專利名稱：超聲波探頭與超聲波診斷設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于在它自己與病人之間發(fā)射和接收超聲波的超聲波探頭，以及包括該超聲波探頭的超聲波診斷設備。更具體地說，本發(fā)明涉及一種能夠改變短軸方向的孔徑(aperture)的超聲波探頭。
背景技術：
一般，超聲換能器包括一對電極，它們中間夾有包括壓電材料的層(以下稱為壓電層)，并且超聲波探頭包括多個超聲換能器，其中例如超聲換能器一維地排列。進一步，在長軸方向上排列的換能器中的預定數(shù)量換能器被確定為孔徑(aperture)，屬于該孔徑的多個換能器被驅(qū)動，并且超聲波束會聚到病人體中要測量的部位，使得該部位被超聲波束照射。進一步，屬于該孔徑的多個換能器接收發(fā)自病人的超聲反射回波等，并且超聲反射回波被轉(zhuǎn)換成電信號。
另一方面，關于垂直于上述長軸方向的短軸方向，通過改變超聲波頻率來更改孔徑寬度，以致超聲波束束寬減小、并且分辨率提高(專利文獻1JP7-107595A)。在根據(jù)專利文獻1的超聲波探頭中，在短軸方向上中心處的壓電層厚度小，并且向其末端逐漸增大。因此，在短軸方向上中心的高頻響應高，并且短軸方向上末端的低頻響應高，從而獲得寬帶頻率特性。結果，超聲波探頭短軸方向上的孔徑寬度與頻率相反地變化，借此在從較淺的深度到較深的深度變化的范圍內(nèi)獲得了較細的束寬。
然而，根據(jù)專利文獻1中公開的超聲波探頭，短軸方向上兩端的低頻響應變得比中心部分的低頻響應高，并且每一端的聲壓都高于中心部分的聲壓，借此獲得了非均勻的聲壓分布。隨后，超聲波探頭的分辨率降低了。

發(fā)明內(nèi)容
為使超聲波探頭對短軸方向頻率的頻率響應變得均勻，而提出了本發(fā)明。
本發(fā)明通過以下手段來解決上述問題。
根據(jù)本發(fā)明，在包括每一個都具有壓電層和把壓電層夾在中間的一對電極的多個超聲換能器陣列的超聲波探頭中，壓電層具有被設置在超聲波發(fā)射側的第一壓電層、被設置在第一壓電層另一側的第二壓電層、以及被設置在第一和第二壓電層之間的公共電極。該超聲波探頭具有在垂直于超聲換能器排列方向的短軸方向上相對整個孔徑的均勻低頻響應分布，以及短軸方向上中心部分的高高頻響應分布。
可以通過(1)至(9)中顯示的以下手段來實現(xiàn)上述頻率響應分布。
(1)第一壓電層末端在短軸方向上的厚度小于第一壓電層中心部分的厚度，并且第二壓電層末端的厚度大于第二壓電層中心部分的厚度，(2)第一和第二壓電層與一對電極接觸的面的每一面都是平的，并且第一壓電層和第二壓電層之間的界面被形成為凹陷到第二壓電層那一側的曲面，(3)第一和第二壓電層與一對電極接觸的面的每一面都是平的，并且第一壓電層和第二壓電層之間的界面被形成為脊線(ridge line)與短軸方向中心部分相對應的峰(crest)，(4)第一和第二壓電層與一對電極接觸的面的每一面都是平的，并且第一壓電層和第二壓電層之間的界面具有被設置在短軸方向中心部分上并且向第二壓電層那一側凸出的平面部分，以及被設置在兩端的每一端并且向第一壓電層那一側凸出的平面部分，(5)第一壓電層的超聲波發(fā)射側那一面是凹的，第二壓電層的超聲波非發(fā)射側那一面是凸的，并且第一壓電層和第二壓電層之間的界面凹陷到第二壓電層那一側、并且該界面的曲率大于第一壓電層的超聲波發(fā)射側那一面的曲率，
(6)第一壓電層的超聲波發(fā)射側那一面是凹的，第二壓電層的超聲波非發(fā)射側那一面是凸的，并且第一壓電層和第二壓電層之間的界面被形成為脊線與短軸方向中心部分相對應的峰，(7)第一和第二壓電層中每一壓電層都具有預定厚度，其中用于第一壓電層的壓電材料的密度在短軸方向上從中心部分向末端減小，并且用于第二壓電層的壓電材料的密度在短軸方向上從中心部分向末端增大，(8)除(1)至(7)中所示配置以外，包括具有與用于壓電層的壓電材料聲阻抗近似相等的聲阻抗的材料的調(diào)節(jié)層被設置在第二壓電層的超聲波非發(fā)射側，其中短軸方向上調(diào)節(jié)層的厚度從中心部分向末端逐漸增大。
根據(jù)上述(1)至(7)，壓電層包括兩層，并且第一壓電層和第二壓電層的短軸方向頻率特性及聲壓特性相互補充。隨后，短軸方向上的低頻響應變得均勻。即，第二壓電層的厚度在垂直于超聲換能器排列方向的方向(以下稱為短軸方向)上、從中心部分向兩端逐漸增大。因此，中心部分的高頻響應變高。另一方面，第一壓電層的厚度在短軸方向上從中心部分向兩端減小，使得中心部分的低頻響應變高。因為第一壓電層的頻率響應特性被加到第二壓電層的頻率響應特性上，因此低頻的短軸方向響應特性變得均勻。隨后，根據(jù)本發(fā)明的超聲波探頭，有可能在換能器短軸方向上中心部分獲得高的高頻響應、以及相對每個整個孔徑的均勻低頻響應，借此有可能在從小深度到大深度的范圍內(nèi)獲得小超聲波束寬，從而實現(xiàn)高分辨率。
進一步，因為根據(jù)配置(8)的調(diào)節(jié)層的聲阻抗與壓電材料的聲阻抗近似相等，因此調(diào)節(jié)層的聲阻抗與被設置在調(diào)節(jié)層的反壓電層(anti-piezoelectric-layer)那一側的背襯層的聲阻抗之間的差較大。隨后，超聲波被調(diào)節(jié)層有效地反射，并且反射超聲波的頻率特性取決于厚度。結果，換能器短軸方向的低頻響應特性變得比過去更加均勻。進一步，從換能器向背面那一側發(fā)射的超聲波高頻分量被中心部分薄的調(diào)節(jié)層反射，并被發(fā)回到超聲波發(fā)射側。隨后，短軸方向上從超聲波探頭中心向病人發(fā)射的高頻聲壓增大了，借此在短軸方向上換能器中心處獲得了高頻響應。
在此，背襯層包括聲阻抗大大小于壓電層聲阻抗的材料。進一步，該材料的衰減率高于壓電層衰減率。隨后，有可能改變短軸方向的頻率特性，以及實現(xiàn)根據(jù)頻率來改變孔徑的功能。進一步，短軸方向上調(diào)節(jié)層的厚度分布被確定為用于獲得預定高頻響應分布的頻率特性。
提供配置(9)來代替上述配置(1)至(8)，其中第一和第二壓電層中每一壓電層都具有預定厚度，包括具有與用于壓電層的壓電材料聲阻抗近似相等的聲阻抗的材料的調(diào)節(jié)層被設置在與第二壓電層接觸的電極的背面上，并且在短軸方向上調(diào)節(jié)層的厚度從超聲換能器中心部分向末端逐漸增大。
因為提供了上述調(diào)節(jié)層，因此換能器短軸方向的低頻響應特性變得均勻，并且可以在短軸方向換能器中心處獲得高的高頻響應，如上所述。
進一步，本發(fā)明的超聲波診斷設備使用本發(fā)明的超聲波探頭。用于發(fā)射用來驅(qū)動超聲波探頭換能器的超聲波信號的發(fā)射裝置具有，根據(jù)供給超聲波探頭的控制指令來發(fā)射某一頻率的超聲波信號的功能。用于對超聲波探頭收到的反射回波信號執(zhí)行接收處理的接收處理裝置具有，根據(jù)控制指令來選擇某一頻率的反射回波信號、并執(zhí)行接收處理的功能。隨后，可以在短軸方向換能器中心處獲得高頻響應。進一步，因為短軸方向上的低頻響應特性變得均勻，因此有可能在從小深度到大深度的范圍內(nèi)獲得小超聲波束寬、并實現(xiàn)高分辨率。


圖1是根據(jù)本發(fā)明實施例的超聲波探頭的主要部分的透視圖。
圖2顯示了根據(jù)本發(fā)明實施例的的超聲波診斷設備的整體配置。
圖3是與根據(jù)圖1所示實施例的壓電層有關的部分的斷面圖。
圖4顯示了圖1所示實施例的頻率特性曲線圖。
圖5顯示了圖1所示實施例的頻率與聚焦深度之間的關系圖。
圖6顯示了圖1實施例的頻率與相對聲壓之間的關系圖。
圖7是與根據(jù)本發(fā)明第二實施例的壓電層有關的部分的斷面圖。
圖8是與根據(jù)本發(fā)明第三實施例的壓電層有關的部分的斷面圖。
圖9是與根據(jù)本發(fā)明第四實施例的壓電層有關的部分的斷面圖。
圖10是與根據(jù)本發(fā)明第五實施例的壓電層有關的部分的斷面圖。
圖11是與根據(jù)本發(fā)明第六實施例的壓電層有關的部分的斷面圖。
圖12是與根據(jù)本發(fā)明第七實施例的壓電層有關的部分的斷面圖。
圖13是與根據(jù)本發(fā)明第八實施例的壓電層有關的部分的斷面圖。
圖14是與根據(jù)本發(fā)明第九實施例的壓電層有關的部分的斷面圖。
圖15是與根據(jù)本發(fā)明第十實施例的壓電層有關的部分的斷面圖。
圖16是與根據(jù)本發(fā)明第十一實施例的壓電層有關的部分的斷面圖。
具體實施例方式
以下將參考附圖描述本發(fā)明的實施例。
(第一實施例)將參考圖1至圖3來描述本發(fā)明一個實施例。圖1是根據(jù)本發(fā)明實施例的超聲波探頭主要部分的透視圖。圖2顯示了根據(jù)本發(fā)明實施例的超聲波診斷設備的整體配置。圖3是與根據(jù)實施例的壓電層有關的部分的斷面圖。
在圖2中，發(fā)自超聲波脈沖產(chǎn)生電路31的超聲波脈沖被發(fā)送給發(fā)射單元32，并在發(fā)射單元32中受到包括發(fā)射聚焦處理、放大處理等的發(fā)射處理(transmission processing)。然后，超聲波脈沖通過發(fā)射/接收分離單元33被發(fā)送給超聲波探頭1。超聲波探頭1接收的反射回波信號通過發(fā)射/接收分離單元33被發(fā)送給接收處理單元35，并在接收處理單元35中受到包括放大、接收與調(diào)相處理等的接收處理。發(fā)自接收處理單元35的反射回波信號被發(fā)送給圖像處理單元36，并在圖像處理單元36中受到預定的圖像重構處理。圖像處理單元36重構的超聲波圖像被顯示在監(jiān)視器37上。上述超聲波脈沖產(chǎn)生電路31、發(fā)射單元32、接收處理單元35和圖像處理單元是根據(jù)從包括計算機等的控制單元38發(fā)送的控制指令來控制的。進一步，控制單元38根據(jù)發(fā)自輸入單元39的指令，來進行各種設置和/或執(zhí)行控制。進一步，控制單元38通過控制未顯示的孔徑選擇開關，來選擇用于掃描超聲波束的配置。進一步，接收處理單元35和圖像處理單元36部分可以作為計算機而形成。
如圖1所示，該實施例的超聲波探頭1包括壓電層2、被設置在壓電層2的超聲波發(fā)射面上的聲匹配層3、被設置在壓電層2背面那一側的背襯層4、以及被設置在聲匹配層3的超聲波發(fā)射面一側的聲透鏡5。壓電層2和聲匹配層3被超聲波探頭1長軸方向上排列的多個分離層6分成多個部分，以致該多個部分中的每個部分都起換能器的作用。進一步，與壓電層2接觸的背襯層4那一側部分被多個分離層6分成多個部分。
在此，聲透鏡(acoustic lens)5用于執(zhí)行在短軸方向上聚焦，并包括聲阻抗與身體聲阻抗近似相等且聲速比身體聲速慢的材料，如硅橡膠。聲匹配層3包括兩層。這兩層中的每一層都起中心頻率的1/4波長板(plate)的作用。進一步，聲匹配層3的下層包括聲阻抗比壓電層2的聲阻抗低的材料，如陶瓷。進一步，聲匹配層3的上層包括聲阻抗比下層更接近身體聲阻抗的材料，如樹脂。壓電層2包括壓電陶瓷PZT、PZLT、壓電單晶PZN-PT(鈮鋯酸鉛-鈦酸鉛)、PMN-PT(四方相鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛)、有機壓電材料PVDF(聚偏二氟乙烯)、以及/或包括上述材料和樹脂的復合壓電層。背襯層4包括具有大超聲波衰減率、并使發(fā)向壓電層2背面的超聲波衰減的材料。分離層6包括能夠使超聲波大大衰減的材料(例如等效于真空的材料)。
圖3是根據(jù)該實施例的壓電層2和背襯層4中的每層的一部分斷面圖。圖3是沿垂直于長軸方向的短軸方向的壓電層2斷面圖。壓電層2具有包括相互層壓的第一壓電層2-1和第二壓電層2-2的兩層。一對電極7-1與7-2被設置在第一壓電層2-1的超聲波發(fā)射面和第二壓電層2-2的背面上。進一步，公共電極被設置在第一壓電層2-1與第二壓電層2-2的邊界處。上述電極7-1、7-2和8包括諸如銀、鉑、金、銅、鎳等的金屬，以便具有10μm或更小的厚度。
在此，第一壓電層2-1被形成為具有平凸形狀，也就是其超聲波發(fā)射面是平的、而其背面是凸起的。進一步，第一壓電層2-1的中心部分具有最大厚度T1max。第一壓電層2-1的厚度向其每一端減小。因此，第一壓電層2-1的每一端都具有最小厚度T1min。另一方面，第二壓電層2-2被形成為具有凹平形狀，也就是其超聲波發(fā)射面是凹的、而其背面是平的。進一步，第二壓電層2-2的中心部分具有最小厚度T2min。第二壓電層2-2的厚度向其每一端增加。因此，第二壓電層2-2的每一端都具有最大厚度T2max。隨后，與壓電層2的電極7-1和7-2接觸的面被形成在相互平行的平面上，并且第一壓電層2-1與第二壓電層2-2之間的界面凹陷到第二壓電層2-2一側。順便提及，例如可以這樣形成壓電層2，使得表達式T1max＝T2min和表達式T1min/T2max＝1/4成立。
現(xiàn)在將描述為利用上述該實施例的超聲波探頭進行超聲診斷而執(zhí)行的操作。首先，使電極7-1和電極7-2接地，并將發(fā)自發(fā)射單元32的超聲波發(fā)射信號應用于公共電極8。在此，通過超聲波脈沖產(chǎn)生電路31來控制用于驅(qū)動超聲波探頭的發(fā)射信號頻率。進一步，通過控制單元38根據(jù)要測量部位的深度來計算超聲波束的聚焦位置。操作者可以通過輸入單元39來輸入和設置要測量的部位。根據(jù)以上述方式設置的要測量部位的深度，指令從控制裝置38被發(fā)送給超聲波脈沖產(chǎn)生電路31和發(fā)射單元32，并且發(fā)射信號的頻率和聚焦位置被設置?？刂茊卧?8向接收處理單元35發(fā)送指令，以便設置受到接收處理的反射回波信號的頻率和聚焦位置，使得該頻率和聚焦位置與發(fā)射信號的頻率和聚焦位置一致。
從而，超聲波探頭被驅(qū)動，借此超聲波在壓電層2中產(chǎn)生、并從壓電層2的電極7-1側的那面發(fā)射。在此，因為壓電層2-2具有凹平形狀，因此與公知技術一樣、壓電層2-2在其兩端在低頻處共振，并且低頻聲壓增大。另一方面，因為壓電層2-1具有平凸形狀，并且在其每一端具有小厚度，因此其每一端的低頻聲壓小。結果，通過在壓電層2-2上層壓壓電層2-1，可以防止末端的低頻聲壓被加強。
在此，將參考圖4至圖6來描述與該實施例的超聲波探頭的頻率特性有關的效果。圖4顯示了該實施例的頻率特性曲線圖，圖5顯示了該實施例的頻率與聚焦深度之間的關系圖，圖6顯示了該實施例的頻率與相對聲壓之間的關系圖。在圖4中，橫軸表示頻率，并且縱軸表示相對聲壓，實線11表示短軸方向中心的頻率特性曲線，點劃線12表示中心與末端之間的中點處的頻率特性曲線，以及點線13表示末端的頻率特性曲線。進一步，在圖4中，符號fcenter表示高頻fhigh和低頻flow的中心頻率?？梢詮膱D4清楚看到，根據(jù)該實施例，高頻fhigh在中心處共振，并且低頻flow在在從末端到中心的范圍內(nèi)共振。隨后，孔徑在高頻fhigh減小，使得可以在探頭附近產(chǎn)生窄波束。另一方面，孔徑在輕微衰減的低頻flow增大，使得可以在深部位處獲得窄波束。
結果，可以獲得根據(jù)頻率來改變孔徑的功能，如圖5所示。在圖5中，橫軸表示壓電層2的短軸方向，并且縱軸表示壓電層2的厚度。因此，在低頻flow的情況下，每一端的聲壓都不高于中心處的聲壓，并且聲壓分布是均勻的，如圖6所示。隨后，信噪比(S/N)沒有降低，并且可以在從探頭附近到深部位的區(qū)域中獲得高分辨率圖像。另一方面，根據(jù)不包括壓電層2-1的公知技術，低頻分量主要在超聲波探頭短軸方向兩端處共振。隨后，獲得了由圖6的低頻flow特性圖中所示的虛線指示的相對聲壓分布，其中短軸方向每一端的聲壓變高，并且中心處的聲壓變低，從而信噪比下降。
(第二實施例)圖7顯示了根據(jù)本發(fā)明第二實施例的超聲波探頭的壓電層部分的斷面圖。第二實施例與第一實施例之間的不同之處在于壓電層2和被設置在壓電層2背面上的調(diào)節(jié)層9的雙層結構。首先，壓電層2包括兩個同樣形成的相互層壓平面壓電層2-3和2-4。被形成在壓電層2-4背面上的調(diào)節(jié)層9包括聲阻抗與壓電層2的聲阻抗近似相等的材料，如包括陶瓷、鋁、銅等的金屬。進一步，背襯層4包括聲阻抗大大小于調(diào)節(jié)層9聲阻抗、且衰減率大于調(diào)節(jié)層9衰減率的材料。例如，該材料包括橡膠、樹脂、金屬微粒(如鎢粒)等的混合物，或者橡膠、包括樹脂和氣體的珠子、微氣球等的混合物。
根據(jù)該實施例的調(diào)節(jié)層9，與壓電層2-4接觸的調(diào)節(jié)層9表面是平的，并且相對面是凹的。也就是，調(diào)節(jié)層9的厚度在短軸方向上在其中心處達到最小，并且向其每一端逐漸增大。從而，根據(jù)該實施例，調(diào)節(jié)層9與背襯層4的聲阻抗之間有較大差異。因此，超聲波在調(diào)節(jié)層9中被有效地反射，并且反射的頻率特性取決于厚度。隨后，根據(jù)該實施例的超聲波探頭，可以獲得取決于調(diào)節(jié)層9短軸方向上厚度的頻率特性，并且與第一實施例情況一樣，可以獲得圖4至圖6所示的頻率特性效果。也就是，在高頻fhigh，來自中心部分的響應高、并且孔徑減小，從而可以在附近產(chǎn)生窄波束。進一步，根據(jù)低頻flow處的聲壓，波束在短軸方向上對于整個孔徑都是均勻的，并且被聚焦在深部位處。結果，可以在從探頭附近到深部位的區(qū)域中獲得高分辨率圖像。
(第三實施例)圖8顯示了根據(jù)本發(fā)明第三實施例的超聲波探頭的壓電層部分斷面圖。第三實施例與第一實施例之間的不同之處在于，調(diào)節(jié)層9被設置在壓電層2的背面上。換句話說，將第一實施例和第二實施例的特征部分相互結合，從而既可獲得第一實施例的效果，又可獲得第二實施例的效果。即，可以實現(xiàn)短軸方向上的均勻低頻聲壓，以及用于在每個頻率獲得比過去窄的波束的孔徑可變功能。
(第四實施例)圖9顯示了根據(jù)本發(fā)明第四實施例的超聲波探頭的壓電層部分斷面圖。第四實施例與第一實施例之間的不同之處在于，壓電層2的斷面形狀是凹的，如圖9所示，并且聲匹配層3的斷面是凹的，使得聲匹配層3的斷面與壓電層2的斷面匹配。即，這樣形成壓電層2，使得其超聲波發(fā)射面和背面是凹的，并且相互平行。發(fā)射側的壓電層2-1的厚度在其中心達到最大，向其每一端逐漸減小，并在其每一端達到最小。另一方面，背面那側的壓電層2-2厚度在其中心達到最小，并向其兩端逐漸增大，使得其厚度在每一端達到最大。進一步，背襯層4被形成為與壓電層2-2的凹形背面匹配。進一步，除去聲透鏡，并且利用聲阻抗和聲速與病人身體的聲阻抗和聲速近似相等的材料來形成蓋部件(cover member)10。例如，材料包括聚氨基甲酸乙酯、助熔劑、聚丁橡膠、聚亞氨酯(polyurethane)等。進一步，蓋部件10具有凹形形狀，使得蓋部件10與身體良好地接觸。根據(jù)該結構，通過凹形壓電層2來實現(xiàn)短軸可變聚焦功能，并且可以使波束聚焦。結果，因為可以無需使用聲透鏡就使波束聚焦，因此超聲波的衰減減小了，并且可以獲得高度靈敏的圖像。
(第五實施例)圖10顯示了根據(jù)本發(fā)明第五實施例的超聲波探頭的壓電層部分斷面圖。第五實施例與第二實施例之間的不同之處在于壓電層2的斷面是凹的，如圖10所示，并且聲匹配層3的斷面形狀是凹的，使得聲匹配層3的斷面與壓電層2的斷面匹配。即，壓電層2被形成為凹形，其中壓電層2的超聲波發(fā)射面和背面相互平行。進一步，調(diào)節(jié)層9被設置在壓電層2的背面上，其中調(diào)節(jié)層9的厚度在其中心處達到最小，向其兩端增大，并在兩端達到最大。隨后，可以獲得取決于該厚度的頻率特性。進一步，提供了蓋部件10來代替聲透鏡。調(diào)節(jié)層9和蓋部件10的材料與第四實施例中一樣。根據(jù)第五實施例，通過凹形壓電層2獲得了短軸可變聚焦功能，并且可以使波束聚焦。結果，可以無需使用聲透鏡就使波束聚焦，超聲波的衰減減小了，并且可以獲得高度靈敏的圖像。
(第六實施例)圖11顯示了根據(jù)本發(fā)明第六實施例的超聲波探頭的壓電層部分斷面圖。第六實施例是第四實施例和第五實施例的結合，并且可以獲得包括上述兩個實施例的效果的效果。即，可以實現(xiàn)短軸方向上的均勻低頻聲壓，以及用于在每個頻率獲得比過去窄的波束的孔徑可變功能。進一步，因為沒有使用透鏡，因此衰減減小了、并且可以獲得高度靈敏圖像。
(第七實施例)圖12顯示了根據(jù)本發(fā)明第七實施例的超聲波探頭的壓電層部分斷面圖。根據(jù)該實施例，第一壓電層2-1具有平凸形狀，其中第一壓電層2-1的超聲波發(fā)射面是平的、并且背面是凸的，與圖3所示實施例的情況一樣。進一步，第二壓電層2-2具有凹平形狀，其中第二壓電層2-2的超聲波發(fā)射面是凹的、并且背面是平的。第一壓電層2-1與第二壓電層2-2之間的界面被形成為脊線與短軸方向中心部分相對應的峰(crest)。進一步，公共電極8被形成在該界面上。
根據(jù)該實施例，與圖3所示實施例的情況一樣，每一端的低頻聲壓都低于中心部分的低頻聲壓，并且聲壓分布是均勻的。因此，信噪比沒有降低，并且可以在從探頭附近到深部位的區(qū)域中獲得高分辨率圖像。
進一步，在該實施例中，也可以將圖7所示的調(diào)節(jié)層9設置在第二壓電層2-2的背面那一側。
(第八實施例)圖13顯示了根據(jù)本發(fā)明第八實施例的超聲波探頭的壓電層部分斷面圖。該實施例是通過以下方式實現(xiàn)的更改圖11所示實施例的第一和第二壓電層2-1和2-2的結構，使得它們之間的界面被形成為脊線與短軸方向中心部分相對應的峰，與圖12中的情況一樣。因此，與圖11所示實施例的情況一樣，可以實現(xiàn)短軸方向上的均勻低頻聲壓，以及用于在每個頻率產(chǎn)生比過去窄的波束的孔徑可變功能。進一步，因為沒有使用透鏡，因此衰減減小了，并且可以獲得高分辨率圖像。
進一步，根據(jù)該實施例，可以將圖7所示的調(diào)節(jié)層9設置在第二壓電層2-2的背面那一側。
(第九實施例)圖14顯示了根據(jù)本發(fā)明第九實施例的超聲波探頭的壓電層部分斷面圖。在該實施例中，聲匹配層3被設置在根據(jù)圖12所示實施例的壓電層2的超聲波發(fā)射側，并提供了通過將聲透鏡5的形狀變成凹形而獲得的聲透鏡11。根據(jù)凹形聲透鏡11，其薄部分的聲壓與厚部分的聲壓是不同的，使得超聲波束在短軸方向上變得更窄，并且由于附加到上面的壓電層2的結構，使低頻超聲波束變窄。隨后，有可能實現(xiàn)用于產(chǎn)生在每個頻率都比過去窄的波束的孔徑可變功能。
凹形聲透鏡11可以用于其它實施例。進一步，在該實施例中，可以將圖7所示的調(diào)節(jié)層9設置在第二壓電層2-2的背面那一側。
(第十實施例)圖15顯示了根據(jù)本發(fā)明第十實施例的超聲波探頭的壓電層部分斷面圖。根據(jù)該實施例，第一壓電層12-1具有平凸形狀，其中第一壓電層12-1的超聲波發(fā)射面是平的、并且背面是凸的，與圖3所示實施例的情況一樣。進一步，第二壓電層12-2具有凹平形狀，其中第二壓電層12-2的超聲波發(fā)射面是凹的、并且背面是平的。第一壓電層12-1與第二壓電層12-2之間的界面包括被設置在短軸方向中心部分并且向第二壓電層那一側凸出的平面部分；以及被設置在界面兩端的每一端、并且向第一壓電層那一側凸出的平面部分。公共電極8被設置在該界面上。
根據(jù)該實施例，與圖3所示實施例的情況一樣，每一端的低頻聲壓都不高于中心部分的低頻聲壓，并且聲壓分布是均勻的。隨后，信噪比沒有降低，并且可以在從探頭附近到深部位的區(qū)域中獲得高分辨率圖像。進一步，在該實施例中，也可以將圖7所示的調(diào)節(jié)層9設置在第二壓電層12-2的背面那一側。
(第十一實施例)圖16顯示了根據(jù)本發(fā)明第十一實施例的超聲波探頭的壓電層部分斷面圖。在該實施例中，壓電層13包括第一壓電層13-1和第二壓電層13-2，其中每個壓電層都具有預定厚度。用于第一壓電層13-1的壓電材料的密度在短軸方向上從中心部分向末端逐漸減小。用于第二壓電層13-2的壓電材料的密度在短軸方向上從中心部分向末端逐漸增大。隨后，第一壓電層13-1的頻率常數(shù)從中心部分向兩端增大，并且第二壓電層13-2的頻率常數(shù)從中心部分向兩端減小，從而可以調(diào)節(jié)短軸方向的頻率響應特性。可以通過改變諸如上述壓電陶瓷的壓電材料的孔隙度，來調(diào)節(jié)該壓電材料的密度。進一步，可以通過把樹脂等混合到壓電材料中，來改變壓電材料的密度。
根據(jù)該實施例，有可能實現(xiàn)短軸方向上的均勻低頻聲壓分布，以及用于在寬頻帶內(nèi)獲得窄波束的孔徑可變功能。進一步，在該實施例中，圖7所示的調(diào)節(jié)層9被設置在第二壓電層13-2的背面那一側，壓電層被形成為凹形，如圖9所示，并且提供了圖14所示的凹形聲透鏡11。即，如果需要，可以使用其它實施例的特征技術。
進一步，可以通過調(diào)節(jié)壓電材料的彈性常數(shù)，而不是調(diào)節(jié)壓電材料的密度，來獲得相同效果，如上述實施例一樣。在那種情況下，在短軸方向上第一壓電層13-1的彈性常數(shù)在中心處達到最小，并且向末端逐漸增大。在短軸方向上第二壓電層13-2的彈性常數(shù)在中心處達到最大，并且向末端逐漸減小。
如已經(jīng)描述的，根據(jù)本發(fā)明的每個實施例，頻率響應特性在短軸方向上從中心部分向兩端變化，使得在中心部分獲得從低頻帶到高頻帶范圍的寬帶，并在末端獲得其中高頻響應減小的窄帶。進一步，在低頻，每一端的聲壓都沒有增大，從而可以在從中心部分到末端的范圍內(nèi)獲得均勻的聲壓。進一步，在高頻，來自中心部分的響應增大了，使得在探頭附近實現(xiàn)聚焦。在低頻，由于對整個孔徑的響應的緣故，可以在深部位實現(xiàn)聚焦，從而可以獲得高分辨率圖像。
權利要求
1.一種超聲波診斷設備，包括具有多個換能器的超聲波探頭；發(fā)射裝置，用于發(fā)射用來驅(qū)動超聲波探頭換能器的超聲波信號；接收處理裝置，用于對超聲波探頭收到的反射回波信號執(zhí)行接收處理；圖像處理裝置，用于基于被接收處理裝置處理的反射回波信號來重構超聲波圖像；以及圖像顯示裝置，用于顯示圖像處理裝置重構的超聲波圖像，其中，超聲波探頭包括多個超聲換能器的陣列，多個超聲換能器具有壓電層和把壓電層夾在中間的一對電極，其中壓電層包括被設置在超聲波發(fā)射側的第一壓電層、被設置在第一壓電層另一側的第二壓電層、以及被設置在第一和第二壓電層之間的公共電極，以及其中，第一和第二壓電層被配置成，垂直于超聲換能器排列方向的短軸方向的中心部分的相對聲壓變得比每一端的相對聲壓高。
2.根據(jù)權利要求1所述的超聲波診斷設備，其中每個超聲換能器都包括在垂直于超聲換能器排列方向的短軸方向上的均勻低頻響應分布，以及短軸方向上中心部分的高頻響應分布。
3.根據(jù)權利要求1所述的超聲波診斷設備，其中第一壓電層與第二壓電層之間的界面被形成為凹陷到第二壓電層那一側的曲面。
4.根據(jù)權利要求1所述的超聲波診斷設備，其中包括具有與用于壓電層的壓電材料聲阻抗近似相等的聲阻抗的材料的調(diào)節(jié)層被設置在第二壓電層的超聲波非發(fā)射側，并且調(diào)節(jié)層的厚度在短軸方向上從中心部分向末端逐漸增大。
5.根據(jù)權利要求1所述的超聲波診斷設備，進一步包括被設置在一對電極之一的表面上的聲匹配層，以及被設置在另一電極的表面上的背襯層。
6.根據(jù)權利要求1所述的超聲波診斷設備，其中第一壓電層末端在短軸方向上的厚度小于第一壓電層中心部分的厚度，并且第二壓電層末端的厚度大于第二壓電層中心部分的厚度。
7.根據(jù)權利要求1所述的超聲波診斷設備，其中第一和第二壓電層與一對電極接觸的面的每一面都是平的，并且第一壓電層和第二壓電層之間的界面被形成為脊線與短軸方向中心部分相對應的峰。
8.根據(jù)權利要求1所述的超聲波診斷設備，其中第一和第二壓電層與一對電極接觸的面的每一面都是平的，并且第一壓電層和第二壓電層之間的界面包括被設置在短軸方向中心部分上并且向第二壓電層那一側凸出的平面部分，以及被設置在兩端的每一端并且向第一壓電層那一側凸出的平面部分。
9.根據(jù)權利要求1所述的超聲波診斷設備，其中第一壓電層的超聲波發(fā)射側那一面是凹的，第二壓電層的超聲波非發(fā)射側那一面是凸的，并且第一壓電層和第二壓電層之間的界面凹陷到第二壓電層那一側、并且該界面的曲率大于第一壓電層的超聲波發(fā)射側那一面的曲率。
10.根據(jù)權利要求1所述的超聲波診斷設備，其中第一壓電層的超聲波發(fā)射側那一面是凹的，第二壓電層的超聲波非發(fā)射側那一面是凸的，并且第一壓電層和第二壓電層之間的界面被形成為脊線與短軸方向中心部分相對應的峰。
11.根據(jù)權利要求1所述的超聲波診斷設備，其中第一和第二壓電層中每一壓電層都包括預定厚度，包括具有與用于壓電層的壓電材料聲阻抗近似相等的聲阻抗的材料的調(diào)節(jié)層被設置在與第二壓電層接觸的電極的背面上，并且在垂直于超聲換能器排列方向的方向上調(diào)節(jié)層的厚度從中心部分向末端逐漸增大。
12.根據(jù)權利要求1所述的超聲波診斷設備，其中第一和第二壓電層中每一壓電層都包括預定厚度，用于第一壓電層的壓電材料的密度在短軸方向上從中心部分向末端減小，并且用于第二壓電層的壓電材料的密度在短軸方向上從中心部分向末端增大。
13.根據(jù)權利要求1所述的超聲波診斷設備，其中第一和第二壓電層中每一壓電層都包括預定厚度，在短軸方向上第一壓電層中心部分的彈性常數(shù)小、并且向末端逐漸增大，并且在短軸方向上第二壓電層中心部分的彈性常數(shù)大、并且向末端逐漸減小。
全文摘要
公開了一種超聲波探頭與超聲波診斷設備，所述探頭具有多個具有壓電層2和把壓電層2夾在中間的一對電極7－1和7－2的超聲換能器的陣列。壓電層2具有被設置在超聲波發(fā)射側的第一壓電層2－1、被設置在第一壓電層2－1另一側的第二壓電層2－2、以及被設置在第一壓電層2－1和第二壓電層2－2之間的公共電極8。每個超聲換能器都具有在垂直于超聲換能器排列方向的短軸方向上的均勻低頻響應分布，以及短軸方向上中心部分的高高頻響應分布。通過第二壓電層來補充第一壓電層的短軸方向頻率和聲壓特性，借此獲得相對短軸方向上低頻的均勻頻率特性。
文檔編號G10K11/00GK1741770SQ200480002608
公開日2006年3月1日 申請日期2004年1月23日 優(yōu)先權日2003年1月23日
發(fā)明者岡崎英樹, 泉美喜雄 申請人:株式會社日立醫(yī)藥