的3D 空间中的点。在一些实施例中，理想情况下，运样的点是与具有一致的半球形形状的所产生 的波前相对应的无限小的点。在其中运样的波形由单个小元件产生的实施例中，运样的点 可W位于换能器元件的表面上。如本文中所使用的，术语"半球形脉冲"和"半球形波前"可 W是指具有球形截面形状的任何超声波前，包括具有大于或小于理想的半球形的近似球形 截面形状的波前。类似地，术语"半圆形脉冲"和"半圆形波前"可W是指在成像平面中出现 的W具有圆形截面形状的任何超声波前，包括具有大于或小于理想半圆形的大致圆形截面 形状的波前。
[0124] 在一些情况下，来自公共传送/接收阵列的多个(例如，两个、=个、四个或更多个） 小换能器元件可W同时被激励W产生能量比由单个元件所产生的能量更多的ping。作为实 际问题，当使用多个小元件来近似点源传送器时，"点'可W有效地更大并且更多地被展开， 其可W倾向于引起使用中屯、"点"作为所传送的Ping的位置(并且，通过扩展，作为表示用于 任意给定的行进时间的所有点的轨迹的楠球体的焦点连同接收元件的位置中的其中一个） 进行波束成形计算的精度损失。运样分散的或"涂抹的"传送点还可能导致由理想的半球形 产生的波形的形状的可能不期望的变化。一些变化可能不可避免地存在于任何点源传送器 中，但是更好的结果可W用产生尽可能接近理想的波形的点源传送器来实现。
[0125] 另一备选解决方案是提供一种被成形并且被配置成产生"看起来"源自点源(换言 之，表观点源）的相对较高功率的波形的大换能器。当执行波束成形计算W基于所接收的回 波的定时来确定反射器的位置时，表观点源的位置可W被用作所传送的Ping波前的原点。 在一些实施例中，用于传送换能器的特别合适的形状可W包括凹进的和凸起的球形盖。凸 起的球形盖通常可W在本文中被称为"圆顶状"，而凹进的球形盖可W被称为"碗状"。下文 提供并入运种换能器元件的示例的成像探头的一些示例。
[0126] 当限定半球面波前的原点的点位于除了产生波前的换能器的表面上之外的某处 时，表观点源可W存在。如果假设介质在换能器下面或前面，则位于换能器表面上方或后面 的表观点源可W在本文中被称为"负"表观点源。另一方面，位于换能器表面的下方的表观 点源可W在本文中被称为"正"表观点源。被配置成产生看起来源自表观点源的波前的换能 器可W在本文中被称为"表观点源换能器"。
[0127]图1图示了表观点源传送换能器10的实施例，该表观点源传送换能器10包括相对 于所成像的介质具有=维凸起的换能表面12的相对较大的圆顶状超声换能器(例如，在目 标介质中球面半径15大于超声波长）。凸起的圆顶状换能器10可W用来在换能器上方或之 内的点处产生负表观点源传送器，W便产生所期望的形状的波前向下进入到待成像对象 中。在图1中还示出了由圆顶状换能器10产生的示例传播Ping波形20。如由射线线路22所指 示的，波前20的形状与从换能器10的球面中屯、处的点16发出的波前的形状一样。
[01%]表观点源换能器10可W包括表现压电特性的材料的壳体14。壳体14可W整体具有 基本上恒定的厚度。换能器10还可W包括从换能器壳体14的内部表面18延伸的一个或多个 电性导体。在圆顶状换能器的情况下，壳体14内的凹进体积可W填充有声学阻尼材料。合适 的声学阻尼材料的示例包括聚氨醋类、丙締酸类、环氧树脂类(例如，渗杂的环氧树脂类，诸 如渗杂鹤环氧树脂)或任何其它合适的声学支撑材料。
[0129] 在理论上，呈完整球体的形状的换能器可W在球体中屯、处产生具有表观原点的完 美的球形波前。然而，需要机械和电气控制实际成像系统中的换能器就必须截断球体到一 定程度。因此，在一些实施例中，凸起的圆顶状表观点源换能器1〇(诸如图1所示的那个）的 形状可W是被截断W形成球形盖的球体。
[0130] 图2A、图2B和图2C的图图示了从其中可W通过截断平面24截出球形盖15的完整球 体23的剖视图。截断平面24可W穿过球形中屯、点16、可W在球形中屯、点16上方或下方通过。 在一些实施例中，截断平面24可W与球形中屯、点16相交，从而产生如图2A所示的恰好是半 个球体的球形盖25曰。在备选实施例中，截断平面24可W在球面中屯、16上方的点处穿过球体 23,从而产生如图2B所示的小于半个球体的球形盖25b。在其它实施例中，截断平面24可W 在球面中屯、16下方的点处通过球体23,从而产生如图2C所示的大于半个球体的球形盖25c。
[0131] 截断平面24和球体23的交点28将在本文中被称为根据W下等式剪切半径在数学 上与球面半径有关的剪切圆：
[0132] a = sqd(R2-E2)
[0133] 其中，a是剪切半径，R是球面半径并且E是剪切高程。R-E是球形盖的高度化）。
[0134] 所得的球形盖的表面面积根据W下等式还在数学上与球面半径(R)和剪切高程 化)有关：
[0135] Acap =巧 3t*R* (R-E)
[0136] 在上述等式中使用的球面半径应该是到预期有源换能器表面的半径。因此，对于 由厚度为t的换能器壳体制成的凸起的圆顶状换能器，可W使用等于内部半径加上厚度的 外部球面半径来计算换能器表面面积。
[0137] 通过球形中屯、16的截断平面24和平行平面27之间的垂直距离26将在本文中被称 为剪切高程。剪切高程可W被表示为实际距离或被表示为球面半径29的百分比。恰好为零 的剪切高程与完美的半球形盖相对应，而99%的剪切高程可能产生表面面积约为完整球体 的0.5%的非常小的盖部分。如本文中所使用的，正剪切高程是指其中所得的球形盖小于半 个球体的球形盖(诸如图2B所示的那个），并且负剪切高程是指其中所得的球形盖大于半个 球体的球形盖(诸如图2C的那个）。
[0138] 图3A至图3D图示了可W由具有一系列的剪切高程的表观点源换能器产生的3D波 形33a-33d的二维剖视图。图3A表示由剪切高程为零的表观点源换能器产生的模拟3D波形 33曰，运意味着凸起的换能器的表面约为半个球体（即，约完整球体的50%)并且剪切半径等 于球面半径。如图所示，由于圆顶状换能器的边缘效果，功率高于所期望的阔值的所得的波 形33a的部分可W稍微小于完美的半球形。图3B表示由剪切高程约为球面半径的60%的表 观点源换能器产生的模拟3D波形33b，运意味着它的凸起的换能器表面约为完整球体的 20%并且剪切半径约为球面半径的80%。图3C表示由剪切高程约为球面半径的98%的表观 点源换能器产生的模拟3D波形33c，运意味着它的凸起的换能器表面约为完整球体的1%并 且剪切半径约为球面半径的20%
[0139] 图3D表示可W由剪切高程为稍微负的表观点源换能器产生的3D波形33d。例如，波 形33d可能由剪切高程为球面半径的-20%的表观点源换能器产生，运意味着它的凸起的换 能器表面约为完整球体的60%并且剪切半径约为球面半径的98%。尽管图3A至图3D的示例 基于凸起的表观点源换能器，但是可W用具有凸起的球形盖形状的表观点源换能器实现类 似的结果。
[0140] 在任何情况下，当使用形状为球形盖的超声换能器执行基于Ping的非聚焦超声成 像时，球形中屯、点16出于S角测量的目的可W被处理为由换能器发出的波前的数学原点。 同样还可W应用于凸起的(碗状)换能器。
[0141] 图4图示了包括压电材料壳体14和包围壳体14的凸起侧的声学支撑材料34的碗状 表观点源换能器30的实施例。如同上文所描述的圆顶状换能器一样，由碗状换能器产生的 超声波前的表观点源将是球面中屯、16。在碗状换能器的情况下，可W期望将壳体14构造为 不大于半个球体的球形盖。因此，在一些实施例中，碗状换能器30的凹进表面32小于半个球 体。运种形状的球面中屯、和因此的表观点源可W位于换能器的范围W下。
[0142] 在其中活的人或动物的组织待被成像的情况下，可W期望阻止碗状换能器的表观 点源（即，在其中超声波会聚的球形中屯、点）距离活体组织太近或该活体组织内部出现。在 一些实施例中，运可W通过选择适当的球形盖的尺寸和/或通过组装具有碗状表观点源换 能器的探头和一个或多个匹配层或厚度足W包括球形中屯、点的其它材料来实现。因此，在 一些实施例中，碗状表观点源换能器30的凹进区域可W填充有可W被选择为具有基本上匹 配待成像的介质的固有声音速度的声学禪合材料。该禪合材料(其还可W被称为匹配层)可 W包括任何合适的材料，诸如盐水溶液、甘油、丙二醇、硅氧烷(例如，RTV硅氧烷）、弹道明胶 或已知适合于在人类或动物的超声成像中使用的其它匹配层或透镜层材料。可替代地，材 料(诸如丙締酸类、玻璃、金属类、复合材料等)可W在用于机械、结构或其它非生命对象的 NDT(无损试验)成像的匹配层中使用。在一些实施例中，运样的匹配材料可W延伸超出换能 器壳体14的环形边缘足W包括球形中屯、点16,从而消除可能在成像介质内由在该点处会聚 的超声能量呈现的任何潜在风险。
[0143] 在一些实施例中，较大的表观点源换能器能够在成像介质中诱导更高能量波前。 一般而言，可W由表观点源换能器产生的最大能量或功率可W与换能器的表面面积成比 例。在特定应用中由换能器产生的实际功率可W通过变化幅度、频率、持续时间、占空比或 所施加的电压信号的其它特点来控制。因此，较大的表观点源换能器可W用来传送能量大 于更小的表观点源换能器的3D超声ping。
[0144] 表观点源换能器的精确尺寸可W部分取决于其中要使用它的应用程序。当超声信 号穿过所成像的材料时，超声信号衰减。因此，所传送的信号必须具有充足功率使它可W行 进到介质中、反射离开待成像的结构并且返回到功率足W使信号可W与噪声充分区分开的 接收换能器。因此，一方面，期望提供传送具有尽可能多的功率的超声信号的能力。另一方 面，实际因子可能限制可W在造成损伤(例如，对所成像的人类或动物患者)或损坏(例如， 对所成像的或测试的敏感材料或设备)之前安全地使用的功率水平。
[0145] 因为所期望的最大换能器功率可W与换能器的表面面积成比例，所W可W基于所 期望的换能器表面面积来选择表观点源传送换能器的球面半径和/或剪切高程。例如，长度 为14mm并且宽度为0.25mm的ID换能器元件的表面面积为3.5mm 2。如果期望制作等效的表观 点源传送器，则相同的表面面积可W用剪切高程为零并且球面半径约为0.75mm的球形盖表 观点源换能器的实施例来实现。在另一实施例中，相同3.5mm 2的表面面积还可W用球面半 径约为0.8mm并且剪切高程约为球面半径的10% (即，盖高度约为0.7mm并且剪切半径约为 0.78mm)的球形盖表观点源换能器来实现。
[0146] 在各种实施例中，各种属性(诸如换能器表面面积、剪切半径、球面半径、盖高度、 剪切高程等）中的任一项可W被用作设计起点。在一些情况下，可W期望具体的表面面积W 便实现所期望的传送功率水平。在下面的表1中提供了基于各种表面面积的表观点源几何 结构的各种示例。
[0147] 表1:用于表观点源超声传送器的球形盖几何结构
[0149] 可替代地，可W基于球体半径、盖高度、剪切半径或其它几何因子通过设计表观点 源传送器更容易地满足因子(诸如探头几何结构或预期成像目标）。
[0150] 表2:用于表观点源超声传送器的球形盖几何结构
[0152] 在其它实施例中，不同大小的表观点源换能器可W用于不同深度的成像。在一些 情况下，较大的换能器还可能易于受到制造变化影响。运样的变化可能导致产生非均匀波 前的换能器。在某些情况下，换能器表面不规则性可W对成像性能产生负面影响的程度可 能是所使用的超声波长的函数。例如，更高频率的超声(作为成像深度的函数，由于典型地 更大的衰减，所W通常最适合于相对较浅的深度成像)可能需要与更适合于更深成像的较 低的频率相比更准确的球形表面。术语"近场"通常可W是指最接近于换能器的图像平面的 区域。因此，在一些实施例中，相对较大的换能器可W用于对患者或对象的中间场和/或远 场区域进行成像，而相对较小的换能器可W用于对近场区域进行成像。
[0153] 例如，球面半径高达约0.75mm的较小的球形盖表观点源换能器可W很好地适合于 对近场区域进行成像，并且可W被配置成W用于相对较浅深度（例如，在人体组织中约5- 10cm)的成像的相对较高的频率(例如，介于约5MHz和约IOMHz之间或W上)传送。在其它实 施例中，相对较大的表观点源换能器(例如，球面半径介于约0.75mm和约6mm之间）可W很好 地适合于对稍微更深区域进行成像，并且可W被操作成W用于对相对较深的区域(例如，大 于10 cm)进行成像的相对较低的频率(例如，介于约1 MHz和约SMHz之间）传送。
[0154] 因此，在各种实施例中，用于与基于Ping的多孔径超声成像技术一起使用的表观 点源探头可W包含球面半径介于约0.2mm和大约IOmm之间或者更大的一个或多个球形盖表 观点源换能器。
[0155] 在一些实施例中，超声探头内的一个或多个表观点源传送换能器当在不同成像模 式下操作W便最佳W广泛范围的深度成像时，可W W不同的功率水平和/或不同的频率进 行操作。在一些实施例中，运可W通过成像系统的操作者手动选择运样的成像模式，并且在 其它实施例中，可W基于用于所选择的成像场景的预先编程的成像过程来自动地选择运样 的模式。
[0156] 压电材料和制造的示例
[0157] 如上文所描述的，圆顶状或碗状换能器可W采用呈截断的球形盖形状的压电材料 的薄壳体的形式。运种壳体可W由表现压电特性的任何材料制成。许多天然存在的和合成 的材料已知表现出可能具有适合于用于超声成像应用中的特点的压电特性。在基于Ping的 多孔径超声成像的情况下，超声Ping信号可W W在诊断医疗超声（例如，在约IM化到约 20MHz或者更大的范围内）常用的频率进行传送。因此，基本频率在该范围内的表观点源换 能器可W适合于用于基于Ping的多孔径成像中。
[0158] 天然存在的压电材料包括石英、黄玉和电气石，而人造压电陶瓷材料包括错铁酸 铅(PZT)、铁酸领、铅偏妮酸和聚偏二氣乙締(PVF2-不是天然压电材料但可W通过在强电场 的存在下加热制得）。一些人造压电陶瓷材料可W与非压电聚合物材料组合来制作压电复 合材料。
[0159] 表观点源换能器壳体(不论碗状还是圆顶状）的厚度可W直接与换能器的基本频 率有关。在某些情况下(例如，对于一些压电陶瓷材料），换能器壳体的厚度可W等于其对应 的基本频率的约波长一半、或者奇数个波长二等分(诸如3/2波长或5/2波长）。然而，取决于 所使用的材料，壳体厚度可W W不同方式与换能器的基本频率有关。制造过程还可能取决 于所使用的压电材料和其它因子变化。
[0160] 为了生产厚度大致恒定的球形截面壳体，如果要求壳体的厚度是半个波长，则对 于被配置成用于具体基本频率的表观点源换能器而言，可能存在最小尺寸。例如，大小用于 3MHz的基本频率的表观点源换能器的壳体厚度大约为l/4mm(假设声音速度约为1550m/s)， 并且最小外部直径约为1mm。在其它情况下，通过使用不同的材料，更小的外部直径可W是 可能的，从而设计用于不同声音速度应用等。
[0161] 在一些情况下，换能器本身的压电材料的声音速度特点可W具有方向特点（例如， 声音可W沿一个晶体轴比沿着另一晶体轴行进更快）。在运种情况下，表观点源换能器的形 状可W不同于理想的物理球体(和/或通过变化球体部分中的换能器材料厚度），W便制造 在待成像的材料中产生更均匀的球形截面波前的换能器。
[0162] 例如，天然的或人造的压电材料可W利用传统技术进行加工W便直接由材料块形 成所期望的形状。可W使用机械切割机、水射流或任何其它可用的加工技术执行运样的加 工。可替代地，