具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种可变焦的多频超声换能器及具有其的超声成像系统、方法。本发明的多频超声换能器，包括第一换能器组件和第二换能器组件，第二换能器组件包括两个及以上的换能器，其数量具体可以是两个、三个、四个或是更多。第一换能器组件居中，第二换能器组件排列在第一换能器组件的两侧或周围，具体为第二换能器组件排列在第一换能器组件的两侧或三侧，或排列在第一换能器组件的四周。其中，第二换能器组件的频率低于第一换能器组件的频率。可以是第二换能器组件的频率为1-5MHz；第一换能器组件的频率为5-30MHz。因此，在本发明中，第一换能器组件的换能器形成多频超声换能器中频率相对较高的高频单元，第二换能器组件的换能器形成多频超声换能器中频率相对较低的低频单元。

每个第一换能器组件和每个第二换能器组件均包括层叠设置的背衬层、压电层和匹配层。该多频超声换能器还包括一体式声透镜，一体声透镜同时层叠在第一换能器组件的匹配层前侧和第二换能器组件的匹配层前侧。第二换能器组件用于进行声学信号的输出，第一换能器组件用于声学信号的接收。对多个换能器采用非叠加式结构进行整合，避免换能器之间的相互干扰。

实施例1

本实施例提供了一种双频换能器的具体结构。参见图1和图2，该双频换能器的第一换能器组件1包括一个高频单元和第二换能器组件2包括两个低频单元；第一换能器组件1的类型可以是线阵或面阵换能器,可以是相控阵或非相控阵换能器。每个换能器包括背衬层3、柔性电路板4、压电层5和匹配层6，其中，背衬层3、压电层5和匹配层6依次层叠排列。第二换能器组件2的两个低频单元平行并排设置在紧靠第一换能器组件1的两侧，双频换能器的第一换能器组件1和第二换能器组件2的匹配层6在同一平面上，所有换能器由一块一体式声透镜7连接，一体式声透镜7同时层叠在第一换能器组件1的匹配层6前侧和两个第二换能器组件2的匹配层6前侧。一体式声透镜7的表面尺寸与双频换能器排列之后形成的匹配层6大小一致。

定义与压电层5的表面垂直的方向为第一方向，一体式声透镜7具有聚焦特性，用于沿第一方向将第一换能器组件1和第二换能器组件2发出的不同频率的超声波聚焦于单体靶点或多个预设靶点。一体式声透镜7的物理参数可变，具有不同的物理参数的一体式声透镜7使多频换能器发出的超声波聚焦在第一方向上的同一深度，或使多频换能器发出的超声波第一方向上的不同深度。其中，一体式声透镜7的形状可以是凹型或者凸型，匹配层6数量为一层或多层，匹配层6和背衬层3制备工艺包括直接粘接，铸造，离心以及气相沉积等方法。声透镜的一体化结构式设计简化了设备的制备流程与难度，提高了设备的整合性与一致性。多个换能器成并排或环绕型排列,无叠加结构，消除了第一换能器组件1和第二换能器组件2之间的影响。

定义垂直于如图1所示的多频超声换能器的截面的方向为第二方向，第一方向与第二方向交叉或垂直，多频换能器的焦点位置在第二方向上可变。定义与压电层5的表面平行的方向为第三方向，一体式声透镜7的物理参数可变还可以使多频换能器能够聚焦于第三方向上的不同位置。

压电层5包括设置在一侧表面的地电极面和设置在另一侧表面的信号电极面，地电极面和信号电极面分别具有电极，且信号电极面的电极割开使压电层形成多个压电阵元。具体地，在地电极面体现为阵元呈阵列结构排列，阵元间隙中填充有声学去耦材料，具体地可以是一维线阵或二维面阵；信号电极面表面的电极按照地电极面的阵元间隙切开，使得阵元之间的电信号彼此独立。压电层5的阵列式设计为换能器提供了电子聚焦的能力，使得换能器在两个维度上的焦点位置可变，大幅提升了换能器的聚焦效率和聚焦范围。进一步，压电层5的阵列式设计和一体式声透镜7的同时存在，使得第一换能器组件1和第二换能器组件2可以同时实现如图3a所示的可变电子聚焦和如图3b所示的声透镜物理聚焦两个方向的聚焦功能，大幅提升对靶点位置的准确度和图像的分辨率。可选地，压电层5的材料可以是传统压电材料，也可以是1-3复合压电材料或者2-2复合压电材料。

柔性电路板4用于实现压电层5与外部电路的电气互连，包括若干个电极引线和2个地线，柔性电路板4中的导线与压电层5的每个阵元一一对应贴合，每根导线宽度小于阵元宽度。压电层5的阵元为一维阵列结构时，柔性电路板4可以是将阵元引线从单侧引出，也可以是从两侧穿插式引线将阵元引线引出。第一换能器组件1的阵元间距过小，单侧引线密度太大，优选地采用两侧穿插式引线的方式，具体体现为在单侧每间隔一个阵元进行一次引线。相邻两个阵元的引线分别从两侧引出，两条引线在垂直于阵元引线的方向上互相相差一个阵元间距的位置。若压电层5的阵元为二维阵列结构，柔性电路板4可以是将阵元引线从一侧或两侧或四侧将阵元引线引出。

柔性电路板4与压电层5进行连接时可以是直接覆盖住压电层5的整个表面，将位于压电层5与背衬层3中间；也可以是在阵元两侧预留小段额外的连接区域，在一块柔性电路板4上裁切出镂空区域，用于将阵元电性信号与柔性电路板4连接，使柔性电路板4仅覆盖压电层5上的连接区域表面，压电层5能够直接接触背衬层3以获得更好的吸声效果。在一些实施例中，也可以是在压电层5两侧分别采用多块柔性电路板4通过阵元两侧预留小段额外的连接区域将柔性电路板4与阵元电性信号连接，使压电层5能够与背衬层3直接接触。由于第一换能器组件1对信号的干扰和衰减敏感，优选地，采用将柔性电路板4中间挖空的形式或采用两块柔性电路板4与压电层5连接以获得更好的吸声效果。在本实施例中，柔性电路板4覆盖在信号电极面表面，与信号电极面按照导线与阵元一一对应的关系用环氧树脂进行粘合。

将第二换能器组件2设置在第一换能器组件1左右两侧的多频换能器的形成的聚焦焦点的位置具有一定规律：

如本实施例所述的双频换能器，第一换能器组件1两侧的第二换能器组件2分别为第一低频单元和第二低频单元。第一低频单元和第二低频单元发出的超声波通过一体式声透镜7沿第一方向聚焦。第一低频单元和第二低频单元发出的超声波通过一体式声透镜7后形成的聚焦焦点在第一换能器组件1的中心线上，或者，在第一换能器组件1的超声波作用区域内。

若第一低频单元、第二低频单元和第一换能器组件1均向外发射超声波，超声波通过一体式声透镜7沿第一方向聚焦。第一低频单元、第二低频单元和第一换能器组件1发出的超声波通过一体式声透镜7后形成的聚焦焦点在第一方向上重合，或在第一换能器组件1在第一方向上的中心线上的不同位置。

本实施例的双频换能器由于换能器之间互不影响，可以同时进行低频激励高频成像的超谐波成像和弹性成像模式,以及多频段换能器的无干扰同步高质量超声成像模式,具备多模态成像特性。例如,如图4a所示多频段的换能器利用共聚焦特性对单体靶点进行多频同步成像从而提升成像质量；如图4b所示为用多频特性对同一截面或不同截面上不同位置和深度的靶点进行同步成像,增强换能器的成像范围和成像效率；如图5a所示为对同一聚焦靶点位置进行低频信号激励和高频信号接收的超谐波成像和弹性成像；如图5b所示为对不同深度的靶点位置进行同步低频激励和高频成像,或使用一对高频单元和低频单元对同一靶点位置进行同步超谐波成像/弹性成像并同时利用另一个换能器进行基波成像或引导。

本发明适用于所有频率范围的阵列超声换能器，本实施例仅提供了一种双频换能器的具体结构，按照本发明的原理，本领域技术人员可以将多个换能器按照第二换能器组件2环绕第一换能器组件1排列或第二换能器组件2与第一换能器组件1并排排列的形式组合成多频超声换能器。其中，第二换能器组件2的数量不受限制。

实施例2

本实施例提供了如图6所示的由一个第一换能器组件1和两侧的第二换能器组件2组成的双频超声换能器的制作方法，具体包括以下步骤：

在压电层5的地电极面制作一维线阵式的阵元，溅射地电极面的电极：

将压电片两面磨平，厚度大于第一预设厚度。根据预设的阵元数量和阵元间距在地电极面上进行一维方向的切割，切割深度大于最终预计深度，但不切穿压电片。在切缝中填入绝缘环氧树脂作为声学去耦材料，待环氧树脂干燥固化后将表面多余的环氧树脂磨去，直至露出压电材料的表面，再对其进行抛光处理，得到一维线阵式压电层5。在地电极面的表面溅射上电极，记下样品厚度。具体的，第一换能器组件1和第二换能器组件2的阵元数量和阵元间距不同，对不同的换能器分别根据其各自的阵元数量和阵元间距在压电片表面进行切割。在本实施例中，压电层5的材料是陶瓷。

在压电层5的地电极面上叠加制作匹配层6，溅射信号电极面的电极：

在地电极面上利用离心的方法沉积一层调制好组分的匹配层6，干燥凝固后将其厚度磨至第二预设厚度，并记下压电层5和第一层匹配层6叠层样品总厚度。之后在第一层匹配层6上继续利用离心的方法沉积第二层匹配层6，干燥凝固后将第二匹配层6的厚度磨至第二预设厚度。将叠层样品翻面，信号电极面朝上，将压电片磨至第一预设厚度并抛光。在信号电极面的表面溅射上电极后再沿压电层5地电极面上的一维线阵的切缝浅浅的切开表面的电极，使得阵元之间的电信号彼此独立。

压电层5与柔性电路板4电性连接，将压电层5电路引出：

按照第二换能器组件2和第一换能器组件1不同的阵元间距和数量定制相应的柔性电路板4，根据阵元尺寸、数目以及排布方式，设计柔性电路板4的线路设计图，其中，柔性电路板4包含若干个电极引线和2个地线，且电路板中的导线能与每个阵元一一对应贴合，每根导线宽度要小于阵元宽度。

柔性电路板4覆盖在信号电极面的表面上引出压电层5电路，具体地，柔性线路板将第二换能器组件2的阵元引线从单侧引出；第一换能器组件1由于阵元间距过小，单侧引线的密度太大，故采取两侧穿插式引线，在单侧表现为每间隔一个阵元进行一次引线。相邻两个阵元的引线分别从两侧引出，两条引线在垂直于阵元引线的方向上互相相差一个阵元间距的位置。在一些实施例中，第二换能器组件2的柔性电路板4直接覆盖住整个信号电极面；第一换能器组件1的柔性电路板4中间挖空，阵元电学信号依靠阵元两侧预留额外的连接区域与柔性电路板4进行连接。将柔性电路板4与信号电极面按照导线与阵元一一对应的关系进行粘合。具体地，可以采用环氧树脂进行粘合。

制作背衬层3：

按照一定的配比关系将背衬层3的材料混合均匀并离心、固化，并打磨平整至所需尺寸，使用夹具将制作好的背衬块通过环氧树脂粘贴至柔性电路板4上形成背衬层3。在一些实施例中，背衬层4叠加在信号电极面上，如压电层5上预留小段额外的连接区域与柔性电路板4连接时，背衬层4与信号电极面直接接触。

制作一体式声透镜7，整合双频换能器：

一体式声透镜7的制备包括两种方式：方式一为采取独立加工，使用TPX材料或将环氧树脂固化后加工至透镜预设的大小和内凹曲率，厚度加工至略厚于第三预设厚度，外形为一面为平面另一面为内拱形的扁长方体。将拱形一面放置在具有相同曲率和尺寸但为凸起的模具上完全贴合和固定，对平整的表面进行打磨，将一体式声透镜7打磨至第三预设厚度。一体式声透镜7的表面尺寸与双频换能器排列之后形成的大小一致。在本实施例中，将第二换能器组件2包括两个低频单元，将两个低频单元平行并排设置在紧靠第一换能器组件1的两侧，使用绝缘的粘合剂通过换能器的侧面将双频换能器进行粘合，保证双频换能器匹配层6一面的平整。接着将制备好的声透镜通过夹具用环氧树脂与换能器的匹配层6面进行贴合与固定。

方式二的制备方式为浇筑式，先将换能器排列组合，使用绝缘的粘合剂对换能器进行粘合，保证双频换能器第二匹配层6在同一平面上。在本实施例中，将第二换能器组件2的两个低频单元平行并排设置在紧靠第一换能器组件1的两侧，通过换能器的侧面将双频换能器进行粘合。将连接固定好的换能器，放入一种特殊定制的模具中，该模具具有与所需透镜一样的曲率但为凸起形状，换能器放入后在换能器和模具中间形成一层空隙，该空隙的形状尺寸即为透镜所需的形状和厚度，再将流动性的环氧树脂灌入空隙，固化后清除多余毛刺。

将制作完成的上述样品装入绝缘外壳中进行封装，柔性电路板4通过标准接口于外部电路相连接。

本实施例提供的是一种能够快速的制作符合本发明要求的换能器方法，其部分步骤可以调整，例如先加工压电片，并分别在地电极面和信号电极面上溅射电极，然后在将压电层5与柔性电路板4电性连接，再在地电极面上叠加制作匹配层6。

本实施例中以双频换能器的制作为例，结合本发明的多频超声换能器结构和本实施例的流程，本领域技术人员可以制作更多的换能器组合成多频超声换能器。

实施例3

本实施例提供了一种超声成像系统，包括实施例1所述的多频超声换能器。

一体式声透镜7能够实现对第一换能器组件1和第二换能器组件2的沿第一方向的聚焦。第一换能器组件1和第二换能器组件2发出的不同频率的超声波沿第一方向的聚焦位置的变化可通过一体式声透镜7的物理参数调整实现，聚焦位置位于第一方向同一深度的不同位置，或位于第一方向上的不同深度。调整一体式声透镜7的物理参数也可以将第一换能器组件1和第二换能器组件2发出的不同频率的超声波聚焦于第三方向上的不同位置。超声成像系统还设置有控制单元，用于产生对第一换能器组件1和第二换能器组件2的沿第二方向的聚焦调节信号，使多频超声换能器能实现沿第二方向的焦点位置可变的聚焦。具体地，控制单元调节多频换能器的激励系统的工作，能够调整电子波束合成，第二方向聚焦位置的变化通过对电子波束合成(即阵列的电子相控阵延时)进行调整实现。

本实施例的超声成像系统通过对第一换能器组件1和第二换能器组件2的焦点位置的控制，以及对第一换能器组件1和第二换能器组件2的控制进行成像，能够实现多种成像模式，具体包括：

第一种成像模式：通过一体式声透镜7的结构特性实现对第一换能器组件1和第二换能器组件2的沿第一方向的聚焦于一预设单体靶点，调节1第一换能器组件和第二换能器组件2的沿第二方向的焦点位置，使第一换能器组件1和第二换能器组件2的沿第二方向的焦点位置也为上述预设单体靶点，控制第一换能器组件1的频率和第二换能器组件2的频率,对单体靶点进行多频同步成像。

第二种成像模式：通过一体式声透镜7的结构特性以及控制第一换能器组件1的频率和第二换能器组件2的频率，使第一换能器组件1和第二换能器组件2聚焦于同一截面或不同截面上多个不同位置和深度的靶点，对各靶点进行同步成像。

综上所述，本发明提供了一种将第二换能器组件排列在第一换能器组件的周围，一个一体式声透镜同时层叠在第一换能器组件给第二换能器组件的匹配层前侧的多频超声换能器，该多频超声换能器无叠加结构，消除了第一换能器组件和第二换能器组件之间的影响。由于换能器之间互不影响,可同时进行多频段的高质量超声成像,超谐波成像和弹性成像的多模态成像模式。压电层的阵列式设计为换能器提供了电子聚焦的能力，使得换能器在两个维度上的焦点位置可变，大幅提升了换能器的聚焦效率和聚焦范围。进一步，压电层的阵列式设计和声学透镜的同时存在，使得第一换能器组件和第二换能器组件可以同时实现电子聚焦和物理聚焦，大幅提升对靶点位置的准确度和图像的分辨率。该多频超声换能器可适用于所有工作频率范围的阵列超声换能器，且无内置机械结构,工艺简单，可靠性高，可操作性强，声透镜的一体化结构式设计简化了设备的制备流程与难度，提高了设备的整合性与一致性。应用该多频换能器的超声成像系统通过对第一换能器组件和第二换能器组件的控制能够实现多种成像模式。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，除了以上实施例以外，还可以具有不同的变形例，以上实施例的技术特征可以相互组合，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。