元收集到的回波电信号，并将其传输至信号处理单元8。

信号处理单元8电连接信号采集单元7，用于对信号采集单元7采集到的信号进行处理，以进行成像。

在本发明的一个实施例中，延迟电路5和信号采集单元7可以形成于一个专用集成电路(ASIC)上，而控制单元6和信号处理单元8可以形成于一个终端上(例如计算机)。具体而言，由于本发明中需要对不同的阵元进行单独激励或信号采集，可以在换能器2与信号处理系统中间增加一专用集成电路，即所有的发射阵元和接收阵元对应连接的电极连接至一个专用集成电路上，而该专用集成电路连接至计算机等终端。专用集成电路(ASIC)可以通过控制不同位置的阵元的激励和采集信号，以此来控制换能器2的整体超声信号。

进一步地，超声成像系统还包括一成像单元(图中未示出)。该成像单元电连接信号处理单元8，用于对信号处理单元8处理后的信号进行成像。该成像单元可以是一个与计算机等终端连接的显示设备。

综上所述，本发明实施例提供的超声成像装置和超声成像系统中，由于超声成像装置的换能器包括多个可以使用的压电薄膜的阵元，因此，相比现有的换能器至少具有以下优点：

1、相比传统的压电陶瓷换能器而言，本发明的超声成像装置所使用的换能器的频率与厚度、直径等均有关系，设计灵活性增加。此外，压电薄膜本身对于厚度和直径的尺寸控制更为精确，有利于频率的设计。有利于在成像过程中获得更高的分辨率。

2、相比传统的压电陶瓷换能器厚度和形状固定导致焦平面位置固定、从而无法根据成像过程中的实时变化而调整焦平面的位置而言，本发明的超声成像装置所使用的换能器在成像过程中，对于不同位置的阵元发射的超声波之间可以相互作用，发生相消或相长，使得在特定位置实现聚焦，并能根据成像需求实时调整聚焦位置，以更精确观察具有复杂形貌特征的易损斑块等。

3、本发明的超声成像装置所使用的换能器还包括钳制区，钳制区位于多个阵元之间，可用于钳制各个阵元，提高压电薄膜的表现刚度，获得更好的机电耦合性，从而提升换能器的灵敏度。

4、相比传统的压电陶瓷换能器上下电极直接沉积在压电陶瓷表面全覆盖，并随后在其上沉积匹配层或背衬层的结构而言，本发明的超声成像装置所使用的换能器同一行的阵元的第一电极层连接至一个第一电极，并且同一列的阵元的第二电极层连接至一个第二电极，因此，可以大大减少电极引线的数量，有利于换能器实现集成化和微型化。

5、本发明的超声成像装置的换能器的制备可以采用目前较为成熟的MEMS(微机电系统)工艺，生产效率高、成本低，符合复合微型化、集成化、低功耗的发展趋势。

虽然本发明已以可选实施例揭示如上，然而其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与修改。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定的范围为准。