包括以螺旋線設置的設計成產生高強度聚焦波束的發射器三維網絡的聲穿透裝置的製作方法

2023-12-07 09:28:51 2

專利名稱：包括以螺旋線設置的設計成產生高強度聚焦波束的發射器三維網絡的聲穿透裝置的製作方法
技術領域：
本發明大致涉及聲穿透裝置領域，該聲穿透裝置設計用來尤其在超聲頻域中產生 聚焦波束。
背景技術：
通常被稱為探頭的這種聲穿透裝置被用來執行環境或介質的成像，或者事實上用 來修改該環境的屬性。例如，根據本發明的聲穿透裝置可被用來升高對應於聚焦區域的十 分精確區域的溫度，希望在聚焦區域中聚焦超聲波束。這些裝置尤其不僅可用於醫學領域， 還可用於水下成像和通信領域、陸相地下成像或者還用於非破壞性測試材料的領域。為了實現聚焦，技術人員熟悉使用N個超聲源，該N個超聲源由電子機構獨立地控 制相位和幅值，從而超聲源的總能量在預定聚焦區域中達到局部最大值。傳感器相對於環境以及相對於聚焦區域的定位是重要的，因為傳感器確保藉由聲 穿透裝置執行成像或修改環境屬性的動作的有效性和安全性。當然，由所有傳感器衍射的 場可根據傳感器的定位及其幾何尺寸來明顯修改。因此，當傳感器的布局具有對稱性時，這會導致存在明顯的旁瓣。這降低了聚焦的 質量。具體地，然後，位於聚焦區域之外的點可接收顯著數量的能量，而事實上這些區域根 本不應當經受由聲穿透裝置發射的能量。因此，由 Goss 等人於 1996 年 11 月在 IEEE Transactions onUltrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, Vol. 43, No. 6 上發表的名為"Sparse Random Ultrasound Phased Array for Focal Surgery」的文獻提議在三維凹面區域上以豎直隨機 的方式產生傳感器網絡，唯一條件是保持在不同傳感器之間的最小距離。三維凹面區域被用來在附加電子聚焦之前進行預聚焦，附加電子聚焦接著將通過 向每個傳感器單獨地施加計算好的相位延遲來執行。相位延遲通常用在超聲領域中。這些 控制是通過限定數量的獨立電子通道來實現的，這也限制可用在由本發明所採用的聲穿透 裝置中的傳感器的數量。然而，如前述文獻中所述的傳感器的隨機分布具有這樣的缺點提出所有傳感器 在三維凹面區域中的非均質布局。當然，一些傳感器可布置得十分接近而其它傳感器可十 分遠離。這導致在所有發射區域上所發射能量的局部不均質密度。壓力場的這種不均質性通常導致出現聲能最大值，也稱為「熱點」。這些最大值在 超聲束進入環境中的入口處可能是大的，且可能導致對環境或對其表面的不可逆和不期望 的損壞。最大值還可是在環境成像期間由環境返回的寄生波(parasitic wave)源。只要不是無限小的傳感器以大于波長一部分的距離分隔時就會出現旁瓣。傳感器 控制通道的限定數量以及對形成足夠大尺寸的探頭的需要，都必要地導致出現不希望的熱 點o三維凹面區域的形狀使得這個問題加劇，該三維凹面區域已經被精確地設計以實現聚焦。

發明內容
本發明的主要目的是通過構想出一種用於聲穿透環境的裝置來克服已知聲穿透 裝置的缺點，所構想出的裝置被設計成在所謂的聚焦區域中的點周圍產生聚焦波束，該波 束用於成像環境或改變環境的屬性，其中聲穿透裝置包括內置或外置支撐結構，在所述支 撐結構上安裝至少十個超聲傳感器的網絡，所述傳感器被設計成獨立地受控以產生聚焦波 束，其特徵在於，用於產生聚焦波束的活性傳感器是具有大於一個波長的尺寸的大傳感器， 該傳感器沿著在三維凹面區域上的至少兩條纏繞同心螺旋線布置，螺旋線的纏繞和傳感器 在螺旋線上的位置被選擇成使得傳感器在三維表面上的空間分布是均質的，三維表面的形 狀和尺寸也被選擇成允許束以預定焦距最佳地聚焦，其中三維表面的凹面側定向成朝向聚 焦區域。在這種聲穿透裝置中，傳感器在螺旋線中的分布具有不產生對稱性的優勢，同時 仍提供大致規則分布，其中容易地控制傳感器之間的距離。在將傳感器分布在三維表面上的文中，使用螺旋線來分布傳感器會允許實現在近 場無不希望的熱點的聲穿透，同時還使得能夠實現束以預定焦距最優化聚焦，因為螺旋線 由裝置本身的三維特徵來支撐。使用幾何預聚焦使得能夠得到大天線增益且優化在焦點處超聲束的強度。該幾何 預聚焦是通過將傳感器布置在三維表面上來執行的，且尤其是將傳感器布置在球面(球面 的中心與焦點重合)的一部分上，或者布置在迴轉的橢球面的一部分上。傳感器的空間分布的均質性是重要的，以便確保有效性以及保證根據本發明的聲 穿透裝置的操作安全，這意味著當然必須實現在三維凹面區域上平均能量的空間均質分 布。傳感器空間分布的均質性是通過幾個參數來保證的，參數即螺旋線的節距、在給 定螺旋線上兩個連續傳感器之間以及兩條螺旋線之間的距離、要分布的傳感器的數量、聲 穿透裝置的尺寸以及如果裝置由平坦螺旋線來設計的話那麼所執行投影的性質。連同將傳感器沿著螺旋線放置(這避免了存在熱點)，傳感器的空間均質分布因 此確保平均能量在三維凹面區域上的空間均質分布。傳感器的「空間均質分布」意味著傳 感器的空間密度在三維表面上是均質的。在還包括在能量分布方面具有均質性的程度上，平均下來的均質性可意味著在規 模上大於單個傳感器的均質性的均質性。使用對稱地纏繞在相同三維凹面區域上且用來分布超聲傳感器的兩個同心螺旋 線導致在所選焦點處由聲穿透裝置發射的能量的集中。發明人已經發現，這還導致在近場 中觀測到的旁瓣中的能量顯著減少。當然使用單條螺旋線之後，所發射的能量大部分在焦 點的方向上沿著螺旋線纏繞而分布。使用兩條同心螺旋線允許能量分布在兩條螺旋線上， 且因此以更為均質的方式，其中強度局部更弱。該初始特徵對於本發明來說尤其重要，因為 該特徵使得能夠適配針對根據本發明的聲穿透裝置的安全要求。根據本發明的具體屬性，三維表面是球面的一部分，該球面的半徑等於期望的焦距。
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這個屬性正是所需要的，以便實現在三維凹面區域中的聚焦，這是尤其簡單和有 效的，因為相對於裝置的幾何尺寸為天然的聚焦區域然後是球面的中心。根據一個有利屬性，傳感器分布在其上的螺旋線的數量在兩條與二十條之間，優 選地在七條與十三條之間。所使用的同心螺旋線的數量增加同時仍保持傳感器沿著螺旋線的空間均質分布 允許能量分布在大多數螺旋線上，從而組成更為均質的樣式。該能量接著以更為均質的方 式分布，其中強度局部更弱。螺旋線數量的增加會增強這種效果。根據本發明的具體屬性，螺旋線是平坦的，且設置在平面內並投影到三維凹面區 域上。平坦的螺旋線可選自阿基米德螺旋線、指數螺旋線或功率角類型螺旋線等。還可 以使用不同類型的投影。當採用一條或多條阿基米德螺旋線且當三維凹面區域具有顯著凹 面側時，於是投影優選地是立體的。只要凹面側不十分顯著，正交投影可以是有利的。這在三維凹面區域的中心部分與外圍部分之間實現了螺旋線的均質分布，尤其在 該表面是球面的一部分時。根據一個具體屬性，螺旋線可以是球形的形式，該球形正好被確定在球面上。例 如，可使用克萊麗亞螺旋線並且由直角坐標系或極坐標系如下描述的三維曲線，其中9是 角度變量且R是球面的半徑x = Rcosm 9 cos 9 ;y = Rcosm 9 sin 9 ;z = Rsinm 9。在三維表面使用球面的一部分的情形中，該屬性意味著螺旋線在投影到三維表面 上期間不變形。通常，本發明藉由外置支撐結構來實施。於是，該結構包括根據本發明屬性的三維 凹面區域，傳感器通過插入到為此目的而提供的小孔中來放置在該結構上。然後，傳感器可 獨立地且單個地受控。在這種情形中，小孔形成為通過外置支撐結構，跟隨一條或多條螺旋 線的軌跡，如本發明所說明的那樣。然而，根據本發明的一個具體屬性，支撐結構是內置的且包括壓電或半導體材料， 該材料的表面是三維的凹面，其中壓電或半導體材料被切分成多個獨立的傳感器元件，僅 一些沿著纏繞到壓電或半導體材料的三維凹面區域上的至少兩條螺旋線布置的傳感器被 激活，以便形成聚焦束。具有這種結構之後，可能從標準或半導體壓電材料(例如，電容微加工超聲傳感 器(CMUT)裝置)直接形成根據本發明的聲穿透裝置，CMUT裝置形成在三維凹面區域上，該 三維凹面區域特定設計用於最佳地聚焦以期望焦距的波束。然後，本發明包括激活僅一定 數量區域中的傳感器，傳感器包括例如壓電或半導體物質的材料，以便構造基本傳感器，其 中壓電材料的這些區域沿著根據本發明原理的兩條或多條螺旋線布置。任何兩個傳感器之間的最小距離有利地處於由裝置發射的輻射波長的量級。根據本發明的另一屬性，三維凹面區域的尺寸根據焦點周圍所期望的聚焦軌跡的 最小尺寸來確定。關於所採用的給定尺寸傳感器的給定數量，通常限制在可用於獨立控制傳感器的 電子通道的數量，傳感器的密度將與在傳感器所分布的三維凹面區域的尺寸成反比。因此， 三維凹面區域的尺寸與焦點周圍期望的焦軌跡的最小尺寸正相關。因此，根據期望的焦軌跡尺寸來選擇聲穿透裝置的尺寸是需要保護的屬性，且在本文中尤其重要，其中可傳送限 定數量的獨立指令。根據本發明的特定有利屬性，在傳感器沿著螺旋線的分布已經被確定後，傳感器 相對於由螺旋線形成的幾何曲線的中心或側向位置針對幾何曲線任一側上的每個傳感器 被隨機和獨立地確定，該傳感器位於垂直於螺旋線曲線的幾何線段限定的位置處且該幾何 線段的長度小於或等于波長。具有這種屬性後，將傳感器布置在用來分布傳感器的假想螺旋線的線性結構周圍 的通路中以及布置傳感器的隨機特徵被用來引入對稱的附加特定有利破壞。當聚焦通過探頭軸之外(也就是說，在Ox和0y軸上)的電子束轉向來完成時，該 對稱破壞的影響是特別可觀測的。當然在相位法被應用到傳感器以便移動焦點的情形中， 通常可觀測到焦軌跡相對於由其幾何尺寸確定的傳感器焦軸的對稱瓣，且該瓣通過引入在 將傳感器布置在螺旋線的線性結構任一側上的隨機特徵而被精確地減少至顯著程度。


在閱讀下述說明並參考附圖之後將能更清楚地理解本發明的其它特徵和優勢，該 下述說明以描述性而非限制性的方式提供，在附圖中圖1示出了聲穿透裝置的示意性透視圖，其中描述了本發明的原理但是採用與本 發明不對應的示例性附圖；圖2是圖1中的平面0XZ中的聲穿透裝置的截面圖，其中針對具有特定設計幾何 尺寸的聲穿透裝置解釋了聚焦原理；圖3給出了平坦螺旋線的示例；圖4是在平面表面上的傳感器分布的示例，且示出了圖1中的聲穿透裝置的正視 圖，該聲穿透裝置具有沿投影到聲穿透裝置的三維體積中的平坦螺旋線布置的超聲傳感器 網絡；圖5示出了當平坦螺旋線被投影到三維表面上時傳感器的密度差異；圖6示出了可用於形成根據本發明的聲穿透裝置的球面螺旋線；圖7示出了特別設計用於正交投影到三維凹面區域中的功率角方程的平坦螺旋 線.
一入 ，圖8是根據本發明的聲穿透裝置的正視圖，該聲穿透裝置具有沿著投影到聲穿透 裝置的三維表面上的兩個同心螺旋線布置的傳感器網絡；圖9示出了針對現有技術的聲穿透裝置、具有僅一條螺旋線的聲穿透裝置以及根 據本發明聲穿透裝置的一個實施例的相對於在焦點處的能量圍繞焦軸以分貝表示的接收 到近場的環境中的能量作為至焦點的距離的函數；圖10示出了根據角度距離在焦平面中次瓣的最大功率與在焦點處的功率的比 率，角度距離例如在0y軸上以mm表示；圖lla、llb、llc和lid描述了用於改善上述聲穿透裝置的各種原理。附圖分別示 出了四條同心阿基米德螺旋線、四條同心功率角螺旋線、四條同心球形螺旋線以及傳感器 沿著在圖11c中所示出的四條螺旋線的最終分布；圖12a和12b示意性地示出了針對具有不同開度和尺寸的兩個三維凹面表面在十一條同心螺旋線上的給定數量傳感器的兩種分布；圖13示出了針對現有技術的聲穿透裝置以及針對根據本發明聲穿透裝置的四個 實施例的相對於在焦點處的能量圍繞焦軸以分貝表示的接收到近場的環境中的能量作為 至焦點的距離的函數；圖14示出了將隨機特徵引入到傳感器在由螺旋線形成的線性結構任一側上的定 位的原理。
具體實施例方式圖1示出了聲穿透裝置1的第一實施例，圖1描繪了本發明的原理但是具有與本 發明不對應的簡易附圖。聲穿透裝置1包括以具有中心0的球面一部分的形式的三維凹面 區域10，螺旋線11纏繞在該凹面區域上，沿著螺旋線11以規則間隔放置N個傳感器12。要注意的是，在該附圖中所表示的螺旋線11實際上僅是假想的元素，由傳感器12 的分布來體現。三維凹面區域10的凹面側定向成朝向聲穿透裝置1的所謂的天然聚焦區域，在此 處與所有傳感器12是等距的區域，意思是圍繞支撐三維凹面區域10的中心0的區域。在圖2中描述了聚焦原理以及天然聚焦區域的位置，示出了在0YZ平面內圖1中 的聲穿透裝置1的部分。在該附圖中，每個傳感器12產生差不多是錐形的壓力場。當每個傳感器12放置在球面形狀三維凹面區域10上時，傳感器都定向成朝向該 球面的中心0並因此在該點0附近產生最大的壓力場。因此，在該焦點0周圍產生聚焦區 域20。因此，聲穿透裝置1的幾何尺寸尤其適合於該聚焦區域20的聲穿透。預先選擇該聚焦區域20相對於聲穿透裝置1所處的距離，並且然後在聲穿透裝置 1的設計期間根據希望的焦距來選擇三維凹面區域10的曲率或此處的半徑R。接下來，將單獨計算的相位延遲引入到由每個傳感器12發出的信號中的已知技 術可用來移動在天然聚焦區域20附近的最大壓力區域，如圖2中所示。於是，由聲穿透裝 置1提供一定的緯度，以便在Z軸上和/或X和Y軸上移動最大壓力區域。最大壓力區域 沿著OX、0Y和0Z軸的移動對應於產生聚焦波束的電子轉向。如圖1示意性地所示，為了獨立地控制傳感器12的發射，聲穿透裝置1連接到控 制模塊13。該控制模塊13包括N個電子通道，每個通道設計成獨立地控制在圖1中所示聲 穿透裝置1的N個傳感器12中的一個。由於每個傳感器12在相位9和幅值A方面通常可控，因此，控制模塊13被設計成 發射N個信號，即S1 (A, cp)至SN (A，cp)。在遞交該專利申請時可用的獨立電子通道的數量N大致是512。然而，本發明的原 理對於可能的任何數量N都保持有效，甚至在將來N增加時也是如此，只要兩個傳感器之間 的距離不小於一個波長。人們也知道傳感器之間的距離通常大於一個波長，因為必須使用十分寬的傳感 器，以便在焦點處通過限定數量的傳感器來產生足夠高超聲能量。於是，這種傳感器具有大於中心發射頻率的數個波長的尺寸，且傳感器的中心因 此至少由其尺寸分離，該尺寸大於中心發射頻率的波長。具體地，本發明所涉及的傳感器具有大於在中心發射頻率處的兩個波長的特徵尺寸。例如，可使用具有6mm直徑的傳感器，當 傳感器在水或軟組織中以1MHz的頻率操作時該傳感器已經對應於四倍的波長。圖3提出了恆定節距的平坦螺旋線30的示例。這種螺旋線已知為阿基米德螺旋 線或阿基米德螺旋。在這種螺旋線中，通過用螺旋線30與軸(0X)或(0Y)相交來確定的兩 個連續點之間的距離d總是恆定的。螺旋線的方程是P =30+13，其中0是極半徑，e是涉及的角度，且a是螺旋線 的節距。b的值對應於螺旋線30的起點。當b = 0時該起點是螺旋線的中心，這是圖3中 所示的情形。根據本發明，N個傳感器12接著沿著該螺旋線30分布。如前所述，傳感器12的 數量N從由控制模塊13提供的獨立電子通道的數量來大致確定。螺旋線上兩個連續傳感器12之間的距離被選擇成服從兩個傳感器12之間的最小 物理距離以及傳感器12在三維表面10上的均質分布。該均質分布考慮到螺旋線30的節 距a，該螺旋線30的節距a確定在兩個傳感器12之間觀測到的最小距離，該兩個傳感器12 由經過螺旋線30的中心的給定直線上的螺旋線30的連續兩圈來支撐。因此，根據聲穿透裝置1的總尺寸和可被獨立控制的傳感器的數量N來確定螺旋 線30的節距以及傳感器12沿著該螺旋線30的分布。當然，為了服從傳感器12的均質分 布，傳感器12按照在整個三維表面上恆定且相同的距離來有利地彼此分離。這意味著螺旋 線的節距大致等於將由螺旋線30支撐的兩個連續傳感器12分離的距離。這在圖4中示出，其中N = 512個傳感器被放置在平坦螺旋線30上。傳感器12 的這種分布被投影到聲穿透裝置1的三維凹面區域10上。圖5示出了正交投影到以球冠體的形式的三維凹面區域10上的原理。可以看出， 球冠體的中心區域ZC以及外圍區域ZP必要地具有不同集中度的傳感器12。球冠體的中心部分ZC具有高集中度的傳感器12，而外圍部分ZP具有離得更遠的 傳感器12，因為螺旋線30的圈數在投影期間彼此遠離。因此，傳感器12在外圍的集中度較 低。傳感器12的這種不均質分布導致在球冠體的中心區域ZC發射的能量的集中度。在中心區域ZC處積聚的能量可導致對環境或環境表面的損壞。當然，可能觀測到 接收能量的強度引起在位於裝置1的近場處的環境表面上加熱的區域。圖3的螺旋線30還可根據在三維凹面區域10上的逆向立體投影進行投影。投影 參考點接著有利地選擇成位於球面上，該球面包括三維凹面區域10。立體投影引起傳感器12在三維凹面區域10的中心部分ZC與外圍部分ZP之間的 更佳分布。在實施方式的第二原理中，在圖6中示出的球面螺旋線60正好被用來將傳感器12 放置在以聲穿透裝置1的球面的一部分的三維凹面區域10上。圖6示出了克萊麗亞(Clelia)螺旋線60。螺旋線60的方程對應於點M以恆定速 度在球面的表面上圍繞球面的極軸的旋轉運動。在直角坐標系中，下述方程描述了這種運動並因此描述了螺旋線60 x = Rcosm 9 cos 9 ;y = Rcosm 9 sin 9 ；z = Rsinm 9在該方程中，x、y和z是點M的直角坐標，R是球面的半徑，0是點M在X0Y平面 內的角度，且m是用來確定所獲得的總體積外形的參數。在圖6的情形中，參數m被選擇成
8能夠產生球形螺旋線。接著，按照與前述類似的方式，對應於圖1中球面一部分的該球形螺旋線60的一 部分被用來放置N個傳感器12。於是得到的傳感器12的表面分布在球面部分的中心部分 ZC與外圍部分ZP之間十分均勻。從而，螺旋線的兩個連續圈之間的距離在一個圈跟隨經過 螺旋線60的中心的球面的外圍時有效地是恆定的，而在平坦螺旋線30投影到三維表面10 上的情形中時該距離增加。在第三實施方式中，如圖7所示，假定使用正交投影能夠影響放置在平坦阿基米 德螺旋線上的傳感器12網絡的外圍的變松，那麼可使用平坦螺旋線的功率角方程以便得 到平坦螺旋線70，該螺旋線70在中心處變松而在外圍處變得緊密。這種螺旋線的方程如下 當這種螺旋線70正交投影時，得到的球形螺旋線的節距可大致恆定，且因此導致 在三維凹面區域10上的均質分布。參數a和b的選擇使得能夠將螺旋線70的形狀與三維 凹面區域10的曲率精確地匹配。通常，根據本發明原理的傳感器12沿著三維螺旋線的分布具有優於產生不對稱 性的分布的優點，且還允許傳感器的規則和均質分布。在該分布中，可能的是，以螺旋線的 節距控制傳感器12之間的距離和控制螺旋線上任何兩個連續傳感器12之間的距離。圖8示出了本發明的實施例。根據本實施例，兩條同心螺旋線被用來確定N個傳 感器12的分布。數量(N = 512)與圖4中的相同。兩條螺旋線相對於豎直軸線是對稱的， 且因此關於彼此以180°開始其纏繞。使用根據本發明的這兩條螺旋線，針對給定數量的傳 感器將由圖4中的聲穿透裝置發射的總能量的重力中心再對中。在本發明的該實施例中，作為傳感器的分布基礎，可能使用前述提及的每種類型 的螺旋線，即從各種方程和投影得到的平坦螺旋線或者球形螺旋線。螺旋線的起始角以及 節距被設計使得它們不重疊且以便得到傳感器的均質分布，其中在給定螺旋線上的兩個連 續傳感器12之間的距離差不多等於兩條螺旋線的鄰近圈之間的距離。圖9示出了傳感器12在根據本發明的單條螺旋線1S中、在半隨機分布QR中以及 在雙螺旋線2S中的三種類型的分布的近場屬性。曲線表示觀測為至焦點DF的距離的函數能量E。可以看出針對具有單條螺旋線 1S的聲穿透裝置以及針對具有傳感器12的半隨機分布QR的聲穿透裝置的大致類似旁瓣 LS的存在性。在另一方面，可以看出，使用根據本發明的雙螺旋線2S明顯減少或甚至消除旁瓣 LS。圖10示出了以分貝表示的在焦平面中觀測到的瓣的最大相對功率ra與根據在例 如0y軸上以mm表示的角度A在焦點處壓力的幅值之間的關係。該相對功率冊對應於三 個實施方式，其中兩個實施方式根據現有技術而一個實施方式對應於在圖1中示出的簡易 實施方式。第一個對應於支撐設置成環形方式AN的傳感器的裝置的情形，且第二個對應於 傳感器設置在單條螺旋線1S上情形，且第三個對應於傳感器以半隨機方式設置的情形。可以看出，傳感器在一條(或多條)螺旋線中的設置導致類似於傳感器的已知設 置所觀測到行為的角度行為。
考慮到旁瓣的絕對功率而不是角度的情形，同心螺旋線數量的增加導致能量旁瓣 以大多數不期望的方式降低。因此，在本發明的優選實施例中，同心螺旋線的數量增加。傳感器在其上分布的螺 旋線的數量增加將導致能量的空間更均質分布。這對旁瓣的幅值具有不期望的、顯著且明 顯的影響。圖11a和lib分別示出了四條阿基米德螺旋線和四條功率角螺旋線，該螺旋線彼 此同心且等距。為了形成根據本發明的聲穿透裝置，於是這些螺旋線被投影到三維凹面區 域10上且傳感器沿著這些螺旋線布置。圖11c和lid分別正確地表示四條同心球形克萊麗亞螺旋線，該螺旋線在其間具 有相同的距離且N個傳感器網絡在該四條螺旋線上分布。圖12a和12b分別正確地表示兩個不同尺寸的探頭，N = 512個傳感器沿著十一 條同心螺旋線放置在該探頭上。在此，十一條同心螺旋線通過將十一條阿基米德螺旋線正 交投影到三維凹面區域來實現。圖12a的聲穿透裝置具有180mm的總直徑，而圖12b的聲穿透裝置具有300mm的 總直徑。曲率的半徑都是一樣的。由於在每種情形中傳感器的數量相同，且因為投影關係 和表面的增加，所以傳感器彼此間隔的距離在圖12b中比圖12a中總體上更遠。可以清楚地看出採用將十一條平坦螺旋線正交投影到三維凹面區域上而得到的 傳感器的這種分布，探頭的總直徑越大則三維凹面區域10的中心區域ZC與其外圍區域ZP 之間的傳感器距離差異的問題就越為重要。當然，在圖12b的探頭的外圍上，可以看出傳感 器12在由兩條不同螺旋線支撐的傳感器之間與由相同螺旋線支撐的連續傳感器之間相比 進一步分離。在本文中可以看出，使用球形螺旋線或平坦螺旋線的立體投影或者在角度功率中 螺旋線的再次正交投影將是最有用的。圖13示出了針對具有單個螺旋線1S的聲穿透裝置在近場的能量分布，且該聲穿 透裝置具有傳感器12的半隨機分布QR、七條螺旋線7S、十一條螺旋線11S以及十六條螺旋 線16S中的傳感器分布。可以看出旁瓣的減少對於具有在十一條螺旋線11S或十六條螺旋 線16S上的傳感器分布的聲穿透裝置來說更有意義。還可以看出，在後兩種情形中能量實 際上會更好地分布。為了減少出現旁瓣，本發明發現了把隨機元素引入到將傳感器布置在由螺旋線形 成的線性結構任一側上是有效的。圖14示出了這種屬性。該附圖示出了螺旋線30的圈的兩個部分。當傳感器12i、 12i+l、12j的理論位置被確定在螺旋線的軌跡上以便形成傳感器的空間均質分布且用十字 線表示時，傳感器的實際位置被隨機地確定在由盤(121、(121+1、(12」形成的表面上，該盤 的中心由傳感器的理論放置來確定。盤的半徑處於在聚焦環境中由傳感器發射的波長的量 級。有利地，傳感器在螺旋線任一側上的隨機布置緯度被限定為在螺旋線的線性結構 任一側上的一個波長。這種屬性引入了對稱的附加破裂，從由聲穿透裝置發射的能量的空間分布來看， 這是有利的。這證明了在束的角度增加時該對稱破裂產生更為有利的結果。當然，相對於聲穿透裝置的天然焦軸，近場中束的對稱瓣受到限制。 最後可以看出，在本發明原理的範圍內，許多不同的實施方式都是可能的。
權利要求
一種用於聲穿透介質的裝置(1)，所述裝置被設計成在所謂的聚焦區域(20)中的點周圍產生聚焦波束，所述聚焦波束用來成像介質或改變介質的屬性，其中所述聲穿透裝置包括內置或外置支撐結構，在所述支撐結構上安裝預定數量的超聲傳感器(12)的網絡，所述傳感器被設計成獨立地受控以產生聚焦波束，其特徵在於，用於產生聚焦波束的傳感器(12)是尺寸大於一個波長的寬傳感器，所述傳感器沿著纏繞到三維凹面區域(10)上的至少兩條同心螺旋線(11)布置，其中螺旋線的纏繞和傳感器在螺旋線上的位置被選擇成使得傳感器在三維表面上的空間分布是均質的，其中三維表面的形狀和尺寸也被選擇成允許束在預定焦距下最佳地聚焦，且三維表面的凹面側定向朝向聚焦區域(20)。
2.根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述三維表面(10)是球面的一部分，所述 球面的半徑(R)等於期望焦距。
3.根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述螺旋線的數量在兩條與二十條之間。
4.根據權利要求3所述的裝置，其特徵在於，所述螺旋線的數量在七條與十三條之間。
5.根據前述權利要求中任一項所述的裝置，其特徵在於，所述螺旋線是設置在平面內 的平坦螺旋線，且所述螺旋線投影到三維凹面區域(10)上。
6.根據權利要求5所述的裝置，其特徵在於，所述螺旋線(11)選自阿基米德螺旋線、指 數螺旋線和功率角螺旋線。
7.根據前述權利要求中任一項所述的裝置，其特徵在於，所述螺旋線(11)是限定在球 面上的球形螺旋線。
8.根據權利要求7所述的裝置，其特徵在於，所述螺旋線(11)選自克萊麗(Clelia)螺 旋線，這種三維曲線由極坐標系限定，其中e是角度變量且R是球面的半徑x = Rcosm 9 cos 9 ;y = Rcosm 9 sin 9 ;z = Rsinm 9。
9.根據前述權利要求中任一項所述的裝置，其特徵在於，所述結構是內置結構，且包括 壓電或半導體材料，所述壓電或半導體材料的表面(10)是三維的凹面，其中壓電或半導體 材料被切分成多個獨立的傳感器元件，其中僅沿著纏繞在壓電或半導體材料三維凹面區域(10)上的至少兩條同心螺旋線(11)布置的一些傳感器(12)被激活，以便形成聚焦束。
10.根據前述權利要求中任一項所述的裝置，其特徵在於，所述三維凹面區域(10)的 尺寸和形狀根據焦點(0)周圍期望的焦軌跡(20)的最小尺寸和形狀來確定。
11.根據前述權利要求中任一項所述的裝置，其特徵在於，在傳感器(12)沿著螺旋線(11)的分布已經確定之後，傳感器(12i)的中心位置在由盤(C12i)形成的表面上被隨機調 節，盤(C12i)的中心是先前確定的傳感器(12i)的中心的初始位置，且半徑小於或等於聚 焦介質中的波長。
全文摘要
本發明涉及一種用於聲穿透環境或介質的裝置(1)，其被設計成在所謂的聚焦區域(20)中的點周圍產生聚焦波束，所述聚焦波束用來成像介質或改變介質的屬性，其中所述聲穿透裝置(1)包括內置或外置支撐結構，在所述支撐結構上安裝預定數量的超聲傳感器(12)的網絡，所述傳感器被設計成獨立受控以產生聚焦波束。根據本發明，用於產生聚焦波束的傳感器(12)沿著纏繞到三維凹面區域(10)上的至少兩條同心螺旋線(11)空間均質布置，其中三維表面區域的形狀和尺寸被選擇成允許束在預定焦距下最佳地聚焦，且三維表面區域的凹面側定向成朝向聚焦區域(20)。
文檔編號G01S15/89GK101855572SQ200880115761
公開日2010年10月6日 申請日期2008年11月12日 優先權日2007年11月12日
發明者F·瓦雷, M·佩爾諾, Y·馬丁 申請人:超聲成像公司